Пропускная способность сети

Пропускная способность сети (или просто пропускная способность в контексте) относится к скорости доставки сообщений по каналу связи , такому как Ethernet или пакетная радиосвязь , в сети связи . Данные, содержащиеся в этих сообщениях, могут доставляться по физическим или логическим каналам связи или через сетевые узлы . Пропускная способность обычно измеряется в битах в секунду (бит/с, иногда сокращенно бит/с), а иногда в пакетах данных в секунду (p/s или pps) или пакетах данных на временной интервал .

Пропускная способность системы или совокупная пропускная способность представляет собой сумму скоростей передачи данных, которые доставляются на все терминалы в сети. ^[1] Пропускная способность по сути является синонимом потребления цифровой полосы пропускания ; ее можно определить численно, применив теорию массового обслуживания , где нагрузка в пакетах в единицу времени обозначается как скорость поступления ( $λ$ ), а 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, поведение конечного пользователя протокола и т. д. Принимая во внимание различные издержки , полезная скорость скорость передачи данных может быть существенно ниже максимально достижимой пропускной способности; полезная часть обычно называется Goodput .

Максимальная пропускная способность

Пользователи телекоммуникационных устройств, проектировщики систем и исследователи теории связи часто интересуются ожидаемой производительностью системы. С точки зрения пользователя это часто формулируется как «какое устройство будет наиболее эффективно передавать мои данные для моих нужд?» или «какое устройство будет доставлять больше всего данных за единицу стоимости?». Системные проектировщики часто выбирают наиболее эффективную архитектуру или конструктивные ограничения для системы, от которых зависит ее конечная производительность. В большинстве случаев пользователь или проектировщик интересуется эталоном того, на что способна система, или ее «максимальной производительностью». Термин «максимальная пропускная способность» часто используется при обсуждении тестов максимальной пропускной способности для конечного пользователя.

Максимальная пропускная способность по сути является синонимом пропускной способности цифровой полосы пропускания .

Четыре разных значения актуальны в контексте «максимальной пропускной способности», используемой при сравнении «верхнего предела» концептуальной производительности нескольких систем. Это «максимальная теоретическая пропускная способность», «максимально достижимая пропускная способность», «пиковая измеренная пропускная способность» и «максимально устойчивая пропускная способность». Эти значения представляют разные величины, и необходимо следить за тем, чтобы при сравнении различных значений «максимальной пропускной способности» использовались одни и те же определения. Каждый бит должен нести одинаковое количество информации, если необходимо сравнивать значения пропускной способности. Сжатие данных может существенно изменить расчеты пропускной способности, в том числе в некоторых случаях генерировать значения, превышающие 100%. Если связь осуществляется через несколько последовательно соединенных каналов с разными скоростями передачи данных, максимальная пропускная способность всего канала будет ниже или равна самой низкой скорости передачи данных. Ссылка с наименьшей стоимостью в серии называется узким местом .

Максимальная теоретическая пропускная способность

Это число тесно связано с пропускной способностью канала системы. ^[2] и представляет собой максимально возможное количество данных, которое может быть передано в идеальных обстоятельствах. В некоторых случаях это число указывается как равное пропускной способности канала, хотя это может быть обманчивым, поскольку только непакетные системы (асинхронные) технологии могут достичь этого без сжатия данных. Максимальная теоретическая пропускная способность сообщается более точно с учетом накладных расходов на формат и спецификацию с предположениями о лучшем случае. Это число, как и тесно связанный с ним термин «максимально достижимая пропускная способность», приведенный ниже, в основном используется в качестве грубого расчетного значения, например, для определения границ возможной производительности на ранних этапах проектирования системы.

Асимптотическая пропускная способность

Асимптотическая пропускная способность (менее формальная асимптотическая пропускная способность с пакетным режимом ) для сети связи — это значение функции максимальной пропускной способности , когда входящая загрузка сети приближается к бесконечности либо из-за размера сообщения , либо из-за размера сообщения , ^[3] или количество источников данных. Как и другие скорости передачи данных и пропускная способность данных , асимптотическая пропускная способность измеряется в битах в секунду (бит/с) или (редко) байтах в секунду (Б/с), где 1 Б/с равен 8 бит/с. десятичные префиксы Используются , означающие, что 1 Мбит/с равен 1000000 бит/с.

