Átviteli sebesség - Throughput

Általánosságban elmondható, hogy az áteresztőképesség a termelés vagy a feldolgozás üteme.

Kommunikációs hálózatok , például Ethernet vagy csomagrádió összefüggésében használva az áteresztőképesség vagy a hálózati áteresztőképesség a sikeres üzenetküldési arány egy kommunikációs csatornán. Az adatok, amelyekhez ezek az üzenetek tartoznak, fizikai vagy logikai kapcsolaton keresztül szállíthatók, vagy áthaladhatnak egy bizonyos hálózati csomóponton . Az átviteli sebességet rendszerint másodpercenként bitben (bit/s vagy bps), néha adatcsomagban (p/s vagy pps) vagy időrésenként adatcsomagban mérik .

A rendszer átviteli sebessége vagy összesített áteresztőképessége a hálózat összes termináljára szállított adatsebesség összege. Az átviteli sebesség lényegében a digitális sávszélesség -fogyasztás szinonimája ; matematikailag elemezhető a sorbanállás elméletének alkalmazásával , ahol az időegységenkénti csomagokban lévő terhelést az érkezési aránynak ( λ ), az átviteli sebességet pedig az időegységenkénti csomagcsökkenésnek az indulási arányának ( μ ).

A kommunikációs rendszer teljesítményét számos tényező befolyásolhatja, beleértve az analóg fizikai adathordozó korlátait, a rendszer összetevőinek rendelkezésre álló feldolgozási teljesítményét és a végfelhasználói viselkedést. Különféle protokollok általános költségeinek figyelembe vétele esetén az átvitt adatok hasznos aránya lényegesen alacsonyabb lehet, mint a maximális elérhető átviteli sebesség; a hasznos részt általában goodput néven emlegetik .

Maximális áteresztőképesség

A távközlési eszközök felhasználói, a rendszertervezők és a kommunikációelmélet kutatói gyakran érdeklődnek a rendszer várható teljesítményének megismerése iránt. Felhasználói szempontból ezt gyakran úgy fogalmazzák meg, hogy "melyik eszköz viszi oda a leghatékonyabban az adataimat az én igényeimhez?", Vagy "melyik eszköz szállítja a legtöbb adatot egységáronként?". A rendszertervezőket gyakran érdekli a rendszer leghatékonyabb architektúrájának vagy tervezési korlátainak kiválasztása, amelyek meghatározzák a rendszer végső teljesítményét. A legtöbb esetben az a referenciaérték, amire egy rendszer képes, vagy annak "maximális teljesítménye" az, ami érdekli a felhasználót vagy a tervezőt. Az áteresztőképesség vizsgálatakor gyakran használják a maximális teljesítményt , ahol a végfelhasználói maximális teljesítményt vizsgálják. részletesen.

A maximális átviteli sebesség lényegében a digitális sávszélesség -kapacitás szinonimája .

Négy különböző értéknek van jelentése a "maximális áteresztőképesség" összefüggésében, amelyeket több rendszer "felső határ" fogalmi teljesítményének összehasonlítására használnak. Ezek a „maximális elméleti áteresztőképesség”, „maximális elérhető teljesítmény”, „csúcs mért áteresztőképesség” és „maximális tartós áteresztőképesség”. Ezek különböző mennyiségeket képviselnek, és ügyelni kell arra, hogy ugyanazokat a definíciókat használják a különböző „maximális áteresztési” értékek összehasonlításakor. Az átviteli értékek összehasonlítása attól is függ, hogy minden bit azonos mennyiségű információt hordoz. Az adatok tömörítése jelentősen torzíthatja az átviteli számításokat, beleértve a 100%-nál nagyobb értékeket. Ha a kommunikációt több soros, különböző bitsebességű kapcsolat közvetíti, akkor a teljes kapcsolat maximális átviteli sebessége kisebb vagy egyenlő a legalacsonyabb bitsebességgel. A sorozat legalacsonyabb értékkapcsolatát szűk keresztmetszetnek nevezik .

