Пропускная способность - Throughput

В общем, пропускная способность это скорость производства или скорость, с которой что-то обрабатывается.

При использовании в контексте сети связи, Такие как Ethernet или же пакетное радио, пропускная способность или пропускная способность сети это скорость успешный доставка сообщений по каналу связи. Данные, которым принадлежат эти сообщения, могут быть доставлены по физическому или логическому каналу, или они могут пройти через определенное сетевой узел. Пропускная способность обычно измеряется в бит в секунду (бит / с или бит / с), а иногда и в пакеты данных в секунду (p / s или pps) или пакетов данных за Временной интервал.

В пропускная способность системы или же совокупная пропускная способность - это сумма скоростей передачи данных, которые доставляются на все терминалы в сети.^[1] Пропускная способность по сути является синонимом потребление цифровой полосы пропускания; его можно проанализировать математически, применив теория массового обслуживания, где загрузка в пакетах в единицу времени обозначается как скорость поступления ( $λ$ ), а пропускная способность, где падение пакетов в единицу времени, обозначается как скорость отправления ( $μ$ ).

На пропускную способность системы связи могут влиять различные факторы, включая ограничения базовой аналоговой физической среды, доступную вычислительную мощность компонентов системы и конечный пользователь поведение. Когда учитываются различные издержки протокола, полезная скорость передаваемых данных может быть значительно ниже максимально достижимой пропускной способности; полезная часть обычно упоминается как Goodput.

Максимальная пропускная способность

Пользователи телекоммуникационных устройств, проектировщики систем и исследователи теории связи часто интересуются ожидаемой производительностью системы. С точки зрения пользователя, это часто выражается как «какое устройство будет получать мои данные наиболее эффективно для моих нужд?» Или «какое устройство будет предоставлять больше данных на единицу стоимости?». Разработчики систем часто заинтересованы в выборе наиболее эффективной архитектуры или конструктивных ограничений для системы, которые определяют ее конечную производительность. В большинстве случаев пользователь или разработчик интересуется эталоном возможностей системы или ее «максимальной производительностью». При изучении пропускной способности термин максимальная пропускная способность часто используется там, где подробно рассматриваются тесты максимальной пропускной способности конечного пользователя.

Максимальная пропускная способность по сути является синонимом цифровая пропускная способность.

Четыре различных значения имеют значение в контексте «максимальной пропускной способности», используемой при сравнении концептуальной производительности «верхнего предела» нескольких систем. Это «максимальная теоретическая пропускная способность», «максимально достижимая пропускная способность», «пиковая измеренная пропускная способность» и «максимальная устойчивая пропускная способность». Они представляют разные количества, и необходимо следить за тем, чтобы при сравнении различных значений «максимальной пропускной способности» использовались одни и те же определения. Сравнение значений пропускной способности также зависит от каждого бита, несущего одинаковый объем информации. Сжатие данных может значительно исказить расчеты пропускной способности, включая создание значений более 100%. Если связь осуществляется через несколько последовательно соединенных каналов с разными скоростями передачи данных, максимальная пропускная способность всего канала ниже или равна самой низкой скорости передачи данных. Ссылка с наименьшим значением в серии называется горлышко бутылки.

Максимальная теоретическая пропускная способность

Это число тесно связано с пропускная способность канала системы,^[2] и представляет собой максимально возможное количество данных, которое может быть передано в идеальных условиях. В некоторых случаях сообщается, что это число равно пропускной способности канала, хотя это может быть обманчивым, поскольку только непакетизированные системы (асинхронные) технологии могут достичь этого без сжатия данных. Максимальная теоретическая пропускная способность сообщается более точно с учетом формата и спецификации накладные расходы с предположениями наилучшего случая. Это число, как и близкий к нему термин «максимально достижимая пропускная способность» ниже, в основном используется в качестве приблизительного расчетного значения, например, для определения границ возможной производительности на ранней стадии проектирования системы.

