Пропускная способность сети

Максимальная теоретическая пропускная способность тесно связана с пропускной способностью канала системы^[2] и соответствует максимальному количеству данных, которое может быть передано в идеальных условиях. В некоторых случаях она указывается равной ёмкости канала, однако это не совсем корректно, поскольку только ненагруженные непакетные системы способны достичь такого значения. Более точным считается учёт формата и накладных расходов спецификаций при расчётах по наилучшему сценарию.

Асимптотическая пропускная способность (иногда неформально асимптотическая полоса пропускания) для сетевой системы с пакетной передачей — это значение функции максимальной пропускной способности при стремлении входящей сетевой нагрузки к бесконечности, будь то по размеру сообщений^[3] или количеству источников данных. Как и для других скоростей передач данных, асимптотическая пропускная способность измеряется в бит/с (реже — в Б/с, где 1 Б/с = 8 бит/с). Используются десятичные приставки: 1 Мбит/с равно 1 000 000 бит/с.

Обычно асимптотическую пропускную способность оценивают, прогоняя или симулируя передачу очень больших сообщений (последовательности пакетов) по сети, применяя жадный источник и отсутствие управления потоком (например, UDP вместо TCP), и измеряя полученный объём данных на принимающем узле. Нагрузка трафика из других источников может уменьшить этот максимум для определённого маршрута. Также может моделироваться большой объём источников и приёмников — с учётом или без учёта управления потоком — и определяться агрегированный максимум (суммарный объём доставленного трафика).

В симуляционной модели сети с бесконечно большими очередями пакетов асимптотическая пропускная способность реализуется при бесконечном увеличении задержки (времени ожидания в очереди); если же очереди ограничены или сеть многоточечная, при столкновениях доля отбракованных пакетов стремится к 100 %.

Известное применение асимптотической пропускной способности — моделирование связи «точка—точка», где задержка передачи ${\displaystyle T(N)}$ моделируется как функция длины сообщения ${\displaystyle N}$ по формуле:

${\displaystyle T(N)=(M+N)/A}$,

где ${\displaystyle A}$ — асимптотическая полоса пропускания, а ${\displaystyle M}$ — длина на полпути к пику^[4].

Помимо моделирования сетей в целом, асимптотическая пропускная способность используется при анализе массово-параллельных вычислительных систем, где общая производительность зависит как от коммуникационных накладных расходов, так и от мощности процессоров^[5]. В таких моделях асимптотическая пропускная способность часто выражается как функция числа процессоров, так что как задержка, так и пропускная способность зависят от их количества^[6].

Пиковая измеренная пропускная способность отличается от асимптотической тем, что представляет собой результат прямых измерений на действующей или смоделированной системе. Обычно этот показатель отражает пропускную способность за короткий интервал времени; с математической точки зрения — предел функции пропускной способности при стремлении интервала времени к нулю. Также известен как мгновенная пропускная способность. Это число полезно для систем с пакетной или всплесковой передачей данных, тогда как для систем с высоким коэффициентом заполнения значимость этого показателя снижается.

Максимально устойчивая пропускная способность — это средняя или интегральная пропускная способность по длительному интервалу. Для сетей при постоянной нагрузке этот показатель будет наиболее точной оценкой производительности. Максимальная пропускная способность определяется как асимптотическая пропускная способность при высокой нагрузке. В пакетных сетях при отсутствии потерь пакетов нагрузка и пропускная способность равны. Максимальную пропускную способность также определяют как минимальную нагрузку (в битах в секунду), вызывающую потерю пакетов либо неограниченный рост задержки.

Максимально достижимая пропускная способность (ёмкость канала) определяется аналоговой полосой пропускания (в герцах) и отношением сигнал/шум физической среды. Ограничение тока в оборудовании может дополнительно снижать эффективное отношение сигнал/шум для каналов с высокой ёмкостью.

Несмотря на простоту идеи передачи цифровой информации, все электрические сигналы на проводах являются аналоговыми по природе. Аналоговые ограничения проводных и беспроводных систем накладывают верхний предел на количество передаваемой информации. Ключевое ограничение здесь даёт теорема Шеннона—Хартли: все подобные факторы могут быть выражены как воздействующие либо на аналоговую полосу пропускания, либо на отношение сигнал/шум. Например, полоса витой пары для Ethernet ограничена примерно 1 ГГц, у трасс на печатных платах — схожий порядок.

