verim - Throughput

Genel olarak verim , üretim oranı veya bir şeyin işlenme hızıdır.

Ethernet veya paket radyo gibi iletişim ağları bağlamında kullanıldığında , çıktı veya ağ çıktısı , bir iletişim kanalı üzerinden başarılı mesaj teslimi oranıdır . Bu mesajların ait olduğu veriler, fiziksel veya mantıksal bir bağlantı üzerinden teslim edilebilir veya belirli bir ağ düğümünden geçebilir . Verim genellikle saniyedeki bit sayısı (bit/s veya bps) ve bazen saniyedeki veri paketleri (p/s veya pps) veya zaman aralığı başına veri paketleri olarak ölçülür .

Sistem işlem ya da toplam işlem bir ağdaki tüm terminaller teslim edilir veri hızlarının toplamıdır. Verim, temelde dijital bant genişliği tüketimi ile eş anlamlıdır ; zaman birimi başına paketlerdeki yükün varış hızı ( λ ) olarak gösterildiği ve zaman birimi başına paketlerdeki düşüşün çıkış hızı ( μ ) olarak gösterildiği çıktının gösterildiği kuyruk teorisi uygulanarak matematiksel olarak analiz edilebilir. ).

Bir iletişim sisteminin verimi, temel analog fiziksel ortamın sınırlamaları, sistem bileşenlerinin mevcut işlem gücü ve son kullanıcı davranışı dahil olmak üzere çeşitli faktörlerden etkilenebilir . Çeşitli protokol ek yükleri hesaba katıldığında, aktarılan verinin faydalı oranı, elde edilebilecek maksimum verimden önemli ölçüde daha düşük olabilir; yararlı kısım genellikle goodput olarak adlandırılır .

Maksimum verim

Telekomünikasyon cihazlarının kullanıcıları, sistem tasarımcıları ve iletişim teorisi araştırmacıları genellikle bir sistemin beklenen performansını bilmekle ilgilenirler. Kullanıcı açısından bakıldığında, bu genellikle "ihtiyaçlarım için verilerimi oraya en etkili şekilde hangi cihaz alacak?" veya "birim maliyet başına en fazla veriyi hangi cihaz sağlayacak?" şeklinde ifade edilir. Sistem tasarımcıları genellikle, bir sistem için nihai performansını yönlendiren en etkili mimariyi veya tasarım kısıtlamalarını seçmekle ilgilenirler. Çoğu durumda, bir sistemin neler yapabileceğinin veya "maksimum performansının" ölçütü, kullanıcının veya tasarımcının ilgilendiği şeydir. İşlem hacmini incelerken, son kullanıcı maksimum verim testlerinin tartışıldığı durumlarda, maksimum verim terimi sıklıkla kullanılır. detayda.

Maksimum verim, esasen dijital bant genişliği kapasitesi ile eş anlamlıdır .

Dört farklı değerin, birden çok sistemin 'üst limit' kavramsal performansının karşılaştırılmasında kullanılan "maksimum verim" bağlamında anlamı vardır. Bunlar "maksimum teorik çıktı", "maksimum ulaşılabilir çıktı" ve "ölçülen en yüksek çıktı" ve "maksimum sürdürülebilir çıktı"dır. Bunlar farklı miktarları temsil eder ve farklı 'maksimum verim' değerleri karşılaştırılırken aynı tanımların kullanılmasına dikkat edilmelidir. Verim değerlerinin karşılaştırılması, aynı miktarda bilgiyi taşıyan her bir bit'e de bağlıdır. Veri sıkıştırma , %100'den büyük değerler oluşturmak da dahil olmak üzere, çıktı hesaplamalarını önemli ölçüde çarpıtabilir. İletişim, farklı bit hızlarına sahip seri halinde birkaç bağlantı tarafından aracılık ediliyorsa, toplam bağlantının maksimum verimi, en düşük bit hızına eşit veya daha düşüktür. Serideki en düşük değerli bağlantı darboğaz olarak adlandırılır .