Асимптотическая пропускная способность

В асимптотическая пропускная способность (менее формальный асимптотическая ширина полосы) для пакетного режима сеть связи стоимость максимальная пропускная способность функция, при приближении входящей сетевой нагрузки бесконечность, либо из-за размер сообщения по мере приближения бесконечность,^[3] или количество источников данных очень велико. Как и другие битрейты и пропускная способность данных, асимптотическая пропускная способность измеряется в бит в секунду (бит / с), очень редко байты в секунду (Б / с), где 1 Б / с - 8 бит / с. Десятичные префиксы используются, что означает, что 1 Мбит / с составляет 1000000 бит / с.

Асимптотическая пропускная способность обычно оценивается путем отправки или моделирование очень большое сообщение (последовательность пакетов данных) через сеть, используя жадный источник и нет управление потоком механизм (т.е. UDP скорее, чем TCP ) и измерение пропускной способности сетевого пути в узле назначения. Нагрузка трафика между другими источниками может снизить эту максимальную пропускную способность сетевого пути. В качестве альтернативы можно смоделировать большое количество источников и приемников, с управлением потоком или без него, и измерить совокупную максимальную пропускную способность сети (сумма трафика, достигающего пунктов назначения). В сетевой имитационной модели с бесконечными очередями пакетов асимптотическая пропускная способность возникает, когда задержка (время очереди пакетов) стремится к бесконечности, в то время как, если очереди пакетов ограничены или сеть является многоточечной сетью с множеством источников и могут возникать коллизии, скорость отбрасывания пакетов приближается к 100%.

Хорошо известное применение асимптотической пропускной способности - моделирование двухточечная связь где (вслед за Хокни) задержка сообщения T (N) моделируется как функция длины сообщения N как T (N) = (M + N) / A, где A - асимптотическая полоса пропускания, а M - длина половины пика.^[4]

Помимо использования в общем сетевом моделировании, асимптотическая пропускная способность используется при моделировании производительности на массивно параллельный компьютерные системы, в которых работа системы сильно зависит от накладных расходов на связь, а также от производительности процессора.^[5] В этих приложениях асимптотическая пропускная способность используется в модели Xu и Hwang (более общей, чем подход Хокни), которая включает количество процессоров, так что и задержка, и асимптотическая пропускная способность зависят от количества процессоров.^[6]

Пиковая измеренная пропускная способность

Вышеуказанные значения являются теоретическими или расчетными. Пиковая измеренная пропускная способность - это пропускная способность, измеренная реальной, реализованной или смоделированной системой. Значение - это пропускная способность, измеренная за короткий период времени; математически это предел пропускной способности, когда время приближается к нулю. Этот термин является синонимом мгновенная пропускная способность. Этот номер полезен для систем, которые полагаются на пакетную передачу данных; однако для систем с высоким рабочий цикл вряд ли это будет полезным показателем производительности системы.

Максимальная устойчивая пропускная способность

Это значение представляет собой усредненную или интегрированную пропускную способность за долгое время (иногда считается бесконечной). Для сетей с высоким рабочим циклом это, вероятно, будет наиболее точным индикатором производительности системы. Максимальная пропускная способность определяется как асимптотическая пропускная способность когда нагрузка (количество входящих данных) очень большая. В с коммутацией пакетов системы, в которых нагрузка и пропускная способность всегда равны (где потеря пакета не происходит), максимальная пропускная способность может быть определена как минимальная нагрузка в бит / с, которая вызывает время доставки ( задержка ) становиться нестабильным и возрастать к бесконечности. Это значение также может использоваться обманчиво по отношению к пиковой измеренной пропускной способности, чтобы скрыть формирование пакета.

Использование канала и эффективность

Пропускная способность иногда нормализуется и измеряется в процентах, но нормализация может вызвать путаницу относительно того, с чем связан процент. Использование канала, эффективность канала и скорость отбрасывания пакетов в процентах - менее неоднозначные термины.

