Goodput
Goodput (чистый пропускной показатель, чистая пропускная способность) — это объём данных, передаваемых по проводной или беспроводной среде за определённый промежуток времени, за вычетом служебной информации и накладных расходов[1].
Термин определяется и используется в документах таких организаций по стандартизации, как IETF (в частности, в RFC 8238, RFC 2647 и RFC 3753) и ITU-T (например, в рекомендации Y.1540)[2].[3]
Факторы, влияющие на goodput
К goodput не относятся служебные данные (оверхед), такие как заголовки, контрольные суммы, информация об отправителе и получателе, а также дополнительные данные для коррекции ошибок (например, цикллический избыточный код), повторные передачи и прочее управление передачей. Также на чистый пропускной показатель влияют технологические паузы между передачами.
Показатель goodput, измеряемый в битах в секунду, сам по себе имеет ограниченную информативность, поскольку современные данные (изображения, видео, музыка, тексты, речь) часто передаются в сжатом виде, и коэффициент сжатия может значительно повысить фактическую эффективность передачи информации[1].
Если через один канал передаются данные от нескольких пользователей, пропускная способность каждого из них становится непредсказуемой.
В проводных протоколах передачи обычно требуется минимальный оверхед; так, для Ethernet доля чистой полезной нагрузки (goodput) составляет около 94 % от номинальной скорости передачи.
Беспроводные протоколы требуют существенно большего оверхеда — для WLAN его доля превышает 50 %, и чистый пропускной показатель (goodput) не превышает 45 % от заявленной скорости передачи.
Существенное влияние на чистую пропускную способность оказывают системы глубокой инспекции пакетов (DPI). В отличие от стандартной фильтрации по заголовкам, DPI анализирует полезную нагрузку каждого пакета, что создаёт значительную вычислительную нагрузку на сетевое оборудование. Процесс инспекции вносит дополнительные задержки, а обработка зашифрованного трафика требует ресурсоёмких операций расшифровки и повторного шифрования, что дополнительно снижает goodput[4].[5]
В России технология DPI применяется в технических средствах противодействия угрозам (ТСПУ), устанавливаемых на сетях операторов связи. Централизованный анализ проходящего трафика и применение правил фильтрации увеличивают время доставки пакетов. При резком росте объёма данных или количества правил оборудование может не справляться с нагрузкой, что приводит к снижению полезной пропускной способности или переходу системы в режим пропуска трафика без обработки (bypass)[6].[7]
Примеры расчёта
При передаче данных с использованием стека протоколов TCP/IP через Ethernet к полезной нагрузке добавляются служебные заголовки. Стандартный заголовок IPv4 составляет 20 байт, заголовок TCP — 20 байт. При максимальном размере передаваемого блока данных (MTU) в 1500 байт объём полезных данных в одном пакете равен 1460 байтам. На канальном уровне к пакету добавляются 18 байт заголовка и концевика кадра Ethernet, что увеличивает общий размер кадра до 1518 байт. В результате итоговая эффективность передачи (соотношение полезных данных к общему размеру кадра) для TCP составляет около 96,2 %[8].
Для протокола UDP накладные расходы транспортного уровня меньше: размер заголовка UDP-датаграммы равен 8 байтам. При аналогичных условиях (MTU 1500 байт) объём полезных данных составляет 1472 байта. С учётом 20 байт IP-заголовка и 18 байт заголовка Ethernet-кадра (общий размер — 1518 байт), итоговая эффективность передачи для UDP/IP достигает примерно 97,0 %[8].
Показатели для различных технологий
| Технология | Самый быстрый режим передачи |
Дальность (м) |
Теоретическая скорость передачи данных (брутто) Мбит/с |
Практический goodput (чистая скорость) Мбит/с | |
|---|---|---|---|---|---|
| Ethernet | – | 10 | 9,4 | ||
| Fast Ethernet | – | 100 | 100 | 94 | |
| Gigabit-Ethernet | – | 1 000 | 940 | ||
| POF | – | 30–50 | 100 | 94 | |
| WLAN 802.11b | – | 10–140 | 11 | 1–4,4 | |
| WLAN 802.11g | – | 10–300 | 54 | 5–25 | |
| WLAN 802.11a | – | 10–120 | |||
| WLAN 802.11n (Wi-Fi 4) | 4×4, 40 МГц | 10–300 | 600 | 5–240 | |
| WLAN 802.11ac (Wi-Fi 5) | 8×8, 160 МГц | до 50 | 6 900 | ||
| WLAN 802.11ad | 1×1, 2 ГГц | до 10 | 6 700 | ||
| WLAN 802.11ax (Wi-Fi 6) | 8×8, 160 МГц | более 50 | 9 600 | 600–1 000 | |
| WLAN 802.11be (Wi-Fi 7) | 2×2, 320 МГц | 46 000 | 2 000–5 000[9] | ||
| PCI Express 3.0 x1 | – | – | 8 000 | около 8 000 | |
| PCI Express 4.0 x16 | – | – | 256 000 | около 252 000 | |
| PCI Express 5.0 x16 | – | – | 512 000 | около 504 000 | |
| PCI Express 6.0 x16 | – | – | 1 024 000 | около 968 000 | |
| Powerline | – | 200 | 14 | 6 | |
| Powerline Turbo | – | 85 | 50 | ||
| Powerline AV | – | 200 | 90 | ||
| Powerline AV2 | – | 500 | 200 | ||
| Powerline AV1200 | MIMO, 2–68 МГц | 400 | 1 200 | 400 | |
| Powerline AV2000 | 1 800 | около 280 около 400 | |||
| G.hn | – | 2 400 | |||
| Mediaxtream | – | 30 | 882 | 300 | |
| FireWire 400 | – | 4,5–14 | 400 | 240 | |
| FireWire 800 | – | 4,5–100 | 800 | 480 | |
| FireWire S3200 | – | 4,5 | 3 200 | 1 920 | |
| SATA I (SATA-150) | – | до 1 (SATA), до 2 (eSATA), до 8 (xSATA) |
1 500 | 1 200 | |
| SATA II (SATA-300) | – | 3 000 | 2 400 | ||
| SATA III (SATA-600) | – | 6 000 | 4 800 | ||
| Thunderbolt | электрический до 3, оптический до 100 |
20 000 | |||
| Thunderbolt 2 | PCIe 2.0 x4 | 20 000 | > 10 400 | ||
| Thunderbolt 3 (NVMe-SSD) | PCIe 3.0 x4 | 40 000 | > 24 000 | ||
| Thunderbolt 5 | PCIe 4.0 x4 | 80 000[10] | 48 000–64 000[11] | ||
| USB 1.0/1.1 | Low Speed | 2–5 | 1,5 | 0,825 | |
| Full Speed | 12 | 6,6 | |||
| USB 2.0 | High Speed | 480 | до 280 | ||
| USB 3.0 (USB 3.1 Gen 1) | SuperSpeed | 3 | 5 000 | 3 840 | |
| USB 3.1 (USB 3.1 Gen 2) | SuperSpeed Plus | 10 000 | > 7 200 | ||
| USB4 Version 2.0 | – | 80 000 | 64 000 | ||
Примечания:
| |||||
Примечание по WLAN
Goodput соединения WLAN по стандартам 802.11b, 802.11g и 802.11a не превышает 46 % от номинальной (брутто) скорости передачи данных.
