Links（链路）¶
Link 的属性¶
现在我们已经了解 Internet 的各个 layer 是如何构建起来的，接下来关注一个 packet 如何跨越一条 link（链路）发送。
我们可以用三个属性来衡量一条 link 的性能。
Link 的 bandwidth（带宽） 表示单位时间内我们能在这条 link 上发送多少 bit。直观地说，这就是 link 的速度。如果把 link 想象成一根输水管，bandwidth 就是管子的宽度。更宽的管子允许我们每秒把更多水送入管中。我们通常用 bits per second（每秒 bit 数）衡量 bandwidth，例如 5 Gbps = 每秒 50 亿 bit。
Link 的 propagation delay（传播延迟） 表示一个 bit 沿着 link 传播需要多长时间。在水管类比中，这对应 link 的长度。更短的管子意味着水在到达另一端之前停留在管中的时间更短。Propagation delay 用时间衡量，例如 nanosecond（纳秒）、millisecond（毫秒）。
如果把 bandwidth 和 propagation delay 相乘，就得到 bandwidth-delay product（BDP，带宽时延积）。直观地说，这是 link 的 capacity（容量），也就是任意时刻存在于 link 上的 bit 数量。在水管类比中，如果我们把管子装满并冻结时间，管子的 capacity 就是这一瞬间管子里有多少水。
注意：你有时会看到 latency（时延） 这个词。在 link 的语境中，latency 就是它的 propagation delay；不过这个词也可以用于其他语境，例如从一个 end host 到另一个 end host、跨越多条 link 的 latency。Latency 本身并没有一个脱离语境的严格定义。
Timing Diagram（时序图）¶
假设我们有一条 link，它的 bandwidth 是 1 Mbps = 每秒 100 万 bit，propagation delay 是 1 ms = 0.001 秒。
我们想沿这条 link 发送一个 100 byte = 800 bit 的 packet。从第一个 bit 被发送开始，到最后一个 bit 被接收为止，需要多长时间？
为了回答这个问题，我们可以画一个 timing diagram（时序图）。左侧竖条是 sender，右侧竖条是 recipient。时间从 0 开始，并随着我们沿图向下移动而增加。
先关注第一个 bit。我们每秒可以把 1,000,000 个 bit 放到 link 上（bandwidth），所以把单个 bit 放到 link 上需要 1/1,000,000 = 0.000001 秒。在时间 0.000001 秒时，link 上已经有一个 bit，位于 sender 一端。
然后，这个 bit 需要 0.001 秒穿越 link（propagation delay），所以在时间 0.000001 + 0.001 秒时，最早的第一个 bit 到达 recipient。
现在考虑最后一个 bit。和前面一样，把一个 bit 放到 link 上需要 0.000001 秒。我们有 800 个 bit 要发送，所以最后一个 bit 在时间 800 x 0.000001 = 0.0008 秒时被放到 link 上。
然后，最后一个 bit 需要 0.001 秒穿越 link，所以在时间 0.0008 + 0.001 秒时，最后一个 bit 到达 recipient。这就是我们可以说整个 packet 已经到达 recipient 的时刻。
Packet Delay（packet 延迟）¶
更一般地说，packet delay（分组延迟） 是发送整个 packet 所需的时间，从第一个 bit 被放到线上开始，到最后一个 bit 在另一端被接收为止。这个 delay 是 transmission delay（传输延迟）和 propagation delay（传播延迟）之和。
Transmission delay 表示把 bit 放到线上需要多长时间。在上面的例子中，它是 800 x (1 / 1,000,000)。一般来说，它等于 packet size（分组大小）除以 link bandwidth（链路带宽）。
由于 transmission delay 是 bandwidth 的函数，我们可以用 bandwidth 和 propagation delay 这两个 link property 来计算 packet delay。
Bandwidth 和 Propagation Delay 的 Trade-off¶
考虑两条 link：
Link 1 的 bandwidth 是 10 Mbps，propagation delay 是 10 ms。
Link 2 的 bandwidth 是 1 Mbps，propagation delay 是 1 ms。
哪条 link 更好？这取决于你要发送的 packet。
假设我们想发送一个 10 byte 的 packet。对于两条 link，把一个 packet 放到线上所需的时间都可以忽略不计，此时 propagation delay 是 delay 的主要来源。Link 2 的 propagation delay 更短，所以它是更好的选择。
假设我们改为发送一个 10,000 byte 的 packet。现在，transmission delay 是 delay 的主要来源，因此我们更喜欢 Link 1，因为它能更快地把 byte 放到线上（更高 bandwidth）。你可以用正式的 packet delay 计算验证这个直觉：Link 1 发送这个 packet 大约需要 18 ms，而 Link 2 大约需要 81 ms。