Эффективность канала, также известная как эффективность использования полосы пропускания, представляет собой процент от чистый битрейт (в бит / с) цифрового канал связи это относится к фактически достигнутой пропускной способности. Например, если пропускная способность составляет 70 Мбит / с в соединении Ethernet 100 Мбит / с, эффективность канала составляет 70%. В этом примере каждую секунду передаются эффективные 70 Мбит данных.

Использование канала - это термин, связанный с использованием канала без учета пропускной способности. Он учитывает не только биты данных, но и служебные данные, которые используют канал. Служебные данные передачи состоят из последовательностей преамбулы, заголовков кадров и пакетов подтверждения. Определения предполагают бесшумный канал. В противном случае пропускная способность будет связана не только с характером (эффективностью) протокола, но и с повторными передачами, обусловленными качеством канала. В упрощенном подходе эффективность канала может быть равна его использованию при условии, что пакеты подтверждения имеют нулевую длину и что поставщик услуг связи не увидит никакой полосы пропускания, связанной с повторными передачами или заголовками. Таким образом, некоторые тексты отмечают разницу между использованием канала и эффективностью протокола.

В двухточечной или двухточечная связь канал, по которому передает только один терминал, максимальная пропускная способность часто эквивалентна или очень близка к физической скорости передачи данных ( пропускная способность канала ), поскольку использование канала в такой сети может быть почти 100%, за исключением небольшого межкадрового промежутка.

Например, максимальный размер кадра в Ethernet составляет 1526 байтов: до 1500 байтов для полезной нагрузки, восьми байтов для преамбулы, 14 байтов для заголовка и 4 байта для завершающей части. Дополнительный минимальный межкадровый интервал, соответствующий 12 байтам, вставляется после каждого кадра. Это соответствует максимальному использованию канала 1526 / (1526 + 12) × 100% = 99,22% или максимальному использованию канала 99,22 Мбит / с, включая служебные данные протокола уровня канала передачи данных Ethernet в соединении Ethernet 100 Мбит / с. Тогда максимальная пропускная способность или эффективность канала составляет 1500 / (1526 + 12) = 97,5% без учета служебных данных протокола Ethernet.

Факторы, влияющие на пропускную способность

Пропускная способность системы связи будет ограничена огромным количеством факторов. Некоторые из них описаны ниже:

Аналоговые ограничения

Максимально достижимая пропускная способность (пропускная способность канала) зависит от пропускной способности в герцах и соотношение сигнал шум аналоговой физической среды.

Несмотря на концептуальную простоту цифровой информации, все электрические сигналы, передаваемые по проводам, являются аналоговыми. Аналоговые ограничения проводных или беспроводных систем неизбежно определяют верхнюю границу объема передаваемой информации. Здесь доминирующим уравнением является Теорема Шеннона-Хартли, и аналоговые ограничения этого типа можно понимать как факторы, которые влияют либо на аналоговую полосу пропускания сигнала, либо как факторы, влияющие на отношение сигнал / шум. Пропускная способность проводных систем может быть на самом деле удивительно узкой, при этом пропускная способность провода Ethernet ограничена примерно 1 ГГц, а дорожки печатных плат ограничены аналогичной величиной.

Цифровые системы относятся к «частоте колена»,^[7] время, в течение которого цифровое напряжение повышается с 10% номинального цифрового «0» до номинального цифрового «1» или наоборот. Частота излома связана с требуемой полосой пропускания канала и может быть связана с Пропускная способность 3 дБ системы уравнением:^[8] ${displaystyle F_ {3dB} приблизительно K / T_ {r}}$ Где Tr - время нарастания от 10% до 90%, а K - постоянная пропорциональности, связанная с формой импульса, равная 0,35 для экспоненциального нарастания и 0,338 для нарастания по Гауссу.

