网络性能优化：延迟、首字节时间、带宽和吞吐量详解
在当今数字化时代，保持高效的网络性能至关重要，因为每天都有海量数据在网络中传输。据世界经济论坛的数据显示，早在2020年初，全球数据量就达到了约44泽字节，相当于可观测宇宙中恒星总数的40倍。而且，这个数字还在不断增长。
面对如此庞大的数据传输需求，确保你的网络拥有足够强大的性能来应对挑战显得尤为重要。网络性能的好坏，取决于多个关键因素，如延迟、首字节时间（TTFB）、带宽和吞吐量。优化这些因素不仅能保证网络的稳定性和高性能，还能避免因性能问题而受到主要浏览器和搜索引擎的惩罚。
本文将深入探讨这些网络术语，并提供相应的优化策略，助你打造高性能网络。
延迟 (Latency)
延迟，顾名思义，指的是数据从源头传输到目的地所花费的时间。在网络环境中，它通常指用户发起请求到网络应用程序做出响应所经历的时间。这个时间延迟包括服务器处理请求所消耗的时间，因此通常被衡量为往返时间——即请求通过多个设备被捕获和处理，最终被用户接收并解码的总时间。
理想情况下，我们希望延迟越小越好，即低延迟。高延迟则会导致用户体验下降。高延迟的一些典型表现包括：
- 网站或应用程序加载缓慢甚至“永远”无法加载。
- 访问服务器或网络应用程序时出现明显的延迟。
- 发送带有较大附件的电子邮件等信息需要较长时间。
网络延迟通常以毫秒（ms）为单位进行测量。由于网络通信的复杂性，延迟是不可避免的，但我们可以通过一些方法来减少延迟。
延迟的常见原因
- 用户和服务器之间的物理距离：距离越远，数据传输时间越长。
- 服务器错误：如50X错误会导致应用程序性能下降，甚至阻止用户访问网站。
- 后端数据库优化不佳：数据库过度使用、长字段、大表、索引使用不当等都会影响性能。
- 硬件问题：路由器、Wi-Fi接入点、交换机等硬件设备故障。
- 传输介质的局限性：无线连接、光纤电缆等传输介质存在固有瓶颈。
- 操作系统内存不足：操作系统难以满足程序所需的RAM需求，导致系统性能下降。
- 用户设备问题：例如，CPU或内存资源不足。
如何测量延迟？
可以使用网络监控工具如SolarWinds和Datadog自动检查网络延迟。手动测量延迟的方法是使用操作系统中的命令提示符。在命令提示符中输入 “tracert” 命令，后面跟上你要查询的目的地地址。命令执行后，会显示通往目标地址的网络路径中的所有路由器，以及每个路由器的响应时间，单位是毫秒。将这些时间加总，即可得到与你的网络相关的延迟。
还有一些其他方法可以测量延迟：
首字节时间 (TTFB)
TTFB是指从用户设备发出请求到接收到服务器返回的第一个字节的数据所花费的时间，是衡量网络延迟和服务器响应能力的重要指标。
往返时间 (RTT)
RTT是指数据包从源头传输到目的地，然后返回源头的总时间。RTT能提供较准确的结果，但当数据包采用不同的返回路径时，可能存在误差。
Ping测试
系统管理员通常使用ping测试来测量一个32字节的数据包到达服务器所需的时间以及接收响应所需的时间。通过对网络中不同服务器执行ping测试，可以了解整体延迟和性能。
此外，还可以使用在线ping测试工具。
如何改善网络延迟？
- 优化路由：使用优化工具来解决网络拥塞问题。也可以使用放大器或再生器来提高传输速度。
- 压缩和缓存：使用边缘服务器可以减少数据传输距离，提高页面加载速度。同时，图像优化和文件压缩等技术可以减少传输所需的数据量。
- 对等连接：通过对等连接，网络之间可以直接交换流量，无需通过第三方，从而减少延迟。
- 优化网络协议：遵守监管标准，优化网络协议以实现互操作性和最低延迟。
- 使用HTTP/2：HTTP/2通过减少往返次数和并行传输来降低服务器延迟。同时，尽量减少外部HTTP请求的数量，包括图片、JS和CSS文件。
- 预取方法：虽然预取不一定会减少网络延迟，但可以提高网站的页面加载速度。
首字节时间 (TTFB)
如前所述，TTFB是衡量服务器响应能力的重要指标。TTFB可以帮助你识别连接过程中的瓶颈。通过确定延迟发生的位置，可以调整服务以获得更快、更可靠的性能。此外，TTFB也会影响搜索引擎优化（SEO），因此对于提高网站的在线可见性至关重要。
影响TTFB的因素
TTFB受以下三个主要环节影响：
