Rendimiento de la red

Rendimiento de red (o simplemente rendimiento, cuando está en contexto) se refiere a la tasa de entrega de mensajes a través de un canal de comunicación, como Ethernet o radio por paquetes, en una comunicación. red. Los datos que contienen estos mensajes pueden ser entregados a través de enlaces físicos o lógicos, oa través de nodos de red. El rendimiento generalmente se mide en bits por segundo (bit/s o bps) y, a veces, en paquetes de datos por segundo (p/s o pps) o paquetes de datos por intervalo de tiempo.

El rendimiento del sistema o rendimiento agregado es la suma de las tasas de datos que se envían a todos los terminales de una red. El rendimiento es esencialmente sinónimo de consumo de ancho de banda digital; se puede determinar numéricamente aplicando la teoría de colas, donde la carga en paquetes por unidad de tiempo se denota como la tasa de llegada (λ), y la caída de paquetes por unidad de tiempo se denota como la tasa de salida (μ).

El rendimiento de un sistema de comunicación puede verse afectado por varios factores, incluidas las limitaciones del medio físico analógico subyacente, la potencia de procesamiento disponible de los componentes del sistema, el comportamiento del usuario final, etc. la tasa útil de la transferencia de datos puede ser significativamente menor que el rendimiento máximo alcanzable; la parte útil suele denominarse goodput.

Máximo rendimiento

Los usuarios de dispositivos de telecomunicaciones, los diseñadores de sistemas y los investigadores de la teoría de la comunicación suelen estar interesados en conocer el rendimiento esperado de un sistema. Desde la perspectiva del usuario, esto a menudo se expresa como "¿qué dispositivo llevará mis datos allí de manera más efectiva para mis necesidades?" o "¿qué dispositivo entregará la mayor cantidad de datos por costo unitario?& #34;. Los diseñadores de sistemas suelen estar interesados en seleccionar la arquitectura o las restricciones de diseño más efectivas para un sistema, que impulsan su rendimiento final. En la mayoría de los casos, el punto de referencia de lo que un sistema es capaz de hacer, o su "rendimiento máximo" es lo que le interesa al usuario o al diseñador. El término rendimiento máximo se usa con frecuencia cuando se analizan las pruebas de rendimiento máximo del usuario final.

El rendimiento máximo es esencialmente sinónimo de capacidad de ancho de banda digital.

Cuatro valores diferentes son relevantes en el contexto de "rendimiento máximo", utilizados para comparar el 'límite superior' rendimiento conceptual de múltiples sistemas. Son 'rendimiento teórico máximo', 'rendimiento máximo alcanzable' y 'rendimiento máximo medido' y 'rendimiento máximo sostenido'. Estos valores representan cantidades diferentes, y se debe tener cuidado de que se utilicen las mismas definiciones al comparar diferentes valores de 'rendimiento máximo' valores. Cada bit debe llevar la misma cantidad de información si se van a comparar los valores de rendimiento. La compresión de datos puede alterar significativamente los cálculos de rendimiento, incluida la generación de valores que superan el 100 % en algunos casos. Si la comunicación está mediada por varios enlaces en serie con diferentes tasas de bits, el rendimiento máximo del enlace general es inferior o igual a la tasa de bits más baja. El eslabón de valor más bajo de la serie se denomina cuello de botella.

Máximo rendimiento teórico

Este número está estrechamente relacionado con la capacidad del canal del sistema y es la cantidad máxima posible de datos que se pueden transmitir en circunstancias ideales. En algunos casos, este número se informa como igual a la capacidad del canal, aunque esto puede ser engañoso, ya que solo las tecnologías de sistemas no paquetizados (asincrónicos) pueden lograr esto sin compresión de datos. El rendimiento teórico máximo se informa con mayor precisión teniendo en cuenta el formato y la sobrecarga de especificación con suposiciones en el mejor de los casos. Este número, al igual que el término estrechamente relacionado 'rendimiento máximo alcanzable' a continuación, se utiliza principalmente como un valor calculado aproximado, por ejemplo, para determinar los límites del posible rendimiento al principio de una fase de diseño del sistema.