Асимптотическая пропускная способность обычно оценивается путем отправки или моделирования очень большого сообщения (последовательности пакетов данных) через сеть с использованием жадного источника и отсутствия управления потоком механизма (т. е. UDP, а не TCP ) и измерения пропускной способности сетевого пути в пункте назначения. узел. Нагрузка трафика между другими источниками может снизить 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 (сумму трафика, достигающего пунктов назначения). В модели моделирования сети с бесконечными очередями пакетов асимптотическая пропускная способность возникает, когда задержка (время нахождения в очереди пакетов) стремится к бесконечности, а если очереди пакетов ограничены или сеть представляет собой многоточечную сеть со многими источниками и коллизиями. может произойти, процент отбрасывания пакетов приближается к 100%.

Хорошо известное применение асимптотической пропускной способности заключается в моделировании двухточечной связи , где (по Хокни) задержка сообщения T(N) моделируется как функция длины сообщения N как T(N) = (M + N)/A. где A — асимптотическая ширина полосы, а M — длина полупика. ^[4]

Помимо использования в общем сетевом моделировании, асимптотическая пропускная способность используется при моделировании производительности компьютерных систем с массовым параллелизмом , где работа системы сильно зависит от накладных расходов на связь, а также от производительности процессора. ^[5] В этих приложениях асимптотическая пропускная способность используется в модели Сюй и Хванга (более общей, чем подход Хокни), которая включает количество процессоров, так что и задержка, и асимптотическая пропускная способность являются функциями количества процессоров. ^[6]

Пиковая измеренная пропускная способность

Вышеуказанные значения являются теоретическими или расчетными. Пиковая измеренная пропускная способность — это пропускная способность, измеренная реальной, реализованной системой или смоделированной системой. Значение представляет собой пропускную способность, измеренную за короткий период времени; математически это предел пропускной способности, когда время приближается к нулю. Этот термин является синонимом мгновенной пропускной способности . Это число полезно для систем, которые полагаются на пакетную передачу данных; однако для систем с высоким рабочим циклом это вряд ли будет полезным показателем производительности системы.

Максимальная устойчивая пропускная способность

Это значение представляет собой усредненную или интегрированную пропускную способность за длительное время (иногда считается бесконечностью). Для сетей с высокой нагрузкой это, вероятно, будет наиболее точным индикатором производительности системы. Максимальная пропускная способность определяется как асимптотическая пропускная способность при большой нагрузке (объеме входящих данных). В системах с коммутацией пакетов , где нагрузка и пропускная способность всегда равны (где не происходит потери пакетов ), максимальная пропускная способность может быть определена как минимальная нагрузка в бит/с, которая приводит к тому, что время доставки ( задержка ) становится нестабильным и увеличивается. к бесконечности. Это значение также можно использовать обманным путем по отношению к пиковой измеренной пропускной способности, чтобы скрыть формирование пакетов .

Использование канала и эффективность

Пропускную способность иногда нормализуют и измеряют в процентах, но нормализация может вызвать путаницу относительно того, с чем связан этот процент. Использование канала , эффективность канала и процент потери пакетов — менее двусмысленные термины.

Эффективность канала, также известная как эффективность использования полосы пропускания , представляет собой процент чистой скорости передачи данных (в бит/с) цифрового канала связи , который приходится на фактически достигнутую пропускную способность. Например, если пропускная способность составляет 70 Мбит/с при Ethernet-соединении со скоростью 100 Мбит/с, эффективность канала составит 70%. В этом примере фактически каждую секунду передается 70 Мбит данных.

Вместо этого использование канала — это термин, относящийся к использованию канала без учета пропускной способности. Он учитывает не только биты данных, но и накладные расходы, связанные с использованием канала. Заголовок передачи состоит из последовательностей преамбул, заголовков кадров и пакетов подтверждения. В определениях предполагается 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 использованию канала, при условии, что пакеты подтверждения имеют нулевую длину и что поставщик связи не увидит никакой полосы пропускания по сравнению с повторными передачами или заголовками. Поэтому в некоторых текстах отмечается разница между использованием канала и эффективностью протокола.

В канале связи «точка-точка» или «точка-множество точек» , где передает только один терминал, максимальная пропускная способность часто эквивалентна физической скорости передачи данных ( пропускной способности канала ) или очень близка к ней, поскольку загрузка канала может быть почти 100% в такой сети, если не считать небольшого межкадрового разрыва.