В цифровых системах используют понятие частоты перегиба^[7] — промежуток времени, за который цифровое напряжение поднимается с 10 % от условного нуля до условной единицы или наоборот. Частота перегиба связана с полосой пропускания и может быть приближённо выражена формулой^[8]: ${\displaystyle F_{3dB}\approx K/T_{r}}$, где Tr — время нарастания (между порогами 10-90 %), а K — коэффициент (0,35 для экспоненциального нарастания, 0,338 для гауссовского).

Другие аналоговые эффекты:

• RC-потери: провода обладают собственной сопротивляемостью и ёмкостью относительно земли, поэтому работают как RC-низкочастотные фильтры.
• Скин-эффект: с ростом частоты ток вытесняется к поверхности проводника, снижая эффективное сечение, увеличивая сопротивление, ухудшая отношение сигнал/шум. Для провода 24 AWG (типичный для кабеля Cat 5e) скин-эффект преобладает над проводимостью уже с 100 кГц; на 1 ГГц сопротивление доходит до 0,1 Ом на дюйм^[9].
• Согласование и колебания: если длина провода превышает 1/6 длины волны, его следует моделировать как линия передачи; в противном случае возникают отражения, искажающие сигнал^[10].
• Эффекты радиоканала: для беспроводных систем все эффекты радиотрансмиссии ограничивают SNR и полосу пропускания принимаемого сигнала, а значит и скорость передачи.

Большие объёмы данных порождают требования к обработке на оборудовании. Например, шлюзовый маршрутизатор вынужден проводить поиск в таблицах маршрутизации по миллиардам пакетов в секунду.

Использование CSMA/CD и CSMA/CA требует ожидания освобождения канала и повторных передач после коллизий, что замедляет работу (такое наблюдается в Ethernet-шинах, хабах, а также в беспроводных сетях).

Управление потоком, например, в TCP, влияет на пропускную способность, если произведение задержки на ширину канала больше, чем размер TCP-окна. В таком случае отправитель вынужден ждать подтверждения, прежде чем отсылать новые данные.

Механизмы контроля перегрузки TCP ограничивают скорость передачи. Медленный старт наблюдается в начале передачи или после потерь пакетов вследствие перегрузки маршрутизатора либо ошибок (например, в беспроводных каналах).

Совместное использование связи несколькими пользователями требует балансировки доступа. Если узкое место с пропускной способностью R делится между N активными пользователями (по крайней мере, с одной передачей в очереди), средняя пропускная способность на пользователя приближённо равна R/N при условии справедливое планирование и без дополнительных гарантий.

• Потеря пакетов при перегрузке: пакеты могут отбрасываться коммутаторами при переполнении буфера.
• Потеря пакетов вследствие битовых ошибок.
• Алгоритмы планирования в коммутаторах: если нет справедливого планирования, пользователи, отправляющие крупные пакеты, получают больше пропускной способности. При WFQ (гарантия качества) может быть задан приоритет.
• В некоторых системах (например, спутниковых сетях) каждому пользователю может быть доступно лишь конечное число каналов одновременно — они выделяются заранее или по схеме DAMA (динамическое выделение каналов)^[11]. В таком случае пропускная способность «квантована» по числу каналов; неиспользуемая часть недозагруженных каналов теряется.

Обычно узел на диаграмме потоков данных имеет один вход, один выход и работает с дискретными пакетами данных. Примеры: блоки быстрое преобразование Фурье или умножитель. Поскольку размерность пропускной способности — обратная времени прохождения (секунд на сообщение/выход), её используют для анализа вычислительных устройств специального назначения (ASIC, встраиваемые процессоры) как аналога канала связи, что облегчает анализ сложных систем.

В беспроводных или сотовых системах спектральная эффективность (бит/с/Гц/единицу площади, бит/с/Гц/сайт или бит/с/Гц/ячейку) определяется как максимальная (агрегированная) пропускная способность, делённая на аналоговую полосу пропускания и некоторую меру площади покрытия.

Пропускная способность в аналоговых каналах полностью определяется схемой модуляции, отношением сигнал/шум и доступной полосой частот. Так как в определении обычно участвуют квантованные цифровые данные, термин «пропускная способность» здесь используют редко; чаще употребляется «полоса пропускания».