Rendimiento asintótico

El rendimiento asintótico (ancho de banda asintótico menos formal) para una red de comunicación en modo paquete es el valor de la función de rendimiento máximo, cuando la carga de la red entrante se acerca al infinito, ya sea debido a que el tamaño del mensaje se acerca al infinito, o porque la cantidad de fuentes de datos es muy grande. Como otras tasas de bits y anchos de banda de datos, el rendimiento asintótico se mide en bits por segundo (bit/s), muy rara vez en bytes por segundo (B/s), donde 1 B/s son 8 bits/s. Se utilizan prefijos decimales, lo que significa que 1 Mbit/s es 1000000 bit/s.

El rendimiento asintótico generalmente se estima mediante el envío o la simulación de un mensaje muy grande (secuencia de paquetes de datos) a través de la red, utilizando una fuente codiciosa y ningún mecanismo de control de flujo (es decir, UDP en lugar de TCP) y midiendo el rendimiento de la ruta de la red. en el nodo de destino. La carga de tráfico entre otras fuentes puede reducir este rendimiento máximo de ruta de red. Alternativamente, se puede modelar una gran cantidad de fuentes y sumideros, con o sin control de flujo, y medir el rendimiento máximo agregado de la red (la suma del tráfico que llega a sus destinos). En un modelo de simulación de red con colas de paquetes infinitas, el rendimiento asintótico se produce cuando la latencia (el tiempo de cola de paquetes) llega al infinito, mientras que si las colas de paquetes son limitadas o la red es una red multipunto con muchas fuentes y colisiones puede ocurrir, la tasa de eliminación de paquetes se aproxima al 100%.

Una aplicación bien conocida del rendimiento asintótico es el modelado de la comunicación punto a punto donde (siguiendo a Hockney) la latencia del mensaje T(N) se modela como una función de la longitud del mensaje N como T(N) = (M + N) /A donde A es el ancho de banda asintótico y M es la longitud de la mitad del pico.

Además de su uso en el modelado general de redes, el rendimiento asintótico se utiliza para modelar el rendimiento en sistemas informáticos masivamente paralelos, donde el funcionamiento del sistema depende en gran medida de la sobrecarga de comunicación, así como del rendimiento del procesador. En estas aplicaciones, el rendimiento asintótico se utiliza en el modelo de Xu y Hwang (más general que el enfoque de Hockney) que incluye el número de procesadores, de modo que tanto la latencia como el rendimiento asintótico son funciones del número de procesadores.

Rendimiento máximo medido

Los valores anteriores son teóricos o calculados. El rendimiento máximo medido es el rendimiento medido por un sistema implementado real o un sistema simulado. El valor es el rendimiento medido durante un corto período de tiempo; matemáticamente, este es el límite tomado con respecto al rendimiento a medida que el tiempo se aproxima a cero. Este término es sinónimo de rendimiento instantáneo. Este número es útil para los sistemas que dependen de la transmisión de datos en ráfagas; sin embargo, para sistemas con un ciclo de trabajo alto, es menos probable que sea una medida útil del rendimiento del sistema.

Máximo rendimiento sostenido

Este valor es el rendimiento promediado o integrado durante un largo tiempo (a veces considerado infinito). Para redes de ciclo de trabajo alto, es probable que este sea el indicador más preciso del rendimiento del sistema. El rendimiento máximo se define como el rendimiento asintótico cuando la carga (la cantidad de datos entrantes) es muy grande. En los sistemas de conmutación de paquetes donde la carga y el rendimiento siempre son iguales (donde no se produce la pérdida de paquetes), el rendimiento máximo puede definirse como la carga mínima en bit/s que hace que el tiempo de entrega (la latencia) se vuelva inestable y aumente. hacia el infinito. Este valor también se puede utilizar engañosamente en relación con el rendimiento máximo medido para ocultar la configuración de paquetes.

Utilización y eficiencia del canal

El rendimiento a veces se normaliza y se mide en porcentaje, pero la normalización puede causar confusión con respecto a la relación del porcentaje. La utilización del canal, la eficiencia del canal y la tasa de caída de paquetes en porcentaje son términos menos ambiguos.

