网络系统中有哪些产生延迟的因素及互联网系统中如何减少网络延迟正文,终稿1

1、网络系统中有哪些产生延迟的因素互联网系统中是如何减少网络延迟的（技术点分析）（正文）研究背景我们喜欢玩大型网游，要求其具有高质量的画面、极速的体验，然而，我们时不时发现游戏加载的速度越来越慢、 画面越来越卡。通过查阅资料，我们得知了现象背后的实质原因一一 网络延迟。随着使用internet的用户数量、规模、对网络依赖度的急剧攀升，人们对网络的 高性能、低延迟、模式要求越来越高。网络不仅要承载巨大数据业务，还要承载多媒体语音、视频、金融等实时业务。服务器性能不足、系统设计缺陷和传输等相关问题导致了大量网络 延迟严重影响了用户体验。这篇关于网络延迟的分析，是建立在我们对网络延迟的现有了解上的。框架

2、（关键点）.什么是网络系统的总体架构概念构成.什么是网络协议概念网络协议的形式化分析与设计协议的形式化模型Petri 网模型协议的时态逻辑模型通信进程演算模型协议的形式化设计与验证协议的性质描述网络协议的测试.网络延迟什么是网络延迟概念定义网络延迟的分类路由延迟排队延迟产生网络延迟的因素服务器计算能力低传输饱和导致延迟网络延迟的处理方案优化服务器，调整网络布局提高主干网速度优化服务器系统设计，提高计算能力.容迟网络路由算法概念分类性能评价从容迟网络的角度来考虑减小网络延迟.网络软件客户端个人终端中间件.网络硬件加速高速路由器技术关键正文（姚老师提到我们组存在资料简单堆砌的问题， 我们组员方面都

3、表示自己在仔细 阅读资料的时候，找到很重要的东西，可以连贯起来，但是不知道如何用自己的 语言来进行科学的描述，只能将自己觉得对主题很重要的东西来进行串联，再加上自己语言的贯通，希望老师能理解。我们的组员都付出了很多努力。）.网络系统的总体架构概念网络系统总体架构狭义地讲，就是计算机网络的各层及其协议的集合。网络上的每一层功能都是由该层的协议和服务来实现的。具体地说，就是为完成计算机之间的通信合作，把每个计算机互连的功能划分成定义明确的层次，规定出同等层进程间通信协议和相邻层之间的接口及服务，将这些分层模型、同等层进程通信协议规范和相邻层接口服务规范等的集合统称为计算机网络体系结构。构成网络系统

4、，主要由计算机系统和终端、通信处理机、通信线路和通信设备、操作系统、网络 协议构成。此外，我们认为，网络软件在本方面也有及其重要的作用。 将在第5节做详细分 析。.网络协议概念网络协议是规定在网络中进行相互通信时需遵守的规则，只有遵守这些规则才能实现网络通信。每个计算机网络都制订一套全网共同遵守的网络协议，并要求网中每个主机系统配置相应的协议软件，以确保网中不同系统之间能够可靠、有效地相互通信和合作。例如，网络中 一个微机用户和一个大型主机的操作员进行通信，由于这两个数据终端所用字符集不同，因此操作员所输入的命令彼此不认识。当然，对于不相容终端，除了需变换字符集字符外。其他特性，如显示格式、行

5、长、行数、屏幕滚动方式等也需作相应的变换。为了能进行通信，规定每个终端都要将各自字符集中的字符先变换为标准字符集的字符后，才进入网络传送，到达目的终端之后， 再换为该终端字符集的字符。网络协议的形式化分析与设计一套完整的，能够确保计算机网络可以顺利进行数据通信的网络协议要包括下边的五点基本 要素：(1)协议所提供的服务。(2)对协议运行环境所进行的假设。用来实现协议的消息词汇。对该词汇中每个 消息的编码。用来控制消息一致性的过程规则。实现计算机之间高度自动化数据通信的网络协议一般都会极其复杂。借鉴对复杂系统问题分析研究的思想，分层结构对于理解和设计网络协 议有着重要的作用。“七层”协议结构模型

