レイテンシー（エンジニアリング）

レイテンシーとは、一般的な観点から言えば、観測されるシステムにおける何らかの物理的変化の原因と結果との間の時間遅延である。ゲーム業界ではラグと呼ばれ、シミュレーションへの入力と視覚または聴覚の反応との間の遅延を指し、オンラインゲームにおけるネットワーク遅延によって発生することが多い。 ^[1]

遅延は、物理的には、あらゆる物理的相互作用が伝播できる速度が限られていることによる結果です。この速度の大きさは常に光速以下です。したがって、原因と結果の間に物理的な分離 (距離) があるすべての物理システムは、それが受けた刺激の性質に関係なく、何らかの遅延を経験します。

遅延の正確な定義は、観察対象のシステムやシミュレーションの性質によって異なります。通信では、遅延の下限は情報を転送するために使用される媒体によって決まります。信頼性の高い双方向通信システムでは、ある瞬間に伝送される情報量には制限があることが多いため、遅延によって情報を送信できる最大速度が制限されます。知覚できる遅延は、ヒューマンマシンインタラクションの分野でユーザーの満足度 と 使いやすさに大きな影響を与えます 。^[2]

オンライン ゲームは遅延 (ラグ)に敏感です。ゲーム セッション中に発生する新しいイベントへの応答時間が速いと評価され、応答時間が遅いとペナルティを受ける可能性があるためです。ゲーム イベントの送信が遅れるため、インターネット接続の遅延が大きいプレーヤーは、適切な反応時間にもかかわらず、応答が遅くなる可能性があります。これにより、低遅延接続のプレーヤーが技術的に有利になります。

ジョエル・ハスブルックとギデオン・サール (2011) は、金融取引を実行する際のレイテンシーを、情報がトレーダーに届くまでの時間、トレーダーのアルゴリズムが情報を分析し行動方針を決定するまでの時間、生成された行動が取引所に届き、実行されるまでの時間という 3 つの要素に基づいて測定しています。ハスブルックとサールは、これを、注文の入力 (ベンダーのコンピューター) から確認の送信 (ベンダーのコンピューターから) までの処理遅延など、はるかに狭い定義を使用する多くの取引所でのレイテンシーの測定方法と対比しています。^[3]コンピューターを使用した取引は、ネットワーク速度のミリ秒単位の改善が金融機関に競争上の優位性をもたらすほどに発展しています。^[4]

パケット交換ネットワークのネットワーク遅延は、片道(送信元がパケットを送信してから宛先がそれを受信するまでの時間) または往復遅延時間(送信元から宛先までの片道遅延と宛先から送信元への片道遅延の合計) として測定されます。往復遅延は、1 つのポイントから測定できるため、より頻繁に引用されます。多くのソフトウェア プラットフォームは、往復遅延の測定に使用できるpingと呼ばれるサービスを提供しています。ping は、受信側が受信したパケットを即時応答として送信するインターネット制御メッセージ プロトコル(ICMP)エコー要求を使用するため、往復遅延時間を大まかに測定できます。ping では正確な測定を行うことはできません。^{[5]主な理由は、ICMP が診断または制御目的のみを目的としており、} TCPなどの実際の通信プロトコルとは異なるためです。さらに、ルーターやインターネット サービス プロバイダーは、異なるプロトコルに異なるトラフィック シェーピングポリシーを適用する場合があります。 ^{[6] [7]より正確な測定を行うには、} hping、Netperf、Iperfなどの特定のソフトウェアを使用することをお勧めします。

ただし、重要なネットワークでは、典型的なパケットは複数のリンクとゲートウェイを経由して転送され、各リンクとゲートウェイはパケットが完全に受信されるまでパケットの転送を開始しません。このようなネットワークでは、最小のレイテンシは、各リンクの送信遅延と各ゲートウェイの転送レイテンシの合計です。実際には、最小のレイテンシにはキューイングと処理の遅延も含まれます。キューイングの遅延は、ゲートウェイが同じ宛先に向かう異なるソースから複数のパケットを受信するときに発生します。通常、一度に送信できるのは 1 つのパケットだけなので、一部のパケットは送信のためにキューに入れられなければならず、追加の遅延が発生します。ゲートウェイが新しく受信したパケットの処理方法を決定する間に、処理の遅延が発生します。バッファブロートによっても、1 桁以上のレイテンシの増加が発生することがあります。伝播、シリアル化、キューイング、処理の遅延の組み合わせにより、複雑で可変的なネットワーク レイテンシ プロファイルが生成されることがよくあります。

