Пропускную способность сети можно измерить с помощью различных инструментов, доступных на разных платформах. На этой странице объясняется теория, лежащая в основе того, что эти инструменты призваны измерять, а также проблемы, связанные с этими измерениями.
Причины измерения пропускной способности в сетях. Людей часто беспокоит измерение максимальной пропускной способности канала связи или доступа к сети в битах в секунду. Типичный метод выполнения измерения заключается в передаче «большого» файла из одной системы в другую и измерении времени, необходимого для завершения передачи или копирования файла. Затем пропускная способность рассчитывается путем деления размера файла на время, чтобы получить пропускную способность в мегабитах , килобитах или битах в секунду.
К сожалению, результаты таких экспериментов часто приводят к тому, что полезная производительность оказывается меньше максимальной теоретической пропускной способности, что приводит к тому, что люди полагают, что их канал связи работает неправильно. Фактически, помимо затрат на передачу, в пропускную способность приходится множество накладных расходов, включая задержку , размер окна приема TCP и системные ограничения, что означает, что рассчитанная полезная производительность не отражает максимально достижимую пропускную способность. [1]
Максимальную пропускную способность можно рассчитать следующим образом: [2]
где RWIN — это окно приема TCP, а RTT — время прохождения туда и обратно для пути. Максимальный размер окна TCP при отсутствии опции масштабирования окна TCP составляет 65 535 байт . Пример: максимальная пропускная способность = 65 535 байт/0,220 с = 297886,36 Б/с * 8 = 2,383 Мбит /с. При одном TCP-соединении между этими конечными точками тестируемая пропускная способность будет ограничена до 2,376 Мбит/с, даже если предусмотренная контрактом пропускная способность больше.
Программное обеспечение для тестирования пропускной способности используется для определения максимальной пропускной способности сети или подключения к Интернету . Обычно это делается путем попытки загрузить или выгрузить максимальный объем данных за определенный период времени или определенный объем данных за минимальный промежуток времени. По этой причине тесты пропускной способности могут задерживать интернет-передачу через интернет-соединение по мере их проведения и могут привести к завышению стоимости передачи данных.
Пропускная способность каналов связи измеряется в битах в секунду (бит/с), килобитах в секунду (кбит/с), мегабитах в секунду (Мбит/с) и гигабитах в секунду (Гбит/с). В этом приложении кило, мега и гига — это стандартные префиксы СИ , обозначающие умножение на 1000 ( кило ), 1000000 ( мега ) и 1000000000 ( гига ).
Размеры файлов обычно измеряются в байтах — обычно это килобайты , мегабайты и гигабайты , где байт — это восемь бит. В современных учебниках один килобайт определяется как 1000 байт, один мегабайт — как 1 000 000 байт и т. д. в соответствии со стандартом Международной электротехнической комиссии (МЭК) 1998 года. Однако соглашение, принятое в системах Windows, заключается в том, чтобы определить 1 килобайт как 1024 (или 2 10 ) байта, что равно 1 кибибайту . Аналогично, размер файла «1 мегабайт» составляет 1024 × 1024 байта, что равно 1 мегабайту , а «1 гигабайт» — 1024 × 1024 × 1024 байта = 1 гибибайту ).
Люди обычно сокращают часто используемые выражения. Что касается размеров файлов, обычно кто-то говорит, что у них есть файл «64 КБ» (что означает 64 килобайта) или файл «100 мегабайт» (что означает 100 мегабайт). Говоря о скорости передачи данных по каналу , люди будут взаимозаменяемо использовать термины « пропускная способность », «полоса пропускания » и «скорость» и называть канал «64-килобитным» каналом или «2-мегабайтным» каналом, что означает 64 кбит/с или 2 Мбит/с. s (см. также Список пропускной способности соединения ). Однако канал «64 К» не будет передавать файл «64 К» за одну секунду. Это может быть неочевидно для тех, кто не знаком с телекоммуникациями и компьютерами, поэтому иногда возникают недоразумения. На самом деле размер файла размером 64 килобайта составляет 64 × 1024 × 8 бит, а схема размером 64 килобайта будет передавать биты со скоростью 64 × 1000 бит/с, поэтому время, необходимое для передачи файла размером 64 килобайта по каналу 64 килобайта, будет передаваться со скоростью 64 × 1000 бит/с. k будет составлять не менее (64 × 1024 × 8)/(64 × 1000) секунд, что составляет 8,192 секунды.
