宽带网络协议开销

Question

我的大学课程有一项作业需要查看 2020 年澳大利亚宽带测量报告，该报告涵盖了澳大利亚 NBN 宽带网络内的连接质量的当前状态。

特别是在报告的一个部分中，为什么大多数 NBN 用户通常可以达到广告下载速度的 90% 到 95%，作者说：

这重申了之前报告中提出的观点，即未提供 NBN 层速度，因此在考虑协议开销后可以获得最大计划速度。

继续在脚注中进一步阐述：

协议开销包括数据包头，它们被添加到网络通信中以确保它们到达正确的网络地址。数据包头占用空间，这意味着连接用于发送任何数据的空间较小。

广告速度的 5-10% 的差距似乎与广告速度无关，因此使用 50/20 计划的人会损失 2.5-5 Mbps，而使用 100/40 计划的人会损失 5-10 Mbps，这似乎是一个极端高开销。

不幸的是，我找不到有关宽带连接协议开销的任何可靠来源，并且想知道这里是否有人知道任何来源或有任何信息。

有关信息，澳大利亚 NBN 是光纤到路边 (FTTC)、光纤到节点 (FTTN)、光纤到驻地 (FTTP) 和混合光纤同轴 (HFC) 的组合。

Answer 1

作为起点，大多数 Internet 连接都设置为承载 1500 字节的 IP 数据包。（这实际上永远不会更高，因为 IP 数据包，尤其是 TCP 连接最终将沿整个路径使用最小的 MTU。）

在 1500 字节边界附近，既有外部开销（导致整个消息增长），也有内部开销（导致可用数据空间缩小）。这两者对总“浪费”吞吐量的贡献相同。请注意，这些不是官方术语，我只是当场编造的。

外部开销取决于底层连接类型（即可能是您所指的“宽带网络协议”）：

• 以太网将每个 IP 数据包放入一个带有 14 字节标头和 4 字节校验和（如果使用 VLAN 时加上 4 字节 802.1Q 标记）的以太网帧中。

• VDSL 通常工作在 PTM 模式下，它承载以太网帧，但有额外的 4 字节 PTM 开销。

• GPON 还承载以太网帧，增加了我还不明白的自己的开销（并且在“向上”和“向下”方向上的工作方式似乎完全不同）。

  它还共享多个客户之间的物理链接（不确定有多少是常见的，但 32 似乎是一个可能的数字）。

• ADSL 将所有内容划分为 53 字节 ATM 信元（5 字节报头和 48 字节有效载荷），因此在通常的“以太网仿真”模式下，您需要 32 个信元来发送全尺寸的 1500 字节 IP 数据包，以及信元报头加起来最多 160 个字节（11% 的开销！）。

这意味着一个完整大小的 1500 字节 IP 数据包至少需要1518 字节才能发送。

尽管无论连接类型如何（即无论是光纤还是拨号，它们都占用 1500 字节的 MTU），内部开销几乎总是相同的：

• 如果您必须使用 PPPoE，它将可用 MTU 缩小 8 个字节。

• IP 数据包头本身占用 20 或 40 个字节（分别在 IPv4 和 IPv6 中）。

• 对于 TCP 段标头，基于 TCP 的连接需要每个数据包 20 个字节（对于“时间戳”选项，通常需要 12 个更多字节）。

• 当通过 HTTPS 下载时，每个 TCP 段至少携带一个 TLS 记录，带有 5 字节的标头和 24 字节的 MAC（消息验证码）。后者用于 AES-GCM，但因密码套件而异。

这意味着全尺寸 1500 字节的 IP 数据包（假设没有 PPPoE）通常包含 1400 到 1460 字节的有用数据。

所以总的来说，假设以太网，在最好的情况下（IPv4 上的明文）大约。总帧大小的 4.5% 由开销组成，在最坏的情况下（VLAN 中的 IPv6 上的 TLS）约为 8%。使用 DSL 或 GPON 只会变得更糟。

这就是为什么一些程序和一些人使用转换“1 MB/s ? 10 Mbps”（而不是技术上正确的 8 Mbps），因为它们以 MB/s为单位显示有用的吞吐量，但以 Mbps 为总吞吐量。