Maksimum teorik verim

Bu sayı, sistemin kanal kapasitesi ile yakından ilgilidir ve ideal koşullar altında iletilebilecek mümkün olan maksimum veri miktarıdır. Bazı durumlarda bu sayının kanal kapasitesine eşit olduğu bildirilir, ancak bu aldatıcı olabilir, çünkü yalnızca paketlenmemiş sistemler (asenkron) teknolojiler bunu veri sıkıştırması olmadan başarabilir. Maksimum teorik çıktı, en iyi durum varsayımları ile format ve spesifikasyon ek yükünü hesaba katmak için daha doğru bir şekilde rapor edilir . Bu sayı, aşağıdaki 'maksimum elde edilebilir verim' terimi gibi, öncelikle bir sistem tasarım aşamasının başlarında olası performansın sınırlarını belirlemek için olduğu gibi, kabaca hesaplanmış bir değer olarak kullanılır.

asimptotik çıktı

Asimptotik verim (daha az resmi asimptotik bant genişliği bir paket-mod için) bir iletişim ağı değeri verimi maksimum gelen ağ yükü yaklaşımlar fonksiyonu, sonsuz ya da a, mesaj boyutu yaklaştıkça sonsuz veya veri kaynaklarının sayısı çok büyük. Diğer bit hızları ve veri bant genişlikleri gibi, asimptotik verim, saniyedeki bit sayısı (bit/sn), çok nadiren saniyede bayt (B/s) cinsinden ölçülür ; burada 1 B/s, 8 bit/s'dir. Ondalık önekler kullanılır, yani 1 Mbit/sn 1000000 bit/sn'dir.

Asimptotik üretimini, genellikle gönderilmesiyle veya tahmin edilmektedir simüle ağ üzerinden çok büyük bir mesajı (veri paketlerinin dizisi), bir ile hırslı kaynağı ve herhangi bir akış kontrol mekanizması (yani UDP yerine TCP ) ve hedef düğüm olarak verim ağ yolu ölçüm . Diğer kaynaklar arasındaki trafik yükü, bu maksimum ağ yolu verimini azaltabilir. Alternatif olarak, akış kontrolü olan veya olmayan çok sayıda kaynak ve havuz modellenebilir ve toplam maksimum ağ verimi ölçülür (hedeflerine ulaşan trafiğin toplamı). Sonsuz paket kuyruklarına sahip bir ağ simülasyon modelinde, gecikme (paket kuyruk süresi) sonsuza gittiğinde, paket kuyrukları sınırlıysa veya ağ çok sayıda kaynağa sahip bir çoklu bırakma ağı ve çarpışmalar olduğunda asimptotik aktarım gerçekleşir. oluşabilir, paket bırakma oranı %100'e yaklaşır.

Asimptotik çıktının iyi bilinen bir uygulaması, (Hockney'den sonra) mesaj gecikmesinin T(N)'nin N mesaj uzunluğunun bir fonksiyonu olarak T(N) = (M + N)/A olarak modellendiği noktadan noktaya iletişimin modellenmesidir. A, asimptotik bant genişliği ve M, yarı tepe uzunluğudur.

Genel ağ modellemede kullanımının yanı sıra, asimptotik verim, sistem çalışmasının büyük ölçüde iletişim ek yüküne ve işlemci performansına bağlı olduğu büyük ölçüde paralel bilgisayar sistemlerinde performansı modellemede kullanılır . Bu uygulamalarda, işlemci sayısını içeren Xu ve Hwang modelinde (Hockney yaklaşımından daha genel) asimptotik verim kullanılır, böylece hem gecikme hem de asimptotik verim, işlemci sayısının fonksiyonlarıdır.

En yüksek ölçülen verim

Yukarıdaki değerler teorik veya hesaplanmıştır. En yüksek ölçülen verim, gerçek, uygulanmış bir sistem veya simüle edilmiş bir sistem tarafından ölçülen verimdir. Değer, kısa bir süre içinde ölçülen çıktıdır; matematiksel olarak bu, zaman sıfıra yaklaştıkça verim açısından alınan sınırdır. Bu terim, anlık verim ile eş anlamlıdır . Bu sayı, çoğuşma veri iletimine dayanan sistemler için kullanışlıdır; ancak, yüksek görev döngüsüne sahip sistemler için bunun sistem performansının yararlı bir ölçüsü olma olasılığı daha düşüktür.

