Propustnost - Throughput

Obecně řečeno, propustnost je míra produkce nebo rychlost, kterou se něco zpracovává.

Při použití v kontextu komunikačních sítí , jako je ethernet nebo paketové rádio , je propustnost nebo propustnost sítě mírou úspěšného doručení zprávy přes komunikační kanál. Data, ke kterým tyto zprávy patří, mohou být doručována přes fyzické nebo logické spojení, nebo mohou procházet přes určitý síťový uzel . Propustnost se obvykle měří v bitech za sekundu (bit/s nebo bps) a někdy v datových paketech za sekundu (p/s nebo pps) nebo datových paketech za časový úsek .

Propustnost systému nebo agregát propustnost je součet datových rychlostí, které jsou dodávány pro všechny terminály v síti. Propustnost je v podstatě synonymem spotřeby šířky digitálního pásma ; lze jej matematicky analyzovat použitím teorie fronty , kde zatížení v paketech za časovou jednotku je označeno jako příchodová rychlost ( λ ) a propustnost, kde pokles v paketech za časovou jednotku, je označeno jako odchodová rychlost ( μ ).

Propustnost komunikačního systému může být ovlivněna různými faktory, včetně omezení podkladového analogového fyzického média, dostupného výpočetního výkonu komponent systému a chování koncového uživatele . Když se vezmou v úvahu různé režijní náklady na protokol, užitečná rychlost přenesených dat může být výrazně nižší než maximální dosažitelná propustnost; užitečná část se obvykle označuje jako goodput .

Maximální propustnost

Uživatelé telekomunikačních zařízení, návrháři systémů a výzkumní pracovníci v teorii komunikace se často zajímají o znalost očekávaného výkonu systému. Z pohledu uživatele se to často formuluje buď jako „které zařízení tam bude moje data nejúčinněji získávat pro mé potřeby?“, Nebo „které zařízení dodá nejvíce dat za jednotkové náklady?“. Návrháři systémů se často zajímají o výběr nejefektivnější architektury nebo omezení návrhu systému, které řídí jeho konečný výkon. Ve většině případů je měřítkem toho, čeho je systém schopen, nebo jeho „maximální výkon“ to, co uživatele nebo návrháře zajímá. Při zkoumání propustnosti se často používá termín maximální propustnost, kde jsou diskutovány testy maximální propustnosti koncového uživatele podrobně.

Maximální propustnost je v podstatě synonymem kapacity digitální šířky pásma .

Čtyři různé hodnoty mají význam v kontextu „maximální propustnosti“, používané při porovnávání koncepčního výkonu „horní hranice“ více systémů. Jsou to „maximální teoretická propustnost“, „maximální dosažitelná propustnost“ a „špičková měřená propustnost“ a „maximální trvalá propustnost“. Ty představují různé veličiny a je třeba dbát na to, aby při srovnávání různých hodnot „maximální propustnosti“ byly použity stejné definice. Porovnání hodnot propustnosti také závisí na tom, zda každý bit nese stejné množství informací. Komprese dat může výrazně zkreslit propustnost výpočtů, včetně generování hodnot větších než 100%. Pokud je komunikace zprostředkována několika linkami v sérii s různými bitovými rychlostmi, je maximální propustnost celého odkazu nižší nebo rovna nejnižší bitové rychlosti. Odkaz na nejnižší hodnotu v sérii se označuje jako úzké místo .

Maximální teoretická propustnost

Toto číslo úzce souvisí s kanálovou kapacitou systému a je to maximální možné množství dat, které lze za ideálních okolností přenášet. V některých případech je toto číslo vykazováno jako rovnocenné kapacitě kanálu, i když to může být klamné, protože bez komprese dat toho mohou dosáhnout pouze technologie bez paketových systémů (asynchronní). Maximální teoretická propustnost je přesněji hlášena, aby zohlednila režii formátu a specifikací s předpoklady nejlepších případů. Toto číslo, podobně jako níže úzce související termín „maximální dosažitelná propustnost“, se používá především jako hrubá vypočtená hodnota, například pro určení mezí možného výkonu v rané fázi návrhu systému