Например, максимальный размер кадра в Ethernet составляет 1526 байт: до 1500 байт для полезной нагрузки, восемь байт для преамбулы, 14 байт для заголовка и 4 байта для концевика. После каждого кадра вставляется дополнительный минимальный межкадровый промежуток, соответствующий 12 байтам. 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 со скоростью 100 Мбит/с. Тогда максимальная пропускная способность или эффективность канала составит 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

На максимально достижимую пропускную способность (пропускную способность канала) влияет полоса пропускания в герцах и отношение сигнал/шум аналоговой физической среды.

Несмотря на концептуальную простоту цифровой информации, все электрические сигналы, передаваемые по проводам, являются аналоговыми. Аналоговые ограничения проводных и беспроводных систем неизбежно ограничивают объем передаваемой информации. Доминирующим уравнением здесь является теорема Шеннона-Хартли , и аналоговые ограничения этого типа можно понимать как факторы, влияющие либо на аналоговую полосу пропускания сигнала, либо как факторы, влияющие на отношение сигнал/шум. Пропускная способность проводных систем на самом деле может быть удивительно узкой: полоса пропускания Ethernet-провода ограничена примерно 1 ГГц, а трассы печатных плат ограничены аналогичной величиной.

Цифровые системы относятся к «коленной частоте», ^[7] количество времени, в течение которого цифровое напряжение возрастает с 10% от номинального цифрового «0» до номинального цифрового «1» или наоборот. Частота излома связана с требуемой полосой пропускания канала и может быть связана с 3 дБ уравнением: полосой пропускания системы на уровне ^[8] $\ F_{3dB}\approx K/T_{r}$ Где Tr — время нарастания от 10% до 90%, а K — константа пропорциональности, связанная с формой импульса, равная 0,35 для экспоненциального нарастания и 0,338 для гауссовского нарастания.

RC-потери: Провода имеют собственное сопротивление и собственную емкость при измерении относительно земли. Это приводит к эффекту, называемому паразитной емкостью , в результате которого все провода и кабели действуют как RC-фильтры нижних частот.
Скин-эффект : по мере увеличения частоты электрические заряды мигрируют к краям проводов или кабеля. Это уменьшает эффективную площадь поперечного сечения, доступную для проведения тока, увеличивая сопротивление и уменьшая соотношение сигнал/шум. Для провода AWG 24 (типа, обычно встречающегося в кабелях категории 5e ) 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 на дюйм. ^[9]
Оконечная нагрузка и звон: провода длиной более 1/6 длины волны должны моделироваться как линии передачи с учетом оконечной нагрузки. 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 принимаемого сигнала и, следовательно, максимальную скорость передачи битов .

Хорошая производительность и накладные расходы

Максимальная пропускная способность часто является ненадежным показателем воспринимаемой пропускной способности, например, скорости передачи данных файла в битах в секунду. Как указывалось выше, достигнутая пропускная способность зачастую ниже максимальной пропускной способности. Кроме того, издержки протокола влияют на воспринимаемую пропускную способность. Пропускная способность не является четко определенным показателем, когда речь идет о том, как справиться с накладными расходами протокола. Обычно он измеряется в контрольной точке ниже сетевого уровня и выше физического уровня. Самое простое определение — это количество битов в секунду, которые физически доставляются. Типичным примером применения этого определения является сеть Ethernet. В этом случае максимальная пропускная способность — это общая скорость передачи данных или необработанная скорость передачи данных.

Однако в схемах, которые включают в себя коды прямого исправления ошибок (канальное кодирование), избыточный код ошибки обычно исключается из пропускной способности. Пример модемной связи, где пропускная способность обычно измеряется на интерфейсе между протоколом «точка-точка» (PPP) и модемным соединением с коммутацией каналов. В этом случае максимальную пропускную способность часто называют чистой скоростью передачи данных или полезной скоростью передачи данных.

Чтобы определить фактическую скорость передачи данных в сети или соединении, « хорошая пропускная способность можно использовать определение измерения ». Например, при передаче файла «хорошая производительность» соответствует размеру файла (в битах), разделенному на время передачи файла. « Goodput » — это количество полезной информации, которая доставляется в секунду протоколу прикладного уровня . Отброшенные пакеты или повторные передачи пакетов, а также издержки протокола исключаются. Из-за этого «хорошая производительность» ниже пропускной способности. Технические факторы, влияющие на разницу, представлены в статье « Goodput ».