Maksimum sürdürülebilir verim

Bu değer, uzun bir süre boyunca (bazen sonsuz olarak kabul edilir) ortalama veya entegre edilmiş çıktıdır. Yüksek görev döngülü ağlar için bu, sistem performansının en doğru göstergesi olabilir. Maksimum verim, yük (gelen veri miktarı) çok büyük olduğunda asimptotik verim olarak tanımlanır . İçinde paket anahtarlamalı yük ve akış, her zaman (burada eşit olan sistemleri paket kaybı , teslim süresi (sebep bit / s olarak minimum yük olarak tanımlanabilir verimi maksimum oluşmaz) gecikme ) kararsız ve artış olmak sonsuzluğa doğru. Bu değer, paket şekillendirmeyi gizlemek için ölçülen en yüksek verimle ilgili olarak yanıltıcı bir şekilde de kullanılabilir .

Kanal kullanımı ve verimliliği

Verim bazen normalleştirilir ve yüzde olarak ölçülür, ancak normalleştirme, yüzdenin neyle ilgili olduğu konusunda kafa karışıklığına neden olabilir. Yüzde olarak kanal kullanımı , kanal verimliliği ve paket düşme oranı daha az belirsiz terimlerdir.

Bant genişliği kullanım verimliliği olarak da bilinen kanal verimliliği, gerçekte elde edilen verime giden bir dijital iletişim kanalının net bit hızının (bit/sn cinsinden) yüzdesidir . Örneğin, 100 Mbit/s Ethernet bağlantısında verim 70 Mbit/s ise, kanal verimliliği %70'tir. Bu örnekte, her saniyede etkin 70 Mbit veri iletilir.

Kanal kullanımı, bunun yerine, çıktıyı göz ardı ederek kanalın kullanımıyla ilgili bir terimdir. Yalnızca veri bitleriyle değil, aynı zamanda kanalı kullanan ek yük ile de sayılır. İletim yükü, giriş dizileri, çerçeve başlıkları ve onay paketlerinden oluşur. Tanımlar gürültüsüz bir kanal varsaymaktadır. Aksi takdirde, aktarım hızı yalnızca protokolün doğası (verimliliği) ile değil, aynı zamanda kanalın kalitesinden kaynaklanan yeniden aktarımlarla da ilişkilendirilecektir. Basit bir yaklaşımda, kanal verimliliği, alınan paketlerin sıfır uzunlukta olduğu ve iletişim sağlayıcısının yeniden iletimlere veya başlıklara göre herhangi bir bant genişliği görmeyeceği varsayılarak kanal kullanımına eşit olabilir. Bu nedenle, belirli metinler, kanal kullanımı ile protokol verimliliği arasındaki farkı belirtir.

Yalnızca bir terminalin iletim yaptığı bir noktadan noktaya veya noktadan çok noktaya iletişim bağlantısında, maksimum verim genellikle fiziksel veri hızına ( kanal kapasitesi ) eşit veya çok yakındır , çünkü kanal kullanımı neredeyse olabilir. Çerçeveler arası küçük bir boşluk dışında, böyle bir ağda %100.

Örneğin, Ethernet'teki maksimum çerçeve boyutu 1526 bayttır: yük için 1500 bayta kadar, giriş için sekiz bayt, başlık için 14 bayt ve treyler için 4 bayt. Her çerçeveden sonra 12 bayta karşılık gelen ek bir minimum çerçeveler arası boşluk eklenir. Bu, 100 Mbit/s Ethernet bağlantısında 1526 / (1526 + 12) × %100 = %99.22 maksimum kanal kullanımına veya Ethernet veri bağlantısı katmanı protokolü ek yükü dahil 99.22 Mbit/s maksimum kanal kullanımına karşılık gelir. Maksimum verim veya kanal verimliliği, Ethernet protokolü ek yükü hariç 1500 / (1526 + 12) = %97,5'tir.