Maximális elméleti teljesítmény

Ez a szám szorosan összefügg a rendszer csatornakapacitásával , és ideális körülmények között a lehető legnagyobb adatmennyiség. Bizonyos esetekben ez a szám megegyezik a csatornakapacitással, bár ez csalóka lehet, mivel csak nem csomagolt rendszerek (aszinkron) technológiái képesek ezt elérni adattömörítés nélkül. A maximális elméleti teljesítményt pontosabban jelentik, figyelembe véve a formátumot és a specifikáció általános költségeit, a legjobb esetek feltételezéseivel. Ezt a számot, mint az alábbiakban közeli „maximális elérhető teljesítmény” kifejezést, elsősorban durva számított értékként használjuk, például a lehetséges teljesítmény határainak meghatározására a rendszer tervezési fázisának elején

Aszimptotikus áteresztőképesség

A csomag nélküli módú kommunikációs hálózat aszimptotikus átviteli sebessége (kevésbé formális aszimptotikus sávszélesség ) a maximális átviteli függvény értéke , amikor a bejövő hálózati terhelés a végtelenhez közelít , akár az üzenet mérete a végtelenhez közeledve , akár az adatforrások száma nagyon nagy. Más bitsebességekhez és adatátviteli sávszélességekhez hasonlóan az aszimptotikus átvitelt bitben másodpercenként (bit/s), nagyon ritkán bájtban (B/s) mérik , ahol 1 B/s 8 bit/s. Tizedes előtagokat használnak, ami azt jelenti, hogy 1 Mbit/s 1000000 bit/s.

Az aszimptotikus átviteli sebességet általában úgy becsülik meg, hogy nagyon nagy üzenetet (adatcsomagok sorrendje) küldnek vagy szimulálnak a hálózaton keresztül, mohó forrást és áramlásszabályozó mechanizmust nem használva (azaz UDP helyett TCP ), és mérve a hálózati útvonal átviteli sebességét a célcsomópontban . A más források közötti forgalomterhelés csökkentheti ezt a maximális hálózati útátviteli sebességet. Alternatív megoldásként nagyszámú forrás és elnyelő modellezhető, áramlásszabályozással vagy anélkül, és mérhető az összesített maximális hálózati átbocsátóképesség (a célállomásokhoz érkező forgalom összege). A végtelen csomagsorokkal rendelkező hálózati szimulációs modellben az aszimptotikus áteresztés akkor következik be, amikor a várakozási idő (a csomag sorban állási ideje) a végtelenbe megy, míg ha a csomagsorok korlátozottak, vagy a hálózat többcseppes hálózat, sok forrással és ütközésekkel előfordulhat, a csomagvesztési arány megközelíti a 100%-ot.

Az aszimptotikus áteresztőképesség jól ismert alkalmazása a pont-pont kommunikáció modellezésében, ahol (Hockney nyomán) az üzenet késését T (N) az N üzenethossz függvényében modellezzük, mint T (N) = (M + N)/A, ahol A az aszimptotikus sávszélesség, M pedig a félcsúcs hossza.

Amellett, hogy az általános hálózatmodellezésben is használják, az aszimptotikus átviteli sebességet használják a teljesítmény modellezésére tömegesen párhuzamos számítógépes rendszereken, ahol a rendszer működése nagymértékben függ a kommunikációs többlettől, valamint a processzor teljesítményétől. Ezekben az alkalmazásokban aszimptotikus átviteli sebességet használnak Xu és Hwang modellben (általánosabb, mint Hockney megközelítése), amely magában foglalja a processzorok számát, így mind a késleltetés, mind az aszimptotikus teljesítmény a processzorok számának függvénye.

Csúcs mért teljesítmény

A fenti értékek elméleti vagy számított értékek. A csúcs mért áteresztőképesség egy valós, megvalósított rendszer vagy egy szimulált rendszer által mért teljesítmény. Az érték a rövid idő alatt mért áteresztőképesség; matematikailag ez a határ az átviteli sebesség tekintetében, amikor az idő nullához közeledik. Ez a kifejezés a pillanatnyi teljesítmény szinonimája . Ez a szám hasznos azoknál a rendszereknél, amelyek a tömeges adatátvitelre támaszkodnak; a nagy terhelési ciklusú rendszerek esetében azonban ez kevésbé valószínű, hogy a rendszer teljesítményének hasznos mérőszáma.

