rendimiento de la red

El rendimiento teórico máximo está estrechamente relacionado con la capacidad del canal del sistema ^{[ 2 ]} y representa la cantidad máxima de datos que se pueden transmitir en condiciones ideales. En algunos casos, este valor se reporta como igual a la capacidad del canal, aunque esto puede resultar engañoso, ya que solo las tecnologías de sistemas sin paquetes pueden alcanzarlo. El rendimiento teórico máximo se reporta con mayor precisión considerando la sobrecarga de formato y especificación , con suposiciones del mejor caso.

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 red entrante tiende a infinito , ya sea debido al tamaño del mensaje [ ^{3 ]} o al número de fuentes de datos. Al igual que con otras tasas de bits y anchos de banda de datos , el rendimiento asintótico se mide en bits por segundo (bit/s) o (raramente) bytes por segundo (B/s) , donde 1 B/s es 8 bit/s . Se utilizan prefijos decimales , lo que significa que 1 Mbit/s es 1000000 bit/s .

El rendimiento asintótico se suele estimar enviando o simulando un mensaje muy grande (secuencia de paquetes de datos) a través de la red, utilizando una fuente voraz y sin mecanismo de control de flujo (es decir, UDP en lugar de TCP ), y midiendo el volumen de datos recibidos en el nodo de destino. La carga de tráfico entre otras fuentes puede reducir este rendimiento máximo de la ruta de red. Alternativamente, se puede modelar un gran número 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 infinitamente grandes, el rendimiento asintótico se produce cuando la latencia de la red (debido al tiempo de espera de los paquetes ) tiende a infinito, mientras que si las colas de paquetes son limitadas, o la red es una red multipunto con muchas fuentes y pueden producirse colisiones, la tasa de pérdida de paquetes se aproxima al 100 %.

Una aplicación bien conocida del rendimiento asintótico es el modelado de la comunicación punto a punto donde la latencia del mensaje${\displaystyle T(N)}$se modela como una función de la longitud del mensaje${\displaystyle N}$como${\displaystyle T(N)=(M+N)/A}$dónde${\displaystyle A}$es el ancho de banda asintótico y${\displaystyle M}$es la longitud de la mitad del pico. ^{[ 4 ]}

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. ^{[ 5 ]} En estas aplicaciones, el rendimiento asintótico se utiliza para modelar, incluyendo el número de procesadores, de modo que tanto la latencia como el rendimiento asintótico son funciones del número de procesadores. ^{[ 6 ]}

Mientras que el rendimiento asintótico es una capacidad teórica o calculada, el rendimiento máximo medido es el rendimiento medido en un sistema real implementado o en un sistema simulado. El valor representa el rendimiento medido durante un breve período de tiempo; matemáticamente, este es el límite tomado con respecto al rendimiento cuando el tiempo tiende a cero. Este término es sinónimo de rendimiento instantáneo . Este valor es útil para sistemas que dependen de la transmisión de datos en ráfagas; sin embargo, para sistemas con un ciclo de trabajo elevado , es menos probable que sea una medida útil del rendimiento del sistema.

El rendimiento máximo sostenido es el rendimiento promedio o integrado durante un período prolongado. Para redes con carga constante, este suele ser el indicador más preciso del rendimiento del sistema. El rendimiento máximo se define como el rendimiento asintótico cuando la carga es elevada. En redes de conmutación de paquetes, mientras no se produce pérdida de paquetes , la carga y el rendimiento son siempre iguales. El rendimiento máximo puede definirse como la carga mínima en bits/s que provoca pérdida de paquetes o que la latencia se vuelva inestable y aumente hasta el infinito.

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. La capacidad limitada de conducción de corriente en los equipos de comunicaciones puede limitar la relación señal/ruido efectiva para enlaces de alta capacitancia .

A pesar de la simplicidad conceptual de la información digital, todas las señales eléctricas que viajan por cable son analógicas. Las limitaciones analógicas de los sistemas cableados o inalámbricos imponen inevitablemente un límite superior a la cantidad de información que se puede transmitir. La ecuación dominante en este caso es el teorema de Shannon-Hartley , y las limitaciones analógicas de este tipo pueden entenderse como factores que afectan tanto al ancho de banda analógico de una señal como a la relación señal-ruido. El ancho de banda del cableado de par trenzado utilizado por Ethernet está limitado a aproximadamente 1  GHz, y las pistas de los circuitos impresos (PCB) presentan una limitación similar.

Los sistemas digitales se refieren a la frecuencia de rodilla , ^{[ 7 ]} el tiempo que tarda el voltaje digital en aumentar del 10% de un 0 digital nominal a un 1 digital nominal o viceversa. La frecuencia de rodilla está relacionada con el ancho de banda de un canal y puede relacionarse con el ancho de banda de 3 dB de un sistema mediante la ecuación: ^{[ 8 ]}${\displaystyle \ F_{3dB}\approx K/T_{r}}$ Donde Tr es el tiempo de subida del 10% al 90%, y K es una constante de proporcionalidad relacionada con la forma del pulso, igual a 0,35 para una subida exponencial y 0,338 para una subida gaussiana.