Verimi etkileyen faktörler

Bir iletişim sisteminin verimi çok sayıda faktör tarafından sınırlandırılacaktır. Bunlardan bazıları aşağıda açıklanmıştır:

Analog sınırlamalar

Erişilebilir maksimum verim (kanal kapasitesi), hertz cinsinden bant genişliğinden ve analog fiziksel ortamın sinyal-gürültü oranından etkilenir .

Sayısal bilginin kavramsal basitliğine rağmen, teller üzerinden geçen tüm elektrik sinyalleri analogdur. Kabloların veya kablosuz sistemlerin analog sınırlamaları, kaçınılmaz olarak, gönderilebilecek bilgi miktarı üzerinde bir üst sınır sağlar. Buradaki baskın denklem Shannon-Hartley teoremidir ve bu tipteki analog sınırlamalar, bir sinyalin analog bant genişliğini etkileyen faktörler veya sinyal-gürültü oranını etkileyen faktörler olarak anlaşılabilir. Kablolu sistemlerin bant genişliği aslında şaşırtıcı derecede dar olabilir, Ethernet kablosunun bant genişliği yaklaşık 1 GHz ile sınırlıdır ve PCB izleri de benzer bir miktarla sınırlıdır.

Dijital sistemler, dijital voltajın nominal dijital '0'ın %10'undan nominal dijital '1'e veya tam tersine yükselmesi için geçen süreyi ifade eden 'diz frekansı' anlamına gelir. Diz frekansı, bir kanalın gerekli bant genişliği ile ilgilidir ve bir sistemin 3 db bant genişliği ile şu denklemle ilişkilendirilebilir: Burada Tr, %10 ila %90 yükselme zamanı ve K, orantılılık sabitidir. darbe şekli, üstel bir artış için 0,35'e ve Gauss artışı için 0,338'e eşittir. ${\displaystyle \ F_{3dB}\yaklaşık K/T_{r}}$

• RC kayıpları: kablolar, toprağa göre ölçüldüğünde doğal bir dirence ve doğal bir kapasitansa sahiptir. Bu , tüm tellerin ve kabloların RC alçak geçiren filtreler gibi davranmasına neden olan parazitik kapasitans adı verilen etkilere yol açar .
• Cilt etkisi : Frekans arttıkça, elektrik yükleri tellerin veya kabloların kenarlarına doğru hareket eder. Bu, akımı taşımak, direnci artırmak ve sinyal-gürültü oranını azaltmak için mevcut etkin kesit alanını azaltır. İçin AWG (yaygın olarak bulunan tipteki 24 tel Cat 5e kablo), deri etkisi frekansı 100 kHz tel doğal özdirenç üzerinde baskın hale gelmektedir. 1 GHz'de direnç 0,1 ohm/inç'e yükselmiştir.
• Sonlandırma ve zil sesi: Uzun teller için (1/6 dalga boyundan daha uzun teller uzun kabul edilebilir) iletim hatları olarak modellenmeli ve sonlandırmaları hesaba katmalıdır. Bu yapılmazsa, yansıyan sinyaller kablo boyunca ileri geri hareket edecek ve bilgi taşıyan sinyale olumlu veya olumsuz müdahale edecektir.
• Kablosuz Kanal Etkileri : Kablosuz sistemler için, kablosuz iletimle ilişkili tüm efektler, alınan sinyalin SNR'sini ve bant genişliğini ve dolayısıyla gönderilebilecek maksimum bit sayısını sınırlar.

IC donanım konuları

Hesaplamalı sistemler sonlu işlem gücüne sahiptir ve sonlu akımı sürdürebilir. Sınırlı akım sürücü kapasitesi, yüksek kapasitanslı bağlantılar için etkin sinyal-gürültü oranını sınırlayabilir .

