Durchsatz - Throughput

Im Allgemeinen ist der Durchsatz die Produktionsrate oder die Geschwindigkeit, mit der etwas verarbeitet wird.

Bei Verwendung im Kontext von Kommunikationsnetzwerken , wie beispielsweise Ethernet oder Packet Radio , ist der Durchsatz oder der Netzwerkdurchsatz die Rate der erfolgreichen Nachrichtenzustellung über einen Kommunikationskanal. Die Daten, zu denen diese Nachrichten gehören, können über eine physische oder logische Verbindung geliefert werden oder über einen bestimmten Netzwerkknoten laufen . Der Durchsatz wird normalerweise in Bits pro Sekunde (Bit/s oder bps) und manchmal in Datenpaketen pro Sekunde (p/s oder pps) oder Datenpaketen pro Zeitschlitz gemessen .

Der Systemdurchsatz oder Gesamtdurchsatz ist die Summe der Datenraten, die an alle Endgeräte in einem Netzwerk geliefert werden. Der Durchsatz ist im Wesentlichen gleichbedeutend mit dem Verbrauch digitaler Bandbreite ; es kann mathematisch analysiert werden, indem man die Warteschlangentheorie anwendet , bei der die Auslastung der Pakete pro Zeiteinheit als Ankunftsrate ( λ ) bezeichnet wird und der Durchsatz, bei der der Abfall der Pakete pro Zeiteinheit als Abgangsrate ( μ ).

Der Durchsatz eines Kommunikationssystems kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, einschließlich der Beschränkungen des zugrunde liegenden analogen physikalischen Mediums, der verfügbaren Verarbeitungsleistung der Systemkomponenten und des Endbenutzerverhaltens . Bei Berücksichtigung verschiedener Protokoll-Overheads kann die Nutzrate der übertragenen Daten deutlich unter dem maximal erreichbaren Durchsatz liegen; der nützliche Teil wird normalerweise als Goodput bezeichnet .

Maximaler Durchsatz

Benutzer von Telekommunikationsgeräten, Systemdesigner und Forscher der Kommunikationstheorie sind oft daran interessiert, die erwartete Leistung eines Systems zu kennen. Aus Benutzersicht wird dies oft formuliert als "Welches Gerät bringt meine Daten für meine Bedürfnisse am effektivsten dorthin?" oder "Welches Gerät liefert die meisten Daten pro Einheitskosten?". Systemdesigner sind oft daran interessiert, die effektivsten Architektur- oder Designbeschränkungen für ein System auszuwählen, die seine endgültige Leistung bestimmen. In den meisten Fällen ist der Maßstab für die Leistungsfähigkeit eines Systems oder seine „maximale Leistung“ das, was den Benutzer oder Designer interessiert. Bei der Untersuchung des Durchsatzes wird häufig der Begriff des maximalen Durchsatzes verwendet, wenn Endbenutzer-Tests für den maximalen Durchsatz diskutiert werden im Detail.

Maximaler Durchsatz ist im Wesentlichen gleichbedeutend mit digitaler Bandbreitenkapazität .

Vier verschiedene Werte haben eine Bedeutung im Zusammenhang mit dem "maximalen Durchsatz", der beim Vergleich der konzeptionellen Leistung der "oberen Grenze" mehrerer Systeme verwendet wird. Sie sind „maximaler theoretischer Durchsatz“, „maximal erreichbarer Durchsatz“, „maximaler gemessener Durchsatz“ und „maximaler anhaltender Durchsatz“. Diese stellen unterschiedliche Mengen dar und es muss darauf geachtet werden, dass beim Vergleich unterschiedlicher „maximaler Durchsatz“-Werte die gleichen Definitionen verwendet werden. Das Vergleichen von Durchsatzwerten hängt auch davon ab, dass jedes Bit die gleiche Informationsmenge trägt. Die Datenkomprimierung kann Durchsatzberechnungen erheblich verzerren, einschließlich der Generierung von Werten von mehr als 100 %. Wird die Kommunikation über mehrere in Reihe geschaltete Links mit unterschiedlichen Bitraten vermittelt, ist der maximale Durchsatz des Gesamtlinks kleiner oder gleich der niedrigsten Bitrate. Der niedrigstwertige Link in der Reihe wird als Flaschenhals bezeichnet .