Для 802.11n типичный goodput — около 40 % от максимальной скорости передачи. Для диапазона 5 ГГц при четырёх антеннах (и передатчика, и приёмника) и ширине канала 40 МГц из возможных в теории 600 Мбит/с на практике достигается максимум 240 Мбит/с — при очень хорошем сигнале. Для смартфонов с одной антенной goodput для 802.11n в диапазоне 5 ГГц составляет 600/4 = 150 Мбит/с (брутто), и только 75 Мбит/с (чистая полезная нагрузка).
В 802.11ac смартфон с одной антенной и шириной канала 80 МГц достигает брутто-скорости 433 Мбит/с и goodput 200 Мбит/с, что также соответствует 46 % от номинальной скорости.
Для стандарта 802.11ax (Wi-Fi 6) реальная полезная пропускная способность (goodput) составляет примерно 33—65 % от номинальной скорости соединения. Повышение общей эффективности сети достигается за счёт технологии OFDMA, которая оптимизирует распределение ресурсов канала при работе с множеством клиентов[12].
В стандарте 802.11be (Wi-Fi 7) практическая скорость (goodput) для устройств с конфигурацией 2x2 MIMO находится в диапазоне от 2 до 5 Гбит/с. Достижение таких показателей обеспечивается использованием каналов шириной 320 МГц, модуляции 4096-QAM и технологии Multi-Link Operation (MLO), которая позволяет устройству одновременно передавать данные в нескольких частотных диапазонах[9].
Применение в инфраструктуре ИИ и HPC
В современных высокопроизводительных вычислениях и кластерах для обучения нейросетей метрика goodput используется для оценки доли вычислительного времени, затраченного непосредственно на полезное обучение модели. В этой сфере применяется метрика ML Productivity Goodput (MPG), которая является произведением трёх компонентов: Scheduling Goodput (доля времени доступности всех необходимых ресурсов), Runtime Goodput (доля времени активного выполнения полезной работы) и Program Goodput (эффективность использования пиковой производительности оборудования программным кодом)[13].
Факторы, приводящие к потере производительности и снижающие goodput, объединяются термином «badput». К основным источникам потерь относятся сетевые издержки (потеря пакетов, перегрузки), сбои оборудования и программного обеспечения, время на восстановление из контрольных точек, неэффективность конвейера данных и ожидание выделения ресурсов.
Для максимизации goodput в ИИ-кластерах применяются сетевые технологии, обеспечивающие высокую пропускную способность и сверхнизкую задержку. Ключевую роль играет технология удалённого прямого доступа к памяти (RDMA), позволяющая передавать данные напрямую в память других серверов, минуя центральный процессор. RDMA реализуется через такие стандарты, как InfiniBand (специализированный стандарт для высокопроизводительных вычислений с гарантированной доставкой без потерь) и RoCE (RDMA over Converged Ethernet)[14].
Примечания
Литература
- Ralf Gessler, Thomas Krause. Wireless-Netzwerke für den Nahbereich. 2-е изд. Springer Fachmedien, Висбаден, 2015. ISBN 978-3-8348-1239-1.
- Dirk Traeger. LAN Praxis Lokaler Netze. Springer Fachmedien, Берлин/Гейдельберг. ISBN 978-3-519-06189-2.
Ссылки
- 3. Ethernet-Performance (нем.). tu-chemnitz.de. Дата обращения: 15 сентября 2017. Архивировано 20 августа 2017 года.
- Введение в DVB (нем.) (PDF). uni-trier.de (26 марта 2002). Дата обращения: 1 мая 2022.
- Техническое введение и обзор (нем.) (PDF). ethercat.org (июль 2005). Дата обращения: 15 сентября 2017. Архивировано 8 июля 2007 года.
- Оптимизация полезной скорости передачи данных в распределённой кластерной системе реального времени (нем.). google.st. Дата обращения: 1 мая 2022.
- Henrik Schulze. Техника цифровой связи (нем.) (PDF). fh-swf.de. FH Südwestfalen Standort Meschede (11 ноября 2013). Дата обращения: 15 сентября 2017. Архивировано 15 сентября 2017 года.