Latencia (ingeniería)

Latencia, desde un punto de vista general, es un retraso de tiempo entre la causa y el efecto de algún cambio físico en el sistema que se observa. Lag, como se le conoce en los círculos de los juegos, se refiere a la latencia entre la entrada a una simulación y la respuesta visual o auditiva, que a menudo ocurre debido a la demora de la red en los juegos en línea.

La latencia es físicamente una consecuencia de la velocidad limitada a la que se puede propagar cualquier interacción física. La magnitud de esta velocidad es siempre menor o igual a la velocidad de la luz. Por lo tanto, todo sistema físico con cualquier separación física (distancia) entre causa y efecto experimentará algún tipo de latencia, independientemente de la naturaleza de la estimulación a la que haya estado expuesto.

La definición precisa de latencia depende del sistema observado o de la naturaleza de la simulación. En las comunicaciones, el límite inferior de latencia está determinado por el medio que se utiliza para transferir la información. En los sistemas de comunicación bidireccionales confiables, la latencia limita la velocidad máxima a la que se puede transmitir la información, ya que a menudo hay un límite en la cantidad de información que está "en vuelo" en cualquier momento dado. La latencia perceptible tiene un fuerte efecto en la satisfacción del usuario y la usabilidad en el campo de la interacción hombre-máquina.

Comunicaciones

Los juegos en línea son sensibles a la latencia (o "retraso"), ya que los tiempos de respuesta rápidos a los nuevos eventos que ocurren durante una sesión de juego son recompensados, mientras que los tiempos de respuesta lentos pueden conllevar penalizaciones. Debido a un retraso en la transmisión de los eventos del juego, un jugador con una conexión a Internet de alta latencia puede mostrar respuestas lentas a pesar del tiempo de reacción adecuado. Esto les da a los jugadores con conexiones de baja latencia una ventaja técnica.

Mercados de capitales

Minimizar la latencia es de interés en los mercados de capitales, particularmente donde se utiliza el comercio algorítmico para procesar las actualizaciones del mercado y cambiar las órdenes en milisegundos. El comercio de baja latencia se produce en las redes utilizadas por las instituciones financieras para conectarse a bolsas de valores y redes de comunicación electrónica (ECN) para ejecutar transacciones financieras. Joel Hasbrouck y Gideon Saar (2011) miden la latencia en función de tres componentes: el tiempo que tarda la información en llegar al comerciante, la ejecución de los algoritmos del comerciante para analizar la información y decidir un curso de acción, y la acción generada. para llegar al intercambio y ser implementado. Hasbrouck y Saar contrastan esto con la forma en que muchos centros de negociación miden las latencias y utilizan definiciones mucho más estrechas, como el retraso en el procesamiento medido desde la entrada de la orden (en la computadora del proveedor) hasta la transmisión. de un acuse de recibo (desde la computadora del proveedor). El comercio electrónico ahora representa del 60% al 70% del volumen diario en la Bolsa de Valores de Nueva York y el comercio algorítmico cerca del 35%. El comercio mediante computadoras se ha desarrollado hasta el punto en que las mejoras de milisegundos en las velocidades de la red ofrecen una ventaja competitiva para las instituciones financieras.

Redes de conmutación de paquetes

La latencia de red en una red de conmutación de paquetes se mide como unidireccional (el tiempo desde que el origen envía un paquete hasta el destino que lo recibe) o como un tiempo de retraso de ida y vuelta (el que latencia bidireccional desde el origen hasta el destino más la latencia unidireccional desde el destino hasta el origen). La latencia de ida y vuelta se menciona con mayor frecuencia porque se puede medir desde un solo punto. Tenga en cuenta que la latencia de ida y vuelta excluye la cantidad de tiempo que un sistema de destino dedica a procesar el paquete. Muchas plataformas de software brindan un servicio llamado ping que se puede usar para medir la latencia de ida y vuelta. Ping utiliza la solicitud de eco del Protocolo de mensajes de control de Internet (ICMP) que hace que el destinatario envíe el paquete recibido como una respuesta inmediata, por lo que proporciona una forma aproximada de medir el tiempo de retraso de ida y vuelta. Ping no puede realizar mediciones precisas, principalmente porque ICMP está diseñado solo para fines de diagnóstico o control, y difiere de los protocolos de comunicación reales, como TCP. Además, los enrutadores y los proveedores de servicios de Internet pueden aplicar diferentes políticas de modelado de tráfico a diferentes protocolos. Para mediciones más precisas, es mejor utilizar un software específico, por ejemplo: hping, Netperf o Iperf.