Maximaler theoretischer Durchsatz

Diese Zahl hängt eng mit der Kanalkapazität des Systems zusammen und ist die maximal mögliche Datenmenge, die unter idealen Umständen übertragen werden kann. In einigen Fällen wird diese Zahl als gleich der Kanalkapazität angegeben, obwohl dies trügerisch sein kann, da dies nur mit nicht paketierten (asynchronen) Systemen ohne Datenkomprimierung erreicht werden kann. Der maximale theoretische Durchsatz wird genauer gemeldet, um den Format- und Spezifikations- Overhead mit Best-Case-Annahmen zu berücksichtigen . Diese Zahl wird, wie auch der eng verwandte Begriff „maximal erreichbarer Durchsatz“ weiter unten, hauptsächlich als grober berechneter Wert verwendet, beispielsweise zur Bestimmung der Grenzen einer möglichen Leistung zu Beginn einer Systementwurfsphase

Asymptotischer Durchsatz

Der asymptotische Durchsatz (weniger formale asymptotische Bandbreite ) für ein Kommunikationsnetzwerk im Paketmodus ist der Wert der maximalen Durchsatzfunktion , wenn sich die eingehende Netzwerklast unendlich nähert , entweder aufgrund einer Nachrichtengröße , die sich unendlich nähert , oder der Anzahl der Datenquellen es ist sehr groß. Wie bei anderen Bitraten und Datenbandbreiten wird der asymptotische Durchsatz in Bits pro Sekunde (Bit/s) gemessen , sehr selten Bytes pro Sekunde (B/s), wobei 1 B/s 8 Bit/s entspricht. Es werden Dezimal-Präfixe verwendet, was bedeutet, dass 1 Mbit/s 1.000.000 Bit/s sind.

Der asymptotische Durchsatz wird normalerweise geschätzt, indem eine sehr große Nachricht (Sequenz von Datenpaketen) durch das Netzwerk gesendet oder simuliert wird, wobei eine gierige Quelle und kein Flusskontrollmechanismus (dh UDP statt TCP ) verwendet wird, und der Netzwerkpfaddurchsatz im Zielknoten gemessen wird . Die Verkehrslast zwischen anderen Quellen kann diesen maximalen Netzwerkpfaddurchsatz verringern. Alternativ kann eine große Anzahl von Quellen und Senken mit oder ohne Flusssteuerung modelliert und der aggregierte maximale Netzwerkdurchsatz gemessen werden (die Summe des Verkehrs, der seine Ziele erreicht). In einem Netzwerksimulationsmodell mit unendlichen Paketwarteschlangen tritt der asymptotische Durchsatz auf, wenn die Latenz (die Paketwartezeit) ins Unendliche geht, während die Paketwarteschlangen begrenzt sind oder das Netzwerk ein Multi-Drop-Netzwerk mit vielen Quellen und Kollisionen ist auftreten kann, nähert sich die Paketverlustrate 100 %.

Eine bekannte Anwendung des asymptotischen Durchsatzes ist die Modellierung der Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, bei der (nach Hockney) die Nachrichtenlatenz T(N) als Funktion der Nachrichtenlänge N als T(N) = (M + N)/A modelliert wird, wobei A ist die asymptotische Bandbreite und M ist die halbe Spitzenlänge.

Neben seiner Verwendung bei der allgemeinen Netzwerkmodellierung wird der asymptotische Durchsatz bei der Modellierung der Leistung auf massiv parallelen Computersystemen verwendet, bei denen der Systembetrieb stark vom Kommunikations-Overhead sowie der Prozessorleistung abhängt. In diesen Anwendungen wird asymptotischer Durchsatz im Xu- und Hwang-Modell (allgemeiner als Hockneys Ansatz) verwendet, das die Anzahl der Prozessoren umfasst, so dass sowohl die Latenz als auch der asymptotische Durchsatz Funktionen der Anzahl der Prozessoren sind.

