【25软考网工笔记】第二章 数据通信基础（2） 信道延迟计算

一、信道延迟

1. 线路延迟

1）线路延迟与传输距离的关系

• 线路延迟: 线路延迟与传输距离成正比，距离越长，线路延迟越大。

2）光纤线路与电缆线路的传播速度

• 光纤线路传播速度: 约等于光速30 0000km/s=300m/us，即30万公里每秒（3×10^8米/秒）。
• 电缆线路传播速度: 一般为光速的67%,20 0000km/s=200m/us ，即20万公里每秒（2×10^8米/秒）。

3）线路延迟计算示例：1000米电缆的延迟

• 计算方法: 延迟 = 传输距离 / 传播速度。
• 示例: 1000米电缆，传播速度为200米/微秒，延迟为1000÷(200)=5微秒。
• 单位换算: 1秒 =10^6微秒，因此5微秒 =5*10^-6 秒。
• 图解: 展示线路延迟计算过程，包括距离、传播速度和延迟的具体数值。

2. 发送延迟

1）发送延迟的定义与计算

• 发送延迟定义: 发送延迟是指数据从发送端开始发送到完全发送出去所需的时间，相当于数据“排队上车”的时间。
• 计算公式: 发送延迟 = 数据帧大小 / 信道速率。例如，100M线路发送1000字节数据，延迟为 1000∗8/(100∗10^6)=8∗10−5s=80us。
• 单位转换: 在计算中需要注意单位转换，如字节需转换为比特（1字节=8比特），速率单位也需统一（1M=10^6）。

2）发送延迟的影响因素

• 数据帧大小: 数据帧越大，发送所需时间越长，发送延迟越大。
• 信道速率: 信道速率越高，数据发送速度越快，发送延迟越小。例如，1G带宽的线路比100M带宽的线路发送延迟小。

3. 信道延迟的计算过程

1）换算单位

• 基础单位换算:
  • 1字节（B）= 8比特（bit）
  • 1秒（s）=10^3毫秒（ms）=10^6微秒（μs）
• 网络领域与存储领域的差异:
  • 网络领域：1K =10^3= 1000
  • 存储领域：1K = 1024 =2^10
• 网络带宽与存储容量:
  • 网络带宽：100Mbps =10^6=10^8bit/s（比特每秒）
  • 存储容量：1MB = 1024KB =1024×1024B =1024×1024×8 bit=2^23bit

2）发送延迟的计算

• 发送延迟公式: 发送延迟 = 数据量（bit）/ 信道带宽（bit/s）
• 实例计算:
  • 数据量：1000字节 =1000×8bit
  • 信道带宽：100Mbps =10^6bit/s
  • 发送延迟 =1000×8/(100×10^6)=8×10^−5 s=80 μs

3）线路延迟的计算

• 线路延迟公式: 线路延迟 = 距离（m）/ 信号传播速度（m/s）
• 电介质中信号传播速度: 通常取光速在电缆中的近似值，即200,000 km/s
• 实例计算:
  • 距离：1000米
  • 线路延迟 = 1000/(200000×10^3)=5×10^−6s=5μs

4）数据延迟的计算

• 数据延迟: 数据延迟 = 发送延迟 + 线路延迟
• 实例计算:
  • 数据延迟 = 80μs + 5μs = 85μs

4. 应用案例

1）例题

• 单选题(网工2018年5月)

2）例题

• 题型

• 100BASE-TX电缆，FX光纤
• 以太网最大传输MTU=1500B

3）例题

• 题型(计算以太网发送一帧所需时间)

4）例题

• 题型(网工2024年11月)

• MSS表示负载
• TCP序号是32位，表示数的范围为[0,2^32-1]。由于TCP一个序号表示一字节，因此L的最大值是2^32字节=2^10 * 2^10 * 2^10 * 2^2 B=4GB

5. 数据传输与信道利用率

1）以太网停等机制传输计算

• 题目与答案
  • 题目: 以100Mb/s以太网连接的站点A和B相距2000m，通过停等机制进行数据传输，传播速度为200m/us，求最高的有效传输速率。
  • 答案: B. 82.9Mb/s
• 题目解析
  • 以太网默认最大帧长为1518B，确认帧默认最大帧为64B
  • 数据帧发送时间:1518∗8/100Mb/s=121.44us
  • 数据帧传播时间:2000m/200m/us=10us（来回20us）
  • 确认帧发送时间:64∗8/100Mb/s=5.12us
  • 总时间:121.44us+5.12us+20us=146.56us
  • 有效速率:1518∗8/0.14656∗10−3=82.9Mb/s

  