Asymptotická propustnost

Asymptotická propustnost (méně formální asymptotická pásma ) za paket režimu komunikační sítě je hodnota maximální výkon funkce, kdy se příchozí zatížení sítě se blíží k nekonečnu , a to buď z důvodu velikosti zprávy , jak se blíží k nekonečnu , nebo počet datových zdrojů je velmi velký. Stejně jako ostatní přenosové rychlosti a šířky datových pásem je asymptotická propustnost měřena v bitech za sekundu (bit/s), velmi zřídka bajtů za sekundu (B/s), kde 1 B/s je 8 bit/s. Používají se desetinné předpony , což znamená, že 1 Mbit/s je 10 000 000 bitů/s.

Asymptotická propustnost se obvykle odhaduje odesláním nebo simulací velmi velké zprávy (sekvence datových paketů) prostřednictvím sítě, pomocí chamtivého zdroje a bez mechanismu řízení toku (tj. UDP spíše než TCP ) a měřením propustnosti síťové cesty v cílovém uzlu . Zatížení provozu mezi jinými zdroji může tuto maximální propustnost síťové cesty snížit. Alternativně lze modelovat velký počet zdrojů a propadů, s řízením toku nebo bez něj, a změřit celkovou maximální propustnost sítě (součet provozu, který dosáhl svých cílů). V modelu simulace sítě s nekonečnými frontami paketů dochází k asymptotické propustnosti, když latence (doba fronty paketů) přejde do nekonečna, zatímco pokud jsou fronty paketů omezené nebo síť je síť s více dropy s mnoha zdroji a kolizemi může dojít, rychlost shazování paketů se blíží 100%.

Dobře známá aplikace asymptotické propustnosti je v modelování komunikace point-to-point, kde (podle Hockneyho) latence zprávy T (N) je modelována jako funkce délky zprávy N jako T (N) = (M + N)/A kde A je asymptotická šířka pásma a M je poloviční vrchol.

Stejně jako jeho použití v obecném síťovém modelování, asymptotická propustnost se používá při modelování výkonu na masivně paralelních počítačových systémech, kde provoz systému je velmi závislý na režii komunikace, stejně jako na výkonu procesoru. V těchto aplikacích se v modelu Xu a Hwang používá asymptotická propustnost (obecnější než Hockneyův přístup), která zahrnuje počet procesorů, takže latence i asymptotická propustnost jsou funkce počtu procesorů.

Špička měřená propustnost

Výše uvedené hodnoty jsou teoretické nebo vypočítané. Špičková měřená propustnost je propustnost měřená skutečným, implementovaným systémem nebo simulovaným systémem. Hodnota je propustnost měřená během krátkého časového období; matematicky je to limit přijatý s ohledem na propustnost, jak se čas blíží nule. Tento termín je synonymem pro okamžitou propustnost . Toto číslo je užitečné pro systémy, které se spoléhají na přenos dat shlukem; u systémů s vysokým pracovním cyklem je však méně pravděpodobné, že by to bylo užitečné měřítko výkonu systému.

Maximální trvalá propustnost

Tato hodnota je průměrovaná nebo integrovaná propustnost po dlouhou dobu (někdy považována za nekonečno). U sítí s vysokým pracovním cyklem je to pravděpodobně nejpřesnější ukazatel výkonu systému. Maximální propustnost je definována jako asymptotická propustnost, když je zátěž (množství příchozích dat) velmi velká. V systémech s přepojováním paketů, kde je zatížení a propustnost vždy stejné (kde nedochází ke ztrátě paketů ), může být maximální propustnost definována jako minimální zatížení v bit/s, které způsobí, že doba doručení ( latence ) se stane nestabilní a zvýší se k nekonečnu. Tuto hodnotu lze také použít klamavě ve vztahu k špičkové měřené propustnosti pro skrytí tvarování paketů .

Využití a účinnost kanálu

Průchodnost je někdy normalizována a měřena v procentech, ale normalizace může způsobit zmatek ohledně toho, s čím se procento týká. Využití kanálu , efektivita kanálu a paketových míra poklesu v procentech jsou méně nejednoznačné pojmy.

