Latência (engenharia)

Latência, de um ponto de vista geral, é um atraso de tempo entre a causa e o efeito de alguma mudança física no sistema que está sendo observado. Lag, como é conhecido nos círculos de jogos, refere-se à latência entre a entrada de uma simulação e a resposta visual ou auditiva, geralmente ocorrendo devido ao atraso da rede em jogos online.

A latência é fisicamente uma consequência da velocidade limitada na qual qualquer interação física pode se propagar. A magnitude dessa velocidade é sempre menor ou igual à velocidade da luz. Portanto, todo sistema físico com qualquer separação física (distância) entre causa e efeito experimentará algum tipo de latência, independentemente da natureza do estímulo ao qual foi exposto.

A definição precisa de latência depende do sistema que está sendo observado ou da natureza da simulação. Nas comunicações, o limite inferior de latência é determinado pelo meio que está sendo usado para transferir informações. Em sistemas confiáveis de comunicação bidirecional, a latência limita a taxa máxima em que as informações podem ser transmitidas, pois geralmente há um limite na quantidade de informações que estão "em trânsito" em qualquer momento. A latência perceptível tem um forte efeito na satisfação do usuário e na usabilidade no campo da interação homem-máquina.

Comunicações

Jogos online são sensíveis à latência (ou "lag"), pois tempos de resposta rápidos para novos eventos que ocorrem durante uma sessão de jogo são recompensados, enquanto tempos de resposta lentos podem acarretar penalidades. Devido a um atraso na transmissão dos eventos do jogo, um jogador com uma conexão de internet de alta latência pode apresentar respostas lentas, apesar do tempo de reação apropriado. Isso dá aos jogadores com conexões de baixa latência uma vantagem técnica.

Mercados de capitais

Minimizar a latência é de interesse nos mercados de capitais, particularmente onde sistemas automatizados para transações e informações financeiras são usados para processar atualizações de mercado e processar pedidos em milissegundos. A negociação de baixa latência ocorre nas redes usadas pelas instituições financeiras para se conectar às bolsas de valores e redes de comunicação eletrônica (ECNs) para executar transações financeiras. Joel Hasbrouck e Gideon Saar (2011) medem a latência com base em três componentes: o tempo que a informação leva para chegar ao trader, a execução dos algoritmos do trader para analisar a informação e decidir um curso de ação e a ação gerada para alcançar a troca e ser implementado. Hasbrouck e Saar contrastam isso com a maneira como as latências são medidas por muitos locais de negociação que usam definições muito mais restritas, como o atraso de processamento medido desde a entrada do pedido (no computador do fornecedor) até a transmissão de uma confirmação (do computador do fornecedor). O comércio eletrônico agora representa 60% a 70% do volume diário na Bolsa de Valores de Nova York e o comércio algorítmico perto de 35%. A negociação usando computadores desenvolveu-se a ponto de melhorias de milissegundos nas velocidades de rede oferecerem uma vantagem competitiva para as instituições financeiras.

Redes de comutação de pacotes

Latência de rede em uma rede de comutação de pacotes é medida como unidirecional (o tempo desde a origem que envia um pacote até o destino que o recebe) ou tempo de atraso de ida e volta (aquele latência de ida da origem ao destino mais a latência de ida do destino de volta à origem). A latência de ida e volta é citada com mais frequência, porque pode ser medida a partir de um único ponto. Observe que a latência de ida e volta exclui a quantidade de tempo que um sistema de destino gasta processando o pacote. Muitas plataformas de software fornecem um serviço chamado ping que pode ser usado para medir a latência de ida e volta. O ping usa o requisição de eco do protocolo de mensagem de controle da Internet (ICMP) que faz com que o destinatário envie o pacote recebido como uma resposta imediata, portanto, fornece uma maneira aproximada de medir o tempo de atraso de ida e volta. O ping não pode realizar medições precisas, principalmente porque o ICMP é destinado apenas para fins de diagnóstico ou controle e difere dos protocolos de comunicação reais, como o TCP. Além disso, roteadores e provedores de serviços de Internet podem aplicar diferentes políticas de modelagem de tráfego a diferentes protocolos. Para medições mais precisas é melhor usar um software específico, por exemplo: hping, Netperf ou Iperf.

