Propustnost - Throughput

Tento článek má několik problémů. Prosím pomozte vylepši to nebo diskutovat o těchto otázkách na internetu diskusní stránka. (Zjistěte, jak a kdy tyto zprávy ze šablony odebrat) Tento článek je tón nebo styl nemusí odrážet encyklopedický tón použitý na Wikipedii. Viz Wikipedia průvodce psaním lepších článků pro návrhy. (Října 2017) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) tento článek potřebuje další citace pro ověření. Prosím pomozte vylepšit tento článek podle přidávání citací ke spolehlivým zdrojům. Zdroj bez zdroje může být napaden a odstraněn. Najít zdroje: "Propustnost"  – zprávy  · noviny  · knihy  · učenec  · JSTOR (Březen 2009) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Obecně řečeno, propustnost je rychlost výroby nebo rychlost, při které se něco zpracovává.

Při použití v kontextu komunikační sítě, jako Ethernet nebo paketové rádio, propustnost nebo propustnost sítě je míra úspěšný doručování zpráv přes komunikační kanál. Data, ke kterým tyto zprávy patří, mohou být doručována přes fyzický nebo logický odkaz, nebo mohou procházet určitým síťový uzel. Propustnost se obvykle měří v bitů za sekundu (bit / s nebo bps) a někdy v datové pakety za sekundu (p / s nebo pps) nebo datové pakety za Chvilka.

The propustnost systému nebo agregovaná propustnost je součet datových rychlostí, které jsou dodávány na všechny terminály v síti.^[1] Propustnost je v podstatě synonymem pro spotřeba digitální šířky pásma; lze jej matematicky analyzovat pomocí teorie front, kde je zatížení v paketech za časovou jednotku označeno jako míra příjezdu (λ) a propustnost, kde je pokles paketů za časovou jednotku, je označen jako rychlost odjezdu (μ).

Na propustnost komunikačního systému mohou mít vliv různé faktory, včetně omezení podkladového analogového fyzického média, dostupného výpočetního výkonu systémových komponent a koncový uživatel chování. Při zohlednění různých režijních nákladů protokolu může být užitečná rychlost přenášených dat výrazně nižší než maximální dosažitelná propustnost; užitečná část se obvykle označuje jako dobrý výkon.

Maximální propustnost

Uživatelé telekomunikačních zařízení, návrháři systémů a vědci zabývající se teorií komunikace se často zajímají o očekávaný výkon systému. Z pohledu uživatele je to často formulováno buď jako „které zařízení tam dostane moje data nejúčinněji pro mé potřeby?“, Nebo „které zařízení dodá nejvíce dat na jednotkovou cenu?“. Návrháři systémů se často zajímají o výběr nejefektivnější architektury nebo návrhových omezení pro systém, které ovlivňují jeho konečný výkon. Ve většině případů je měřítkem toho, čeho je systém schopen, nebo jeho „maximálního výkonu“ to, co uživatele nebo designéra zajímá. Při zkoumání propustnosti se pojem maximální propustnost se často používá tam, kde jsou podrobně diskutovány testy maximální propustnosti koncového uživatele.

Maximální propustnost je v podstatě synonymem pro kapacita digitální šířky pásma.

Čtyři různé hodnoty mají význam v kontextu „maximální propustnosti“, která se používá při srovnání „horního limitu“ koncepčního výkonu více systémů. Jsou to „maximální teoretická propustnost“, „maximální dosažitelná propustnost“ a „maximální naměřená propustnost“ a „maximální trvalá propustnost“. Ty představují různá množství a je třeba dbát na to, aby se při porovnávání různých hodnot „maximální propustnosti“ používaly stejné definice. Porovnání hodnot propustnosti je také závislé na tom, že každý bit nese stejné množství informací. Komprese dat může výrazně zkosit propustnost výpočtů, včetně generování hodnot větších než 100%. Pokud je komunikace zprostředkována několika odkazy v sérii s různými bitovými rychlostmi, je maximální propustnost celkového spojení nižší nebo rovna nejnižší bitové rychlosti. Odkaz s nejnižší hodnotou v řadě se označuje jako úzké místo.