6、是目前网络协议的标准体系结构，也成为了网络协议开发的基础。协议的形式化模型协议分析和设计其中一项核心技术就是形式化模型。网络协议的形式化规格可以在形式化模型的基础上实现，从而为协议的形式化分析与验证、协议综合、协议测试、以及协议实现等 提供良好的基础。形式化模型包括以下几点。Petri 网模型Petri网是一种适合于并发、异步、分布式系统描述与分析的图形数学工具。Petri网已成为网络协议分析和设计的典型形式模型之一。它作为系统描述和分析的工具 ，除了具有静态结构外，还包括了描述系统 动态行为的机制。这一特征是通过允许位 置中包含令牌，令牌 可以依据迁移的引发 而重新分布来实现的。协议的时态逻

7、辑模型时态逻辑是模态逻辑的扩充 ，它涉及 含有时间信息的事件、状态及其关系的命题、谓词和演算。要描述一个协议，首先要 标识系统中的个体常量，定义变量，表达命 题、谓词函数。通信进程演算模型通信进程演算是计算机通信系统的基本理论模型，它也是许多形式化语言的基础。通信进程演算的基本成分是事件与进程，而进程是通过顺序、选择和并行三个基本算子来定义的。一般用大写字母来表示进程，用小写字母来表示事件。协议的形式化设计与验证协议的设计验证是对协议的功能和性能进行校验的过程，是保证协议开发质量的必要环节。协议形式化验证首先需要对协议性质进行系统的语言描述，然后基于协议的形式模型或者形式语言进行描述，通过适当

8、的技术对协议性质进行分析校验。协议的性质描述设计网络协议的目的就是设计出的协议要满足功能和性能。一方面，协议本身应用问题的特征性对协议的功能和性能具有特殊的要求；另外一方面，协议的功能和性能所拥有的协议的性质，是独立于问题的一般性要求。协议的性质包括活性、安全性、一致性、完备性、可恢复性和有界性六方面。(1)活性就是指无死锁性，如果在协议运行时候发生一些好事，就叫协议的活性，像发生预定的事情，能够到达指定的协议状态，可以进行应该进行的协议活动等都是协议的好事情。协议的终止性和进展性两反面可以体现协议的活性。也就是说具有终止性和进展性的协议就拥有活性。如果协议能够在从任何一状态下开始运行都能正确

9、的到达终止状态，就是协议的终止性。终止状态在某 些情况下也会和初始状态是同一个。所以协议总能从初始状态开始 运行然后正确的回到初始状态，并可反复运行，这就 是协议的可重复性，即可重复性=终止性+进展性=活动性。(2)安全性就是没有坏的事情出现在协议运行的时候。像不可接收事件、不可进一 步向前的状态、错误的行动、错误的条件、 变量值越界等都是坏的事情。坏事情一般 会导致死 锁和活锁两种情况发生。一致性就是指协议的服务行为和协议行为保持一致。像协议需要为用户提供的所要 求的业务和不用提供用户没有要求提供的业务都体现了协议的一致性。(4)完备性，协议拥有完全符合协议环境各种要求的性质，也就是在考虑了

10、用户要求、用户特点、通道性质、工作模式等各 种潜在影响因素之后构建的协议构造，同时兼备考虑各种错误事件以及异常情况的处理。（5）可恢复性是指当协议出现差错后，协议本身能否在有限的步骤内返回到正常状态下 执行。可恢复性是和可重复性相关联的一个性质。（6）有界性是与协议中的变量和参数有关的一个性质，用来衡量协议中的变量和参数是否超过其限定值。网络协议的测试测试是保证网络协议质量的一个重要手段，是协议实现过程中的一种实验活动。尽管测试并不能完全证明协议实现的正确性，但是在系统的测试活动检查下，可以把协议在实现过程中出错的概率降低到实际应用可以接受的程度。相对而言，基于有限状态机模型的协议测试方法有比