Účinnost kanálu, známá také jako účinnost využití šířky pásma, je procento čisté přenosové rychlosti (v bitech/s) digitálního komunikačního kanálu, které jde do skutečně dosažené propustnosti. Pokud je například propustnost 70 Mbit/s v ethernetovém připojení 100 Mbit/s, účinnost kanálu je 70%. V tomto případě se efektivní 70 Mbit dat přenáší každou sekundu.

Využití kanálu je místo toho termín související s použitím kanálu bez ohledu na propustnost. Počítá nejen s datovými bity, ale také s režií, která kanál využívá. Přenosová režie se skládá z preambulových sekvencí, záhlaví rámců a potvrzovacích paketů. Definice předpokládají bezhlučný kanál. Jinak by propustnost nebyla spojena pouze s povahou (účinností) protokolu, ale také s opakovanými přenosy vyplývajícími z kvality kanálu. V zjednodušeném přístupu se účinnost kanálu může rovnat využití kanálu za předpokladu, že potvrzovací pakety mají nulovou délku a že poskytovatel komunikace neuvidí žádnou šířku pásma vzhledem k opakovaným přenosům nebo záhlavím. Některé texty proto znamenají rozdíl mezi využitím kanálu a efektivitou protokolu.

V komunikačním spojení point-to-point nebo point-to-multipoint , kde vysílá pouze jeden terminál, je maximální propustnost často ekvivalentní nebo velmi blízko fyzické rychlosti dat ( kapacita kanálu ), protože využití kanálu může být téměř 100% v takové síti, s výjimkou malé mezery mezi snímky.

Například maximální velikost rámce v ethernetu je 1526 bajtů: až 1500 bajtů pro užitečné zatížení, osm bajtů pro preambuli, 14 bajtů pro záhlaví a 4 bajty pro upoutávku. Za každý rámec je vložena další minimální meziprostorová mezera odpovídající 12 bytům. To odpovídá maximálnímu využití kanálu 1526/(1526 + 12) × 100% = 99,22%, nebo maximálnímu využití kanálu 99,22 Mbit/s včetně režie ethernetového datového odkazu vrstvy režie v ethernetovém připojení 100 Mbit/s. Maximální propustnost nebo účinnost kanálu je pak 1500 / (1526 + 12) = 97,5%, bez režie ethernetového protokolu.

Faktory ovlivňující propustnost

Propustnost komunikačního systému bude omezena velkým počtem faktorů. Některé z nich jsou popsány níže:

Analogová omezení

Maximální dosažitelná propustnost (kapacita kanálu) je ovlivněna šířkou pásma v hertzech a poměrem signálu k šumu analogového fyzického média.

Navzdory koncepční jednoduchosti digitálních informací jsou všechny elektrické signály procházející vodiči analogové. Analogová omezení drátů nebo bezdrátových systémů nevyhnutelně poskytují horní hranici množství informací, které lze odeslat. Dominantní rovnicí je zde Shannon-Hartleyova věta a analogová omezení tohoto typu lze chápat jako faktory, které ovlivňují buď analogovou šířku pásma signálu, nebo jako faktory, které ovlivňují poměr signálu k šumu. Šířka pásma kabelových systémů může být ve skutečnosti překvapivě úzká, přičemž šířka pásma ethernetového drátu je omezena přibližně na 1 GHz a stopy desek plošných spojů omezeny podobným množstvím.

Digitální systémy označují „kolenní frekvenci“, což je doba, po kterou digitální napětí vzroste z 10% nominální digitální „0“ na nominální digitální „1“ nebo naopak. Frekvence kolena je vztažena k požadované šířce pásma kanálu a může být vztažena k šířce pásma 3 dB systému podle rovnice: kde Tr je doba náběhu 10% až 90% a K je konstanta proporcionality související s pulzní tvar, rovný 0,35 pro exponenciální vzestup a 0,338 pro Gaussův vzestup.