Maximální teoretická propustnost

Toto číslo úzce souvisí s kapacita kanálu systému,^[2] a je maximální možné množství dat, které lze za ideálních okolností přenášet. V některých případech je toto číslo hlášeno jako rovno kapacitě kanálu, i když to může být klamné, protože bez komprimace dat to mohou dosáhnout pouze technologie bez paketů (asynchronní). Maximální teoretická propustnost se přesněji uvádí, aby se zohlednil formát a specifikace nad hlavou s nejlepšími předpoklady. Toto číslo, podobně jako níže úzce související pojem „maximální dosažitelná propustnost“, se používá především jako hrubá vypočítaná hodnota, například pro stanovení hranic možného výkonu v rané fázi návrhu systému

Asymptotická propustnost

The asymptotická propustnost (méně formální asymptotická šířka pásma) pro paketový režim komunikační síť je hodnota maximální propustnost funkce, když se blíží zatížení sítě nekonečno, buď kvůli velikost zprávy jak se blíží nekonečno,^[3] nebo je počet zdrojů dat velmi vysoký. Jako ostatní přenosové rychlosti a datové šířky pásma, je asymptotická propustnost měřena v bitů za sekundu (bit / s), velmi zřídka bajtů za sekundu (B / s), kde 1 B / s je 8 bit / s. Desetinné předpony jsou použity, což znamená, že 1 Mbit / s je 10 000 000 bit / s.

Asymptotická propustnost se obvykle odhaduje odesláním nebo simulující velmi velká zpráva (sekvence datových paketů) po síti pomocí a chamtivý zdroj a žádná řízení toku mechanismus (tj. UDP spíše než TCP ) a měření propustnosti síťové cesty v cílovém uzlu. Zatížení provozu mezi jinými zdroji může snížit tuto maximální propustnost síťové cesty. Alternativně lze modelovat velké množství zdrojů a propadů, s řízením toku nebo bez něj, a měřit agregovanou maximální propustnost sítě (součet provozu dosahujícího svých cílů). V modelu simulace sítě s nekonečnými frontami paketů dochází k asymptotické propustnosti, když latence (čas čekání paketů) jde do nekonečna, zatímco pokud jsou fronty paketů omezené, nebo je síť víceužná síť s mnoha zdroji a může dojít ke kolizím, rychlost odvádění paketů se blíží 100%.

Známá aplikace asymptotické propustnosti je v modelování komunikace point-to-point kde (po Hockney) latence zprávy T (N) je modelován jako funkce délky zprávy N jako T (N) = (M + N) / A, kde A je asymptotická šířka pásma a M je délka poloviny píku.^[4]

Stejně jako jeho použití v obecném síťovém modelování, asymptotická propustnost se používá při modelování výkonu na masivně paralelní počítačové systémy, kde je provoz systému vysoce závislý na režii komunikace a výkonu procesoru.^[5] V těchto aplikacích se asymptotická propustnost používá v modelu Xu a Hwang (obecnější než Hockneyho přístup), který zahrnuje počet procesorů, takže latence i asymptotická propustnost jsou funkcemi počtu procesorů.^[6]

Špičková 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 po krátkou dobu; matematicky se jedná o limit braný s ohledem na propustnost, jak se čas blíží nule. Tento výraz je synonymem pro okamžitá propustnost. Toto číslo je užitečné pro systémy, které se spoléhají na hromadný přenos dat; pro systémy s vysokým pracovní cyklus je méně pravděpodobné, že to bude užitečné měřítko výkonu systému.

Maximální trvalá propustnost

Tato hodnota je propustnost zprůměrovaná nebo integrovaná po dlouhou dobu (někdy považována za nekonečno). U sítí s vysokým provozním cyklem je pravděpodobné, že to bude nejpřesnější ukazatel výkonu systému. Maximální propustnost je definována jako asymptotická propustnost když je zatížení (množství příchozích dat) velmi velké. v paket přepnut systémy, kde zatížení a propustnost jsou vždy stejné (kde ztráta paketů nedojde), maximální propustnost může být definována jako minimální zatížení v bitech / s, které způsobí dodací dobu ( latence ) se stal nestabilním a rostl směrem k nekonečnu. Tuto hodnotu lze také použít klamně ve vztahu k špičkové naměřené propustnosti pro skrytí tvarování paketů.

Využití a účinnost kanálu

Propustnost je někdy normalizována a měřena v procentech, ale normalizace může způsobit nejasnosti ohledně toho, k čemu toto procento souvisí. Využití kanálu, účinnost kanálu a rychlost poklesu paketů v procentech jsou méně nejednoznačné pojmy.

Účinnost kanálu, známá také jako účinnost využití šířky pásma, je procentuální podíl z čistý datový tok (v bitech / s) digitálu komunikační kanál to jde na skutečně dosaženou propustnost. Například pokud je propustnost 70 Mbit / s při ethernetovém připojení 100 Mbit / s, účinnost kanálu je 70%. V tomto příkladu se přenáší efektivní 70 Mbit dat každou sekundu.

