延遲

在電腦網絡中進行封包交換，封包從一台主機（源），通過一系列路由器傳輸，在另一台主機（目的地）結束它的行程。當封包從一個節點（主機或路由器）沿着這條路逕到後繼結點（主機或路由器）時，該封包在沿途的每個節點都經受了幾種不同類型的時延（Delay）。

節點處理時延（Nodal Processing Delay）、排隊時延(Queuing Delay)、傳輸時延(Transmission Delay)、傳播時延(Propagation)。而這些時延累加起來是節點總時延(Total Nodal Delay)。為了深入了解封包交換和電腦網絡，我們必須理解這些時延的性質和重要性。

檢查封包首部和決定將該封包導向何處所需要的時間是節點處理時延的一部分。處理時延也包括其他因素，如檢查位元級差錯所需要的時間，該差錯出現在這些封包位元從上游節點向路由器A傳輸的過程中。高速路由器的處理時延通常是微秒或更低的數量級。在這種節點處理之後，路由器將該封包引向通往路由器B鏈路之前的佇列。

在佇列中，當封包在鏈路上等待傳輸時，它經受排隊時延。一個特定封包的排隊時延將取決於先期到達的、正在排隊等待向鏈路傳輸的封包的數量。如果該佇列是空的，並且當前沒有其他封包在傳輸，則該封包的排隊時延為0。另一方面，如果流量很大，並且許多其他封包也在等待傳輸，該排隊時延將很大。到達組的封包數量是到達該佇列的流量強度和性質的函數。實際的排隊時延通常在毫秒到微秒級。

假定封包以先到先服務的方式傳輸——這在封包交換網絡中是常見的方式，僅當所有已經到達的封包被傳輸後，才能傳輸我們的封包。用L位元表示封包的長度，用R bps表示從路由器A到路由器B的鏈路傳輸速率。傳送時延是L/R。這是將所有封包位元推向鏈路所需要的時間。實際的傳輸時延通常在毫秒到微秒級。

一旦一個位元被推向鏈路，該位元需要向路由器B傳播，從該鏈路的起點到路由器B的傳播所需要的時間是傳播時延。該位元以該鏈路的傳播速率傳播，該傳播速率取決於該鏈路的物理媒介，其速率範圍是${\displaystyle 2*10^{8}-3*10^{8}\,}$ m/s，這等於或略小於光速。傳播時延等於兩台路由器之間的距離除以傳播速率，即傳播時延是d/s，其中d是兩台路由器之間的距離，s是該鏈路的傳播速率。傳播時延在毫秒級。

電腦網絡領域的新手有時難以理解傳送時延和傳播時延之間的差異，該差異雖說細小但是很重要。傳送時延是路由器將封包推出所需要的時間，它是封包長度和鏈路傳輸速率的函數，而與兩台路由器之間的距離無關。傳播時延是一個位元從一台路由器向另一台路由器傳播所需要的時間，它是兩台路由器之間距離的函數，但與封包的長度或鏈路的傳輸速率無關。

令${\displaystyle d_{proc}\,}$，${\displaystyle d_{queue}\,}$，${\displaystyle d_{trans}\,}$和${\displaystyle d_{prop}\,}$分別表示處理時延、排隊時延、傳輸時延和傳播時延，那麼節點的總時延由下式給定：

${\displaystyle d_{nodal}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}\,}$

這些時延成分所起的作用可能變化很大。一般而言，處理時延${\displaystyle d_{proc}\,}$通常是微不足道的。然而，${\displaystyle d_{queue}\,}$，${\displaystyle d_{trans}\,}$可能是${\displaystyle d_{nodal}\,}$的主要成分。

節點時延的最為複雜和令人感興趣的成分是排隊時延。事實上，排隊時延在電腦網絡中的重要程度和人們感興趣的程度，從發表的數以千計的論文和大量的專著可見一斑。 與其他三項時延（即${\displaystyle d_{proc}\,}$，${\displaystyle d_{prop}\,}$和${\displaystyle d_{trans}\,}$）不同的是，排隊時延對不同的封包是不同的。

判斷排隊延時的大小時，結果很大程度取決於流量到達該佇列的速率、鏈路的傳輸速率和到達流量的性質（即流量是周期性到達還是以突發形式到達）。

令a表示封包到達佇列的平均速率（a的單位是封包每秒，即pkt/s），假定所有的封包都是L位元組成的，則位元到達佇列的平均速率是La bps。而La/R被稱為流量強度，它在估計排隊時延的影響程度方面經常起着重要的作用。

如果La/R > 1，則位元到達佇列的平均速率超過從該佇列傳輸出去的速率。在這種不幸的情況下，佇列的增加將趨近於無界，並且排隊時延將趨向無窮大。因此，流量工程中的一條金科玉律是：設計系統時流量強度不能大於1。

現在考慮La/R ≤ 1的情況。這時，到達流量的性質影響排隊時延。例如，如果封包周期性到達，即L/R s到達一個封包，則每個封包將到達一個空佇列中，因此不會有排隊時延。另一方面，如果封包以突發形式到達而不是周期性到達，則可能有很大的平均排隊時延。例如，假定每L/R s同時到達N個封包，則傳輸的第一個封包沒有排隊時延；傳輸的第二個封包就有L/R s的排隊時延；更為一般地，第n個傳輸的封包具有(n-1) L/R s的排隊時延。

假設源主機和目的主機之間有N-1台路由器，並且該網絡是無擁塞的。那麼端到端時延為：

${\displaystyle d_{end-end}=N(d_{proc}+d_{trans}+d_{prop}\,}$)

• 電腦網絡
• 封包交換

• James F.Kurose, Keith W.Ross， 《電腦網絡:自頂向下方法》（原書第四版）,(Computer Networking: A Top-Down Approach Forth Edition, ISBN 978-7-111-16505-7)
• William Stallings, 《數據與電腦通訊》(DATA & COMPUTER COMMUNICATIONS, 6th Edt., ISBN 7-04-010043-6)

• 中國協定分析網 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• 谷歌 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）