[科普中国]-速度与延迟研究

简介

速度与延迟研究是推动计算机科学不断向前发展重要推动力，速度与延迟研究主要目的是提高机器的运算速度和降低传输延迟。速度与延迟研究在计算机科学的很多领域中都占有重要地位，例如高性能计算、高速局域网。

速度数据传输速度（speed of data transmission）泛指数据从源传到目的的速度，其单位一般为比特/秒（bps），也可以为千比特/秒（Kbps），兆比特/秒（Mbps）。在不同的领域，数据传输速度有不同的含义。如交换机传输速度，硬盘数据传输速度等。

存取速度是指存储器在被写入数据或读取数据时的数据传输速度。

CPU处理速度是指CPU每秒浮点运算次数。每秒浮点运算次数（每秒峰值速度）是每秒所执行的浮点运算次数（Floating-point operations per second；FLOPS）的简称，被用来估算电脑效能，尤其是在使用到大量浮点运算的科学计算领域中。因为FLOPS字尾的那个S代表秒，而不是复数，所以不能够省略。

在计算机领域，提高速度主要方法是使用更高级的硬件、对硬件布局进行优化以及设计更先进的硬件体系结构。

延迟定义对用户来说，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1。

调整网络布局，增加有效网络带宽优化网络拓扑结构。对于局部子网，由于总线拓扑的不稳定性及低效率的传输,宜将其改造为星型结构，可使用共享式集线器构造，但要尽量避免集线器的深层级联。对于整体树型拓扑结构的网络，可以根据需要减少连接层次，对于某些重要节点的层次可以进行调整升级。此外，还可以增加有关中心站点设备的冗余网络连接,提高网络的容错性能。

网络分段。为了有效地控制网络流量,均衡网络负载，缓解由于访问冲突而导致网络主干阻塞的矛盾，可采用网络分段技术。如果部分工作站间的通信比较集中,需要较高的带宽，可以把这些工作站单独组网,使它们之间的大部分通信在一个工作小组之间进行，从而缩短其对网络的响应时间。此外，我们可根据用户对服务器的访问流量来调整各类服务器的位置，采用分布式布局，缩短工作站对服务器的访问路径。比如，我们可以把图形工作站用户集中在一个网段内，同时把提供图形服务程序的服务器放在本网段内，隔离的效果则是避免了图形工作站用户对主干网的长时间占用。

交换式局域网。网络分段技术能够在一定范围内缓解网络延迟的矛盾,但只能起到“治标”的作用，而且子网的划分与节点的物理位置及网络的拓扑结构相关，规划调整很不方便。目前从根本上改善网络的传输性能，可采用交换技术。交换机的优点是它能够在内部提供大量的带宽和支持多个同时连接的功能,连接以不同速度运行的局域网网段。交换机可以为用户提供独占的、点对点的网络连接方案，对10Mbps交换以太网来说，每一个工作站都可拥有一个与交换机直接连接的10Mbps的带宽，与共享型以太网相比，帧的发送不再是通过广播的形式，而是按指定路由发送,工作站也不需要与其他站点竞争带宽，用户也可以随着交换机端口的扩充而增加工作站。

虚拟局域网。此外，配置基于交换技术的虚拟局域网，是解决网络带宽阻塞,提高网络性能的优秀方案。虚拟局域网技术是通过在交换机端口定义一组与位置和拓扑无关的设备间的通信,使它们处于同一逻辑网段。虚拟局域网网段的划分不再受其物理连接限制，可按部门、用户职能等应用需求进行划分,而且可以轻松地控制同一逻辑网段的用户数量,以降低工作站点对

网络带宽的竞争和广播报文的传播范围。其另一个优点是网络中设备的变化和移动比较方便,设备移动后管理员只要重新将新的端口加入到相关虚拟网段中即可。

优化服务器，提高计算能力网络服务器的性能直接影响着网络的整体性能。因此，要求服务器配置高速CPU；此外，还要提高服务器内存容量、总线和硬盘速度。网卡的选择是提高服务器与网络接口速度的关键。为避免接口传输瓶颈，可以在服务器中加装多块网卡扩充接口传输容量。

应用高速局域网随着计算机处理速度以百万倍数量级的提高，各种新技术日新月异的发展，分布式大型数据 库、多媒体应用以及企业级网络之间的互联，网络的速率成为整个系统的瓶颈和焦点，人们对网 络速率、带宽和其他性能的要求越来越高，高速网络产品和技术的迅速发展正是在这种背景下产 生的2。

高速局域网的主要应用包括：

1)高速LAN主干网。

2)桌面多媒体系统。

3) C/S模式的分布计算。

4)高性能计算环境。

5)实时仿真，可视化计算，CAD/CAM和在线处理等高速局域网不同于传统的LAN，需要新 的设计原则和方法。

6)体系结构：采用基于交换的结构，而不是传统的基于媒体共享的结构。

7)快速处理网络拥挤的方法，链路到链路的流控。

8)用单元级的复用方法。

9)采用虚拟连接的体系结构。

10)高速接口：包括与主机的接口、专用系统的接口以及和其他网络的接口等。

高性能计算高性能计算(High performance computing， 缩写HPC) 指通常使用很多处理器（作为单个机器的一部分）或者某一集群中组织的几台计算机（作为单个计 算资源操作）的计算系统和环境。有许多类型的HPC 系统，其范围从标准计算机的大型集群，到高度专用的硬件。大多数基于集群的HPC系统使用高性能网络互连，比如那些来自 InfiniBand 或 Myrinet 的网络互连。基本的网络拓扑和组织可以使用一个简单的总线拓扑，在性能很高的环境中，网状网络系统在主机之间提供较短的潜伏期，所以可改善总体网络性能和传输速率。