  • 信道利用率:t1/(t1+t2+t3+t4)，其中t1是数据帧发送时间，t2是数据帧传播时间，t3是确认帧发送时间，t4是确认帧传播时间。

另一种计算方法：信道利用率

• 信道利用率: 真正用于数据传输的时间（t1）占总时间的比例。
• 计算: 信道利用率 =t1/(t1+t2+t3+t4) ，通过此利用率可反推有效传输速率。

2）信道利用率例题

• 题目
  • 题目: 假设主机A采用停等协议向主机B发送数据帧，数据帧长为1000字节，确认帧长为100字节，传输速率为10kbps，单向传播延迟为20ms，求主机A的最大信道利用率。
• 解析
  • 数据帧发送时间（t1）:1000∗8/10kbps=800ms
  • 确认帧发送时间（t2）:100∗8/10kbps=80ms
  • 传播时间（t3）:20ms∗2=40ms（来回）
  • 总时间:T=t1+t2+t3=920ms
  • 信道利用率:t1/T=800/920≈86.9%

  

  • 答案: D. 86.9%

3）卫星信道延迟

• 卫星高度: 地球同步卫星轨道高度约为35,786公里。
• 传播速度: 无线电波在真空中的传播速度接近光速，约为3×108m/s。
• 单程延迟: 从地面站到卫星的时间约为35,786,000/3×108≈119.3ms。
• 额外延迟: 考虑卫星和地面站设备的信号处理时间，额外延迟一般在20~30毫秒。
• 总延迟: 约为238.6ms+30ms≈270ms。

6. 星链为什么延迟低

1）传统同步卫星与星链卫星的对比

• 轨道高度: 传统地球同步卫星的轨道高度为35,786公里，而星链的低轨道高度仅为550公里，因此星链的传播延迟大幅降低。
• 传播延迟: 典型的星链传播延迟约为3.66ms，相比传统同步卫星，其延迟显著降低。处理延迟成为主要影响因素，综合延迟在25~99ms之间。

2）星链卫星的技术特点

• 频段选择: 低轨卫星采用Ku、Ka频段进行通信。
• 星座规模: 由于低轨卫星每个卫星覆盖的范围有限，为了覆盖全球，星座规模需要更大，即卫星的数量要更多。
• 链路损耗与时延: 由于低轨卫星离地面较近，线路损耗较小，通信时延也相对较低。

3）星链架构的简要说明

• 架构概述: 星链的架构包括卫星、关口站、地面终端和Internet连接。这种架构使得星链能够提供低延迟的互联网服务。
• 覆盖范围: 通过增加卫星数量来弥补每个卫星覆盖范围的有限性，从而实现全球覆盖。

7. 星链和4G/5G对比

1）星链、4G与5G的基本对比

• 延迟:
  • 星链：25-99 ms，理论最低1ms，实际应用约10ms。
  • 4G/5G：30-100ms，5G理论最高但实际应用中几十Mbps至1Gbps。
  • 分析：星链在低延迟方面表现优异，尤其适合对延迟敏感的应用。
• 稳定性:
  • 星链：服务可用性≥99%。
  • 4G/5G：受信号强度、基站分布等因素影响。
  • 分析：星链不受地面基站限制，稳定性更高，尤其在偏远或移动环境中。
• 适用场景:
  • 星链：家庭、商业、房车、移动设备等，全球覆盖。
  • 4G：主要针对移动设备。
  • 5G：主要针对移动设备，同时适用于物联网、自动驾驶等多种场景。
  • 分析：星链的覆盖范围更广，适用于更多场景。
• 覆盖范围:
  • 星链：全球覆盖（低轨卫星网络）。
  • 4G/5G：受基站分布影响（地面基站）。
  • 分析：星链实现了真正的全球覆盖，不受地域限制。
• 下载速度:
  • 星链：5-250 Mbps。
  • 4G：20-100 Mbps（实际应用中）。
  • 5G：理论最高20 Gbps，实际应用几十Mbps至1Gbps。
  • 分析：5G在理论速度上领先，但实际应用中星链也提供了可观的下载速度。
• 上传速度:
  • 星链：2-30 Mbps。
  • 4G：10-50 Mbps（实际应用中）。
  • 5G：理论最高10 Gbps，实际应用几十至几百Mbps。
  • 分析：与下载速度相似，5G在理论上更快，但星链也提供了足够的上传速度。

2）星链的优势与6G方向

• 星链优势:
  • 全球覆盖：不受基站限制，实现全球一体化通信。
  • 低延迟：相比传统卫星通信，低轨卫星延迟更低，适用于更多实时应用。
  • 价格优势：相比传统卫星通信，价格更低，更易于普及。
• 6G方向:
  • 全球一体化：6G强调全球覆盖和无缝移动性，星链是这一方向的重要技术。
  • 应用场景：6G将进一步拓展应用场景，包括海上通信、自动驾驶等。
  • 技术挑战：虽然星链在6G中有重要地位，但仍需解决技术挑战，如提高传输速率、降低成本等。

3）实际应用案例

• 航海通信：传统上，航海通信一直依赖卫星，因为公海等偏远地区无法建设基站。星链提供了稳定、低延迟的通信解决方案。
• 移动视频会议：在内蒙古大草原等偏远地区，星链使得移动视频会议成为可能，上传下载速率高，延迟低，满足远程协作需求。

二、知识小结