No entanto, em uma rede não trivial, um pacote típico será encaminhado por vários links e gateways, cada um dos quais não começará a encaminhar o pacote até que ele tenha sido completamente recebido. Em tal rede, a latência mínima é a soma do atraso de transmissão de cada link mais a latência de encaminhamento de cada gateway. Na prática, a latência mínima também inclui filas e atrasos de processamento. O atraso de enfileiramento ocorre quando um gateway recebe vários pacotes de diferentes origens em direção ao mesmo destino. Como normalmente apenas um pacote pode ser transmitido por vez, alguns dos pacotes devem entrar na fila para transmissão, incorrendo em atraso adicional. Ocorrem atrasos de processamento enquanto um gateway determina o que fazer com um pacote recém-recebido. Bufferbloat também pode causar aumento da latência que é uma ordem de magnitude ou mais. A combinação de atrasos de propagação, serialização, enfileiramento e processamento geralmente produz um perfil de latência de rede complexo e variável.

A latência limita a taxa de transferência total em sistemas de comunicação bidirecionais confiáveis, conforme descrito pelo produto de atraso de largura de banda.

Fibra óptica

A latência na fibra óptica é em grande parte uma função da velocidade da luz, que é de 299.792.458 metros/segundo no vácuo. Isso equivaleria a uma latência de 3,33 µs para cada quilômetro de comprimento do caminho. O índice de refração da maioria dos cabos de fibra óptica é de cerca de 1,5, o que significa que a luz viaja cerca de 1,5 vezes mais rápido no vácuo do que no cabo. Isso resulta em cerca de 5,0 µs de latência para cada quilômetro. Em redes metropolitanas mais curtas, uma latência mais alta pode ser experimentada devido à distância extra na construção de risers e conexões cruzadas. Para calcular a latência de uma conexão, é preciso saber a distância percorrida pela fibra, que raramente é uma linha reta, pois ela precisa transpor contornos geográficos e obstáculos, como estradas e trilhos de trem, além de outros direitos -caminho.

Devido a imperfeições na fibra, a luz se degrada à medida que é transmitida através dela. Para distâncias superiores a 100 quilômetros, são implantados amplificadores ou regeneradores. A latência introduzida por esses componentes precisa ser levada em consideração.

Transmissão por satélite

Satélites em órbitas geoestacionárias estão longe o suficiente da Terra para que a latência de comunicação se torne significativa – cerca de um quarto de segundo para uma viagem de um transmissor terrestre para o satélite e de volta para outro transmissor terrestre; quase meio segundo para comunicação bidirecional de uma estação terrestre para outra e depois de volta para a primeira. Às vezes, a órbita baixa da Terra é usada para reduzir esse atraso, às custas de um rastreamento de satélite mais complicado no solo e da necessidade de mais satélites na constelação de satélites para garantir uma cobertura contínua.

Áudio

A latência de áudio é o atraso entre quando um sinal de áudio entra e quando sai de um sistema. Os contribuintes potenciais para a latência em um sistema de áudio incluem conversão analógico-digital, buffer, processamento de sinal digital, tempo de transmissão, conversão digital-analógico e a velocidade do som no ar.

Vídeo

A latência de vídeo refere-se ao grau de atraso entre o momento em que uma transferência de fluxo de vídeo é solicitada e o momento real em que a transferência começa. Redes que exibem atrasos relativamente pequenos são conhecidas como redes de baixa latência, enquanto suas contrapartes são conhecidas como redes de alta latência.

Fluxo de trabalho

Qualquer fluxo de trabalho individual dentro de um sistema de fluxos de trabalho pode estar sujeito a algum tipo de latência operacional. Pode até acontecer que um sistema individual tenha mais de um tipo de latência, dependendo do tipo de participante ou comportamento de busca de objetivos. Isso é melhor ilustrado pelos dois exemplos a seguir envolvendo viagens aéreas.

Do ponto de vista de um passageiro, a latência pode ser descrita da seguinte forma. Suponha que John Doe voe de Londres para Nova York. A latência de sua viagem é o tempo que ele leva para ir de sua casa na Inglaterra até o hotel onde está hospedado em Nova York. Isso independe da taxa de transferência da ligação aérea Londres-Nova York – se houvesse 100 passageiros por dia fazendo a viagem ou 10.000, a latência da viagem permaneceria a mesma.