La eficiencia del canal, también conocida como eficiencia de utilización del ancho de banda, es el porcentaje de la tasa de bits neta (en bit/s) de un canal de comunicación digital que se corresponde con el rendimiento realmente logrado. Por ejemplo, si el rendimiento es de 70 Mbit/s en una conexión Ethernet de 100 Mbit/s, la eficiencia del canal es del 70 %. En este ejemplo, cada segundo se transmiten 70 Mbit de datos efectivos.

La utilización del canal es, en cambio, un término relacionado con el uso del canal, sin tener en cuenta el rendimiento. Cuenta no sólo con los bits de datos, sino también con la sobrecarga que hace uso del canal. La sobrecarga de transmisión consta de secuencias de preámbulo, encabezados de trama y paquetes de reconocimiento. Las definiciones asumen un canal sin ruido. De lo contrario, el throughput no estaría asociado únicamente a la naturaleza (eficiencia) del protocolo, sino también a las retransmisiones resultantes de la calidad del canal. En un enfoque simplista, la eficiencia del canal puede ser igual a la utilización del canal, suponiendo que los paquetes de reconocimiento tengan una longitud cero y que el proveedor de comunicaciones no verá ningún ancho de banda en relación con las retransmisiones o los encabezados. Por lo tanto, ciertos textos marcan una diferencia entre la utilización del canal y la eficiencia del protocolo.

En un enlace de comunicación punto a punto o punto a multipunto, donde solo un terminal transmite, el rendimiento máximo suele ser equivalente o muy cercano a la tasa de datos físicos (la capacidad del canal), ya que la utilización del canal puede ser casi el 100% en una red de este tipo, excepto por una pequeña brecha entre tramas.

Por ejemplo, el tamaño máximo de trama en Ethernet es de 1526 bytes: hasta 1500 bytes para la carga útil, ocho bytes para el preámbulo, 14 bytes para el encabezado y 4 bytes para el tráiler. Después de cada trama se inserta un espacio entre tramas mínimo adicional correspondiente a 12 bytes. Esto corresponde a una utilización máxima del canal de 1526 / (1526 + 12) × 100 % = 99,22 %, o una utilización máxima del canal de 99,22 Mbit/s incluida la sobrecarga del protocolo de la capa de enlace de datos de Ethernet en una conexión Ethernet de 100 Mbit/s. El rendimiento máximo o la eficiencia del canal es entonces 1500 / (1526 + 12) = 97,5 %, sin incluir la sobrecarga del protocolo Ethernet.

Factores que afectan el rendimiento

El rendimiento de un sistema de comunicación estará limitado por una gran cantidad de factores. Algunos de ellos se describen a continuación:

Limitaciones analógicas

El rendimiento máximo alcanzable (la capacidad del canal) se ve afectado por el ancho de banda en hercios y la relación señal-ruido del medio físico analógico.

A pesar de la simplicidad conceptual de la información digital, todas las señales eléctricas que viajan por cables son analógicas. Las limitaciones analógicas de los sistemas alámbricos o inalámbricos proporcionan inevitablemente un límite superior a la cantidad de información que se puede enviar. La ecuación dominante aquí es el teorema de Shannon-Hartley, y las limitaciones analógicas de este tipo pueden entenderse como factores que afectan el ancho de banda analógico de una señal o como factores que afectan la relación señal-ruido. De hecho, el ancho de banda de los sistemas cableados puede ser sorprendentemente estrecho, con el ancho de banda del cable Ethernet limitado a aproximadamente 1 GHz y las trazas de PCB limitadas en una cantidad similar.

Los sistemas digitales se refieren a la 'frecuencia de knee', la cantidad de tiempo para que el voltaje digital aumente del 10% de un '0' digital nominal a un '1' digital nominal o viceversa. La frecuencia de la rodilla está relacionada con el ancho de banda requerido de un canal, y puede estar relacionado con el ancho de banda 3 db de un sistema por la ecuación: F3dB.. K/Tr{displaystyle # F_{3dB}approx K/T_{r}Donde Tr es el tiempo de aumento del 10% al 90%, y K es una constante de proporcionalidad relacionada con la forma del pulso, igual a 0.35 para un aumento exponencial, y 0.338 para un ascenso Gausiano.