11、较高的错误覆盖率。然而，在实际中协议规格的状态机模型并不满足对有限状态机的假设，即便满足，相应的测试生成算法也太复杂，生成的测试序列也太长，测试成本太高。随着各种各样的有限状态机规格的广泛使用 ，借助于软件数据流测试的思想 ，基于数据 流的协议测试序列生成方法相应得到了研究应用。数据流测试通常基于有向数据流图。 在理想情况下，测试所有可能的输入数据将提供最完全的程序行为信息，而在实际测试中，通常选择一个可以代表整个输入域的子集。总结：形式化方法是基于严密的、数学上的形式机制的系统研究方法。客观 地讲，有了数学的应用，就有了形式化的方法。迄今为止，形式化方法成功地应用 于空中交通管制系统、铁路信

12、号系统、核电站控制 系统、通信系统、医疗监护 系统、硬件电路 等诸多领域。网络协议的形式化分析和设计正在向完善化、系 统化、自动化和标准化方向发展。3.网络延迟什么是网络延迟概念指各式各样的数据在网络介质中通过网络协议（如TCP/IP）进行传输，如果信息量过大不加以限制，超额的网络流量就会导致设备反应缓慢，造成网络延迟。定义（网络延迟PING值越低速度越快）130ms：极快，几乎察觉不出有延迟，玩任何游戏速度都特别顺畅3150ms：良好，可以正常游戏，没有明显的延迟情况51100ms：普通，对抗类游戏能感觉出明显延迟，稍有停顿100ms：差，无法正常游戏，有卡顿，丢包并掉线现象计算方法：1秒=

13、1000毫秒（例：30ms为0.03秒）网络延迟的分类对用户来说，对用户来说，网络延迟是指用户发出请求到远端系统对该请求作出响应传 回给用户的这一段时间。对基于TCP/IP协议的Internet来说，对每一请求都要作如下处理路由处理、ADU（用户数据单元）在网络上传输以及服务器对请求进行处理，这些过程都会引起延迟。其实主要就是：路由延迟首先来看路由延迟,它包括域名请求延迟、TCP连接建立延迟、TCP连接释放延迟和 IP 在各个网关上的寻径延迟。若用户应用中使用的是对方主机的域名而不是IP地址，在应用程序通信之前应解析出对方的IP地 址，域名解析过程引起的延迟称作域名请求延迟。应用程序将域名交给

14、本地解 析器软件，该软件首先在本地缓存区中查找相应域名一一一地址联编；如找不到，本地解析器构造一个询问报文，发往初始域名服务器（本地服务器），域名服务器根据解析情况回答 一个响应报文。域名服务器解析采用二步法：当初始服务器找不到 该域名时，则将询问报文发往根服务 器,进行自顶向下的搜索（域名服务器组织成树形层次结构 ）。本地缓存 区对域名请求的响应 延迟是由CPU、内存、外存速度 决定的，该延迟相对来说很小。域名服务器的响应与网络负载、服务器的速度和负载有关。当需要从根服务器开始查找域名时，传输延迟则成为 LAN 上的延迟，此延迟相对较大。排队延迟它是分组交换网中的主要延迟，它指的是PDU在传

15、输路径上每交换一次所引起的缓 冲延迟的集合。在先进先出队列机制的交换中，新到达的分组的排队延迟等于已在该输出端 口上排队的所有分组传送延迟的总和。所以排队延迟既与队列前面的分组数量有关，也与输出端口的传送速度有关。作为主要延迟的排队延迟受当前网络负载影响，它也是分组交换网中延迟变化的主要因素。由于I网络主干网上每个路由器都有大量的数据包排队，排队延迟也成为网络上的主要延迟。如若经过10个路由器，每个路由器平均有 10个IP数据包排队，在这条路径上的 排队延迟能够达到上百毫秒。如果分组交换临时过载的时候 ，每一个PDU的目的输出端口上可能有许多分组排队出现 队列中位于PDU前的每一个分组都会产生