İşleme gerektiren büyük veri yükleri, donanıma (yönlendiriciler gibi) veri işleme gereksinimleri getirir. Örneğin, 10 x 100 Mbit/s Ethernet kanallarını işleyen, doldurulmuş bir B sınıfı alt ağı destekleyen bir ağ geçidi yönlendiricisi , her paket için hedef bağlantı noktasını belirlemek için 16 bitlik adresi incelemelidir. Bu, 2^16 adreslik bir tabloyla saniyede 81913 pakete (paket başına maksimum veri yükü varsayılarak) çevrilir; bu, yönlendiricinin saniyede 5.368 milyar arama işlemi gerçekleştirebilmesini gerektirir. Her bir Ethernet paketinin yüklerinin 100 bayta indirildiği en kötü durum senaryosunda, bu saniyedeki işlem sayısı 520 milyara çıkar. Bu yönlendirici, böyle bir yükü kaldırabilmek için çok terafloplu bir işlem çekirdeği gerektirir.

• Tespit edilen çarpışmalardan sonra CSMA/CD ve CSMA/CA "geri çekilme" bekleme süresi ve çerçeve yeniden iletimleri. Bu, Ethernet veri yolu ağlarında ve hub ağlarında ve kablosuz ağlarda meydana gelebilir.
• Akış kontrolü , örneğin İletim Kontrol Protokolü (TCP) protokolünde, bant genişliği gecikme ürünü TCP penceresinden, yani arabellek boyutundan daha büyükse verimi etkiler . Bu durumda gönderen bilgisayar daha fazla paket göndermeden önce veri paketlerinin onaylanmasını beklemelidir.
• TCP tıkanıklığı önleme , veri hızını kontrol eder. "Yavaş başlangıç" olarak adlandırılan, bir dosya aktarımının başlangıcında ve yönlendirici tıkanıklığı veya örneğin kablosuz bağlantılardaki bit hatalarından kaynaklanan paket düşüşlerinden sonra meydana gelir.

Çok kullanıcılı düşünceler

Birden çok kullanıcının tek bir iletişim bağlantısını uyumlu bir şekilde paylaşabilmesini sağlamak, bağlantının bir tür adil paylaşımını gerektirir. Bir şişe boyun iletişim bağlantısı sunan veri hızı ise R (kuyrukta en az bir veri paketi ile birlikte) "N" aktif kullanıcılar tarafından paylaşılan her kullanıcı genellikle yaklaşık bir hız sağlanır R / N ise, adil kuyruk çabayı gösterme iletişim varsayılır .

• Ağ tıkanıklığı nedeniyle paket kaybı . Paket kuyrukları tıkanıklık nedeniyle dolduğunda, anahtarlarda ve yönlendiricilerde paketler düşebilir.
• Bit hataları nedeniyle paket kaybı .
• Yönlendiricilerde ve anahtarlarda zamanlama algoritmaları. Adil kuyruk sağlanmazsa, büyük paketler gönderen kullanıcılar daha yüksek bant genişliği elde eder. Farklılaştırılmış veya garantili hizmet kalitesi (QoS) sağlanmışsa, bazı kullanıcılara ağırlıklı adil kuyruklama (WFQ) algoritmasında öncelik verilebilir .
• Uydu ağları gibi bazı iletişim sistemlerinde, belirli bir zamanda belirli bir kullanıcı için yalnızca sınırlı sayıda kanal mevcut olabilir. Kanallar, ön atama veya Talep Tahsisli Çoklu Erişim (DAMA) aracılığıyla atanır. Bu durumlarda, verim kanal başına nicelenir ve kısmen kullanılan kanallarda kullanılmayan kapasite kaybedilir.

İyi girdi ve ek yük

Maksimum verim genellikle algılanan bant genişliğinin güvenilir olmayan bir ölçümüdür, örneğin saniye başına bit cinsinden dosya aktarım veri hızı. Yukarıda belirtildiği gibi, elde edilen verim, genellikle maksimum verimden daha düşüktür. Ayrıca, protokol yükü algılanan bant genişliğini etkiler. Protokol ek yükü ile nasıl başa çıkılacağına gelince, verim iyi tanımlanmış bir ölçüm değildir. Tipik olarak ağ katmanının altındaki ve fiziksel katmanın üzerindeki bir referans noktasında ölçülür. En basit tanım, fiziksel olarak iletilen saniyedeki bit sayısıdır. Bu tanımın uygulandığı tipik bir örnek, bir Ethernet ağıdır. Bu durumda maksimum verim, brüt bit hızı veya ham bit hızıdır.