帯域幅遅延積で表されるように、信頼性の高い双方向通信システムでは、遅延によって総スループットが制限されます。

光ファイバーの遅延は、主に光速の関数です。これは、経路長 1 キロメートルあたり3.33 μsの遅延に相当します 。ほとんどの光ファイバー ケーブルの屈折率は約 1.5 です。つまり、光は真空中をケーブル内の約 1.5 倍の速度で移動します。これは、1 キロメートルあたり約 5.0 μs の遅延に相当します。より短いメトロ ネットワークでは、建物のライザーとクロスコネクトの距離が長くなるため、遅延が長くなる可能性があります。接続の遅延を計算するには、ファイバーの移動距離を知る必要があります。ファイバーは、道路や線路などの地理的な輪郭や障害物、およびその他の権利用地を通過する必要があるため、ファイバーが移動した距離が直線になることはほとんどありません。

光ファイバーの欠陥により、光は光ファイバーを伝送される際に劣化します。100 キロメートルを超える距離の場合は、増幅器または再生器が導入されます。これらのコンポーネントによって生じる遅延を考慮する必要があります。

静止軌道上の衛星は地球からかなり離れているため、通信遅延が顕著になります。地上の送信機から衛星へ、そして別の地上の送信機に戻るまでの通信には約 0.25 秒かかります。また、地球の 1 つのステーションから別のステーションへ、そして最初のステーションに戻るまでの双方向通信には約 0.5 秒かかります。この遅延を短縮するために低軌道が使用されることもありますが、地上での衛星追跡がより複雑になり、継続的なカバレッジを確保するには衛星群にさらに多くの衛星が必要になります。

オーディオ遅延とは、オーディオ信号がシステムに入ってからシステムから出てくるまでの遅延のことです。オーディオ システムにおける遅延の潜在的な要因としては、アナログからデジタルへの変換、バッファリング、デジタル信号処理、伝送時間、デジタルからアナログへの変換、空気中の音速などが挙げられます。

ビデオ遅延とは、ビデオ ストリームの転送が要求された時刻と実際に転送が開始される時刻との間の遅延の度合いを指します。遅延が比較的小さいネットワークは低遅延ネットワークと呼ばれ、遅延が小さいネットワークは高遅延ネットワークと呼ばれます。

ワークフロー システム内の個々のワークフローは、何らかの操作上の遅延の影響を受ける可能性があります。参加者のタイプや目標追求行動によっては、個々のシステムに複数の種類の遅延が発生する場合もあります。これは、次の航空旅行に関する 2 つの例でよく説明されます。

乗客の視点から見ると、レイテンシは次のように説明できます。ジョン・ドウがロンドンからニューヨークへ飛行機で行くとします。彼の旅行のレイテンシは、イギリスの自宅からニューヨークの宿泊先のホテルまでの移動にかかる時間です。これはロンドン - ニューヨーク航空のスループットとは無関係です。つまり、1 日に 100 人の乗客が旅行しても 10,000 人の乗客が旅行しても、旅行のレイテンシは同じです。

航空業務担当者の視点から見ると、待ち時間はまったく異なります。ロンドン空港とニューヨーク空港のスタッフについて考えてみましょう。大西洋を横断できる飛行機は限られているため、着陸したらできるだけ早く復路の準備をする必要があります。たとえば、次のような時間がかかることがあります。

• 飛行機の清掃に35分
• 飛行機の燃料補給に15分
• 乗客を乗せるのに10分
• 貨物を積み込むのに30分

上記が連続して実行されると仮定すると、最小の飛行機ターンアラウンド時間は次のようになります。

35 + 15 + 10 + 30 = 90

ただし、清掃、燃料補給、貨物の積み込みは同時に行うことができます。乗客を乗せることができるのは、清掃が完了した後のみです。したがって、待ち時間の短縮は次のようになります。