Некоторое оборудование может улучшить ситуацию, сжимая данные при отправке. Это особенность большинства аналоговых модемов и некоторых популярных операционных систем . Если файл размером 64 КБ можно сжать путем сжатия , время, необходимое для передачи, может быть уменьшено. Это можно сделать незаметно для пользователя, поэтому файл с высокой степенью сжатия может быть передан значительно быстрее, чем ожидалось. Поскольку это «невидимое» сжатие невозможно легко отключить, из этого следует, что при измерении пропускной способности с использованием файлов и определении времени передачи следует использовать файлы, которые невозможно сжать. Обычно это делается с использованием файла случайных данных, который становится сложнее сжимать, чем ближе он к действительно случайному значению.
Предполагая, что ваши данные не могут быть сжаты, 8,192 секунды для передачи файла размером 64 килобайта по каналу связи со скоростью 64 кбит/с — это теоретическое минимальное время, которое не будет достигнуто на практике. Это связано с эффектом служебных данных, которые используются для форматирования данных согласованным образом, чтобы оба конца соединения имели единообразное представление данных.
Есть как минимум две проблемы, которые не сразу очевидны при передаче сжатых файлов:
[4]
Обычным каналом связи, используемым многими людьми, является асинхронный старт-стоп или просто «асинхронный» последовательный канал. Если к вашему домашнему или офисному компьютеру подключен внешний модем, скорее всего, соединение осуществляется через асинхронное последовательное соединение. Его преимущество в том, что он прост — его можно реализовать, используя всего три провода: отправку, прием и сигнальную землю (или общий сигнал). В интерфейсе RS-232 к неактивному соединению постоянно приложено отрицательное напряжение. «Нулевой» бит представлен как положительная разность напряжений относительно сигнальной земли, а бит «единица» представляет собой отрицательное напряжение относительно сигнальной земли, поэтому его нельзя отличить от состояния ожидания. Это означает, что вам нужно знать, когда бит «один» начинает отличать его от простоя. Это делается путем предварительного согласования скорости передачи данных по каналу, а затем использования стартового бита для обозначения начала байта — этот стартовый бит будет «нулевым». Стоповые биты — это «единичные» биты, т.е. отрицательное напряжение.
На самом деле заранее будет оговорено больше вещей — скорость передачи битов, количество битов на символ, четность и количество стоповых битов (означающих конец символа). Таким образом, обозначение 9600-8-E-2 будет составлять 9600 бит в секунду, с восемью битами на символ, четностью и двумя стоповыми битами.
Обычная настройка асинхронного последовательного соединения: 9600-8-N-1 (9600 бит/с, 8 бит на символ, без контроля четности и 1 стоповый бит) — всего для отправки одного 8-битного символа передается 10 бит. (один стартовый бит, 8 бит, составляющих передаваемый байт, и один стоповый бит). Это накладные расходы в размере 20 %, поэтому асинхронный последовательный канал со скоростью 9600 бит/с не будет передавать данные со скоростью 9600/8 байт в секунду (1200 байт/с), а фактически в данном случае со скоростью 9600/10 байт в секунду (960 байт/с). s), что значительно медленнее, чем ожидалось.
Может стать еще хуже. Если указана четность и мы используем 2 стоповых бита, накладные расходы на перенос одного 8-битного символа составляют 4 бита (один стартовый бит, один бит четности и два стоповых бита) — или 50%! В этом случае соединение со скоростью 9600 бит/с будет передавать 9600/12 байт/с (800 байт/с). Асинхронные последовательные интерфейсы обычно поддерживают скорость передачи данных до 230,4 кбит/с. Если он настроен на отсутствие четности и один стоповый бит, это означает, что скорость передачи байтов составляет 23,04 кбайт/с.
Преимущество асинхронного последовательного соединения — его простота. Одним из недостатков является низкая эффективность передачи данных. Этого можно избежать, используя синхронный интерфейс. В этом типе интерфейса тактовый сигнал добавляется по отдельному проводу, а биты передаются синхронно с тактами — интерфейсу больше не приходится искать стартовые и стоповые биты каждого отдельного символа — однако это необходимо иметь механизм, гарантирующий синхронизацию тактовых импульсов отправки и получения, чтобы данные разделялись на кадры из нескольких символов, разделенных известными разделителями. Существует три распространенные схемы кодирования для кадровой связи — HDLC , PPP и Ethernet.