16、一个等于传送延迟的附加延迟。这也就造成了排 队延迟。产生网络延迟的因素服务器计算能力低在网络中，服务器为用户提供资源一一如CPU网络、数据、通信等一一如果服务器性能过低，那么执行相关操作的时间将很大，若是相对地来讲来说， 那么在网络传输上花费的时间可忽略不计。由此，可以根据木桶原理得出，如果网络延迟的瓶颈是服务器，即使增加网络性能，延迟也不会变化。同时，在服务器的整体性能中系统设计也起着举足轻重的作用。 服务器系统设计不合理、计算能力低是导致网络延迟的一个重要原因。因此需要从服务器的整体性能系统设计为一个出发点来突破。传输饱和导致延迟11* *W. irpt-i网酬利用串图1以太网利用率与响应

17、时间关系网络延迟收!|由图1可知，当利用率超过 60%,网络延迟便会出现指数倍增长。在实际生活中，如果 网络利用率长期大于 60%并连续性出现网络阻塞（“如网络连接错误”），即应该考虑长时 间的阻塞导致服务器死机、网络崩溃及其他问题并应该及时处理。若偶尔存在几个瞬间时间段超过60%,网络响应也能正常工作。导致传输饱和的主要原因有：.不合理的网络拓扑结构.某个应用对网络的“垄断作用”.用户数量超过了原始设计容量3.4网络延迟的处理方案优化服务器，调整网络布局.优化网络拓扑结构，少使用单一网络布局。对于大部分网络，首先应该保证当部分网络发生故障、阻塞时，应该有能选择备选线路继续提供网络服务的能力（

18、效率不一定最优），避免网络的彻底瘫痪；其次，当网络拓扑结构传输效率低时，应考虑对网络结构进行改造，并避免集线器的深层级联；对于采用树形、总线型、星型拓扑结构的网络，应根据实际情况对某些重要节点进行调整，减少层次，升级和平衡重要节点；第三，做好网络拓扑布局中服务器、链路、路由、节点同时故障导致的应急措施。.减少网络广播为了均衡网络负载，应合理控制网络流量，根据流量来调整、增加服务器。在通信集中且需要较高宽带的，应合理规划和布局访问路径，或考虑单独组网以缩短网络的响应时间。.4.2提高主干网速度主干网是子网通信之间重要的共享信道，它必须能提供足够的带宽。如果瓶颈是主干网带宽，则必须提高主干网带宽，

19、 升级原有因特网技术，或制定新的因特网技术标准，以突破 现有带宽瓶颈。.4.3优化服务器系统设计，提高计算能力首先，服务器的性能决定了网络的整体性能。 根据木桶原理，提升服务器性能除配置高 速CPU外，还应该提升内存 RAM容量及频率、总线、硬盘及 I/O带宽等影响数据吞吐量的 关键硬件，并做好系统的优化设计。其次，避免使用未被公认、 公开的内部协议、 标准。不在网络上运行太多的协议。同时,在满足网络通信需求的情况下，应选择低标准通用协议。第三，对于庞大、功能复杂的综合型网络系统，应考虑增加相应功能的服务器来分担相7应负载，并避免混合使用实时应用程序，以免产生大量应用程序缓存数据。此外，网络上

20、的很多服务无法高效地共存于一台服务器上，或有的服务无法同时使用， 甚至是需要重新启动才能使用另一种服务，因此，服务器的系统设计、 配置要根据网络上的服务种类的使用、需求做合理的调整。与传统的网络相比，容迟网络的拓扑动态变化，节点间没有稳定的传输路径 ，甚至可能在 任意时刻都没有一条完整的传输通路，使得那些依赖于稳定传输路径的传统Ad hoc网络路由机制难以发挥作用，因而，在容迟网络中，报文传输往往是以“存储-携带-转发”的方式完 成的。容迟网络的路由算法也是值得作为研究点去突破的。4.容迟网络路由算法概念延迟容忍网络(Delay Tolerant Network , DTN),又称容迟网络，是