Gemessener Spitzendurchsatz

Die obigen Werte sind theoretisch oder berechnet. Der gemessene Spitzendurchsatz ist der von einem realen, implementierten System oder einem simulierten System gemessene Durchsatz. Der Wert ist der über einen kurzen Zeitraum gemessene Durchsatz; mathematisch ist dies die Grenze, die in Bezug auf den Durchsatz genommen wird, wenn sich die Zeit Null nähert. Dieser Begriff ist gleichbedeutend mit sofortigem Durchsatz . Diese Nummer ist für Systeme nützlich, die auf Burst-Datenübertragung angewiesen sind; bei Systemen mit einem hohen Arbeitszyklus ist dies jedoch weniger wahrscheinlich ein nützliches Maß für die Systemleistung.

Maximaler Dauerdurchsatz

Dieser Wert ist der über einen langen Zeitraum gemittelte oder integrierte Durchsatz (manchmal als unendlich bezeichnet). Für Netzwerke mit hohem Arbeitszyklus ist dies wahrscheinlich der genaueste Indikator für die Systemleistung. Der maximale Durchsatz wird als asymptotischer Durchsatz definiert, wenn die Last (die Menge der eingehenden Daten) sehr groß ist. In paketvermittelten Systemen, bei denen die Last und der Durchsatz immer gleich sind (bei denen kein Paketverlust auftritt), kann der maximale Durchsatz als die minimale Last in Bit/s definiert werden, die dazu führt, dass die Lieferzeit (die Latenz ) instabil wird und ansteigt in Richtung Unendlichkeit. Dieser Wert kann auch in Bezug auf den gemessenen Spitzendurchsatz täuschend verwendet werden, um die Paketformung zu verschleiern .

Kanalnutzung und Effizienz

Der Durchsatz wird manchmal normalisiert und in Prozent gemessen, aber die Normalisierung kann Verwirrung darüber stiften, worauf sich der Prozentsatz bezieht. Kanalnutzung , Kanaleffizienz und Paketabfallrate in Prozent sind weniger mehrdeutige Begriffe.

Die Kanaleffizienz, auch Bandbreitennutzungseffizienz genannt, ist der Prozentsatz der Nettobitrate (in Bit/s) eines digitalen Kommunikationskanals , der zum tatsächlich erreichten Durchsatz führt. Beträgt der Durchsatz beispielsweise 70 Mbit/s in einer 100-Mbit/s-Ethernet-Verbindung, beträgt die Kanaleffizienz 70 %. In diesem Beispiel werden pro Sekunde effektiv 70 Mbit Daten übertragen.

Kanalauslastung ist stattdessen ein Begriff, der sich auf die Verwendung des Kanals ohne Berücksichtigung des Durchsatzes bezieht. Es zählt nicht nur mit den Datenbits, sondern auch mit dem Overhead, der den Kanal nutzt. Der Übertragungs-Overhead besteht aus Präambelsequenzen, Frame-Headern und Bestätigungspaketen. Die Definitionen gehen von einem rauschfreien Kanal aus. Andernfalls wäre der Durchsatz nicht nur mit der Art (Effizienz) des Protokolls verbunden, sondern auch mit Neuübertragungen, die sich aus der Qualität des Kanals ergeben. In einem vereinfachten Ansatz kann die Kanaleffizienz gleich der Kanalnutzung sein, vorausgesetzt, dass Bestätigungspakete eine Länge von Null haben und dass der Kommunikationsanbieter keine Bandbreite relativ zu Neuübertragungen oder Headern sieht. Daher markieren bestimmte Texte einen Unterschied zwischen Kanalnutzung und Protokolleffizienz.

In einer Punkt-zu-Punkt- oder Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikationsverbindung , bei der nur ein Endgerät sendet, entspricht der maximale Durchsatz oft der physikalischen Datenrate (der Kanalkapazität ) oder ist sehr nahe daran , da die Kanalauslastung fast sein kann 100 % in einem solchen Netzwerk, bis auf eine kleine Lücke zwischen den Frames.