Maximális tartós áteresztőképesség

Ez az érték a hosszú ideig átlagolt vagy integrált (néha végtelennek tekintett) teljesítmény. Nagy igénybevételű ciklusú hálózatok esetében ez valószínűleg a rendszer teljesítményének legpontosabb mutatója. A maximális átviteli sebességet aszimptotikus áteresztésként határozzák meg, ha a terhelés (a bejövő adatok mennyisége) nagyon nagy. Azokban a csomagkapcsolt rendszerekben, ahol a terhelés és az átviteli sebesség mindig egyenlő (ahol a csomagvesztés nem fordul elő), a maximális átviteli sebességet úgy lehet definiálni, mint a minimális terhelést bit/s -ban, ami miatt a szállítási idő ( késleltetés ) instabillá válik és növekszik a végtelen felé. Ez az érték megtévesztően használható a mért csúcsteljesítményhez viszonyítva, hogy elrejtse a csomagformázást .

Csatorna kihasználtság és hatékonyság

Az áteresztőképességet néha normalizálják és százalékban mérik, de a normalizálás zavart okozhat azzal kapcsolatban, hogy mihez kapcsolódik a százalék. A csatornahasznosítás , a csatornahatékonyság és a csomagveszteség százalékos aránya kevésbé egyértelmű.

A csatornahatékonyság, más néven sávszélesség -kihasználási hatékonyság, a digitális kommunikációs csatorna nettó bitsebességének (bit/s -ban) százalékos aránya, amely a ténylegesen elért átviteli sebességhez jut. Például, ha az átviteli sebesség 70 Mbit/s 100 Mbit/s Ethernet kapcsolat esetén, a csatorna hatékonysága 70%. Ebben a példában minden másodpercben hatékony 70 Mbit adat kerül továbbításra.

A csatornahasználat ehelyett olyan kifejezés, amely a csatorna használatához kapcsolódik, figyelmen kívül hagyva az átviteli sebességet. Nem csak az adatbitekkel, hanem a csatornát használó rezsiköltségekkel is számít. Az átviteli rezsi előtagsorozatokból, keretfejlécekből és nyugtázó csomagokból áll. A definíciók zajtalan csatornát feltételeznek. Ellenkező esetben az átviteli sebesség nem csak a protokoll jellegéhez (hatékonyságához), hanem a csatorna minőségéből adódó újraküldéshez is kapcsolódik. Egyszerűsített megközelítésben a csatorna hatékonysága megegyezhet a csatorna kihasználtságával, feltéve, hogy a nyugtázó csomagok nulla hosszúságúak, és a kommunikációs szolgáltató nem lát sávszélességet az újraküldésekhez vagy fejlécekhez képest. Ezért bizonyos szövegek különbséget tesznek a csatornahasználat és a protokollhatékonyság között.

Egy pont-pont vagy pont-többpont kommunikációs kapcsolat esetén, ahol csak egy terminál ad, a maximális átviteli sebesség gyakran egyenértékű vagy nagyon közel van a fizikai adatátviteli sebességhez (a csatornakapacitáshoz ), mivel a csatorna kihasználtsága majdnem 100% ilyen hálózatban, kivéve egy kis képkockák közötti rést.

Például az Ethernet maximális keretmérete 1526 bájt: akár 1500 bájt a hasznos terhelés, nyolc bájt a bevezető, 14 bájt a fejléc és 4 bájt a pótkocsi esetében. Minden keret után további 12 bájtnak megfelelő minimális keretközi hézag kerül beillesztésre. Ez megfelel a maximális csatorna kihasználtságnak 1526/(1526 + 12) × 100% = 99,22%, vagy a maximális csatornahasználatnak 99,22 Mbit/s, beleértve az Ethernet adatkapcsolati réteg protokoll overheadjét 100 Mbit/s Ethernet kapcsolat esetén. A maximális áteresztőképesség vagy csatornahatékonyság ekkor 1500 / (1526 + 12) = 97,5%, az Ethernet protokoll általános költségeit nem számítva.