RC-потери: провода имеют собственное сопротивление, а емкость при измерении относительно земли. Это приводит к эффектам, называемым паразитная емкость, заставляя все провода и кабели действовать как фильтры нижних частот RC.
Эффект кожи: С увеличением частоты электрические заряды перемещаются к краям проводов или кабеля. Это уменьшает эффективную площадь поперечного сечения, доступную для прохождения тока, увеличивает сопротивление и снижает отношение сигнал / шум. За AWG 24 провода (того типа, который обычно встречается в Кошка 5e кабель), частота скин-эффекта становится доминирующей над собственным удельным сопротивлением провода на частоте 100 кГц. На частоте 1 ГГц удельное сопротивление увеличилось до 0,1 Ом / дюйм.^[9]
Завершение и звонок: для длинных проводов (провода длиной более 1/6 длины волны можно считать длинными) должны моделироваться как линии передачи и принять во внимание расторжение. Если этого не сделать, отраженные сигналы будут перемещаться взад и вперед по проводу, положительно или отрицательно мешая сигналу, несущему информацию.^[10]
Эффекты беспроводного канала: Для беспроводных систем все эффекты, связанные с беспроводной передачей, ограничивают SNR и полосу пропускания принятого сигнала и, следовательно, максимальное количество битов, которые могут быть отправлены.

Особенности многопользовательского режима

Обеспечение того, чтобы несколько пользователей могли гармонично совместно использовать один канал связи, требует определенного равноправного совместного использования ссылки. Если канал связи с узким горлышком предлагает скорость передачи данных р используется "N" активными пользователями (по крайней мере, с одним пакетом данных в очереди), каждый пользователь обычно достигает пропускной способности приблизительно R / N, если честная очередь лучшее усилие предполагается связь.

Потеря пакетов из-за Перегрузка сети. Пакеты могут быть сброшены в коммутаторах и маршрутизаторах, когда очереди пакетов заполнены из-за перегрузки.
Потеря пакетов из-за битовые ошибки.
Алгоритмы планирования в маршрутизаторах и коммутаторах. Если честная организация очереди не предусмотрена, пользователи, отправляющие большие пакеты, получат более высокую пропускную способность. Некоторым пользователям может быть присвоен приоритет в взвешенная справедливая очередь (WFQ) алгоритм, если он дифференцирован или гарантирован качество обслуживания (QoS) предоставляется.
В некоторых системах связи, таких как спутниковые сети, только конечное количество каналов может быть доступно данному пользователю в данный момент времени. Каналы назначаются либо посредством предварительного назначения, либо посредством множественного доступа с назначением по требованию (DAMA).^[11] В этих случаях пропускная способность квантуется для каждого канала, и неиспользованная емкость частично используемых каналов теряется.

Goodput и накладные расходы

Максимальная пропускная способность часто является ненадежным измерением воспринимаемой полосы пропускания, например скорости передачи файлов в битах в секунду. Как указывалось выше, достигнутая пропускная способность часто ниже максимальной пропускной способности. Кроме того, служебные данные протокола влияют на воспринимаемую пропускную способность. Пропускная способность не является четко определенной метрикой, когда речь идет о том, как бороться с накладными расходами протокола. Обычно он измеряется в контрольной точке ниже сетевого уровня и выше физического уровня. Самое простое определение - это количество физически доставляемых битов в секунду. Типичным примером применения этого определения является сеть Ethernet. В этом случае максимальная пропускная способность равна общий битрейт или же сырой битрейт.

Однако в схемах, включающих коды прямого исправления ошибок (кодирование канала) избыточный код ошибки обычно исключается из пропускной способности. Пример в модем связь, где пропускная способность обычно измеряется в интерфейсе между Протокол точка-точка (PPP) и модемное соединение с коммутацией каналов. В этом случае максимальная пропускная способность часто называется чистый битрейт или же полезный битрейт.