Sin embargo, en una red no trivial, un paquete típico se reenviará a través de múltiples enlaces y puertas de enlace, cada uno de los cuales no comenzará a reenviar el paquete hasta que se haya recibido por completo. En una red de este tipo, la latencia mínima es la suma del retraso de transmisión de cada enlace, más la latencia de reenvío de cada puerta de enlace. En la práctica, la latencia mínima también incluye colas y retrasos en el procesamiento. El retraso en la cola ocurre cuando una puerta de enlace recibe múltiples paquetes de diferentes fuentes que se dirigen hacia el mismo destino. Dado que, por lo general, solo se puede transmitir un paquete a la vez, algunos de los paquetes deben ponerse en cola para la transmisión, lo que genera demoras adicionales. Se incurre en demoras de procesamiento mientras una puerta de enlace determina qué hacer con un paquete recién recibido. Bufferbloat también puede causar un aumento de la latencia de un orden de magnitud o más. La combinación de demoras de propagación, serialización, cola y procesamiento a menudo produce un perfil de latencia de red complejo y variable.

La latencia limita el rendimiento total en los sistemas de comunicación bidireccionales confiables, tal como se describe en el producto de demora de ancho de banda.

Fibra óptica

La latencia en la fibra óptica es en gran medida una función de la velocidad de la luz, que es de 299 792 458 metros/segundo en el vacío. Esto equivaldría a una latencia de 3,33 µs por cada kilómetro de longitud de ruta. El índice de refracción de la mayoría de los cables de fibra óptica es de aproximadamente 1,5, lo que significa que la luz viaja aproximadamente 1,5 veces más rápido en el vacío que en el cable. Esto da como resultado unos 5,0 µs de latencia por cada kilómetro. En las redes de metro más cortas, se puede experimentar una mayor latencia debido a la distancia adicional en los tramos de construcción y las conexiones cruzadas. Para calcular la latencia de una conexión, hay que saber la distancia recorrida por la fibra, que rara vez es una línea recta, ya que tiene que atravesar contornos geográficos y obstáculos, como carreteras y vías férreas, así como otros derechos de transmisión. -manera.

Debido a las imperfecciones de la fibra, la luz se degrada a medida que se transmite a través de ella. Para distancias superiores a 100 kilómetros se despliegan amplificadores o regeneradores. Es necesario tener en cuenta la latencia introducida por estos componentes.

Transmisión por satélite

Los satélites en órbitas geoestacionarias están lo suficientemente lejos de la Tierra como para que la latencia de la comunicación se vuelva significativa: alrededor de un cuarto de segundo para un viaje desde un transmisor terrestre al satélite y de regreso a otro transmisor terrestre; cerca de medio segundo para la comunicación bidireccional de una estación terrestre a otra y luego de regreso a la primera. La órbita terrestre baja a veces se utiliza para reducir este retraso, a expensas de un seguimiento satelital más complicado en el suelo y que requiere más satélites en la constelación de satélites para garantizar una cobertura continua.

Sonido

La latencia de audio es el retraso entre el momento en que ingresa una señal de audio y el momento en que sale de un sistema. Los posibles contribuyentes a la latencia en un sistema de audio incluyen la conversión de analógico a digital, el almacenamiento en búfer, el procesamiento de señales digitales, el tiempo de transmisión, la conversión de digital a analógico y la velocidad del sonido en el aire.

Vídeo

La latencia de video se refiere al grado de demora entre el momento en que se solicita la transferencia de una transmisión de video y el momento real en que comienza la transferencia. Las redes que exhiben retrasos relativamente pequeños se conocen como redes de baja latencia, mientras que sus contrapartes se conocen como redes de alta latencia.

Flujo de trabajo

Cualquier flujo de trabajo individual dentro de un sistema de flujos de trabajo puede estar sujeto a algún tipo de latencia operativa. Incluso puede darse el caso de que un sistema individual tenga más de un tipo de latencia, dependiendo del tipo de participante o comportamiento de búsqueda de objetivos. Esto se ilustra mejor con los siguientes dos ejemplos que involucran viajes aéreos.

Desde el punto de vista de un pasajero, la latencia se puede describir de la siguiente manera. Supongamos que John Doe vuela de Londres a Nueva York. La latencia de su viaje es el tiempo que tarda en ir desde su casa en Inglaterra hasta el hotel en el que se hospeda en Nueva York. Esto es independiente del rendimiento del enlace aéreo Londres-Nueva York: ya sea que haya 100 pasajeros al día haciendo el viaje o 10000, la latencia del viaje seguirá siendo la misma.

