【25软考网工笔记】第二章 数据通信基础（2） 信道延迟计算

目录

一、信道延迟

1. 线路延迟

1）线路延迟与传输距离的关系

2）光纤线路与电缆线路的传播速度

3）线路延迟计算示例：1000米电缆的延迟

2. 发送延迟

1）发送延迟的定义与计算

2）发送延迟的影响因素

3. 信道延迟的计算过程

1）换算单位

2）发送延迟的计算

3）线路延迟的计算

4）数据延迟的计算

4. 应用案例

1）例题

2）例题

3）例题

4）例题

5. 数据传输与信道利用率

1）以太网停等机制传输计算

另一种计算方法：信道利用率

2）信道利用率例题

3）卫星信道延迟

6. 星链为什么延迟低

1）传统同步卫星与星链卫星的对比

2）星链卫星的技术特点

3）星链架构的简要说明

7. 星链和4G/5G对比

1）星链、4G与5G的基本对比

2）星链的优势与6G方向

3）实际应用案例

二、知识小结

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（3×1083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（2×1052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200×10^3米/微秒，延迟为1000÷(200×10^3)=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∗106)=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