Пропускная способность (вычислительная техника)

Термин пропускная способность иногда используют для обозначения чистой скорости передачи бит, пикового битрейта, информационной скорости, полезной скорости передачи на физическом уровне, ёмкости канала или максимальной производительности логического или физического канала связи в цифровых коммуникационных системах. Например, тест пропускной способности позволяет измерить максимальную производительность компьютерной сети. Максимальная достигаемая скорость передачи для такого канала ограничивается формулой Шеннона — Хартли для ёмкости канала, которая, в свою очередь, зависит от полосы пропускания в герцах и уровня шума в канале.

Использованная пропускная способность (в бит/с) соответствует достигнутой пропускной способности или goodput — средней скорости успешной передачи данных через рассматриваемый коммуникационный канал. На потреблённую пропускную способность могут влиять такие технологии, как управление пропускной способностью, мониторинг пропускной способности, ограничение пропускной способности, лимит пропускной способности, распределение пропускной способности (например, протокол распределения пропускной способности и динамическое распределение пропускной способности). Пропускная способность битового потока пропорциональна средней потреблённой полосе сигнала в герцах (средней спектральной ширине аналогового сигнала, представляющего битовый поток) за исследуемый временной интервал.

Пропускная способность канала может путаться с полезной производительностью (goodput). Например, канал со скоростью x бит/с не обязательно обеспечивает передачу данных с такой же эффективной скоростью, поскольку протоколы, шифрование и другие факторы добавляют служебные накладные расходы. Например, большая часть интернет-трафика передаётся с использованием протокола управления передачей (TCP), который требует трёхстороннего рукопожатия для каждой транзакции. Хотя современные реализации TCP достаточно эффективны, протокол создает значительные издержки по сравнению с более простыми протоколами. Кроме того, возможна потеря пакетов данных, что ещё больше снижает полезную производительность. В общем случае для любой эффективной цифровой связи требуется протокол кадрирования; издержки и эффективность реализации зависят от конкретного протокола. Полезная производительность всегда меньше или равна реальной пропускной способности канала за вычетом издержек на реализацию.

Асимптотическая пропускная способность (формально — асимптотическая производительность) для сети — это характеристика максимальной производительности при передаче данных от жадного источника, например, когда размер сообщения (количество пакетов в секунду от источника) близок к максимально возможному значению^[5].

Асимптотическую пропускную способность обычно оценивают путём передачи большого количества сообщений через сеть с измерением сквозной производительности. Как и в других случаях, асимптотическая пропускная способность выражается в битах в секунду (и их производных). Поскольку всплески пропускной способности способны исказить измерения, операторы часто используют метод 95-го процентиля. Этот метод предполагает непрерывное измерение использования пропускной способности и отбрасывает верхние 5 %^[6].

Цифровая пропускная способность может также обозначать битовую скорость мультимедиа или средняя битовая скорость после сжатия мультимедийных данных (исходное кодирование), определяемую как общее количество данных, делённое на длительность воспроизведения.

Из‑за крайне высоких требований к пропускной способности при работе с несжатым цифровым мультимедиа, необходимая пропускная способность может быть существенно уменьшена с помощью сжатия^[7]. Наиболее часто используемый метод сжатия с целью уменьшения требований к полосе пропускания — это дискретное косинусное преобразование (ДКП), впервые предложенное Назиром Ахмедом в начале 1970-х годов^[8]. Сжатие ДКП существенно уменьшает необходимую объём памяти и полосу пропускания для передачи цифровых сигналов; коэффициент сжатия может достигать 100:1 по сравнению с несжатыми данными^[9].

В услугах хостинга термин пропускная способность часто используют для обозначения объема данных, которые передаются на сайт или с сайта за определённый период времени, например, пропускная способность, потреблённая за месяц и измеряемая в гигабайтах в месяц^[10]. Более корректный термин для этого значения — ежемесячный объём передачи данных.

Аналогичная ситуация наблюдается и для конечных пользователей интернет-провайдеров, особенно в условиях ограниченной ёмкости сетей (например, в регионах с недостаточно развитой интернет-инфраструктурой или в беспроводных сетях).

Закон Эдхолма, сформулированный и названный в честь Фила Эдхолма в 2004 году^[11], утверждает, что пропускная способность телекоммуникационных сетей удваивается каждые 18 месяцев, что подтверждается с 1970‑х годов^[11].^[12] Эта тенденция прослеживается для интернета^[11], сотовых (мобильных) сетей, беспроводных ЛВС и беспроводных персональных сетей^[12].

Наиболее значительным фактором, обеспечившим столь быстрый рост пропускной способности, является МОП-транзистор (металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор)^[13]. МОП-транзистор был изобретён Мохамедом Аталлой и Давоном Каном в Bell Labs в 1959 году^[14],^[15][16] и стал основным элементом современной технологии телекоммуникаций^[17]. Последовательное уменьшение размеров МОП-транзисторов и развитие технологий МОП обеспечили исполнение закона Мура (удвоение числа транзисторов на кристалле интегральных схем каждые два года) и закона Эдхолма (удвоение пропускной способности коммуникаций каждые 18 месяцев)^[13].