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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——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（关键点）1.什么是网络系统的总体架构1.1概念1.2构成2.什么是网络协议2.1概念2.2网络协议的形式化分析与设计2.2.1协议的形式化模型2.2.2Petri网模型2.2.3协议的时态逻辑模型2.2.4通信进程演算模型2.3协议的形式化设计与验证2.4协议的性质描述2.5网络协议的测试23.网络延迟3.1什么是网络延迟3.1.1概念3.1.2定义3.2网络延迟的分类3.2.1路由延迟3.2.2排队延迟3.3产生网络延迟的因素3.3.1服务器计算能力低3.3.2传输饱和导致延迟3.4网络延迟的处理方案3.4.1优化服务器，调整网络布局3.4.2提高主干网速度3.4.3优化服务器系统设计，提高计算能力4.容迟网络路由算法4.1概念4.2分类4.3性能评价4.4从容迟网络的角度来考虑减小网络延迟5.网络软件5.1客户端5.2个人终端5.3中间件6.网络硬件加速6.1高速路由器6.2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。）31.网络系统的总体架构1.1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。1.2构成网络系统，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。2.网络协议2.1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。2.2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。(3)用来实现协议的消息词汇。(4)对该词汇中每个消息的编码。(5)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。42.2.1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。2.2.2Petri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。2.2.3协议的时态逻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。2.2.4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。2.3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,通过适当的技术对协议性质进行分析校验。2.4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。(3)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(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。2.5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3.1什么是网络延迟3.1.1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。3.1.2定义（网络延迟PING值越低速度越快）1~30ms：极快，几乎察觉不出有延迟，玩任何游戏速度都特别顺畅31~50ms：良好，可以正常游戏，没有明显的延迟情况51~100ms：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=1000毫秒（例：30ms为0.03秒）3.2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:6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：3.2.1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———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。3.2.2排队延迟它是分组交换网中的主要延迟,它指的是PDU在传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一个等于传送延迟的附