——应用性能在网络中意味着什么？
在谈到网络应用性能时，我们可能都认为是带宽太小了和网络拥堵造成的。我们可能都认为更高的速度和更少的流量会解决所有问题。在实践中，消除与网络有关的性能问题是数据通信中最复杂的任务之一。在这篇文章中，我们从应用性能分析的角度来研究带宽和拥堵之间的关系。
带宽
带宽是信号处理中的一个参数，它定义了传输或存储信号的主要频率成分在频谱中的区间宽度。带宽的特点是有一个下限和一个上限的临界频率。根据不同的应用，对这两个极限值有不同的定义，而且根据不同的背景，不同的带宽作为特征值存在。术语 “带宽 “被用来描述信号传输系统。
我们将带宽延迟定义为在消息(数据包)的第一个发送比特和最后接收的比特(数据包)之间发生的序列化的影响。对性能分析最重要的是我们所说的 “瓶颈带宽”。这表示连接在其最慢点的速度，是数据包到达目的地速率的主要影响因素。因此，对于每个数据包，序列化延迟是由连接速度给出的。例如，对于一个4Mbps的连接，串行化一个1500字节的数据包需要大约3毫秒。这种计算可以很容易地扩展到整个操作。我们确定连接上发送或接收的字节数，并将其乘以8位。然后我们用总和除以瓶颈连接速度。然而，我们必须考虑到非对称连接有不同的上游和下游速度。
有效带宽 = [发送/接收的字节数之和] x [8位] / [瓶颈速度]
一次操作（在2,048Kbit/s连接上发送100KB字节，接收1,024KB）的带宽影响计算如下。
上游带宽影响：[100,000 * 8] / 2,048,000] = 390毫秒
下游带宽影响：[1,024,000 * 8] / 2,048,000] = 4,000毫秒
为了达到更高的精度，应考虑到各自传输介质（以太网和广域网链接）的不同数据包头。数据包头的差异可以在每个数据包的8或10字节之间。
然而，带宽限制只影响有关操作期间的数据传输。每个传输的数据流都会因网络而经历额外的延迟。TCP流量控制和其他因素可能导致额外的延迟。随着组织的通信渠道的密集使用，其对网络延迟的敏感性也会增加。在实践中，可用的带宽减少了。然而，这一事实被延迟的增加所掩盖。
该功能是否使用了全部的可用带宽？这个问题不容易回答。最简单的方法是将每个方向的数据吞吐量绘制成图，将单向的吞吐量与相关链路的测量带宽进行比较，从而直观地了解可用带宽。如果答案是“是”，那么就必须在可用带宽中寻找运行瓶颈。如果答案是 “否”，则存在限制性能的其他限制。然而，这并不意味着带宽不是一个重要的限制。它只是意味着可能有其他因素阻止操作达到带宽的限制。
图1：FTP传输受10Mbit/s可用带宽的限制
网络资源通常在用户之间共享。如果在一条链路上传输多个连接，TCP流控制可以防止单个数据流消耗所有可用带宽。因此，可用带宽限制了吞吐量。
拥堵
当数据到达网络接口的速度超过媒介传输数据的速度时，就会出现过载。如果发生这种过载，要传输的数据包会被放在输出队列中。在这里，数据包一直保持到队列中所有先前的数据包都被发送完毕。网络中各个队列的延迟加起来就是端到端的网络延迟。这对所有的数据传输都有重大影响。数据密集型应用会受到往返延迟增加的影响，而正常应用则会受到TCP流量控制和拥堵避免算法的影响。
在数据流中，拥堵一开始会通过逐渐增加发送器的拥堵窗口（CWD）来减少TCP慢速启动算法的值。此外，增加了带宽延迟乘积（BDP）的延迟分量，这增加了接收器的TCP窗口被完全利用的概率。
如果网络拥堵加剧，队列可能会填满其中一个路由器的缓冲区。如果传入的数据包超过了队列的存储容量，额外的数据包必须被丢弃。路由器中已经实现了各种算法，确定哪些数据包应该被丢弃。这些算法可能会导致拥堵分散在几个连接上，或者只有低优先级的流量受到影响。如果TCP检测到这些丢弃的数据包，总是假设过载是可疑的原因。数据包丢失导致发送的TCP将其拥塞窗口减少50%，这时慢速启动算法在避免拥塞阶段又逐渐增加。
网络路径的延迟最小。从理论上讲，这是基于两个部分：链路的延迟(距离)和路由的处理延迟。这通常称为路径延迟。超过这个数字的任何延误都可以归因于拥堵。
测量拥塞数据包的最准确方法是在客户端和服务器站点收集数据，然后合并两个跟踪文件并生成事务跟踪。该方法确保了所传输的每个数据包的准确发送和接收时间戳。然后，我们可以分析事务的运行时。如果传输时间高于最小检测值(如果该值高于路径延迟)，则可能存在交通拥塞。这是基于最小观测运行时间等于路径延迟的假设。
过载可以借助于时间图来表示。这张图显示了最小、平均和最大延迟之间的差异。你可能会发现非常短暂的拥堵，只影响一小部分数据包。你也可能发现较长时间的过载影响到数据流中的大部分数据包。下面的时序图说明了这些情况。
图2：数据包吞吐时间的表示。平均运行时间为103毫秒，仅比最小路径延迟高3毫秒。
图3：流量拥堵的表示；路径中的传输时间为5毫秒，平均传输时间为141毫秒，最大传输时间超过1000毫秒。
纠正措施：带宽和流量限制
消除纯粹的带宽限制很容易：你只需增加物理基础设施的带宽。在逻辑层面上（在应用中），提高吞吐量往往更复杂。
数据压缩是减少数据的一种方法。缓存和瘦客户端解决方案也可以提供帮助。
过载可以通过类似的方式来消除。另外，也可以使用优先权来确保某些数据流在网络中优先传输。
我们如何监测和管理网络中的拥堵？
在接下来的一篇文章中，我们将分析丢包的影响，并介绍TCP慢速启动算法和拥堵窗口。
