Пропускная способность сети (или просто пропускная способность , когда используется в контексте) относится к скорости доставки сообщений по каналу связи , такому как Ethernet или пакетная радиосвязь , в сети связи . Данные, которые содержат эти сообщения, могут быть доставлены по физическим или логическим каналам или через сетевые узлы . Пропускная способность обычно измеряется в битах в секунду (бит/с, иногда сокращенно bps), а иногда в пакетах данных в секунду (p/s или pps) или пакетах данных за 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 очередей , где нагрузка в пакетах за единицу времени обозначается как скорость поступления ( λ ), а потеря пакетов за 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 и т. д. Принимая во внимание различные накладные расходы протокола , полезная скорость передачи данных может быть значительно ниже максимально достижимой пропускной способности; полезную часть обычно называют полезной пропускной способностью .
Пользователи телекоммуникационных устройств, проектировщики систем и исследователи теории связи часто интересуются ожидаемой производительностью системы. С точки зрения пользователя это часто формулируется как «какое устройство наиболее эффективно доставит мои данные туда для моих нужд?» или «какое устройство доставит больше всего данных за единицу стоимости?». Проектировщики систем часто выбирают наиболее эффективную архитектуру или ограничения дизайна для системы, которые определяют ее конечную производительность. В большинстве случаев эталон того, на что способна система, или ее «максимальная производительность» — это то, что интересует пользователя или проектировщика. Термин максимальная пропускная способность часто используется при обсуждении тестов максимальной пропускной способности конечного пользователя.
Максимальная пропускная способность по сути является синонимом цифровой пропускной способности .
Четыре различных значения имеют значение в контексте «максимальной пропускной способности», используемой при сравнении «верхнего предела» концептуальной производительности нескольких систем. Это «максимальная теоретическая пропускная способность», «максимальная достижимая пропускная способность», «пиковая измеренная пропускная способность» и «максимальная поддерживаемая пропускная способность». Эти значения представляют собой разные величины, и необходимо следить за тем, чтобы при сравнении разных значений «максимальной пропускной способности» использовались одни и те же определения. Каждый бит должен нести одинаковое количество информации, если сравнивать значения пропускной способности. Сжатие данных может значительно изменить расчеты пропускной способности, включая генерацию значений, превышающих 100% в некоторых случаях. Если связь осуществляется несколькими последовательными соединениями с разными скоростями передачи данных, максимальная пропускная способность всего соединения ниже или равна самой низкой скорости передачи данных. Соединение с самым низким значением в серии называется узким местом .
Это число тесно связано с пропускной способностью канала системы [2] и представляет собой максимально возможное количество данных, которое может быть передано в идеальных условиях. В некоторых случаях это число сообщается как равное пропускной способности канала, хотя это может быть обманчивым, поскольку только непакетированные системы (асинхронные) технологии могут достичь этого без сжатия данных. Максимальная теоретическая пропускная способность более точно сообщается с учетом накладных расходов на формат и спецификацию с предположениями о лучшем случае. Это число, как и тесно связанный термин «максимально достижимая пропускная способность» ниже, в основном используется как грубое расчетное значение, например, для определения границ возможной производительности на ранней стадии проектирования системы.
Асимптотическая пропускная способность (менее формальная асимптотическая полоса пропускания ) для пакетной коммуникационной сети — это значение максимальной функции пропускной способности , когда входящая сетевая нагрузка стремится к бесконечности , либо из-за размера сообщения , [3] либо из-за количества источников данных. Как и другие скорости передачи данных и полосы пропускания 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. Используются десятичные префиксы , что означает, 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, используя жадный источник и механизм без управления потоком (т. е. UDP вместо TCP ), и измерения пропускной способности сетевого пути в узле назначения. Нагрузка трафика между другими источниками может снизить эту 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 своих пунктов назначения). В модели сетевой имитации с бесконечными очередями пакетов асимптотическая пропускная способность возникает, когда задержка ( время ожидания пакетов) стремится к бесконечности, в то время как если очереди пакетов ограничены или сеть является многоточечной сетью со многими источниками и могут возникать коллизии, скорость отбрасывания пакетов приближается к 100%.
