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网络中光速与传播延迟(延迟的最后一公里)
99622017-11-30

正如爱因斯坦在他的狭义相?#26376;?#37324;所说的,光速是所?#24515;?#37327;、物质?#25176;?#24687;运动所能达到的最高速度。这个结论给网络分组的传播速度设定了上限。好消息是光速极快,每秒能达到299792458米(大约30万公里)。但是,别忘了还有个但是,这是光在真空中的传播速度。而网络中的分组是通过铜线、光?#35828;?#20171;质传播的,这些介质会导致传播速度变慢。光速与分组在介质中传播速度之比,叫做该介质的折射率。

这个值越大,光在该介质中传播的速度就越慢。传播分组的光纤,大多数折射率从1.4到1.6不等。不过,技术员们也在逐渐改进传播材料的质量,从而不断降低折射率。为简单起见,我们大?#25216;?#23450;光通过光纤的速度约为每秒200000000米,?#26434;?#30340;折射率约为1.5。值得一提的是,现在已经能够把折射?#24335;?#20302;到最大速度的一个很小的常数因子的范围内了!仅?#21496;?#22570;称一项了不起的成就。

?#27604;唬?#25105;们?#25925;?#19981;太习惯以光速为参照?#27492;?#32771;,因此下面给出了几个例子,?#21592;?#25105;们能够直观地想象。

真空与光纤中的信号延迟

光速已经很快了,尽管如此?#20248;?#32422;到悉尼的一个往返(RTT)也要花160ms。事实上,以上这些数字都是理想情况下的结果,因为我们假设传?#22836;?#32452;的光缆恰好是连接两个城市的一条完美的大弧形线?#32602;?#22320;球表面两点间最短的距离)。而实际上纽约和悉尼之间是没有这样一条线路的,分组旅行的距离?#26085;?#35201;长得多。这条线路中的 每一跳都会涉?#25226;?#36335;、处理、排队和传输延迟。结果呢,纽约到悉尼的实际RTT,大约在200~300ms之间。即便如此,?#25925;?#24456;快的,对吧?

我们都不习惯用ms来度量身边的事物,但研究表明:在软件交互中,哪怕100~200ms左右的延迟,我们中的大多数?#21496;?#20250;感觉到“拖拉?#20445;?#22914;果超过了300ms的门槛,那就会说“?#20174;?#36831;钝?#20445;?#32780;要是延迟达到1000ms(1s)这个界限,很多用户就会在等待响应的时候分神,有人会想入非非,有人恨不得忙点别的什么事儿。结论很简单:要想给用户最佳的体验,而且保证他们全神贯注于手边的任务,我们的应用必须在几百ms之内响应。这几乎没有给我们——特别是网络,留出多少出错的余地。若要成功,必须认真对待网络延迟,在每个开发阶段都为它设立明确的标准,也就意味着我们需要一款合适的服务器,诸如香港服务器一类的产品。

CDN(ContentDeliveryNetwork,内容分发网络)服务的用途很多,但最重要的就是通过把内容部署在全球各地,让用户从最近的服务器加载内容,大幅降低传播分组的时间。或许我们不能让数据传输得更快,但我们可?#36816;?#30701;服务器与用户之间的距离!把数据托管到CDN能够显著提高性能。

你说怪不怪,延迟中相当大的一部分往往花在了最后几公里,而不是在横跨大洋或大陆时产生的,这就是所谓的“最后一公里”问题。为了让你?#19968;?#20320;的办公室接入互联网,本地ISP需要在附近安装多个路由收集信号,然后再将信号转发到本地的路由节点。连接类型、路由技术和部署方法五花八门,分组传输中的这前几跳往往要花数十ms时间才能到达ISP的主路由器!根据美国联邦通信委?#34987;幔‵CC)发布于2012年年中的《美国宽带测量报告?#32602;∕easuringBroadbandAmerica),在通信高峰的几个小时内,光纤入户服务的平均往返时间为18ms,有线电视线路上网平均为26ms,DSL专线平均为43ms。

这里18~43ms的延迟测量的还只是ISP核心网络中与用户最近的节点,此时分组甚至都还没有启程呢!FCC的报告只?#20174;?#20102;美国的情况,但最后一公里的延迟却是世界任何一个角落的互联网提供商?#39184;?#38754;临的问题。如果你好奇,那只要一条简单的traceroute命令,就能知道上网服务商的拓扑结构和速度。

分组从森尼维耳市开始,跳到圣克拉拉,经过奥克兰,返回圣何塞,又被路由到“529Bryant”数据中心,从那儿才开始向谷歌服务器进发,最终在第11跳到达目的地。整个行程大约18ms,所有延迟都算上了,还不错。但与此同时,我们的分组几乎穿越了大半个美国本土!

最后一公里的延迟与提供商、部署方法、网络拓扑,甚至一天中的哪个时段都有很大关系。作为最终用户,如果你想提高?#32422;?#19978;网的速度,那选择延迟最短的ISP是最关键的。大多数网站性能的瓶颈都是延迟,而不是带宽!

traceroute是一个简单的网络诊断工具,可以列出分组经过的路由节点,?#32422;?#23427;在IP网络中每一跳的延迟。为?#19994;?#27599;一跳的节点,它会向目标发送一系列分组,?#30475;?#21457;送时的“跳数限制”都会递增(1、2、3等等)。在达到跳数限制时,中间的节点会返回ICMPTimeExceeded消息,traceroute根据这个消息可以计算出每一跳的延迟。在Unix平台上,可以在命令?#24615;?#34892;traceroute。而在Windows平台中,相应的命令叫tracert。

网络传播速度,网络延迟

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