  • RC ztráty: vodiče mají inherentní odpor a vlastní kapacitu, měřeno vzhledem k zemi. To vede k efektům nazývaným parazitní kapacita , což způsobí, že všechny vodiče a kabely fungují jako RC lowpass filtry.
  • Účinek na kůži : Jak se frekvence zvyšuje, elektrické náboje migrují na okraje vodičů nebo kabelů. Tím se snižuje efektivní plocha průřezu, která je k dispozici pro přenos proudu, zvyšuje se odpor a snižuje se poměr signálu k šumu. U vodičů AWG 24 (typu, který se běžně vyskytuje v kabelu Cat 5e ) se frekvence kožního efektu stává dominantní nad inherentním odporem vodiče při 100 kHz. Na 1 GHz se odpor zvýšil na 0,1 ohmů/palec.
  • Ukončení a vyzvánění: U dlouhých vodičů (dráty delší než 1/6 vlnové délky lze považovat za dlouhé) je třeba modelovat jako přenosové linky a vzít v úvahu ukončení. Pokud to není provedeno, odražené signály budou cestovat tam a zpět po drátu, což pozitivně nebo negativně interferuje se signálem přenášejícím informace.
  • Efekty bezdrátového kanálu : U bezdrátových systémů všechny efekty spojené s bezdrátovým přenosem omezují SNR a šířku pásma přijímaného signálu, a tedy i maximální počet bitů, které lze odeslat.

Aspekty hardwaru IC

Výpočetní systémy mají konečný výpočetní výkon a mohou řídit konečný proud. Omezené možnosti proudového pohonu mohou omezit efektivní poměr signálu k šumu pro vysokokapacitní spoje.

Velké zatížení dat, které vyžaduje zpracování, ukládá požadavky na zpracování dat na hardware (například směrovače). Například směrovač brány podporující naplněnou podsíť třídy B , zpracovávající ethernetové kanály 10 x 100 Mbit/s, musí prozkoumat 16 bitů adresy, aby určil cílový port pro každý paket. To se promítá do 81913 paketů za sekundu (za předpokladu maximálního datového užitečného zatížení na paket) s tabulkou 2^16 adres, což vyžaduje, aby směrovač dokázal provést 5 368 miliard operací vyhledávání za sekundu. V nejhorším případě, kdy se užitečné zatížení každého ethernetového paketu sníží na 100 bajtů, tento počet operací za sekundu vyskočí na 520 miliard. Tento router by vyžadoval jádro pro zpracování více teraflopů, aby dokázal zvládnout takové zatížení.

  • CSMA/CD a CSMA/CA „backoffují“ čekací dobu a opakují přenosy rámců po detekovaných kolizích. K tomu může dojít v sítích ethernetové sběrnice a rozbočovacích sítích, stejně jako v bezdrátových sítích.
  • řízení toku , například v protokolu Transmission Control Protocol (TCP), ovlivňuje propustnost, pokud je produkt zpoždění šířky pásma větší než okno TCP, tj. velikost vyrovnávací paměti. V takovém případě musí odesílající počítač počkat na potvrzení datových paketů, než bude moci odeslat další pakety.
  • Rychlost vyhýbání se přetížení TCP řídí rychlost přenosu dat. K takzvanému „pomalému startu“ dochází na začátku přenosu souboru a po pádech paketů způsobených přetížením routeru nebo bitovými chybami například v bezdrátových linkách.

Úvahy pro více uživatelů

Zajištění toho, aby více uživatelů mohlo harmonicky sdílet jedno komunikační spojení, vyžaduje určitý způsob spravedlivého sdílení odkazu. Pokud je komunikační spojení s lahví na krku nabízející datovou rychlost R sdíleno aktivními uživateli „N“ (s alespoň jedním datovým paketem ve frontě), každý uživatel obvykle dosáhne propustnosti přibližně R/N , pokud se předpokládá komunikace s nejlepší snahou o spravedlivé frontě .

