性能指標とは ― 帯域幅・遅延・ジッタ・スループット

帯域幅は、回線や機器が1秒あたりに理論上送れる最大のデータ量です。スループットは、1秒あたりに実際に運べたデータ量で、帯域幅を超えません。遅延（レイテンシ）は、データが送信されてから届くまでにかかる時間です。ジッタは、遅延の大きさがパケットごとにばらつく度合いを指します。

「回線は速いはずなのに遅い」と感じたとき、原因と対策はどの指標が悪いかで変わります。帯域幅とスループットの差、遅延の内訳とpingで測るRTT、ジッタとパケットロスの見方を順に説明します。

帯域幅は、回線や機器の仕様で決まる値で、1秒あたりに送れる理論上の最大のデータ量です。単位はbps（ビット毎秒）で、100Mbpsや1Gbpsのように書きます。伝送時間の記事で使う回線速度は、帯域幅とほぼ同じ意味の言葉です。

スループットは、ある時間に実際に送受信できたデータ量を、その時間で割った値です。単位は、帯域幅と同じbpsです。ヘッダなどの制御情報、再送、途中経路の混雑が原因で、スループットは帯域幅より小さくなります。スループットが帯域幅を超えることはありません。

たとえば、帯域幅100Mbpsの回線で、10秒間に52.5MB（420,000,000ビット）を転送できたとします。

1. データ量をビットに換算します：52.5MB × 8 = 420,000,000ビット
2. スループット＝データ量÷時間：420,000,000 ÷ 10 = 42,000,000bps = 42Mbps

帯域幅100Mbpsに対し、実測のスループットは42Mbpsにとどまります。なお、システムが単位時間に処理する件数もスループットと呼びます。こちらはレスポンスタイムとターンアラウンドタイムの記事で説明しています。

伝送時間・回線利用率の計算で使う実効速度は、回線速度に伝送効率をかけた理論上の値です。これに対し、スループットは実際に測った値です。伝送効率が条件として与えられたときの計算は、そのページで説明しています。

遅延は、データが送信されてから届くまでにかかる時間です。英語ではレイテンシと呼びます。遅延は、次の4つに分けられます。

たとえば、1,500バイトのパケットを回線速度10Mbpsの区間に送り出す場合を考えます。伝送遅延は、データ量をビットに換算し、回線速度で割って求めます。

1. データ量をビットに換算します：1,500バイト × 8 = 12,000ビット
2. 伝送遅延＝データ量(ビット)÷回線速度(bps)：12,000 ÷ 10,000,000 = 0.0012秒 = 1.2ms

続いて、同じパケットが2,000km先まで伝わる場合の伝搬遅延を求めます。伝搬遅延は、距離を信号が伝わる速さで割って求めます。光ファイバの中を信号が伝わる速さは、おおよそ毎秒20万km（真空中の光速のおよそ2/3）です。

1. 距離をメートルに換算します：2,000km = 2,000,000m
2. 伝搬遅延＝距離÷伝わる速さ：2,000,000 ÷ 200,000,000 = 0.01秒 = 10ms

処理遅延を0.5ms、待ち時間を1msとすると、片道の遅延の合計は0.5 + 1 + 1.2 + 10 = 12.7msです。

伝送時間の計算機で求める伝送時間は、ここでの伝送遅延と同じ式です。ただし、そのページの計算に伝搬遅延は含まれていません。

RTT（Round Trip Time、往復遅延）は、送信してから相手の応答が戻るまでの、往復にかかる時間です。pingコマンドが表示するtimeの値が、RTTです。

行きと帰りの経路が同じ条件だと仮定すると、RTTは片道の遅延の2倍になります。先の例では、片道12.7msの2倍で、RTTは25.4msです。実際には、行きと帰りで通るルータが異なることがあり、その場合、RTTは片道の2倍と正確には一致しません。

ジッタは、遅延の大きさがパケットごとにばらつく度合いです。インターネットの標準を定めるIETFのRFC 3393は、2つのパケットの一方向の遅延の差を、IPDV（IP Packet Delay Variation）と定義しています。たとえば、1つ目のパケットの遅延が12.0ms、2つ目のパケットの遅延が15.0msだったとします。この2つの差である15.0 − 12.0 = 3.0msが、この2パケット間のIPDVで、ジッタを表す値です。なお、RFC 3393は、ジッタという言葉は使う人によって意味が異なるとして、なるべく遅延の変動（delay variation）と呼ぶことにしています。

ジッタが大きいと、音声通話やWeb会議で、音が途切れたり詰まったりします。QoSの優先制御は、ジッタを抑える目的でも使われます。pingの結果に出るstddevも、往復時間のばらつきを数値にしたものです。計算のしかたはIPDVと異なりますが、どちらも遅延のばらつきを表します。

パケットロスは、送ったパケットのうち、届かなかった割合です。送った回数と受け取った回数から求める式は、ping・tracerouteの記事で説明しています。

パケットロスが増えると、TCPは失われたデータを再送します。再送が増えるほど実際に運べるデータ量は減り、スループットが下がります。

TCPは、受信確認（ACK）を待たずにまとめて送ってよいデータ量を決めています。これがウィンドウサイズです。送信側は、送ったデータのACKが戻るまで、次のウィンドウ分を送り出せません。そのため、1往復（RTT）の間に送れるデータ量の上限は、ウィンドウサイズで決まります。最大スループットは、おおよそ次の式で表せます。

たとえば、ウィンドウサイズが64KiB（65,536バイト）、RTTが100msの場合を考えます。KiBは1,024バイトを単位とする2進の表記で、通信速度のk・M（1,000倍）とは別のものです。ここではRFC 7323の表記に合わせています。

1. ウィンドウサイズをビットに換算します：65,536バイト × 8 = 524,288ビット
2. RTTを秒に換算します：100ms = 0.1秒
3. 最大スループット＝524,288 ÷ 0.1 = 5,242,880bps ≈ 5.24Mbps

この例では、回線の帯域幅がこれより大きくても、ウィンドウサイズとRTTでスループットの上限が決まります。