21、指一类特殊的网络，在 该网络中，端到端的路径通常很难建立，网络中的消息传播具有很大的延时，使得传统因特网上基于TCP/IP的协议很难适用于该网络。容迟网络路由算法的分类从网络模型的角度来看，容迟网络可以分为主动移动的容迟网络和被动移动的容迟网 络。在主动移动的容迟网络中，存在一些可以控制自身移动路线的节点，游走于相互分隔的网络节点或区域之间，以“存储-携带-转发”的方式协助网络传输报文。面向这一类容迟网络的 路由算法则主要是为这些节点规划最优的移动路线。在被动移动的容迟网络中，节点不能控制自身的移动，而只能按照一定的移动模型进行 移动。根据节点的移动模型，可以将这一类容迟网络的路由算法分为面向

22、确定或半确定移动 模 型的路由算法和面向随机移动模型的路由算法.面向确定移动模型的路由算法中，节点可以预知网络拓扑的动态变化，从而选择最优路径转发报文。面向随机移动模型的路由算法中 网络拓扑的变化往往具有随机性，节点通常采用复制的策略来转发报文。而面向半确定移动 模型的路由算法则介于两之间.从路由策略的角度来看，容迟网络路由算法可以简单地分为复制策略的路由算法和转发 策略的路由算法。复制策略的路由算法以复制的方式转发报文，网络中有同一报文的多个副本在传输。转发策略的路由算法沿着最优路径逐跳地转发报文，网络中只有一个报文的副本在传输。目前，无论是基于复制策略的路由算法还是基于转发策略的路由算法，

23、主要还是针对被动移动模型下的容迟网络路由问题提出来的。从网络模型的角度来看，面向主动移动模型的路由算法能够利用节点的移动性协助网络 中的报文传输。一般情况下，这些的算法主要是在已知部分节点部署的情况下，通过节点间的协作来规划主动移动节点的移动路线，但如何通过深入的理论分析将算法的优化目标进行量化使其能够具备一定的服务质量，以及如何提高算法的可扩展性、鲁棒性、自适应性和智能 性等还需要进一步的研究。在面向被动移动模型的路由算法的研究方面，目前针对几个常用的随机移动模型已取得了一定的理论研究成果，对于分析路由算法的性能有着非常重要的指导作用。但是由于真正面向实际应用的容迟网络往往不符合这些随机移动

24、模型，因而需要对实际容迟网络中的节点移动数据进行分析、建模，而目前相关的研究还非常有限。容迟网络路由算法的性能评价容迟网络路由算法往往以提高报文传输的成功概率,降低传输延迟，减少能量、缓存等资源的消耗为优化目标，主要包括以下性能评价标准：传输率，是指在给定时间内网 络中成功传输到目的地的报文数量与所有源节点发出的 不同报文的总数之比。在容迟网络中，报文传输往往存在较大的延迟 ，使得报文可能在生存期内无法传输到目的地而造成传输失败。另外，报文在传输过程中也可能会由于传输容量或节点缓存容量受限而被策略性地丢弃，造成传输失败。容迟网络中报文传输的失败率通常会明显地高于传统网络.因而，传输率被作为一个

25、重要的性能指标来评价路由算法的可靠性。传输延迟，指报文从源点被成功传输到目的地所需的时间.尽管容迟网络能够容忍报文传输存在一定的延迟，但大多数的应用仍然强调传输的时效性.而且，传输延迟越小，越会尽早地释放所占用的网络资源 ，提高网络资源的利用率。因而 ，端到端传输延迟也是容迟网络路 由算法的重要性能指标。从容迟网络的角度来考虑减小网络延迟如果一个 WEB服务器只能在1分钟里处理1个主页请求，1个以外的其他请求必须排 队等待，而这一个请求必须要3分钟才能处理完，同时这个WEB服务器在1个小时以前可以访问到，但一个小时以后却连接不上了，这种WEB服务器在现在的Internet计算环境里是无法想象的