Die maximale Framegröße im Ethernet beträgt beispielsweise 1526 Byte: bis zu 1500 Byte für die Nutzdaten, acht Byte für die Präambel, 14 Byte für den Header und 4 Byte für den Trailer. Nach jedem Rahmen wird eine zusätzliche minimale Zwischenrahmenlücke entsprechend 12 Byte eingefügt. Dies entspricht einer maximalen Kanalnutzung von 1526 / (1526 + 12) × 100 % = 99,22 % oder einer maximalen Kanalnutzung von 99,22 Mbit/s inklusive Ethernet-Datalink-Layer-Protokoll-Overhead in einer 100-Mbit/s-Ethernet-Verbindung. Der maximale Durchsatz bzw. die maximale Kanaleffizienz beträgt dann 1500 / (1526 + 12) = 97,5%, exklusive des Ethernet-Protokoll-Overheads.

Faktoren, die den Durchsatz beeinflussen

Der Durchsatz eines Kommunikationssystems wird durch eine Vielzahl von Faktoren begrenzt. Einige davon werden im Folgenden beschrieben:

Analoge Einschränkungen

Der maximal erreichbare Durchsatz (die Kanalkapazität) wird durch die Bandbreite in Hertz und das Signal-Rausch-Verhältnis des analogen physikalischen Mediums beeinflusst.

Trotz der konzeptionellen Einfachheit digitaler Informationen sind alle elektrischen Signale, die über Drähte übertragen werden, analog. Die analogen Beschränkungen von Kabeln oder drahtlosen Systemen stellen unweigerlich eine Obergrenze für die Informationsmenge dar, die gesendet werden kann. Die vorherrschende Gleichung ist hier das Shannon-Hartley-Theorem , und analoge Beschränkungen dieser Art können als Faktoren verstanden werden, die entweder die analoge Bandbreite eines Signals beeinflussen oder als Faktoren, die das Signal-Rausch-Verhältnis beeinflussen. Die Bandbreite kabelgebundener Systeme kann tatsächlich überraschend schmal sein, wobei die Bandbreite von Ethernet-Kabeln auf ungefähr 1 GHz begrenzt ist und PCB-Leiterbahnen auf einen ähnlichen Betrag begrenzt sind.

Digitale Systeme beziehen sich auf die 'Kniefrequenz', die Zeitspanne, die die Digitalspannung von 10% einer nominalen digitalen '0' auf eine nominale digitale '1' oder umgekehrt ansteigt. Die Kniefrequenz bezieht sich auf die erforderliche Bandbreite eines Kanals und kann mit der 3 dB-Bandbreite eines Systems durch die folgende Gleichung in Beziehung gesetzt werden: Wobei Tr die Anstiegszeit von 10 % bis 90 % und K eine Proportionalitätskonstante bezogen auf . ist die Impulsform, gleich 0,35 für einen exponentiellen Anstieg und 0,338 für einen Gaußschen Anstieg.

  • RC-Verluste: Drähte haben einen Eigenwiderstand und eine Eigenkapazität, wenn sie gegen Erde gemessen werden. Dies führt zu Effekten, die als parasitäre Kapazität bezeichnet werden und dazu führen, dass alle Drähte und Kabel als RC-Tiefpassfilter wirken.
  • Skin-Effekt : Mit zunehmender Frequenz wandern elektrische Ladungen an die Kanten von Drähten oder Kabeln. Dies verringert die effektive Querschnittsfläche, die für die Stromführung zur Verfügung steht, erhöht den Widerstand und verringert das Signal-Rausch-Verhältnis. Bei AWG 24-Draht (des Typs, der üblicherweise in Cat 5e- Kabeln verwendet wird) wird die Skin-Effekt-Frequenz dominant gegenüber dem inhärenten Widerstand des Drahts bei 100 kHz. Bei 1 GHz hat sich der spezifische Widerstand auf 0,1 Ohm/Zoll erhöht.
  • Terminierung und Klingeln: Für lange Leitungen (Leitungen mit mehr als 1/6 Wellenlänge können als lang angesehen werden) müssen als Übertragungsleitungen modelliert und die Terminierung berücksichtigt werden. Wenn dies nicht geschieht, wandern reflektierte Signale über den Draht hin und her und stören das informationstragende Signal positiv oder negativ.
  • Wireless Channel Effects : Bei drahtlosen Systemen begrenzen alle mit der drahtlosen Übertragung verbundenen Effekte das SNR und die Bandbreite des empfangenen Signals und damit die maximale Anzahl von Bits, die gesendet werden können.