Известное применение асимптотической пропускной способности — моделирование связи «точка-точка» , где (по Хокни) задержка сообщения T(N) моделируется как функция длины сообщения N по формуле T(N) = (M + N)/A, где A — асимптотическая пропускная способность, а M — длина половины пика. [4]
Помимо использования в общем сетевом моделировании, асимптотическая пропускная способность используется при моделировании производительности в массивно-параллельных компьютерных системах, 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]
Приведенные выше значения являются теоретическими или расчетными. Пиковая измеренная пропускная способность — это пропускная способность, измеренная реальной, реализованной системой или моделируемой системой. Значение — это пропускная способность, измеренная за короткий период времени; математически это предел, принимаемый в отношении пропускной способности по мере того, как 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 полезной мерой производительности системы.
Это значение представляет собой пропускную способность, усредненную или интегрированную за длительный период времени (иногда считающуюся бесконечностью). Для сетей с высоким рабочим циклом это, вероятно, будет наиболее точным показателем производительности системы. Максимальная пропускная способность определяется как асимптотическая пропускная способность , когда нагрузка (объем входящих данных) велика. 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 до бесконечности. Это значение также может быть обманчиво использовано по отношению к пиковой измеренной пропускной способности для сокрытия формирования пакетов .
Пропускная способность иногда нормализуется и измеряется в процентах, но нормализация может вызвать путаницу относительно того, с чем связан процент. Использование канала , эффективность канала и скорость потери пакетов в процентах являются менее неоднозначными терминами.
Эффективность канала, также известная как эффективность использования полосы пропускания , — это процент чистой скорости передачи данных (в бит/с) цифрового канала связи , который идет к фактически достигнутой пропускной способности. Например, если пропускная способность составляет 70 Мбит/с в соединении Ethernet 100 Мбит/с, эффективность канала составляет 70%. В этом примере фактически 70 Мбит данных передаются каждую секунду.
Использование канала — это термин, связанный с использованием канала, без учета пропускной способности. Он учитывает не только биты данных, но и накладные расходы, которые используют канал. Накладные расходы передачи состоят из последовательностей преамбул, заголовков кадров и пакетов подтверждения. Определения предполагают бесшумный канал. В противном случае пропускная способность будет связана не только с природой (эффективностью) протокола, но и с повторными передачами, возникающими из-за качества канала. В упрощенном подходе эффективность канала может быть равна использованию канала, предполагая, что пакеты подтверждения имеют нулевую длину и что поставщик связи не увидит никакой полосы пропускания относительно повторных передач или заголовков. Поэтому некоторые тексты отмечают разницу между использованием канала и эффективностью протокола.
В канале связи «точка-точка» или « точка-многоточка» , где передает данные только один терминал, максимальная пропускная способность часто эквивалентна или очень близка к физической скорости передачи данных ( пропускной способности канала ), поскольку использование канала в такой сети может составлять почти 100%, за исключением небольшого межкадрового промежутка.
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 трейлера. Дополнительный минимальный межкадровый промежуток, соответствующий 12 байтам, вставляется после каждого кадра. Это соответствует максимальному использованию канала 1526 / (1526 + 12) × 100% = 99,22% или максимальному использованию канала 99,22 Мбит/с, включая накладные расходы протокола уровня канала передачи данных Ethernet в соединении Ethernet со скоростью 100 Мбит/с. Максимальная пропускная способность или эффективность канала тогда составляет 1500 / (1526 + 12) = 97,5%, без учета накладных расходов протокола Ethernet.
Пропускная способность системы связи будет ограничена огромным количеством факторов. Некоторые из них описаны ниже:
Максимально достижимая пропускная способность (емкость канала) зависит от полосы пропускания в герцах и отношения сигнал/шум аналоговой физической среды.
Несмотря на концептуальную простоту цифровой информации, все электрические сигналы, проходящие по проводам, являются аналоговыми. Аналоговые ограничения проводов или беспроводных систем неизбежно накладывают верхнюю границу на объем информации, который может быть отправлен. Доминирующим уравнением здесь является теорема Шеннона–Хартли , и аналоговые ограничения этого типа можно понимать как факторы, которые влияют либо на аналоговую полосу пропускания сигнала, либо как факторы, которые влияют на отношение сигнал/шум. Полоса пропускания проводных систем может быть на самом деле удивительно узкой, при этом полоса пропускания провода Ethernet ограничена приблизительно 1 ГГц, а дорожки печатной платы ограничены аналогичной величиной.