• Pérdidas RC: los alambres tienen una resistencia inherente, y una capacitancia inherente cuando se mide con respecto al suelo. Esto conduce a efectos llamados capacitancia parasitaria, causando que todos los cables y cables actúen como filtros de bajapasa RC.
• Efecto de la piel: A medida que aumenta la frecuencia, las cargas eléctricas migran a los bordes de alambres o cable. Esto reduce el área transversal efectiva disponible para la carga de la resistencia actual, aumentando y reduciendo la relación de señal a ruido. Para alambre AWG 24 (del tipo que se encuentra comúnmente en el cable Cat 5e), la frecuencia del efecto de la piel se vuelve dominante sobre la resistencia inherente del alambre a 100 kHz. A 1 GHz la resistividad ha aumentado a 0.1 ohms/inch.
• Terminación y anillo: Para cables largos (las longitudes de onda superiores a 1/6 pueden considerarse largas) deben ser modeladas como líneas de transmisión y tener en cuenta la terminación. A menos que esto se haga, las señales reflejadas viajarán de ida y vuelta a través del cable, interfiriendo positiva o negativamente con la señal de carga de información.
• Wireless Channel Effects: Para sistemas inalámbricos, todos los efectos asociados con transmisión inalámbrica limitan el SNR y ancho de banda de la señal recibida, y por lo tanto el número máximo de bits que se pueden enviar.

Consideraciones de hardware IC

Los sistemas informáticos tienen un poder de procesamiento finito y pueden impulsar una corriente finita. La capacidad de transmisión de corriente limitada puede limitar la relación señal a ruido efectiva para enlaces de alta capacitancia.

Las grandes cargas de datos que requieren procesamiento imponen requisitos de procesamiento de datos en el hardware (como los enrutadores). Por ejemplo, un enrutador de puerta de enlace que admita una subred de clase B poblada, que maneje canales Ethernet de 10 × 100 Mbit/s, debe examinar 16 bits de dirección para determinar el puerto de destino de cada paquete. Esto se traduce en 81913 paquetes por segundo (suponiendo una carga máxima de datos por paquete) con una tabla de 2^16 direcciones, esto requiere que el enrutador pueda realizar 5368 millones de operaciones de búsqueda por segundo. En el peor de los casos, donde las cargas útiles de cada paquete Ethernet se reducen a 100 bytes, esta cantidad de operaciones por segundo aumenta a 520 mil millones. Este enrutador requeriría un núcleo de procesamiento de múltiples teraflops para poder manejar tal carga.

• CSMA/CD y CSMA/CA "backoff" tiempos de espera y retransmisiones de marcos después de colisiones detectadas. Esto puede ocurrir en redes de autobuses Ethernet y redes de centros, así como en redes inalámbricas.
• El control de flujo, por ejemplo en el protocolo de protocolo de control de transmisión (TCP), afecta el rendimiento si el producto de ancho de banda es más grande que la ventana TCP, es decir, el tamaño del búfer. En ese caso, el equipo de envío debe esperar el reconocimiento de los paquetes de datos antes de que pueda enviar más paquetes.
• La evitación de la congestión TCP controla la tasa de datos. Un llamado "comienzo lento" ocurre en el comienzo de una transferencia de archivos, y después de las gotas de paquete causadas por la congestión del router o errores de bits en por ejemplo enlaces inalámbricos.

Consideraciones multiusuario

Garantizar que varios usuarios puedan compartir armoniosamente un único enlace de comunicaciones requiere algún tipo de distribución equitativa del enlace. Si "N" comparte un enlace de comunicación cuello de botella que ofrece una velocidad de datos R. usuarios activos (con al menos un paquete de datos en la cola), cada usuario normalmente logra un rendimiento de aproximadamente R/N, si se asume una comunicación de mejor esfuerzo de cola justa.