Überlegungen zur IC-Hardware

Computersysteme haben endliche Verarbeitungsleistung und können endlichen Strom treiben. Eine begrenzte Stromtreiberfähigkeit kann das effektive Signal-Rausch-Verhältnis für Verbindungen mit hoher Kapazität einschränken .

Große Datenmengen, die eine Verarbeitung erfordern, stellen Datenverarbeitungsanforderungen an die Hardware (z. B. Router). Beispielsweise muss ein Gateway-Router, der ein bevölkertes Subnetz der Klasse B unterstützt und 10 x 100 Mbit/s-Ethernet-Kanäle verarbeitet, 16 Adressbits untersuchen, um den Zielport für jedes Paket zu bestimmen. Dies entspricht 81913 Paketen pro Sekunde (unter der Annahme einer maximalen Datennutzlast pro Paket) mit einer Tabelle von 2^16 Adressen. Dies erfordert, dass der Router 5,368 Milliarden Suchvorgänge pro Sekunde ausführen kann. In einem Worst-Case-Szenario, in dem die Nutzlasten jedes Ethernet-Pakets auf 100 Byte reduziert werden, springt diese Anzahl von Operationen pro Sekunde auf 520 Milliarden. Dieser Router würde einen Multi-Teraflop-Verarbeitungskern erfordern, um eine solche Last verarbeiten zu können.

  • CSMA/CD- und CSMA/CA- "Backoff"-Wartezeit und Frame-Neuübertragungen nach erkannten Kollisionen. Dies kann in Ethernet-Bus-Netzwerken und Hub-Netzwerken sowie in drahtlosen Netzwerken vorkommen.
  • Flusskontrolle , beispielsweise im Transmission Control Protocol (TCP)-Protokoll, beeinflusst den Durchsatz, wenn das Bandbreiten-Verzögerungs-Produkt größer ist als das TCP-Fenster, dh die Puffergröße. In diesem Fall muss der sendende Computer auf die Bestätigung der Datenpakete warten, bevor er weitere Pakete senden kann.
  • TCP- Überlastungsvermeidung steuert die Datenrate. Ein so genannter "langsamer Start" tritt am Anfang einer Dateiübertragung und nach Paketverlusten auf, die durch Routerüberlastung oder Bitfehler beispielsweise in drahtlosen Verbindungen verursacht werden.

Überlegungen zu mehreren Benutzern

Um sicherzustellen, dass mehrere Benutzer eine einzige Kommunikationsverbindung harmonisch teilen können, ist eine Art gerechte gemeinsame Nutzung der Verbindung erforderlich. Wenn eine Kommunikationsverbindung mit Engpass, die die Datenrate R bietet, von "N" aktiven Benutzern geteilt wird (mit mindestens einem Datenpaket in der Warteschlange), erreicht jeder Benutzer typischerweise einen Durchsatz von ungefähr R/N , wenn eine faire Warteschlangenkommunikation mit bestem Aufwand angenommen wird .

  • Paketverlust aufgrund von Netzwerküberlastung . Pakete können in Switches und Routern verworfen werden, wenn die Paketwarteschlangen aufgrund von Überlastung voll sind.
  • Paketverlust durch Bitfehler .
  • Planungsalgorithmen in Routern und Switches. Wenn keine faire Warteschlange bereitgestellt wird, erhalten Benutzer, die große Pakete senden, eine höhere Bandbreite. Einige Benutzer können in einem gewichteten fairen Warteschlangen- (WFQ)-Algorithmus priorisiert werden, wenn eine differenzierte oder garantierte Dienstgüte (QoS) bereitgestellt wird.
  • In einigen Kommunikationssystemen, wie beispielsweise Satellitennetzen, kann einem bestimmten Benutzer zu einer bestimmten Zeit nur eine endliche Anzahl von Kanälen zur Verfügung stehen. Kanäle werden entweder durch Vorbelegung oder durch Demand Assigned Multiple Access (DAMA) zugewiesen. In diesen Fällen wird der Durchsatz pro Kanal quantisiert und ungenutzte Kapazität auf teilweise genutzten Kanälen geht verloren.