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

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

Například maximální velikost rámce v Ethernetu je 1526 bajtů: až 1 500 bajtů pro užitečné zatížení, 8 bajtů pro preambule, 14 bajtů pro záhlaví a 4 bajty pro přívěs. Za každý snímek se vloží další minimální mezera mezi snímky odpovídající 12 bajtům. To odpovídá maximálnímu využití kanálu 1526 / (1526 + 12) × 100% = 99,22% nebo maximálnímu využití kanálu 99,22 Mbit / s včetně režie protokolu Ethernet datalink vrstvy v připojení 100 Mbit / s Ethernet. Maximální propustnost nebo účinnost kanálu je pak 1500 / (1526 + 12) = 97,5%, bez režie protokolu Ethernet.

Faktory ovlivňující propustnost

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

Analogová omezení

Maximální dosažitelná propustnost (kapacita kanálu) je ovlivněna šířkou pásma v hertzích a odstup signálu od šumu analogového fyzického média.

Přes koncepční jednoduchost digitálních informací jsou všechny elektrické signály cestující po vodičích analogové. Analogová omezení vodičů nebo bezdrátových systémů nevyhnutelně poskytují horní hranici množství informací, které lze odeslat. Dominantní rovnicí je zde Shannon-Hartleyova věta „Analogická 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 na přibližně 1 GHz a stopy PCB jsou omezeny podobným množstvím.

Digitální systémy označují „frekvenci kolen“,^[7] doba, po kterou digitální napětí vzroste z 10% nominální digitální „0“ na nominální digitální „1“ nebo naopak. Frekvence kolene souvisí s požadovanou šířkou pásma kanálu a může souviset s Šířka pásma 3 db systému podle rovnice:^[8] ${displaystyle F_ {3dB} přibližně K / T_ {r}}$Kde Tr je doba náběhu 10% až 90% a K je konstanta proporcionality vztahující se k tvaru pulzu, která se rovná 0,35 pro exponenciální nárůst a 0,338 pro Gaussův nárůst.

• RC ztráty: dráty mají vlastní odpor a vlastní kapacita při měření vzhledem k zemi. To vede k tzv. Efektům parazitní kapacita, což způsobí, že všechny vodiče a kabely budou fungovat jako RC dolní filtry.
• Efekt kůže: Jak se frekvence zvyšuje, elektrické náboje migrují k okrajům vodičů nebo kabelu. To snižuje efektivní plochu průřezu, která je k dispozici pro vedení proudu, zvyšuje se odpor a snižuje se poměr signálu k šumu. Pro AWG 24 vodičů (typu, který se běžně vyskytuje v Kočka 5e kabel), stává se frekvence efektu kůže dominantní nad inherentním odporem drátu při 100 kHz. Na 1 GHz se odpor zvýšil na 0,1 ohmu / palec.^[9]
• Ukončení a vyzvánění: U dlouhých vodičů (dráty delší než 1/6 vlnových délek 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 vodiči a pozitivně nebo negativně zasahovat do signálu nesoucího informace.^[10]
• Efekty bezdrátového kanálu: U bezdrátových systémů všechny efekty spojené s bezdrátovým přenosem omezují SNR a šířku pásma přijímaného signálu, a tedy maximální počet bitů, které lze odeslat.

Úvahy o hardwaru IC

Výpočtové systémy mají konečný výpočetní výkon a mohou řídit konečný proud. Omezená schopnost pohonu proudu může omezit efektivní poměr signálu k šumu pro vysoké hodnoty kapacita Odkazy.

Velké datové zátěže, které vyžadují zpracování, ukládají požadavky na zpracování dat hardwaru (například směrovačům). Například směrovač brány podporující naplněný podsíť třídy B., zpracovávající 10 x 100 Mbit / s ethernetové kanály, musí zkontrolovat 16 bitů adresy, aby určil cílový port pro každý paket. To se promítá do 81913 paketů za sekundu (za předpokladu maximálního užitečného zatížení dat na paket) s tabulkou 2 ^ 16 adres, což vyžaduje, aby směrovač mohl provádět 5,368 miliardy vyhledávacích operací 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 procesorové jádro s více teraflopy, aby zvládl takové zatížení.

• CSMA / CD a CSMA / CA „zpětná“ čekací doba a opakované přenosy rámce po detekovaných kolizích. K tomu může dojít v sítích ethernetové sběrnice a rozbočovačích, stejně jako v bezdrátových sítích.
• řízení toku, například v protokol kontroly přenosu (TCP) protokol, ovlivňuje propustnost, pokud produkt se zpožděním šířky pásma je větší než okno TCP, tj. velikost vyrovnávací paměti. V takovém případě musí odesílající počítač počkat na potvrzení datových paketů, než může odeslat více paketů.
• TCP zamezení přetížení řídí rychlost přenosu dat. Takzvaný „pomalý start“ nastává na začátku přenosu souboru a po poklesech paketů způsobených zahlcením routeru nebo bitovými chybami, například u bezdrátových spojů.

