千兆以太网极限传输速度计算与分析
众所周知，千兆以太网标识的传输速度是1.0 Gbps，那么在实际传输的过程中，能够达到的最大传输速度又是多少呢？这篇文章结合理论计算及实际测试告诉你答案。
计算器
这里提供一个计算器来方便计算各网络情况下的速度：
预备知识
数据长度单位
- 计数单位：
- 比特：
bit缩写b，表示1个二进制位，可以表示0或1 - 字节：
Byte缩写B，表示8个二进制位，可以表示0~255
- 比特：
- 换算关系：
1 Byte = 8 bit - 内部换算关系：
| 字节(Byte) | 比特(bit) |
|---|---|
| 1024 Byte = 1 KByte | 1000 bit = 1 Kbit |
| 1024 KByte = 1 MByte | 1000 Kbit = 1 Mbit |
| 1024 MByte = 1 GByte | 1000 Mbit = 1 Gbit |
- 后文皆以B表示Byte，以b表示bit，务必注意区分
- 网络设备通常以
bit作为单位，而操作系统中计算文件大小通常以Byte作为单位
数据传输速度单位
- 比特率：bps(bits per second)，每秒传输比特数
- 波特率：baud，每秒传输码元数
计算过程
物理层
我们在操作系统的许多地方都可以找到，千兆以太网标识的传输速度是1.0 Gbps，也就意味着在网线等传输媒介中每秒可以传输1 * 10^9个比特。换算成字节，并不能简单的除以8，因为Gb与GB并不是简单的8倍关系。
- 物理层数据实际传输速度：
- 1000 Mb
- 119.21 MB，计算公式：
10^9 / 8 / 1024 / 1024 ≈ 119.21
数据链路层
在数据链路层中，RFC894规定，以太网MTU(最大传输单元)为1500B，也就是说一个以太网帧可以携带1500B的数据，加上帧头14B数据(不考虑4B的802.1Q标签)，帧尾校验码4B数据，帧前导码8B(7B前导码+1B帧开始界定符)，帧间间隔12B，传输一个帧实际上要消耗1538B带宽。
- 数据链路层数据实际传输速度：
- 975.29 Mb，计算公式：
1000 / 1538 * 1500 ≈ 975.29 - 116.26 MB，计算公式：
119.21 / 1538 * 1500 ≈ 116.26
- 975.29 Mb，计算公式：
网络层
如今网络层绝大多数网络设备都使用IP协议，其中IPv4首部固定长度20B，可选部分最大40B(这里不讨论)，IPv6首部固定长度40B，因此我们可以很容易得出网络层数据实际传输速度。
- 网络层数据实际传输速度：
- IPv4：
- 962.29 Mb，计算公式：
1000 / 1538 * (1500 - 20) ≈ 962.29 - 114.71 MB，计算公式：
119.21 / 1538 * (1500 - 20) ≈ 114.71
- 962.29 Mb，计算公式：
- IPv6：
- 949.28 Mb，计算公式：
1000 / 1538 * (1500 - 40) ≈ 949.28 - 113.16 MB，计算公式：
119.21 / 1538 * (1500 - 40) ≈ 113.16
- 949.28 Mb，计算公式：
- IPv4：
传输层
在传输层有面向连接的TCP协议，其中首部固定长度20B，这里不考虑附加字段；面向无连接的UDP协议，其中首部固定长度8B。
- 传输层数据实际传输速度：
- TCP via IPv4：
- 949.28 Mb，计算公式：
1000 / 1538 * (1500 - 20 - 20) ≈ 949.28 - 113.16 MB，计算公式：
119.21 / 1538 * (1500 - 20 - 20) ≈ 113.16
- 949.28 Mb，计算公式：
- UDP via IPv4：
- 957.08 Mb，计算公式：
1000 / 1538 * (1500 - 20 - 8) ≈ 957.08 - 114.09 MB，计算公式：
119.21 / 1538 * (1500 - 20 - 8) ≈ 114.09
- 957.08 Mb，计算公式：
- TCP via IPv6：
- 936.28 Mb，计算公式：
1000 / 1538 * (1500 - 40 - 20) ≈ 936.28 - 111.61 MB，计算公式：
119.21 / 1538 * (1500 - 40 - 20) ≈ 111.61
- 936.28 Mb，计算公式：
- UDP via IPv6：
- 944.08 Mb，计算公式：
1000 / 1538 * (1500 - 40 - 8) ≈ 944.08 - 112.54 MB，计算公式：
119.21 / 1538 * (1500 - 40 - 8) ≈ 112.54
- 944.08 Mb，计算公式：
- TCP via IPv4：
实验与测试
实验使用iPerf3工具测试链路带宽，使用CAT-5e双绞线将2台PC连接至同个交换机，分别以网络层IPv4、IPv6协议，传输层TCP、UDP协议组合，共计4组测试，其中测试UDP协议时，使用-b 1000M参数，指定传输带宽为1.0 Gbps。
- TCP via IPv4理论传输速度：949.28Mb/113.16MB，实际测试结果：
- UDP via IPv4理论传输速度：957.08Mb/114.09MB，实际测试结果：
- TCP via IPv6理论传输速度：936.28Mb/111.61MB，实际测试结果：
- UDP via IPv6理论传输速度：944.08Mb/112.54MB，实际测试结果：
结论与展望
| 数据链路层 | 以太网帧 | 巨型帧* | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 网络层 | IPv4 | IPv6 | IPv4 | IPv6 | ||||
| 传输层 | TCP | UDP | TCP | UDP | TCP | UDP | TCP | UDP |
| Ethernet* | 1.13MB/s | 1.14MB/s | 1.12MB/s | 1.13MB/s | 1.18MB/s | 1.18MB/s | 1.18MB/s | 1.18MB/s |
| Fast Ethernet* | 11.32MB/s | 11.41MB/s | 11.16MB/s | 11.25MB/s | 11.82MB/s | 11.83MB/s | 11.79MB/s | 11.81MB/s |
| Gigabit Ethernet | 113.16MB/s | 114.09MB/s | 111.61MB/s | 112.54MB/s | 118.18MB/s | 118.34MB/s | 117.92MB/s | 118.07MB/s |
注：*表示尚未进行实际测试
经过测试，理论计算与实验结果完全相同，因此我们可以认为：在一般情况下，所有网络设备均达到千兆标准，且没有发生网络拥塞时，数据实际传输速度约为113MB每秒，此为使用TCP协议在IPv4网络下的结果，大部分网络协议在千兆网络下，例如Samba、rsync、iSCSI等，可以视此结果为极限最大值。基于UDP的其他协议或使用IPv6网络时，可以参考上表的结论；其他速率的网络，可以参考上文的计算方法。实际使用时，由于网络设备可能存在缺陷、发生网络拥塞、发生以太网碰撞，IP协议/TCP协议头部存在其他可选字段等情况，以及应用层协议存在的开销，实际传输速率会存在波动，可能达不到理论最大值。
不难看出，若要提高极限传输速度，那么必须减少网络协议首部的开销，提高数据传输的有效率，即有效数据大小 / 实际消耗的带宽。一个有效的解决方案便是使用巨型帧，可以使得数据链路层的MTU达到9000B，理论上传输速率可以提高到118.23MB每秒，但是由于网络设备的原因，未能测试巨型帧的情况，有待以后补充。