Goodput und Overhead

Der maximale Durchsatz ist oft ein unzuverlässiges Maß für die wahrgenommene Bandbreite, zum Beispiel die Dateiübertragungsdatenrate in Bits pro Sekunde. Wie oben erwähnt, ist der erreichte Durchsatz oft geringer als der maximale Durchsatz. Außerdem beeinflusst der Protokoll-Overhead die wahrgenommene Bandbreite. Der Durchsatz ist keine genau definierte Metrik, wenn es darum geht, wie mit dem Protokoll-Overhead umzugehen ist. Sie wird typischerweise an einem Referenzpunkt unterhalb der Netzwerkschicht und oberhalb der physikalischen Schicht gemessen. Die einfachste Definition ist die Anzahl der Bits pro Sekunde, die physisch geliefert werden. Ein typisches Beispiel, in dem diese Definition praktiziert wird, ist ein Ethernet-Netzwerk. In diesem Fall ist der maximale Durchsatz die Bruttobitrate oder die Rohbitrate.

In Schemata, die Vorwärtsfehlerkorrekturcodes (Kanalcodierung) enthalten, wird der redundante Fehlercode jedoch normalerweise aus dem Durchsatz ausgeschlossen. Ein Beispiel in der Modemkommunikation , wo der Durchsatz typischerweise in der Schnittstelle zwischen dem Point-to-Point Protocol (PPP) und der leitungsvermittelten Modemverbindung gemessen wird . In diesem Fall wird der maximale Durchsatz oft als Nettobitrate oder Nutzbitrate bezeichnet.

Um die tatsächliche Datenrate eines Netzwerks oder einer Verbindung zu bestimmen, kann die Messdefinition " goodput " verwendet werden. Bei der Dateiübertragung entspricht der "Goodput" beispielsweise der Dateigröße (in Bits) geteilt durch die Dateiübertragungszeit. Der " Goodput " ist die Menge an nützlichen Informationen, die pro Sekunde an das Protokoll der Anwendungsschicht geliefert wird . Verworfene Pakete oder Paket-Neuübertragungen sowie Protokoll-Overhead sind ausgeschlossen. Aus diesem Grund ist der "Goodput" geringer als der Durchsatz. Technische Faktoren, die den Unterschied beeinflussen, werden im Artikel " goodput " vorgestellt.

Andere Verwendungen des Datendurchsatzes

Integrierte Schaltkreise

Häufig hat ein Block in einem Datenflussdiagramm einen einzelnen Eingang und einen einzelnen Ausgang und arbeitet mit diskreten Informationspaketen. Beispiele für solche Blöcke sind Fast-Fourier-Transform- Module oder binäre Multiplikatoren . Da die Einheiten des Durchsatz sind der Kehrwert der Einheit für die Ausbreitungsverzögerung , die ‚Sekunden pro Nachricht‘ oder ‚Sekunden pro output‘ sind, den Durchsatz verwendet werden , um eine Rechenvorrichtung zu beziehen , eine spezielle Funktion , wie beispielsweise eine Durchführung ASIC oder eingebetteten Prozessor zur einen Kommunikationskanal, der die Systemanalyse vereinfacht.

Drahtlose und Mobilfunknetze

In drahtlosen Netzwerken oder zellularen Systemen ist die spektrale Systemeffizienz in Bit/s/Hz/Flächeneinheit, Bit/s/Hz/Standort oder Bit/s/Hz/Zelle der maximale Systemdurchsatz (Gesamtdurchsatz) geteilt durch den analogen Bandbreite und ein gewisses Maß des Systemabdeckungsbereichs.

Über analoge Kanäle

Der Durchsatz über analoge Kanäle wird vollständig durch das Modulationsschema, das Signal-Rausch-Verhältnis und die verfügbare Bandbreite definiert. Da der Durchsatz normalerweise durch quantifizierte digitale Daten definiert wird, wird der Begriff „Durchsatz“ normalerweise nicht verwendet; stattdessen wird häufiger der Begriff „Bandbreite“ verwendet.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

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