Другие варианты использования пропускной способности для данных

Интегральные схемы

Часто блок в диаграмме потока данных имеет один вход и один выход и работает с дискретными пакетами информации. Примерами таких блоков являются модули быстрого преобразования Фурье или двоичные умножители . Поскольку единицы пропускной способности обратны единице задержки распространения , которая равна «секундам на сообщение» или «секундам на выход», пропускную способность можно использовать для связи вычислительного устройства, выполняющего специальную функцию, такого как ASIC или встроенный процессор , с канал связи, упрощающий системный анализ.

Беспроводные и сотовые сети

В беспроводных сетях или сотовых системах в спектральная эффективность системы единицах бит/с/Гц/площадь, бит/с/Гц/сайт или бит/с/Гц/ячейка представляет собой максимальную пропускную способность системы (совокупную пропускную способность), деленную на аналоговую пропускная способность и некоторая мера 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 виде количественных цифровых данных, термин «пропускная способность» обычно не используется; Вместо этого чаще используется термин «пропускная способность».

См. также

Ссылки

^ Гуован Мяо , Йенс Зандер, К.В. Сунг и Бен Слиман, «Основы сетей мобильной передачи данных», Cambridge University Press, ISBN 1107143217 , 2016.
^ Блахут, 2004, стр.4.
^ Моделирование служебной передачи сообщения, автор: CY Chou et al. в «Достижениях в области Grid и всеобъемлющих вычислений: Первая международная конференция, GPC 2006», под редакцией Йе-Чинг Чунга и Хосе Э. Морейры ISBN 3540338098, страницы 299–307.
^ Последние достижения в области параллельных виртуальных машин и интерфейса передачи сообщений Джека Донгарры, Эмилио Луке и Томаса Маргалефа, 1999 г. ISBN 3540665498 стр. 134
^ М. Реш и др. Сравнение производительности MPI на различных MPP в последних достижениях в области параллельных виртуальных машин и интерфейса передачи сообщений, конспекты лекций по информатике, 1997, том 1332/1997, 25-32.
^ Высокопроизводительные вычисления и сети под редакцией Анджело Маньяса, Бернардо Тафаллы и Ру Рей Джей Паллонеса, 1998 г. ISBN 3540644431 страница 935
^ Джонсон, 1993, 2–5
^ Джонсон, 1993, 9.
^ Джонсон, 1993, 154.
^ Джонсон, 1993, 160-170.
^ Родди, 2001, 370–371.

Дальнейшее чтение

Раппапорт, Теодор С. Беспроводная связь, принципы и практика , второе издание, Prentice Hall , 2002 г., ISBN 0-13-042232-0
Блаут, Ричард Э. Алгебраические коды для передачи данных Издательство Кембриджского университета , 2004, ISBN 0-521-55374-1
Ли, Харнес, Холте, «Влияние каналов с потерями на производительность многопролетных беспроводных сетей», IEEE, Материалы 14-й Международной конференции по компьютерным коммуникациям и сетям, октябрь 2005 г., 303–308.
Джонсон, Грэм, Высокоскоростной цифровой дизайн, Справочник по черной магии , Прентис Холл , 1973, ISBN 0-13-395724-1
Родди, Деннис, спутниковой связи третье издание , McGraw-Hill , 2001 г., 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, стр.4.

[3] Моделирование служебной передачи сообщения, автор: CY Chou et al. в «Достижениях в области Grid и всеобъемлющих вычислений: Первая международная конференция, GPC 2006», под редакцией Йе-Чинг Чунга и Хосе Э. Морейры ISBN 3540338098, страницы 299–307.

[4] Последние достижения в области параллельных виртуальных машин и интерфейса передачи сообщений Джека Донгарры, Эмилио Луке и Томаса Маргалефа, 1999 г. ISBN 3540665498 стр. 134

[5] М. Реш и др. Сравнение производительности MPI на различных MPP в последних достижениях в области параллельных виртуальных машин и интерфейса передачи сообщений, конспекты лекций по информатике, 1997, том 1332/1997, 25-32.

[6] Высокопроизводительные вычисления и сети под редакцией Анджело Маньяса, Бернардо Тафаллы и Ру Рей Джей Паллонеса, 1998 г. ISBN 3540644431 страница 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]

v т и оптимального планирования работы Проблемы
One-stage jobs	Single machine Identical machines Uniform machines Unrelated machines
Multi-stage jobs	Parallel tasks Open shop Flow shop Job shop
Optimization objectives	Makespan Earliness Lateness Tardiness Throughput
Other requirements	Interval scheduling Truthful job scheduling