- 发送请求：用户发出请求后，服务器接收请求，这个过程会受到DNS查找时间、网络速度、服务器距离等因素的影响。
- 处理请求：服务器收到请求后，必须处理请求并生成响应。这个过程包括数据库调用、与网络内其他系统的通信、运行脚本等。
- 发送响应：服务器将生成的响应发送回发出请求的用户。此时，用户和企业网络的连接速度会影响响应接收时间。
TTFB是用户从请求到开始接收响应的首次字节数据的时间度量。
如何提高TTFB？
- 减少延迟：延迟可能发生在服务器或用户端。虽然你无法控制用户的连接速度，但可以提高服务器速度。利用CDN（内容分发网络）将静态内容放置在靠近用户的位置，可以减少服务器负载，提高页面加载速度。
- 快速DNS解析：DNS解析时间不应超过100毫秒。如果解析时间过长，请考虑优化DNS设置或更换DNS提供商。
- 升级网站托管：如果TTFB超过200毫秒，可能意味着你的网站托管服务提供商的服务器存在网络拥塞或超负荷运行问题。可以与托管服务提供商沟通或升级托管计划，甚至考虑更换托管提供商。
- 提高后端性能：正确规范化和索引数据库可以加快查询速度。这将使数据库可以快速查找表列，而不是检查每一列。
- 服务器端缓存：通过缓存常用文件和数据，可以减少处理器负载和数据库查询。
- 外部监控：即使优化了TTFB，也需要定期监控其变化。软件更新、硬件、站点更新等都可能导致TTFB增加。实施站点性能监控工具可以帮助你及时发现问题。
带宽 (Bandwidth)
带宽是指网络的最大容量，包括网络规模和服务器处理能力。简单来说，它是在给定时间点可以发送和/或接收的数据量的度量，通常以比特/秒（bps）、兆比特/秒（Mbps）或千兆比特/秒（Gbps）为单位进行测量。
影响带宽的因素
互联网连接具有一定的最大带宽，一些因素可能会限制特定设备的带宽，从而导致连接速度变慢：
- 互联网使用：设备上同时执行的任务越多，带宽消耗越大，速度越慢。
- 上行和下行带宽：从设备流出的数据是上行，流入设备的数据是下行。通常，互联网连接更多地强调下行带宽，当需要上传大量数据时，上行带宽会成为瓶颈。
- 后台消耗：设备上同时进行的下载和上传操作会占用带宽。
- 单连接多用户：单个网络中用户数量的增加会增加服务器负载，导致数据传输速度变慢。
- 路由器距离：设备离路由器越近，通常带宽越高。
如何提高带宽？
- 使用QoS设置：服务质量（QoS）设置可以帮助网络优先处理某些类型的流量，确保关键应用程序不会因带宽不足而受影响。
- 使用云应用程序：将部分流量外包给私有云或公共云网络，可以减轻本地网络的压力。
- 消除不必要的流量：阻止不必要的流量，将带宽用于基本操作。
- 定期更新和备份：更新和备份会占用大量网络带宽，应该策略性地安排在非工作时间进行。
吞吐量 (Throughput)
网络吞吐量是指在指定时间范围内，可以从源头传输到目的地的数据总量。换句话说，吞吐量衡量的是成功到达目的地的数据包数量，通常以比特/秒（bps）或数据/秒为单位计算。
影响吞吐量的因素
- 传输介质的限制：与传输介质相关的带宽限制了吞吐量。实际发送的数据量通常会低于理论带宽。
- 网络拥塞：在高度拥塞的网络中，吞吐量会降低。
- 延迟：如果网络延迟较高，吞吐量也会受到影响。
- 协议操作：网络上承载和传送数据包的协议也会影响吞吐量。
- 数据包丢失或错误：数据包丢失或错误会导致数据包需要重新传输，从而降低吞吐量。数据包损坏可能由于安全攻击或设备损坏等原因导致。
可以使用一些工具来测量吞吐量，如SolarWinds, iPerf, pingb等。
如何提高吞吐量？
- 最小化延迟：网络延迟会显著影响网络性能，应尽量减少延迟。
- 清除网络瓶颈：升级路由器，减少数据包传输距离的节点，以减少拥塞。
- 关闭占用过多带宽的应用程序：限制不必要的带宽消耗。
- 重启网络设备：定期重启调制解调器和路由器等网络设备。
- 检查硬件：确保网络硬件工作正常。
- 联系ISP：如果问题持续存在，请与互联网服务提供商（ISP）联系。
结论
希望本文能够帮助你更好地理解延迟、TTFB、带宽和吞吐量等概念。通过实施本文提供的优化技巧，你可以显著提升你的网络性能。现在，你也可以尝试成为一名网络管理员，深入探索网络世界的奥秘。