Desde el punto de vista del personal de operaciones de vuelo, la latencia puede ser completamente diferente. Piense en el personal de los aeropuertos de Londres y Nueva York. Solo un número limitado de aviones es capaz de realizar el viaje transatlántico, por lo que cuando uno aterriza debe prepararlo para el viaje de regreso lo más rápido posible. Podría tomar, por ejemplo:

• 35 minutos para limpiar un avión
• 15 minutos para repostar un avión
• 10 minutos para cargar los pasajeros
• 30 minutos para cargar la carga

Suponiendo que lo anterior se haga consecutivamente, el tiempo mínimo de respuesta del avión es:

35 + 15 + 10 + 30 = 90

Sin embargo, la limpieza, el reabastecimiento de combustible y la carga de la carga se pueden realizar al mismo tiempo. Los pasajeros solo pueden subirse después de completar la limpieza. La latencia reducida, entonces, es:

35 + 10 = 45

15

30

Latencia mínima = 45

Las personas involucradas en la recuperación solo están interesadas en el tiempo que les toma realizar sus tareas individuales. Sin embargo, cuando todas las tareas se realizan al mismo tiempo, es posible reducir la latencia a la duración de la tarea más larga. Si algunos pasos tienen requisitos previos, se vuelve más difícil realizar todos los pasos en paralelo. En el ejemplo anterior, el requisito de limpiar el avión antes de cargar pasajeros da como resultado una latencia mínima más larga que cualquier tarea individual.

Mecánica

Cualquier proceso mecánico encuentra limitaciones modeladas por la física newtoniana. El comportamiento de las unidades de disco proporciona un ejemplo de latencia mecánica. Aquí, es el tiempo de búsqueda para que el brazo del actuador se coloque sobre la pista adecuada y luego la latencia de rotación para que los datos codificados en un plato giren desde su posición actual a una posición debajo del cabezal de lectura y escritura del disco.

Hardware informático y sistemas operativos

Las computadoras ejecutan instrucciones en el contexto de un proceso. En el contexto de la multitarea informática, la ejecución del proceso puede posponerse si también se están ejecutando otros procesos. Además, el sistema operativo puede programar cuándo realizar la acción que ordena el proceso. Por ejemplo, suponga que un proceso ordena que la salida de voltaje de una tarjeta de computadora se establezca en alto-bajo-alto-bajo y así sucesivamente a una velocidad de 1000 Hz. El sistema operativo programa el proceso para cada transición (alto-bajo o bajo-alto) en función de un reloj de hardware como el temporizador de eventos de alta precisión. La latencia es el retraso entre los eventos generados por el reloj del hardware y las transiciones reales de voltaje de alto a bajo o de bajo a alto.

Muchos sistemas operativos de escritorio tienen limitaciones de rendimiento que generan latencia adicional. El problema puede mitigarse con extensiones y parches en tiempo real como PREEMPT_RT.

En los sistemas integrados, la ejecución de instrucciones en tiempo real suele estar respaldada por un sistema operativo en tiempo real.

Simulaciones

En las aplicaciones de simulación, la latencia se refiere a la demora de tiempo, a menudo medida en milisegundos, entre la entrada inicial y la salida claramente perceptibles para el aprendiz del simulador o el sujeto del simulador. La latencia a veces también se denomina retraso de transporte. Algunas autoridades distinguen entre latencia y demora de transporte utilizando el término latencia en el sentido de la demora adicional de un sistema por encima del tiempo de reacción del vehículo que se simula, pero esto requiere un conocimiento detallado de la dinámica del vehículo y puede ser controversial.

En los simuladores con sistemas visuales y de movimiento, es particularmente importante que la latencia del sistema de movimiento no sea mayor que la del sistema visual, o se pueden producir síntomas de enfermedad del simulador. Esto se debe a que, en el mundo real, las señales de movimiento son las de la aceleración y se transmiten rápidamente al cerebro, generalmente en menos de 50 milisegundos; esto es seguido algunos milisegundos más tarde por una percepción de cambio en la escena visual. El cambio de escena visual es esencialmente uno de cambio de perspectiva o desplazamiento de objetos tales como el horizonte, que tarda algún tiempo en acumularse en cantidades perceptibles después de la aceleración inicial que provocó el desplazamiento. Por lo tanto, un simulador debe reflejar la situación del mundo real asegurándose de que la latencia del movimiento sea igual o menor que la del sistema visual y no al revés.