作为现实例子，考虑一次 video call（视频通话）。如果视频质量很差，你很可能 bandwidth 不足（缩短 propagation delay 并不会有帮助）。相比之下，如果你说话和对方回答之间有明显延迟，问题很可能是 propagation delay 太长（增加 bandwidth 也不会有帮助）。
Pipe Diagram（管道图）¶
到目前为止，我们一直使用 timing diagram 来表示 network event 发生的时间，例如 recipient 什么时候收到 packet。
观察 packet 在 network 中传输的另一种方式是：在某个冻结的时间点，画出 link 上的 bit。两种视角传达的是同一类信息，但在不同语境下，其中一种可能更有用。
为了画出 link，我们可以把 link 想象成一根管子（类似前面的水管类比），并把管子画成一个矩形：宽度是 propagation delay，高度是 bandwidth。管子的面积就是 link 的 capacity。
假设我们想跨越这条 link 发送一个 50 byte 的 packet。在 pipe view（管道视角）中，我们可以展示某个冻结时刻：packet 正在沿 link 传输。
Packet 被画成一个矩形，矩形的高度表示在单个 time step（时间步）中有多少 byte 被放到线上。在每个 time step，packet 会在管子中向右滑动。最终，packet 开始离开管子；每个 time step，矩形的一列会离开管子。
一个不那么直观的事实：timing diagram 中的 packet transmission delay 对应的是矩形的宽度。
为了理解原因，假设有一条 link 每秒能发送 5 bit，而我们有一个 20 bit 的 packet。在 timing diagram 中，从第一个 bit 被发送到最后一个 bit 被发送之间相隔 4 秒。
在 pipe diagram 中，每秒会有一列 5 bit 进入管子。我们需要 4 列进入管子，这需要 4 秒。这意味着管子中 packet 的宽度是 4 列，也就是 4 秒。
Pipe diagram 让我们能在同一条轴上观察 packet transmission time 和 propagation delay，并比较这两项。
Pipe diagram 可以用于比较不同 link。我们来看完全相同的 packet 穿过三条不同 link 的情况。
如果缩短 propagation delay，管子的宽度会变短。管子的高度保持不变，每个矩形 packet 的形状也保持不变。（记住，你可以把 packet 的高度理解为每个 time step 进入管子的 bit 数，把 packet 的宽度理解为把所有 bit 送入管子所需的时间。）
这里还有其他观察：packet 宽度保持不变，说明 transmission delay 没有变化。此外，link 的面积变小了，这告诉我们 link 的 capacity 更低。
当我们增加 bandwidth 时，管子的高度会变高，表示单位时间内可以把更多 bit 送进管子。
注意，packet 的形状也改变了。Packet 现在更高，因为单位时间内可以把更多 bit 送进管子。结果是，我们能更快完成把 packet 送入管子的过程，因此 packet 的宽度（transmission delay）会减小。
过载的 Link¶
考虑这张图：packet 正在到达一个 switch。Switch 需要把所有 packet 沿 outgoing link（出方向链路）转发出去。在这个例子中没有问题，因为 switch 有足够 capacity，可以在每个 packet 到达时处理它。
那么这张图呢？
从长期来看，我们有足够 capacity 发送所有 outgoing packet；但在这个具体瞬间，有两个 packet 同时到达，而我们只能发送一个。这称为 transient overload（瞬时过载），在 Internet 的 switch 中极其常见。
为了应对 transient overload，switch 会维护一个 packet queue（分组队列）。如果两个 packet 同时到达，switch 会把其中一个放入 queue，并发送另一个。
在任意时刻，switch 可以选择发送来自某条 incoming link（入方向链路）的 packet，也可以选择发送 queue 中的 packet。这个选择由 packet scheduling（分组调度） algorithm 决定，我们之后会看到许多不同设计。
当没有 incoming packet 时，switch 可以 drain（清空）queue，并发送任何排队中的 packet。
这使得 queue 能帮助我们吸收 transient burst（瞬时突发）。
如果 incoming link 看起来像这样呢？
现在我们遇到了 persistent overload（持续过载）。Outgoing link 根本没有足够 capacity 支持当前 incoming traffic（入方向流量）的水平。
我们可以把 queue 填满，但这仍然不足以支撑 incoming load。无论如何，switch 最终都会丢弃 packet。
如何处理 persistent overload？运营者需要正确规划自己的 link 和 switch。如果他们发现某个 switch 经常过载，可能会决定升级 link，而这可能需要人工操作。
过载的一种可能解决方案是让 router 告诉 sender 放慢速度。（之后学习 congestion control 时我们会研究这个问题。）不过归根到底，我们能做的并不多，这也是 Internet 被设计为只提供 best-effort service 的原因。
现在我们已经有了 queue 的概念，需要回头更新 packet delay 的公式。现在，packet delay 是 transmission delay、propagation delay 和 queuing delay（排队延迟）之和。