Цифровые системы ссылаются на «частоту колена» [7], количество времени, необходимое цифровому напряжению для подъема от 10% номинального цифрового «0» до номинальной цифровой «1» или наоборот. Частота колена связана с требуемой полосой пропускания канала и может быть связана с полосой пропускания системы по уровню 3 дБ с помощью уравнения: [8] Где Tr — время нарастания от 10% до 90%, а K — константа пропорциональности, связанная с формой импульса, равная 0,35 для экспоненциального подъема и 0,338 для гауссовского подъема.
Вычислительные системы имеют конечную вычислительную мощность и могут управлять конечным током. Ограниченная способность управления током может ограничить эффективное отношение сигнал/шум для высокоемкостных соединений .
Большие объемы данных, требующие обработки, предъявляют требования к обработке данных к оборудованию (например, маршрутизаторам). Например, шлюзовой маршрутизатор, поддерживающий заполненную подсеть класса B, обрабатывающий 10 каналов Ethernet × 100 Мбит/с, должен проверять 16 бит адреса, чтобы определить порт назначения для каждого пакета. Это означает 81913 пакетов в секунду (предполагая максимальную полезную нагрузку данных на пакет) с таблицей из 2^16 адресов, что требует от маршрутизатора возможности выполнять 5,368 миллиарда операций поиска в секунду. В худшем случае, когда полезная нагрузка каждого пакета Ethernet сокращается до 100 байт, это число операций в секунду возрастает до 520 миллиардов. Для обработки такой нагрузки этому маршрутизатору потребуется многотерафлопное процессорное ядро.
Обеспечение того, чтобы несколько пользователей могли гармонично совместно использовать один канал связи, требует некоторого равноправного распределения канала. Если узкое место канала связи, предлагающее скорость передачи данных R, совместно используется "N" активными пользователями (по крайней мере с одним пакетом данных в очереди), каждый пользователь обычно достигает пропускной способности приблизительно R/N , если предполагается справедливая очередность связи с наилучшими усилиями .
Максимальная пропускная способность часто является ненадежным измерением воспринимаемой пропускной способности, например, скорости передачи данных файла в битах в секунду. Как указано выше, достигнутая пропускная способность часто ниже максимальной пропускной способности. Кроме того, накладные расходы протокола влияют на воспринимаемую пропускную способность. Пропускная способность не является четко определенной метрикой, когда дело доходит до того, как обращаться с накладными расходами протокола. Обычно она измеряется в контрольной точке ниже сетевого уровня и выше физического уровня. Простейшее определение — это количество бит в секунду, которые физически доставляются. Типичным примером, где практикуется это определение, является сеть Ethernet. В этом случае максимальная пропускная способность — это общая скорость передачи или сырая скорость передачи.
Однако в схемах, включающих коды прямой коррекции ошибок (канальное кодирование), избыточный код ошибки обычно исключается из пропускной способности. Пример в модемной связи, где пропускная способность обычно измеряется в интерфейсе между протоколом точка-точка (PPP) и модемным соединением с коммутацией каналов. В этом случае максимальная пропускная способность часто называется чистой скоростью передачи данных или полезной скоростью передачи данных.
Для определения фактической скорости передачи данных сети или соединения можно использовать определение измерения " goodput ". Например, при передаче файлов "goodput" соответствует размеру файла (в битах), деленному на время передачи файла. "goodput " — это объем полезной информации, которая доставляется в секунду протоколу прикладного уровня . Отброшенные пакеты или повторные передачи пакетов, а также накладные расходы протокола исключаются. Из-за этого "goodput" ниже пропускной способности. Технические факторы, влияющие на разницу, представлены в статье " goodput ".
Часто блок в схеме 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 являются обратными единицам задержки распространения , которые составляют «секунды на сообщение» или «секунды на выход», пропускную способность можно использовать для связи вычислительного устройства, выполняющего специальную функцию, например, ASIC или встроенного процессора, с каналом связи, что упрощает системный анализ.
В беспроводных сетях или сотовых системах спектральная эффективность системы в единицах бит/с/Гц/площадь, бит/с/Гц/сайт или бит/с/Гц/сота представляет собой максимальную пропускную способность системы (совокупную пропускную способность), деленную на аналоговую полосу пропускания и некоторую меру зоны покрытия системы.
Пропускная способность по аналоговым каналам определяется исключительно схемой модуляции, отношением сигнал/шум и доступной полосой пропускания. Поскольку пропускная способность обычно определяется в терминах количественных цифровых данных, термин «пропускная способность» обычно не используется; вместо него чаще используется термин «полоса пропускания».