Do ponto de vista do pessoal de operações de voo, a latência pode ser totalmente diferente. Considere a equipe nos aeroportos de Londres e Nova York. Apenas um número limitado de aviões é capaz de fazer a viagem transatlântica, portanto, quando um pousa, eles devem prepará-lo para a viagem de volta o mais rápido possível. Pode levar, por exemplo:

• 35 minutos para limpar um avião
• 15 minutos para reabastecer um avião
• 10 minutos para carregar os passageiros
• 30 minutos para carregar a carga

Supondo que o acima seja feito consecutivamente, o tempo mínimo de retorno do avião é:

35 + 15 + 10 + 30 = 90

No entanto, a limpeza, o reabastecimento e o carregamento da carga podem ser feitos ao mesmo tempo. Os passageiros só podem ser embarcados após a conclusão da limpeza. A latência reduzida, então, é:

35 + 10 = 45

15

30

Latência mínima = 45

As pessoas envolvidas na parada estão interessadas apenas no tempo que leva para suas tarefas individuais. No entanto, quando todas as tarefas são executadas ao mesmo tempo, é possível reduzir a latência para a duração da tarefa mais longa. Se algumas etapas tiverem pré-requisitos, será mais difícil executar todas as etapas em paralelo. No exemplo acima, o requisito para limpar o avião antes de carregar os passageiros resulta em uma latência mínima maior do que qualquer tarefa única.

Mecânica

Qualquer processo mecânico encontra limitações modeladas pela física newtoniana. O comportamento das unidades de disco fornece um exemplo de latência mecânica. Aqui, é o tempo de busca para o braço do atuador ser posicionado acima da trilha apropriada e, em seguida, a latência rotacional para os dados codificados em um prato girarem de sua posição atual para uma posição sob o cabeçote de leitura e gravação do disco.

Hardware de computador e sistemas operacionais

Os computadores executam instruções no contexto de um processo. No contexto da multitarefa do computador, a execução do processo pode ser adiada se outros processos também estiverem em execução. Além disso, o sistema operacional pode agendar quando executar a ação que o processo está comandando. Por exemplo, suponha que um processo comande que a saída de tensão de uma placa de computador seja definida como alta-baixa-alta-baixa e assim por diante a uma taxa de 1.000 Hz. O sistema operacional agenda o processo para cada transição (alto-baixo ou baixo-alto) com base em um relógio de hardware, como o High Precision Event Timer. A latência é o atraso entre os eventos gerados pelo relógio do hardware e as transições reais de tensão de alta para baixa ou de baixa para alta.

Muitos sistemas operacionais de desktop têm limitações de desempenho que criam latência adicional. O problema pode ser atenuado com extensões e patches em tempo real, como PREEMPT_RT.

Em sistemas embarcados, a execução de instruções em tempo real geralmente é suportada por um sistema operacional de tempo real.

Simulações

Em aplicações de simulação, a latência refere-se ao atraso de tempo, geralmente medido em milissegundos, entre a entrada inicial e a saída claramente discerníveis para o estagiário do simulador ou sujeito do simulador. Às vezes, a latência também é chamada de atraso de transporte. Algumas autoridades distinguem entre latência e atraso de transporte usando o termo latência no sentido de atraso de tempo extra de um sistema além do tempo de reação do veículo que está sendo simulado, mas isso requer conhecimento detalhado do dinâmica do veículo e pode ser controverso.

Em simuladores com sistemas visuais e de movimento, é particularmente importante que a latência do sistema de movimento não seja maior que a do sistema visual, ou podem ocorrer sintomas de doença do simulador. Isso ocorre porque, no mundo real, os sinais de movimento são aqueles de aceleração e são rapidamente transmitidos ao cérebro, normalmente em menos de 50 milissegundos; isso é seguido alguns milissegundos depois por uma percepção de mudança na cena visual. A mudança de cena visual é essencialmente uma mudança de perspectiva ou deslocamento de objetos como o horizonte, que leva algum tempo para se acumular em quantidades discerníveis após a aceleração inicial que causou o deslocamento. Um simulador deve, portanto, refletir a situação do mundo real, garantindo que a latência do movimento seja igual ou menor que a do sistema visual e não o contrário.