Bununla birlikte, ileriye dönük hata düzeltme kodlarını (kanal kodlaması) içeren şemalarda , fazlalık hata kodu normal olarak çıktının dışında tutulur. Verimin tipik olarak Noktadan Noktaya Protokol (PPP) ile devre anahtarlamalı modem bağlantısı arasındaki arayüzde ölçüldüğü modem iletişimine bir örnek . Bu durumda maksimum verim, genellikle net bit hızı veya faydalı bit hızı olarak adlandırılır.

Bir ağın veya bağlantının gerçek veri hızını belirlemek için "iyi girdi " ölçüm tanımı kullanılabilir. Örneğin, dosya aktarımında "iyi girdi" dosya boyutunun (bit cinsinden) dosya aktarım süresine bölünmesine karşılık gelir. " İyi girdi ", uygulama katmanı protokolüne saniyede iletilen faydalı bilgi miktarıdır . Bırakılan paketler veya paket yeniden iletimlerinin yanı sıra protokol ek yükü hariçtir. Bu nedenle, "iyi çıktı", verimden daha düşüktür. Farkı etkileyen teknik faktörler " goodput " makalesinde sunulmuştur.

Veri için verimin diğer kullanımları

Entegre devreler

Çoğu zaman, bir veri akış şemasındaki bir bloğun tek bir girişi ve tek bir çıkışı vardır ve ayrı bilgi paketleri üzerinde çalışır. Bu tür blokların örnekleri, Hızlı Fourier Dönüşümü modülleri veya ikili çarpanlardır . Verim birimleri , 'mesaj başına saniye' veya 'çıkış başına saniye' olan yayılma gecikmesi biriminin karşılığı olduğundan, verim, ASIC veya gömülü işlemci gibi özel bir işlevi gerçekleştiren bir hesaplama cihazını aşağıdakilerle ilişkilendirmek için kullanılabilir . sistem analizini basitleştiren bir iletişim kanalı.

Kablosuz ve hücresel ağlar

Olarak kablosuz ağlar veya hücresel sistemlerde , sistemin spektral verimliliği bit / sn / Hz / alan biriminde, bit / sn / Hz / site veya bit / sn / Hz / hücre, analog bölü maksimum sistem performansı (toplam verim) bir bant genişliği ve sistem kapsama alanının bir ölçüsü.

Analog kanallar üzerinden

Analog kanallar üzerinden verim, tamamen modülasyon şeması, sinyal-gürültü oranı ve mevcut bant genişliği ile tanımlanır. Verim normalde nicelleştirilmiş dijital veriler açısından tanımlandığından, 'verim' terimi normalde kullanılmaz; 'bant genişliği' terimi bunun yerine daha sık kullanılır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

• Rappaport, Theodore S. Wireless Communications, Principles and Practice ikinci baskı, Prentice Hall , 2002, ISBN  0-13-042232-0
• Blahut, Richard E. Veri İletimi için Cebirsel Kodlar Cambridge University Press , 2004, ISBN  0-521-55374-1
• Li, Harnes, Holte, "Kayıplı Bağlantıların Çok Atlamalı Kablosuz Ağların Performansı Üzerindeki Etkisi", IEEE, 14. Uluslararası Bilgisayar İletişimi ve Ağları Konferansı Bildiriler Kitabı, Ekim 2005, 303 - 308
• Johnson, Graham, Yüksek Hızlı Dijital Tasarım, Kara Büyü El Kitabı , Prentice Hall , 1973, ISBN  0-13-395724-1
• Roddy, Dennis, Satellite Communications üçüncü baskı, McGraw-Hill , 2001, ISBN  0-07-137176-1