Az átvitelt befolyásoló tényezők

A kommunikációs rendszer teljesítményét hatalmas számú tényező korlátozza. Ezek közül néhányat az alábbiakban ismertetünk:

Analóg korlátozások

A maximális elérhető átviteli sebességet (a csatornakapacitást) befolyásolja a hertzben lévő sávszélesség és az analóg fizikai közeg jel-zaj aránya .

A digitális információ fogalmi egyszerűsége ellenére a vezetékeken áthaladó összes elektromos jel analóg. A vezetékek vagy vezeték nélküli rendszerek analóg korlátai elkerülhetetlenül felső határt biztosítanak az elküldhető információmennyiségben. Az uralkodó egyenlet itt a Shannon-Hartley-tétel , és az ilyen típusú analóg korlátozások olyan tényezőkként értelmezhetők, amelyek befolyásolják vagy a jel analóg sávszélességét, vagy olyan tényezőket, amelyek befolyásolják a jel-zaj arányt. A vezetékes rendszerek sávszélessége valójában meglepően szűk lehet, mivel az Ethernet -vezeték sávszélessége körülbelül 1 GHz -re korlátozódik, és a NYÁK -nyomokat hasonló mennyiség korlátozza.

A digitális rendszerek a „térdfrekvenciára” utalnak, arra az időre, amíg a digitális feszültség a névleges digitális „0” 10% -áról névleges digitális „1” értékre emelkedik, vagy fordítva. A térdfrekvencia a csatorna szükséges sávszélességéhez kapcsolódik, és összefüggésbe hozható a rendszer 3 db sávszélességével az alábbi egyenlettel: ahol Tr a 10–90% -os emelkedési idő, és K az arányossági állandó az impulzus alakja, exponenciális növekedés esetén 0,35, Gauss -emelkedés esetén 0,338. ${\ displaystyle \ F_ {3dB} \ kb K/T_ {r}}$

• RC veszteségek: a vezetékek belső ellenállása és a földhöz viszonyítva mérhető kapacitása van. Ez parazita kapacitásnak nevezett hatásokhoz vezet , ami miatt minden vezeték és kábel RC aluláteresztő szűrőként működik.
• Bőrhatás : A frekvencia növekedésével az elektromos töltések a vezetékek vagy a kábel széleire vándorolnak. Ez csökkenti az áram szállítására rendelkezésre álló hatékony keresztmetszeti területet, növeli az ellenállást és csökkenti a jel-zaj arányt. Az AWG 24 vezetéknél (a Cat 5e kábelben általánosan használt típusnál ) a bőrhatás frekvenciája válik uralkodóvá a vezeték 100 kHz -en belüli ellenállása felett. 1 GHz -en az ellenállás 0,1 ohm/hüvelykre nőtt.
• Megszakítás és csengetés: Hosszú vezetékeknél (az 1/6 hullámhossznál hosszabb vezetékeket hosszúnak lehet tekinteni) átviteli vonalakként kell modellezni, és figyelembe kell venni a lezárást. Ennek hiányában a visszavert jelek előre-hátra haladnak a vezetéken, pozitívan vagy negatívan zavarva az információhordozó jelet.
• Vezeték nélküli csatornaeffektusok : Vezeték nélküli rendszereknél a vezeték nélküli átvitelhez kapcsolódó összes hatás korlátozza a fogadott jel SNR -jét és sávszélességét, és ezért a küldhető bitek maximális számát.

IC hardver szempontok

A számítási rendszerek véges feldolgozási teljesítményűek, és véges áramot képesek meghajtani. A korlátozott árammeghajtó képesség korlátozhatja a tényleges jel -zaj arányt a nagy kapacitású kapcsolatoknál.