Úvahy pro více uživatelů

Zajištění toho, aby více uživatelů mohlo harmonicky sdílet jedno komunikační spojení, vyžaduje určitý druh spravedlivého sdílení odkazu. Je-li komunikační hrdlo láhve nabízející rychlost přenosu dat R je sdílena aktivními uživateli „N“ (s alespoň jedním datovým paketem ve frontě), každý uživatel obvykle dosahuje propustnosti přibližně R / N, pokud spravedlivé řazení do fronty nejlepší úsilí předpokládá se komunikace.

• Ztráta paketů kvůli Přetížení sítě. Pakety mohou být v přepínačích a směrovačích zahozeny, když jsou fronty paketů plné kvůli přetížení.
• Ztráta paketů kvůli bitové chyby.
• Algoritmy plánování ve směrovačích a přepínačích. Pokud není k dispozici spravedlivé řazení do fronty, uživatelé, kteří odesílají velké pakety, získají vyšší šířku pásma. Někteří uživatelé mohou mít prioritu v a vážené spravedlivé řazení do fronty Algoritmus (WFQ), pokud je diferencovaný nebo zaručený kvalita služeb (QoS) je k dispozici.
• V některých komunikačních systémech, jako jsou satelitní sítě, může být danému uživateli v danou dobu k dispozici pouze konečný počet kanálů. Kanály jsou přiřazovány buď prostřednictvím přednastavení, nebo prostřednictvím Demand Assigned Multiple Access (DAMA).^[11] V těchto případech je propustnost kvantována na kanál a dojde ke ztrátě nevyužité kapacity na částečně využívaných kanálech.

Goodput a režie

Maximální propustnost je často nespolehlivým měřením vnímané šířky pásma, například rychlost přenosu dat v souborech 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 definovaná metrika, pokud jde o způsob řešení režie 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 síť Ethernet. V tomto případě je maximální propustnost hrubý datový tok nebo syrový datový tok.

V systémech, které zahrnují kódy pro opravu chyb vpřed (kódování kanálu), redundantní chybový kód je obvykle z propustnosti vyloučen. Příklad v modem komunikace, kde se propustnost obvykle měří na rozhraní mezi Protokol point-to-point (PPP) a připojení modemu s přepojováním okruhů. V tomto případě se často nazývá maximální propustnost čistý datový tok nebo užitečný datový tok.

Chcete-li zjistit skutečnou rychlost přenosu dat v síti nebo připojení,dobrý výkon "Lze použít definici měření. Například při přenosu souborů odpovídá" goodput "velikosti souboru (v bitech) dělené dobou přenosu souboru."dobrý výkon "je množství užitečných informací dodávaných za sekundu do aplikační vrstva protokol. 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 „dobrý výkon "článek.

Další využití propustnosti pro data

Integrované obvody

Často blok v a diagram toku dat má jeden vstup a jeden výstup a pracuje na diskrétních paketech informací. Příklady takových bloků jsou Rychlá Fourierova transformace moduly nebo binární multiplikátory. Protože jednotky propustnosti jsou převrácené hodnoty jednotky pro šíření zpoždění, což je „sekund na zprávu“ nebo „sekund na výstup“, lze propustnost použít k propojení výpočetního zařízení vykonávajícího vyhrazenou funkci, jako je ASIC nebo vestavěný procesor na komunikační kanál, což zjednodušuje analýzu systému.

Bezdrátové a mobilní sítě

v bezdrátové sítě nebo buněčné systémy, spektrální účinnost systému v jednotkách bit / s / Hz / oblast, bit / s / Hz / místo nebo bit / s / Hz / buňka, je maximální propustnost systému (agregovaná propustnost) vydělená analogovou šířkou pásma a určitou mírou 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 jako kvantifikovaná digitální data, termín „propustnost“ se obvykle nepoužívá; místo toho se častěji používá pojem „šířka pásma“.

Viz také

Reference

Další čtení

• Rappaport, Theodore S. Bezdrátová komunikace, zásady a praxe druhé vydání, Prentice Hall, 2002, ISBN  0-13-042232-0
• Blahut, Richard E. Algebraické kódy pro přenos dat 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 14th International Conference on Computer Communications and Networks, Oct 2005, 303 - 308
• Johnson, Graham, Vysokorychlostní digitální design, příručka černé magie, Prentice Hall, 1973, ISBN  0-13-395724-1
• Roddy, Dennisi, Satelitní komunikace třetí edice, McGraw-Hill, 2001, ISBN  0-07-137176-1