  • Ztráta paketů v důsledku přetížení sítě . Když jsou fronty paketů zaplněné kvůli přetížení, mohou být pakety zahodeny do přepínačů a směrovačů.
  • Ztráta paketů v důsledku bitových chyb .
  • Algoritmy plánování ve směrovačích a přepínačích. Pokud není k dispozici spravedlivé fronty, uživatelé, kteří odesílají velké pakety, získají větší šířku pásma. Někteří uživatelé mohou mít prioritu v algoritmu váženého spravedlivého řazení (WFQ), pokud je poskytována diferencovaná nebo zaručená kvalita služby (QoS).
  • V některých komunikačních systémech, jako jsou satelitní sítě, může být danému uživateli v daném čase k dispozici pouze konečný počet kanálů. Kanály jsou přiřazovány buď prostřednictvím předběžného přiřazení, nebo prostřednictvím DAMA (Demand Assigned Multiple Access). V těchto případech se propustnost kvantuje na kanál a nevyužitá kapacita na částečně využívaných kanálech se ztrácí.

Goodput a režie

Maximální propustnost je často nespolehlivé měření vnímané šířky pásma, například rychlost přenosu dat v bitech za sekundu. Jak bylo uvedeno výše, dosažená propustnost je často nižší než maximální propustnost. Také režie protokolu ovlivňuje vnímanou šířku pásma. Propustnost není přesně definovanou metrikou, pokud jde o to, jak se vypořádat s režií protokolu. Obvykle se měří v referenčním bodě pod síťovou vrstvou a nad fyzickou vrstvou. Nejjednodušší definicí je počet bitů za sekundu, které jsou fyzicky doručeny. Typickým příkladem, kde se tato definice praktikuje, je ethernetová síť. V tomto případě je maximální propustnost hrubá bitová rychlost nebo surová bitová rychlost.

Avšak ve schématech, která obsahují dopředné chybové korekční kódy (kódování kanálu), je nadbytečný chybový kód obvykle vyloučen z propustnosti. Příklad v modemové komunikaci, kde se propustnost obvykle měří v rozhraní mezi protokolem Point-to-Point Protocol (PPP) a modemovým připojením s přepojováním okruhů. V tomto případě se maximální propustnost často nazývá čistá přenosová rychlost nebo užitečná přenosová rychlost.

K určení skutečné rychlosti přenosu dat v síti nebo připojení lze použít definici měření „ goodput “. Například při přenosu souboru „goodput“ odpovídá velikosti souboru (v bitech) děleno časem přenosu souboru. " Goodput " je množství užitečných informací, které jsou za sekundu doručeny do protokolu aplikační vrstvy . Vyřazené pakety nebo opakované přenosy paketů a režie protokolu jsou vyloučeny. Z tohoto důvodu je „goodput“ nižší než propustnost. Technické faktory, které ovlivňují rozdíl, jsou uvedeny v článku „ goodput “.

Další využití propustnosti pro data

Integrované obvody

Blok v diagramu toku dat má často jeden vstup a jeden výstup a pracuje na diskrétních paketech informací. Příkladem takových bloků jsou moduly Fast Fourier Transform nebo binární multiplikátory . Protože jednotky propustnosti jsou převrácenou jednotkou pro zpoždění šíření , což je 'sekundy na zprávu' nebo 'sekundy na výstup', propustnost lze použít k propojení výpočetního zařízení provádějícího vyhrazenou funkci, jako je ASIC nebo vestavěný procesor, s komunikační kanál, zjednodušující analýzu systému.

Bezdrátové a mobilní sítě

V bezdrátových sítích nebo celulárních systémech je spektrální účinnost systému v jednotkách bit/s/Hz/plocha, bit/s/Hz/místo nebo bit/s/Hz/buňka maximální propustnost systému (agregovaná propustnost) dělená analogovým šířka pásma a určité měřítko oblasti pokrytí systému.

Přes analogové kanály

Propustnost přes analogové kanály je zcela definována modulačním schématem, poměrem signálu k šumu a dostupnou šířkou pásma. Protože propustnost je obvykle definována z hlediska kvantifikovaných digitálních dat, termín 'propustnost' se běžně nepoužívá; místo toho se častěji používá termín „šířka pásma“.

Viz také

Reference

Další čtení