Производительность сети
Производительность сети — это совокупность показателей качества обслуживания телекоммуникационного продукта с точки зрения пользователя.
Ниже приведены примеры мер производительности сети для сети с коммутацией каналов и одного из видов сетей с коммутацией пакетов, а именно — ATM:
- Сети с коммутацией каналов: в таких сетях производительность сети эквивалентна степени качества обслуживания. Количество отклонённых вызовов служит мерой того, насколько сеть справляется с высокой нагрузкой[1]. К другим характеристикам, отражающим производительность, можно отнести шум, эхо и прочие показатели.
- ATM: в сетях на базе асинхронного режима передачи (ATM) производительность может измеряться скоростью линии, качеством обслуживания (QoS), фактической пропускной способностью, временем соединения, надёжностью работы, техническими особенностями, используемой модуляцией и характеристиками модемов[2].
Существует множество различных способов измерения производительности сети, ведь каждая сеть уникальна по своей природе и конструкции. Иногда производительность моделируют, а не измеряют; примером может служить применение диаграмм переходов состояний для моделирования производительности очередей в сетях с коммутацией каналов. Такие диаграммы позволяют проектировщику анализировать поведение сети в различных состояниях с целью оптимального проектирования[3].
Показатели производительности
Наиболее важными считаются следующие показатели:
- Пропускная способность (ширина полосы), измеряемая в бит/с — максимальная скорость передачи информации.
- Пропускная способность по факту (англ. throughput) — реальная скорость, с которой данные передаются по сети.
- Задержка (латентность) — задержка между отправкой сообщения отправителем и его получением получателем; определяется в основном временем распространения сигнала и задержками обработки в промежуточных узлах.
- Джиттер (англ. jitter) — вариация времённых интервалов прибытия данных к получателю.
- Ошибки передачи — число искажённых бит, выраженное как доля от общего числа переданных бит.
Распространено заблуждение, что большая пропускная способность (throughput) гарантирует «более быструю связь». На восприятие скорости влияют также задержка, тип и способ передачи информации, совокупное влияние различных факторов.
Пропускная способность канала и достижимое отношение сигнал/шум определяют максимально возможную фактическую пропускную способность. Обычно невозможно превысить предел, заданный теоремой Шеннона — Хартли.
Фактическая пропускная способность (англ. throughput) определяется числом успешно доставленных сообщений за единицу времени. Она ограничивается доступной шириной полосы, уровнем сигнала (в децибелах), а также аппаратными ограничениями. Для целей данной статьи под throughput понимается количество данных от первого полученного бита; таким образом он различается с задержкой, хотя оба показателя часто путают.
Окно времени (англ. time window) — это интервал, за который измеряется throughput. Выбор правильного окна времени сильно влияет на результаты: задержка учитывается в throughput, если её включать в расчёт; при её исключении она на throughput не влияет.
Скорость света накладывает минимальный предел на время распространения электромагнитного сигнала. Минимальная задержка не может быть меньше
где s — расстояние, а c_m — скорость света в среде распространения. Дополнительные задержки возникают в промежуточных узлах. В сетях с коммутацией пакетов задержки возможны также из-за очередей.
Джиттер (англ. jitter) — это нежелательное отклонение от истинной периодичности сигнала (предполагается периодический сигнал) в электронике и телекоммуникациях, часто по отношению к тактовому сигналу. Джиттер проявляется в характеристиках следования импульсов, амплитуде или фазе периодических сигналов. Это важный, чаще всего негативный, фактор в проектировании практически всех систем связи (например, USB, PCI Express, SATA, OC-48 и др.). В задачах восстановления тактовой частоты говорят о timing jitter.
В цифровых передачах возникшие битовые ошибки — это число искажённых битов, принятых по каналу передачи данных из-за шума, помех, искажений или ошибок синхронизации.
Коэффициент ошибок по битам или битовая ошибка передачи (англ. bit error rate, BER) определяется как отношение числа битовых ошибок к общему числу переданных бит за исследуемый интервал времени. BER — это безразмерная временная мера, обычно выражаемая в процентах.
Вероятность битовой ошибки p — это ожидаемое значение BER, может использоваться как оценка вероятности ошибки. При длительном наблюдении с большим числом ошибок такое приближение является точным.
Все вышеуказанные факторы, а также требования и субъективные впечатления пользователя, играют важную роль в определении скорости и полезности сетевого соединения. Взаимосвязь throughput и задержки, а также информированность пользователя особенно ярко проявляются при совместном доступе и рассмотрении вопросов с точки зрения программирования: критичным может быть как throughpuт, так и задержка.
Алгоритмы и протоколы
В некоторых системах задержка и throughput могут тесно коррелировать. В TCP/IP задержка напрямую влияет на throughput. В соединениях по TCP (Протокол управления передачей) задержка, обусловленная высокой латентностью и небольшой размером окна протокола TCP, может привести к резкому снижению throughput на высокозадержанных каналах. Проблема решается, например, увеличением размера окна TCP или использованием агрегации пакетов, что типично для спутниковых каналов с большой задержкой.
Акселерация TCP превращает потоки TCP-пакетов в схожий с UDP (Протокол дейтаграмм пользователя) поток; ускоряющее ПО должно реализовывать собственные механизмы обеспечения надёжности с учётом задержки и ширины полосы, а используемые стороны должны поддерживать принятый подход.
На уровне управления доступом к среде передачи обсуждаются вопросы производительности и сквозной задержки.
Примеры систем, ограниченных задержкой или throughput
Некоторые системы можно охарактеризовать как ограниченные либо по throughput, либо по задержке в зависимости от применимости и пользовательского опыта. В ряде случаев фундаментальные ограничения, например скорость света, создают специфические для данной системы трудности, которые невозможно устранить. Однако иногда возможно оптимизировать сеть для повышения удобства пользователя.
Спутник связи на геосинхронной орбите обеспечивает трассу минимум в 71 000 км и задержку в 473 мкс между передатчиком и приёмником, что приводит к заметному времени ожидания между отправкой и получением сообщения. Хотя доступная пропускная способность велика, задержка негативно сказывается на качестве спутниковой телефонии.
Влияние больших расстояний становится особенно значимым при обмене данными с космическими аппаратами и объектами за пределами атмосферы Земли. Сеть дальней космической связи (реализованная НАСА) предназначена для преодоления этих сложностей. С целью смягчения влияния разрывов связи и больших задержек разрабатываются технологии сетей, устойчивых к задержкам.
При межзвёздных дистанциях проектирование радиосистемы для обеспечения сколь-либо высокой пропускной способности связано с огромными трудностями. В таких случаях сама возможность передачи преобладает над временем доставки.
Почти все виды передачи завязаны на throughput; поэтому, к примеру, физическая доставка резервных копий по-прежнему может осуществляться на автомобиле.