35 + 10 = 45

15

30

最小遅延 = 45

ターンアラウンドに携わる人々は、自分の個々のタスクにかかる時間だけに興味があります。ただし、すべてのタスクを同時に実行すると、待ち時間を最長のタスクの長さまで短縮できます。一部のステップに前提条件がある場合、すべてのステップを並行して実行することが難しくなります。上記の例では、乗客を搭乗させる前に飛行機を清掃する必要があるため、最小待ち時間はどの単一のタスクよりも長くなります。

あらゆる機械的プロセスは、ニュートン物理学によってモデル化された制限に遭遇します。ディスク ドライブの動作は、機械的遅延の例です。ここでは、アクチュエータ アームが適切なトラックの上に配置されるまでのシーク時間、次にプラッターにエンコードされたデータが現在の位置からディスクの読み取り/書き込みヘッドの下の位置に回転するまでの回転遅延です。

コンピュータは、プロセスのコンテキストで命令を実行します。コンピュータのマルチタスクのコンテキストでは、他のプロセスも実行されている場合、プロセスの実行を延期できます。さらに、オペレーティング システムは、プロセスが命令しているアクションをいつ実行するかをスケジュールできます。たとえば、プロセスがコンピュータ カードの電圧出力を 1000 Hz のレートで高-低-高-低などに設定するように命令するとします。オペレーティング システムは、高精度イベント タイマーなどのハードウェア クロックに基づいて、各遷移 (高-低または低-高) ごとにプロセスをスケジュールします。レイテンシは、ハードウェア クロックによって生成されたイベントと、高から低または低から高への実際の電圧遷移との間の遅延です。

多くのデスクトップ オペレーティング システムにはパフォーマンスの制限があり、追加の遅延が発生します。この問題は、 PREEMPT RTなどのリアルタイム拡張機能とパッチによって軽減される可能性があります。

組み込みシステムでは、命令のリアルタイム実行は、多くの場合、リアルタイム オペレーティング システムによってサポートされます。

ソフトウェアシステムでは、「平均」および「中央値」のレイテンシをベンチマークすると、いくつかの外れ値によって結果が歪められる可能性があるため、誤解を招く可能性があることに注意してください。代わりに、ソフトウェアアーキテクトとソフトウェア開発者は「99パーセンタイル」を使用する必要があります。^[8]

シミュレーション アプリケーションでは、レイテンシとは、初期入力とシミュレータの訓練生またはシミュレータの被験者が明確に認識できる出力との間の時間遅延を指し、通常はミリ秒単位で測定されます。レイテンシは、トランスポート遅延と呼ばれることもあります。一部の権威者^{[誰? ]}は、レイテンシという用語を、シミュレートされている車両の反応時間を超えるシステムの余分な時間遅延という意味で使用して、レイテンシとトランスポート遅延を区別していますが、これには車両のダイナミクスに関する詳細な知識が必要であり、議論の余地があります。

視覚システムと動作システムの両方を備えたシミュレータでは、動作システムの遅延が視覚システムの遅延よりも大きくないことが特に重要です。さもないと、シミュレータ酔いの症状が発生する可能性があります。これは、現実世界では、動作キューは加速のキューであり、通常 50 ミリ秒未満ですぐに脳に伝達され、その数ミリ秒後に視覚シーンの変化が認識されるためです。視覚シーンの変化は、本質的には視点の変化または地平線などのオブジェクトの変位であり、変位を引き起こした最初の加速の後、認識できる量になるまでに時間がかかります。したがって、シミュレータは、動作遅延が視覚システムの遅延と同等かそれ以下であることを保証することによって現実世界の状況を反映する必要があり、その逆ではありません。

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• M. Brian Blake (2003 年 12 月)。「ワークフロー指向のプロセス オーケストレーションのための複数のエージェントの調整」(PDF)。情報システムおよび E ビジネス管理ジャーナル。Springer-Verlag。2006 年 9 月 1 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。

• Linux でのネットワーク リンク遅延のシミュレーション