在计算机网络中，吞吐量（Throughput）是衡量数据传输效率的关键指标。不同协议与网络条件下的吞吐量计算方式不同，以下将对TCP不考虑丢包时的吞吐量、考虑丢包时的TCP吞吐量、停止等待协议（Stop-and-Wait）的吞吐量以及滑动窗口协议（Sliding Window）的吞吐量进行详细总结与比较。
一、TCP在不考虑丢包时的吞吐量计算
在理想情况下，如果网络中没有丢包、没有拥塞控制限制，TCP可以近似达到其理论最大吞吐量。其吞吐量主要受限于接收窗口大小（rwnd）和往返时延（RTT）。此时的吞吐量公式如下：
$$
\text{Throughput} = \frac{\text{窗口大小（Bytes）}}{\text{RTT（Seconds）}}
$$
这个吞吐量计算等价于“带宽-时延积（Bandwidth-Delay Product）”，反映了在一个RTT内可以“在路上”的最大字节数。此时，TCP的传输效率非常高，且吞吐量与窗口大小成正比，与RTT成反比。
二、TCP在考虑丢包时的吞吐量计算（简化模型）
当存在丢包时，TCP的拥塞控制机制（如慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复）会显著影响其吞吐量。基于TCP Reno的模型，Mathis等人提出的经典近似公式如下：
$$
\text{Throughput} \approx \frac{\text{MSS}}{\text{RTT} \cdot \sqrt{p}}
$$
其中：
- MSS：最大报文段长度
- RTT：往返时延
- p：丢包率
该公式表明，吞吐量与丢包率的平方根成反比，这也揭示了TCP在高丢包率环境下性能下降迅速的原因。例如，丢包率从0.01变为0.04，吞吐量将减半。这一模型揭示了拥塞控制的保守性如何对TCP性能产生重大影响。
三、停止等待协议的吞吐量计算
停止等待协议是一种简单但效率较低的可靠传输协议。它要求发送方在每发送一个数据包后必须等待确认（ACK），再发送下一个包。其吞吐量计算公式为：
$$
\text{Throughput} = \frac{L}{RTT + T_{\text{trans}}}
$$
其中：
- LL：每个数据包的数据大小（bits）
- $T_{\text{trans}}$：数据包的发送时间 =$\frac{L}{\text{带宽}}$
- RTT：往返时延
在高带宽高延迟环境下，$Ttrans≪RTTT_{\text{trans}} \ll RTT$，此时可以近似为：
$$
\text{Throughput} \approx \frac{L}{RTT}
$$
其效率（信道利用率）为：
$$
\eta = \frac{T_{\text{trans}}}{RTT + T_{\text{trans}}}
$$
这表明，停止等待协议在高RTT场景下会导致大量带宽浪费，吞吐量很低。
四、滑动窗口协议的吞吐量计算
滑动窗口协议（如Go-Back-N或Selective Repeat）通过允许发送多个未确认的数据包，极大提高了信道利用率。在理想情况下（无丢包、无误码），其吞吐量计算为：
$$
\text{Throughput} = \min\left( \frac{W \cdot L}{RTT + T_{\text{trans}}}, \text{带宽} \right)
$$
其中：
- W：窗口大小（以帧为单位）
- L：每帧数据大小（bits）
- RTT：往返时延
- $T_{\text{trans}}$：一帧的发送时间
若信道足够好且带宽充足，滑动窗口协议能够接近理论最大吞吐量，其最大吞吐量受限于窗口大小和RTT，即吞吐量 ≈ 带宽时延积。相较于停止等待协议，它更能充分利用信道资源。
五、小结与对比
| 协议或场景 | 吞吐量公式 | 主要影响因素 | 优缺点 |
|---|---|---|---|
| TCP（无丢包） | $\frac{\text{窗口大小}}{\text{RTT}}$ | RTT、窗口大小 | 高效，理想状态，带宽利用率高 |
| TCP（有丢包） | $\frac{\text{MSS}}{\text{RTT} \cdot \sqrt{p}}$ | 丢包率p、RTT、MSS | 拥塞控制影响大，吞吐量下降快 |
| 停止等待 | $\frac{L}{RTT + T_{\text{trans}}}$ | RTT、发送时间 | 简单但效率低，RTT大时浪费严重 |
| 滑动窗口 | $\min\left( \frac{W \cdot L}{RTT + T_{\text{trans}}}, \text{带宽} \right)$ | 窗口大小、RTT、带宽 | 利用率高，适用于高带宽延迟产品环境 |