计算机网络延时机理解析

孙顶战

内蒙古广播电视网络集团有限公司乌海分公司 内蒙古 乌海市 016000

信息从信源到信宿的传递是需要一些时间的，信号延时是任何通信网络固有的一种现象，也是一项非常重要的通讯网络技术指标。本文对计算机网络的数据包延时的产生机理进行一些分析，以便在具体工作中更准确地了解网络状况。

延时是计算机网络一个非常重要的参数，直接影响用户上网体验。有时感觉打开网页慢，不是因为带宽不足，而是延时过大造成的。一个小延时低带宽的网络可能会比大延时高带宽的网络让用户体验更好。所以在计算机网络规划建设和维护中要特别重视延时指标。

目前，随着10Gbps、100Gbps 光纤高速以太网、Epon 等技术的发展，计算机网络用户终端的带宽大大增加，1000M 入户带宽已进入商用，带宽已经不是制约用户体验的主要因素。尽量减小延时成为提高计算机网络质量、提升用户体验的非常重要的一项工作。

减小延时要从减小突发延时和常态延时两方面来考虑。计算机网络数据包的延时基本上可以分为两大类，一种是网络在正常状态下的延时，可以叫做常态延时；一种是网络出现拥塞、接入网指标劣化、设备故障等造成的延时，可以叫做突发延时。

1 常态延时

常态延时由传播延时、发送延时、处理延时和排队延时组成。

（1）传播延时是数据包在传输媒介中传播所用的时间。计算机网络的传输媒介有空气、铜线电缆、光纤等。各种媒介传播速度如表1所示。

一个数据包通过100 公里的光纤线路的传播延时是0.5ms。可以说在城域网和局域网范围内的传播延时是可以忽略不计的。传播延时主要产生在广域网中。1000 公里光纤线路的延时为5ms，可以接受。若光纤线路达到2000 公里以上，传播延时将达到10ms 以上，如果再加上跨运营商的防火墙、路由器等各个环节产生的发送延时、处理延时和排队延时，用户会有网速稍慢的感觉。从传播延时的角度也可以看出建设网站镜像和CDN的重要性。如果城域网内有网站镜像和CDN，传播延时可忽略，问题是投资将很大。

（2）发送延时是主机、交换机、路由器等设备发送数据包所用的时间。发送延时等于数据包长度与带宽的比值。图1为在同一台PC上分别用150字节和15000字节ping DNS服务器的RTT情况比较。

表1

图1

可以看出用 15000 字节 ping 的 RTT 比用 150 字节ping 多了3ms。多出的延时主要是由于15000 字节数据包较长，使得发送延时变长而引起的。

（3）处理延时是路由器对数据包进行寻址等处理所用的时间。路由器接收数据包后，先对链路层进行检查处理，然后检查网络层分组头，确定转发地址，将数据包送至相应的输出端口。

（4）排队延时是数据包在路由器输入输出队列中等待处理或转发所需要的时间。在网络繁忙时，排队延时相应增大。

数据包分组每通过一台路由器都会产生发送延时、处理延时和排队延时。路由协议会尽量给分组选择路由环节少的路径。

减小常态延时的一个重要措施是缩短目标服务器与用户端的距离和减少目标服务器与用户端的路由环节，这样就减少了传播延时、发送延时、处理延时和排队延时。目前，减小常态延时的最好方法是靠近用户端建立镜像服务器和CDN内容分发网络，虽然成本较高，但提升用户体验的效果非常好。

因为发送延时等于数据包长度与带宽的比值，所以提升路由各环节的带宽，也可减小发送延时。

2 突发延时

突发延时是网络中出现拥塞、接入网物理链路指标劣化等情况时，数据包传输延时的额外增加。

当网络中的数据量大于网络可承载的容量时就会发生拥塞，路由器输入输出队列中会有大量数据包等待处理或转发，队列存储空间占满后，许多数据包会被丢弃。这时，TCP 发送端收不到确认包，将启动超时重传机制，加剧拥塞。

TCP 协议本身有拥塞控制机制，但只能起到缓解作用。减少拥塞造成的网络延时需要从管理和规划上想办法。

拥塞是由于数据量过大所致。避免拥塞的根本途径是合理规划网络带宽、预留故障冗余和严控广播风暴。

网络中的流量是变化的，这由用户的使用习惯决定，通常晚上和节假日流量大。一般情况下，网络的带宽利用率控制在50%以下为宜，利用率历史最大峰值不能超过80%。流量过大的线路要及时增加带宽，降低利用率。

另外，要严格控制广播风暴的产生。广播风暴产生巨量无用数据，必然会导致拥塞。控制广播风暴要做好隔离配置，还要做好操作规程管理，避免误操作造成环路。

接入网物理链路指标不良也会产生突发延时。比如，HFC 网上下行信噪比过低会产生较大延时；无线路由器故障或移动终端距路由器过远也会产生较大延时。

图2分别为一台笔记本电脑与故障无线路由器和正常无线路由器之间ping 测试情况。

图2

可以看到故障路由器ping 测试RTT 变化很大。RTT 最小为1ms，最大为超时。

接入网物理链路指标不良是目前影响用户体验的一个主要因素，优化接入网技术指标是网络工程师的一项重要工作。