• Pérdida de paquete debido a la congestión de red. Los paquetes pueden caer en interruptores y routers cuando las colas del paquete están llenas debido a la congestión.
• Pérdida de paquete debido a errores de bits.
• Planificando algoritmos en routers y conmutadores. Si no se proporciona una búsqueda justa, los usuarios que envían paquetes grandes obtendrán mayor ancho de banda. Algunos usuarios pueden ser priorizados en un algoritmo de apagado (WFQ) si se proporciona calidad de servicio diferenciada o garantizada (QoS).
• En algunos sistemas de comunicaciones, como las redes de satélites, sólo un número finito de canales puede estar disponible para un usuario determinado en un momento dado. Los canales se asignan ya sea a través de la asignación previa o a través de Demanda Acceso Múltiple Asignado (DAMA). En estos casos, el rendimiento se cuantifica por canal y se pierde la capacidad no utilizada en canales parcialmente utilizados.

Buen rendimiento y gastos generales

El rendimiento máximo suele ser una medida poco fiable del ancho de banda percibido, por ejemplo, la velocidad de transmisión de datos en bits por segundo. Como se señaló anteriormente, el rendimiento logrado suele ser inferior al rendimiento máximo. Además, la sobrecarga del protocolo afecta el ancho de banda percibido. El rendimiento no es una métrica bien definida cuando se trata de cómo lidiar con la sobrecarga del protocolo. Por lo general, se mide en un punto de referencia por debajo de la capa de red y por encima de la capa física. La definición más simple es el número de bits por segundo que se entregan físicamente. Un ejemplo típico donde se practica esta definición es una red Ethernet. En este caso, el rendimiento máximo es la tasa de bits bruta o la tasa de bits sin procesar.

Sin embargo, en esquemas que incluyen códigos de corrección de errores de reenvío (codificación de canal), el código de error redundante normalmente se excluye del rendimiento. Un ejemplo en la comunicación por módem, donde el rendimiento generalmente se mide en la interfaz entre el Protocolo punto a punto (PPP) y la conexión del módem con conmutación de circuitos. En este caso, el rendimiento máximo suele denominarse tasa de bits neta o tasa de bits útil.

Para determinar la velocidad de datos real de una red o conexión, el "goodput" se puede utilizar la definición de medición. Por ejemplo, en la transmisión de archivos, el "goodput" corresponde al tamaño del archivo (en bits) dividido por el tiempo de transmisión del archivo. El "buen puesto" es la cantidad de información útil que se entrega por segundo al protocolo de la capa de aplicación. Se excluyen los paquetes descartados o las retransmisiones de paquetes, así como la sobrecarga del protocolo. Por eso, el "goodput" es inferior al rendimiento. Los factores técnicos que afectan la diferencia se presentan en el "goodput" artículo.

Otros usos del rendimiento de los datos

Circuitos integrados

A menudo, un bloque en un diagrama de flujo de datos tiene una sola entrada y una sola salida, y opera en paquetes discretos de información. Ejemplos de estos bloques son los módulos de transformada rápida de Fourier o los multiplicadores binarios. Dado que las unidades de rendimiento son el recíproco de la unidad de retardo de propagación, que es 'segundos por mensaje' o 'segundos por salida', el rendimiento se puede utilizar para relacionar un dispositivo informático que realiza una función dedicada, como un ASIC o un procesador integrado, con un canal de comunicaciones, lo que simplifica el análisis del sistema.

Redes inalámbricas y celulares

En redes inalámbricas o sistemas celulares, la eficiencia espectral del sistema en bit/s/Hz/unidad de área, bit/s/Hz/sitio o bit/s/Hz/celda, es el rendimiento máximo del sistema (rendimiento agregado) dividido por el ancho de banda analógico y alguna medida del área de cobertura del sistema.

Por canales analógicos

El rendimiento de los canales analógicos se define completamente por el esquema de modulación, la relación señal-ruido y el ancho de banda disponible. Dado que el rendimiento normalmente se define en términos de datos digitales cuantificados, el término 'rendimiento' normalmente no se usa; el término 'ancho de banda' se usa más a menudo en su lugar.