Чтобы определить фактическую скорость передачи данных в сети или подключении, "Goodput «может использоваться определение измерения. Например, при передаче файла« полезная производительность »соответствует размеру файла (в битах), деленному на время передачи файла.Goodput "- это количество полезной информации, которая доставляется в секунду прикладной уровень протокол. Отброшенные пакеты или повторные передачи пакетов, а также служебные данные протокола исключаются. Из-за этого «полезная производительность» ниже, чем пропускная способность. Технические факторы, влияющие на разницу, представлены в разделе "Goodput " статья.

Другое использование пропускной способности для данных

Интегральные схемы

Часто блок в диаграмма потока данных имеет один вход и один выход и работает с дискретными пакетами информации. Примеры таких блоков: Быстрое преобразование Фурье модули или двоичные множители. Поскольку единицы производительности являются обратными единицам для Задержка распространения, которая представляет собой «секунды на сообщение» или «секунды на вывод», пропускная способность может использоваться для связи вычислительного устройства, выполняющего специальную функцию, такую как ASIC или же встроенный процессор к каналу связи, упрощая системный анализ.

Беспроводные и сотовые сети

В беспроводные сети или же сотовые системы, то спектральная эффективность системы в бит / с / Гц / единица площади, бит / с / Гц / сайт или бит / с / Гц / ячейка - максимальная пропускная способность системы (совокупная пропускная способность), деленная на аналоговую полосу пропускания и некоторую меру зоны покрытия системы.

По аналоговым каналам

Пропускная способность аналоговых каналов полностью определяется схемой модуляции, соотношением сигнал / шум и доступной полосой пропускания. Поскольку пропускная способность обычно определяется в терминах количественно определенных цифровых данных, термин «пропускная способность» обычно не используется; Вместо этого чаще используется термин «пропускная способность».

Смотрите также

дальнейшее чтение

Раппапорт, Теодор С. Беспроводная связь, принципы и практика второе издание, Prentice Hall, 2002, ISBN 0-13-042232-0
Блахут, Ричард Э. Алгебраические коды для передачи данных Издательство Кембриджского университета, 2004, ISBN 0-521-55374-1
Ли, Харнес, Холте, «Влияние потери связи на производительность многоступенчатых беспроводных сетей», IEEE, Труды 14-й Международной конференции по компьютерным коммуникациям и сетям, октябрь 2005 г., 303–308
Джонсон, Грэм, Высокоскоростной цифровой дизайн, справочник черной магии, Prentice Hall, 1973, ISBN 0-13-395724-1
Родди, Деннис, Спутниковая связь Третье издание, Макгроу-Хилл, 2001, ISBN 0-07-137176-1

[1] Гуован Мяо, Йенс Зандер, К. В. Сунг и Бен Слиман, Основы сетей мобильной передачи данных, Cambridge University Press, ISBN 1107143217, 2016.

[2] Блахут, 2004, с.4

[3] Накладные расходы на передачу сообщений моделирования по C.Y Chou et al. in Advances in Grid and Pervasive Computing: Первая международная конференция, GPC 2006, под редакцией Йе-Чинг Чунг и Хосе Э. Морейра ISBN 3540338098 страницы 299-307

[4] Последние достижения в области параллельных виртуальных машин и интерфейса передачи сообщений Джек Донгарра, Эмилио Луке и Томас Маргалеф 1999 ISBN 3540665498 стр.134

[5] M. Resch et al. Сравнение производительности MPI на разных MPPв «Последние достижения в области параллельных виртуальных машин и интерфейса передачи сообщений», конспект лекций по информатике, 1997 г., том 1332/1997, 25-32

[6] Высокопроизводительные вычисления и сети под редакцией Анджело Маньяса, Бернардо Тафалла и Ру Рей Джея Паллонеса 1998 ISBN 3540644431 стр. 935

[7] Джонсон, 1993, 2-5

[8] Джонсон, 1993, 9

[9] Джонсон, 1993, 154

[10] Джонсон, 1993, 160-170

[11] Родди, 2001, 370 - 371

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]