26、。现在的WEB服务器必须能够同时处理上千个访问，同时每个访问的响应时间要短，而且这个 WEB服务器不能停机，否则这个 WEB服务器就会造成访问用户的流失。从此种角度来考虑减小网络延迟的话，服务器硬件必须具备如下特点：.性能，使服务器能够在单位时间内处理相当数量的服务器请求并保证每个服务的响应时间.可靠性，使得服务器能够不停机；.可扩展性，使服务器能够随着用户数量的增加不断提升性能。因此我们说不能把一台普通 的PC作为服务器来使用，因为， PC远远达不到上面的要求。这样我们在服务器的概念上又 加上一点就是服务器必须具有承担服务并保障服务质量的能力。这也是区别低价服务器和PC的差异的主要方面。容迟

27、网络所取得的突破性的进展与研究成果是不能被否认的，但是在理论研究面向实际应用方面还有很大的研究空间，因为路由问题的研究非常的具有挑战性而且它也是关键之所在。根据现有的成果分析总结。应该从以下几个方面来作 为解决点：1）路由算法性能评价的模型化和量化；2）复制策略和转发策略相结合的路由算法及相关理论研究；3）基于社会网络的容迟网络路由算法和相关的理论研究 ；4）针对实际容迟网络中的 节点移动数据进行分析、建模,以及相关的理论和算 法 研究等。.网络软件在网络软件方面，我们同时考虑客户端（软件公司），和个人使用终端两个方 面。计算机网络分为用户实体和资源实体两种基本形式。用户实体（如用户程序和终端

28、等）以直接或间接方式与用户相联系， 反映用户所要完成的任务和服务请求。 资源实体（如设备、 文卷和软件系统等）与特定的资源相联系，为用户实体访问相应的资源提供服务。客户端或称为用户端，是指与服务器相对应， 为客户提供本地服务的程序。除了一些只在本地运行的应用程序之外，一般安装在普通的客户机上，需要与服务端互相配合运行。对于这一类应用程序， 需要网络中有相应的服务器和服务程序来提供相应的服务，如数据库服务，电子邮件服务等等， 这样在客户机和服务器端，需要建立特定的通信连接，来保证应用程序的正常运行。客户端及伺服端的关系不见得一定建立在两台分开的机器上，同一台机器中也有这种主从关系的存在。提供服务

29、的伺服端及接受服务的客户端也有可能都在同一台机器上，这样在同一台机器上就同时扮演伺服端及客户端。服务器端整个服务器系统就像一个人，处理器就是服务器的大脑，而各种总线就像是分布与全身 肌肉中的神经，芯片组就像是脊髓。对于一台服务器来讲，服务器的性能设计目标是如何平衡各部分的性能，使整个系统的性能达到最优。如果一台服务器有每秒处理1000个服务请求的能力，但网卡只能接受200个请求，而硬盘只能负担150个，而各种总线的负载能力仅能承担100个请求的话，那这台服务器得处理能力只能是 100个请求/秒，有超过80%的处理器计算能力浪费了。由于服务器在网络中提供服务，那么这个服务的质量对承担多种应用的网络计算环境是非常重要的，承担这个服务的计算机硬件必须有能力保障服务质量。这个服务首先要有一定的容量，能响应单位时间内合理数量的服务器请求，同时这个服务对单个服务请求的响应时间要尽量快，还有这个服务要在要求的时间范围内一直存在。中间件是提供系统软件和应用软件之间连接的软件，以便于软件各部件之间的沟通，特别是应用软件对于系统软件的集中的逻辑，是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。通过中间件，应用程序可以工作于多平台或OS环境。中间件是一类软件，而非一种软件；中间件不仅仅实现