Otros factores análogos incluyen:

• Pérdidas RC: Los cables tienen una resistencia inherente y una capacitancia inherente cuando se miden con respecto a tierra. Esto hace que todos los cables actúen como filtros paso bajo RC.
• Efecto pelicular : A medida que aumenta la frecuencia, las cargas eléctricas migran hacia los bordes de los cables. Esto reduce la sección transversal efectiva disponible para la conducción de corriente, aumentando la resistencia y disminuyendo la relación señal-ruido. Para el cable AWG 24 (del tipo que se encuentra comúnmente en el cable Cat 5e ), la frecuencia del efecto pelicular se vuelve dominante sobre la resistividad inherente del cable a 100  kHz. A 1  GHz, la resistividad ha aumentado a 0,1 ohm por pulgada. ^{[ 9 ]}
• Terminación y oscilación: Los cables de longitud superior a aproximadamente 1/6 de longitud de onda deben modelarse como líneas de transmisión y debe tenerse en cuenta la terminación. Sin terminación, las señales reflejadas viajarán de un lado a otro del cable, interfiriendo con la señal portadora de información. ^{[ 10 ]}
• Efectos del canal inalámbrico : En los sistemas inalámbricos, todos los efectos asociados a la transmisión inalámbrica limitan la relación señal/ruido (SNR) y el ancho de banda de la señal recibida y, por lo tanto, la velocidad máxima de transmisión.

Las grandes cargas de datos que requieren procesamiento imponen exigencias de procesamiento de datos al hardware. Por ejemplo, un enrutador de puerta de enlace debe examinar y realizar búsquedas en la tabla de enrutamiento de miles de millones de paquetes por segundo.

El tiempo de espera de retroceso y las retransmisiones de tramas tras la detección de colisiones en los protocolos CSMA/CD y CSMA/CA ralentizan las transmisiones. Esto puede ocurrir en redes Ethernet con bus y con hub, así como en redes inalámbricas.

El control de flujo , por ejemplo, en el protocolo TCP ( Protocolo de Control de Transmisión ), afecta al rendimiento si el producto ancho de banda-retardo es mayor que la ventana TCP . En ese caso, el ordenador emisor debe esperar la confirmación de los paquetes de datos antes de poder enviar más paquetes.

La prevención de congestión TCP controla la velocidad de transmisión de datos. Un inicio lento se produce al comienzo de una transferencia de archivos y después de la pérdida de paquetes causada por la congestión del enrutador o errores de bits en, por ejemplo, enlaces inalámbricos.

Para garantizar que varios usuarios puedan compartir armoniosamente un único enlace de comunicación, se requiere algún tipo de reparto equitativo del enlace. Si un enlace de comunicación que ofrece una velocidad de datos R es compartido por N usuarios activos, idealmente, cada usuario puede alcanzar un rendimiento aproximado de R/N .

Los planificadores de red en enrutadores y conmutadores determinan, en última instancia, cómo se comparte el ancho de banda. Si no se implementa una cola equitativa , los usuarios que envían paquetes grandes obtendrán mayor ancho de banda. Algunos usuarios pueden tener prioridad en un algoritmo de cola equitativa ponderada (WFQ) si se proporciona una calidad de servicio (QoS) diferenciada o garantizada .

En algunos sistemas de comunicaciones, como las redes satelitales, un usuario determinado solo dispone de un número limitado de canales en un momento dado. Los canales se asignan mediante preasignación o mediante acceso múltiple asignado por demanda (DAMA). ^{[ 11 ]} En estos casos, el rendimiento se cuantifica por canal y se pierde la capacidad no utilizada en los canales parcialmente utilizados.

A menudo, un bloque en un diagrama de flujo de datos tiene una única entrada y una única salida, y opera con paquetes de información discretos. Ejemplos de estos bloques son los módulos de transformada rápida de Fourier o los multiplicadores binarios . Dado que las unidades de rendimiento (por ejemplo, mensajes por segundo) son la inversa de la unidad de retardo de propagación (por ejemplo, segundos por mensaje), el rendimiento puede utilizarse para relacionar un bloque computacional con un canal de comunicación, simplificando así el análisis del sistema.

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

El rendimiento en canales analógicos viene determinado por el esquema de modulación, la relación señal-ruido y el ancho de banda disponible. Dado que el rendimiento se define normalmente en términos de datos digitales cuantificados, no se suele utilizar el término «rendimiento» ; en su lugar, se emplea con mayor frecuencia el término «ancho de banda» .