A feldolgozást igénylő nagy adatterhelések adatfeldolgozási követelményeket támasztanak a hardverekkel (például útválasztókkal) szemben. Például egy 10x100 Mbit/s Ethernet csatornákat kezelő, B osztályú alhálózatot támogató átjáró útválasztónak 16 bit címet kell megvizsgálnia, hogy meghatározza az egyes csomagok célportját. Ez másodpercenként 81913 csomagot jelent (ha csomagonként maximális adatterhelést feltételezünk), 2^16 címből álló táblával, ehhez az útválasztónak 5,368 milliárd keresési műveletet kell végrehajtania másodpercenként. A legrosszabb esetben, amikor az egyes Ethernet-csomagok hasznos terhelése 100 bájtra csökken, ez a műveletek száma másodpercenként 520 milliárdra ugrik. Ez az útválasztó több teraflopos feldolgozási magot igényel, hogy képes legyen kezelni egy ilyen terhelést.

• A CSMA/CD és a CSMA/CA "visszalépési" várakozási idő és a keret újraküldése észlelt ütközések után. Ez előfordulhat Ethernet busz- és hubhálózatokban, valamint vezeték nélküli hálózatokban.
• Az áramlásszabályozás , például a Transmission Control Protocol (TCP) protokollban, befolyásolja az átvitelt, ha a sávszélesség-késleltetési termék nagyobb, mint a TCP ablak, azaz a puffer mérete. Ebben az esetben a küldő számítógépnek meg kell várnia az adatcsomagok nyugtázását, mielőtt újabb csomagokat tudna küldeni.
• A TCP torlódások elkerülése szabályozza az adatsebességet. Az úgynevezett "lassú indítás" a fájlátvitel elején jelentkezik, és az útválasztó torlódása vagy például a vezeték nélküli kapcsolatok bites hibái által okozott csomagvesztések után.

Többfelhasználós szempontok

Annak biztosítása, hogy több felhasználó harmonikusan ossza meg egyetlen kommunikációs kapcsolatát, megköveteli a hivatkozás valamilyen méltányos megosztását. Ha a palack nyakán kommunikációs kapcsolatot kínál adatsebesség R osztozik „N” aktív felhasználó (legalább egy adatcsomag a sorban), minden felhasználó általában eléri áteresztő kb R / N , ha igazságos sorban best effort kommunikáció feltételezik .

• Csomagvesztés a hálózati torlódás miatt . A csomagok eldobhatók a kapcsolókban és az útválasztókban, ha a csomagsorok megteltek a torlódás miatt.
• Csomagvesztés bithibák miatt .
• Ütemezési algoritmusok útválasztókban és kapcsolókban. Ha nem áll rendelkezésre tisztességes sorban állás, a nagy csomagokat küldő felhasználók nagyobb sávszélességet kapnak. Egyes felhasználók előnyben részesíthetők a súlyozott fair queuing (WFQ) algoritmusban, ha differenciált vagy garantált szolgáltatásminőséget (QoS) biztosítanak.
• Bizonyos kommunikációs rendszerekben, például műholdas hálózatokban, csak véges számú csatorna állhat rendelkezésre egy adott felhasználó számára egy adott időpontban. A csatornák vagy előzetes hozzárendeléssel, vagy igény szerinti hozzárendelt többszörös hozzáféréssel (DAMA) vannak hozzárendelve. Ezekben az esetekben az átviteli sebesség csatornánként kvantálódik, és a részben kihasznált csatornák kihasználatlan kapacitása elveszik.

Jó teljesítmény és rezsi

A maximális átviteli sebesség gyakran az észlelt sávszélesség megbízhatatlan mérése, például a fájlátviteli adatsebesség bitben másodpercenként. Amint fentebb említettük, az elért teljesítmény gyakran alacsonyabb, mint a maximális teljesítmény. Ezenkívül a protokoll általános költsége befolyásolja az észlelt sávszélességet. Az áteresztőképesség nem jól meghatározott mutató, amikor a protokoll általános költségeit kell kezelni. Általában a hálózati réteg alatti és a fizikai réteg feletti referenciaponton mérik. A legegyszerűbb meghatározás a fizikailag leadott bitek száma másodpercenként. Egy tipikus példa, ahol ezt a meghatározást gyakorolják, egy Ethernet hálózat. Ebben az esetben a maximális átviteli sebesség a bruttó vagy nyers bitráta.