При использовании HDLC вместо того, чтобы каждый байт имел начальный, необязательный бит четности и один или два стоповых бита, байты собираются вместе в кадр . Начало и конец кадра сигнализируются «флагом», а обнаружение ошибок осуществляется с помощью последовательности проверки кадра. Если кадр имеет максимальный размер адреса 32 бита, максимальный размер управляющей части 16 бит и максимальный размер контрольной последовательности кадра 16 бит, накладные расходы на кадр могут достигать 64 битов. Если бы каждый кадр содержал только один байт, эффективность передачи данных была бы чрезвычайно низкой. Однако обычно байты собираются вместе, поэтому даже при максимальной нагрузке в 64 бита кадры, содержащие более 24 байтов, более эффективны, чем асинхронные последовательные соединения. Поскольку кадры могут различаться по размеру из-за разного количества байтов, передаваемых в качестве данных, это означает, что накладные расходы HDLC-соединения не фиксированы. [5]
« Протокол двухточечной связи » (PPP) определен в документах Интернет-запроса комментариев RFC 1570, RFC 1661 и RFC 1662. Что касается формирования пакетов, PPP очень похож на HDLC, но поддерживает как битовые, так и битовые сигналы. ориентированные, а также байт-ориентированные («наполненные октетами») методы разграничения кадров при сохранении прозрачности данных. [6]
Ethernet — это технология « локальной вычислительной сети » (LAN), которая также оформлена. Способ электрического определения кадра при соединении между двумя системами отличается от типичной технологии глобальных сетей, в которой используется реализация HDLC или PPP, но эти детали не важны для расчета пропускной способности. Ethernet является общей средой, поэтому не гарантируется, что только две системы, передающие файл между собой, будут иметь монопольный доступ к соединению. Если несколько систем пытаются установить связь одновременно, пропускная способность между любой парой может быть существенно ниже номинальной доступной полосы пропускания. [7]
Выделенные каналы «точка-точка» — не единственный вариант для многих соединений между системами. Также можно использовать службы на основе Frame Relay , ATM и MPLS . При расчете или оценке пропускной способности данных необходимо понимать детали формата кадра/ячейки/пакета и детальную реализацию технологии. [8]
Frame Relay использует модифицированный формат HDLC для определения формата кадра, в котором передаются данные. [9]
Асинхронный режим передачи (ATM) использует радикально другой метод передачи данных. Вместо использования кадров или пакетов переменной длины данные передаются в ячейках фиксированного размера. Каждая ячейка имеет длину 53 байта, причем первые 5 байтов определяются как заголовок, а следующие 48 байтов — как полезная нагрузка. Для сетей передачи данных обычно требуются пакеты данных размером более 48 байт, поэтому существует определенный процесс адаптации, который определяет, как более крупные пакеты данных должны быть стандартным образом разделены для передачи меньшими ячейками. Этот процесс варьируется в зависимости от передаваемых данных, поэтому в номенклатуре ATM существуют разные уровни адаптации ATM . Процесс, определенный для большинства данных, называется уровнем адаптации ATM № 5 или AAL5 .
Понимание пропускной способности каналов ATM требует знания того, какой уровень адаптации ATM использовался для переносимых данных. [10]
Многопротокольная коммутация по меткам (MPLS) добавляет к существующим пакетам данных стандартный тег или заголовок, известный как «метка». В определенных ситуациях можно использовать MPLS «сложенным» образом, когда метки добавляются к уже помеченным пакетам. Соединения между системами MPLS также могут быть «родными», без базового транспортного протокола, или пакеты с метками MPLS могут передаваться внутри Frame Relay или пакетов HDLC в качестве полезной нагрузки. Правильные расчеты пропускной способности должны учитывать такие конфигурации. Например, пакет данных может иметь две метки MPLS, прикрепленные посредством «наложения меток», а затем помещаться в качестве полезной нагрузки внутри кадра HDLC. Это приводит к увеличению накладных расходов, которые необходимо учитывать, поскольку к пакету прикрепляется одна метка MPLS, которая затем отправляется «исходно», без основного протокола, в принимающую систему. [11]
Немногие системы передают файлы и данные, просто копируя содержимое файла в поле «Данные» кадров HDLC или PPP — для форматирования данных внутри поля «Данные» кадра HDLC или PPP используется другой уровень протокола. Наиболее часто используемым таким протоколом является Интернет-протокол (IP), определенный в RFC 791. Это накладывает свои собственные накладные расходы.
Опять же, немногие системы просто копируют содержимое файлов в IP-пакеты, но используют еще один протокол, который управляет соединением между двумя системами — TCP ( протокол управления передачей ), определенный в RFC 1812. Это добавляет свои собственные накладные расходы.
Наконец, последний уровень протокола управляет фактическим процессом передачи данных. Обычно для этого используется протокол передачи файлов [12].