Mindazonáltal olyan rendszerekben, amelyek továbbító hibajavító kódokat (csatornakódolást) tartalmaznak, a redundáns hibakód rendszerint kizárt az átviteli sebességből. Példa a modemkommunikációra , ahol az átviteli sebességet általában a Point-to-Point Protocol (PPP) és az áramkör-kapcsolt modem kapcsolat közötti interfészben mérik . Ebben az esetben a maximális átviteli sebességet gyakran nettó vagy hasznos bitsebességnek nevezik .

Határozza meg a tényleges adatátviteli sebesség a hálózat vagy a kapcsolatot, a „ goodput ” mérés meghatározás lehet használni. Például fájltovábbításkor a "goodput" megfelel a fájl méretének (bitben) osztva a fájl átviteli idejével. A " goodput " az a hasznos információmennyiség, amelyet másodpercenként eljuttatnak az alkalmazásréteg protokolljához. Az ejtett csomagok vagy csomagok újraküldése, valamint a protokoll általános költségei kizártak. Emiatt a "jó teljesítmény" alacsonyabb, mint az átviteli sebesség. A különbséget befolyásoló technikai tényezőket a " goodput " cikk tartalmazza.

Az adatátvitel egyéb felhasználása

Integrált áramkörök

Gyakran előfordul, hogy az adatáramlási diagram blokkjai egyetlen bemenettel és egyetlen kimenettel rendelkeznek, és különálló információcsomagokon működnek. Ilyen blokkok például a Fast Fourier Transform modulok vagy a bináris szorzók . Mivel az áteresztési egységek a terjedési késleltetés egységének reciprokjai , azaz „másodpercenként üzenetenként” vagy „másodpercenként kimenetenként”, az átviteli sebesség használható egy dedikált funkciót ellátó számítási eszköz, például ASIC vagy beágyazott processzor összekapcsolására . kommunikációs csatorna, egyszerűsítve a rendszerelemzést.

Vezeték nélküli és mobilhálózatok

A vezeték nélküli hálózatok , vagy cellás rendszerek , a rendszer spektrális hatékonyság bit / s / Hz / terület egység, bit / s / Hz / webhely vagy bit / s / Hz / sejt, a rendszer maximális áteresztőképesség (aggregált áteresztőképesség) osztva az analóg sávszélesség és a rendszer lefedettségi területének bizonyos mértéke.

Analóg csatornákon keresztül

Az analóg csatornákon keresztüli átvitelt teljes mértékben a modulációs séma, a jel -zaj arány és a rendelkezésre álló sávszélesség határozza meg. Mivel az átviteli sebességet általában számszerűsített digitális adatok alapján határozzák meg, az „átviteli sebesség” kifejezést általában nem használják; helyette gyakrabban használják a „sávszélesség” kifejezést.

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

• Rappaport, Theodore S. Vezeték nélküli kommunikáció, elvek és gyakorlat, második kiadás, Prentice Hall , 2002, ISBN  0-13-042232-0
• Blahut, Richard E. Algebrai kódok az adatátvitelhez Cambridge University Press , 2004, ISBN  0-521-55374-1
• Li, Harnes, Holte, "Impact of Lossy Links on Performance of Multihop Wireless Networks", IEEE, Proceedings of the 14. International Conference on Computer Communications and Networks, 2005. október, 303-308
• Johnson, Graham, Nagysebességű digitális tervezés, a fekete mágia kézikönyve , Prentice Hall , 1973, ISBN  0-13-395724-1
• Roddy, Dennis, Satellite Communications harmadik kiadás, McGraw-Hill , 2001, ISBN  0-07-137176-1