ネットワークスループット

ネットワーク スループット(文脈によっては単にスループット) とは、イーサネットやパケット無線などの通信ネットワークの通信チャネルを介したメッセージ配信速度を指します。これらのメッセージに含まれるデータは、物理リンクまたは論理リンク、あるいはネットワーク ノードを介して配信されます。スループットは通常、1 秒あたりのビット数(bit/s、bps と略される場合もあります) で測定されますが、1 秒あたりのパケット数(p/s または pps) やタイムスロットあたりのデータ パケット数で測定される場合もあります。

システムスループットまたは総スループットは、ネットワーク内のすべてのチャネルで配信されるデータレートの合計です。^[1]スループットはデジタル帯域幅の消費量を表します。

通信システムのスループットは、基盤となる物理媒体の制限、システム コンポーネントの利用可能な処理能力、エンド ユーザーの行動など、さまざまな要因によって影響を受ける可能性があります。さまざまなプロトコルのオーバーヘッドを考慮すると、データ転送の有効速度は達成可能な最大スループットよりも大幅に低くなる可能性があります。有効な部分は通常、グッドプットと呼ばれます。

通信機器のユーザー、システム設計者、通信理論の研究者は、システムの期待されるパフォーマンスを知りたいと思うことがよくあります。ユーザーの観点からは、これは「どのデバイスが自分のニーズに最も効果的にデータを届けるか」、または「どのデバイスが単位コストあたり最大のデータを提供するか」という表現で表現されることがよくあります。システム設計者は、システムの最終的なパフォーマンスを決定する最も効果的なアーキテクチャまたは設計制約を選択することがよくあります。ほとんどの場合、システムで何ができるかというベンチマーク、つまりシステムの最大パフォーマンスが、ユーザーまたは設計者の関心事です。最大スループットという用語は、エンドユーザーの最大スループット テストについて説明するときによく使用されます。最大スループットは、基本的にデジタル帯域幅容量と同義です。

最大スループットのコンテキストでは、複数のシステムの上限概念パフォーマンスを比較する際に、4 つの異なる値が関連します。これらは、最大理論スループット、最大達成可能スループット、ピーク測定スループット、および最大持続スループットです。これらの値は異なる品質を表すため、異なる最大スループット値を比較する場合は同じ定義が使用されるように注意する必要があります。

スループット値を比較する場合、各ビットは同じ量の情報を伝える必要があります。データ圧縮によりスループットの計算が大幅に変更される可能性があり、場合によっては 100% を超える値が生成されることもあります。

通信が異なるビット レートを持つ複数のリンクによって連続的に仲介される場合、リンク全体の最大スループットは最低ビット レート以下になります。連続するリンクの中で最も値の低いリンクはボトルネックと呼ばれます。

この数値はシステムのチャネル容量と密接に関連しており、 ^[2]理想的な状況下で送信できるデータの最大量です。この数値はチャネル容量に等しいと報告される場合もありますが、これは誤解を招く可能性があります。非パケット化システム (非同期) 技術のみがデータ圧縮なしでこれを達成できるからです。理論上の最大スループットは、最良のケースを想定してフォーマットと仕様のオーバーヘッドを考慮すると、より正確に報告されます。この数値は、以下の「達成可能な最大スループット」という密接に関連する用語と同様に、主に、システム設計段階の早い段階で可能なパフォーマンスの限界を決定する場合など、大まかな計算値として使用されます。

パケットモード通信ネットワークの漸近スループット（より形式的には漸近帯域幅）は、メッセージサイズ[ ^3]またはデータソースの数により、着信ネットワーク負荷が無限大に近づくときの最大スループット関数の値です。他のビットレートやデータ帯域幅と同様に、漸近スループットはビット/秒（bit/s）または（まれに）バイト/秒（B/s）で測定されます。1 B/sは8ビット/秒です。10進数の接頭辞が使用され、1 Mbit/sは1000000ビット/秒を意味します。

漸近的スループットは通常、貪欲なソースとフロー制御メカニズムなし (つまり、TCPではなくUDP )を使用して、ネットワーク経由で非常に大きなメッセージ (データ パケットのシーケンス)を送信またはシミュレートし、宛先ノードのネットワーク パス スループットを測定することによって推定されます。他のソース間のトラフィック負荷によって、この最大ネットワーク パス スループットが低下する場合があります。または、フロー制御の有無にかかわらず、多数のソースとシンクをモデル化し、合計最大ネットワーク スループット (宛先に到達するトラフィックの合計) を測定することもできます。無限のパケット キューを持つネットワーク シミュレーション モデルでは、レイテンシ(パケットのキューイング時間) が無限大になると漸近的スループットが発生しますが、パケット キューが制限されている場合、またはネットワークが多数のソースを持つマルチドロップ ネットワークで衝突が発生する可能性がある場合は、パケット ドロップ率が 100% に近づきます。

漸近的スループットのよく知られた応用は、ポイントツーポイント通信のモデル化です。ここでは、（ホックニーに従って）メッセージ遅延T(N)は、メッセージ長Nの関数としてT(N) = (M + N)/Aとしてモデル化されます。ここで、Aは漸近的帯域幅、Mは半ピーク長です。^[4]

漸近スループットは、一般的なネットワークモデリングで使用されるだけでなく、システムの動作が通信オーバーヘッドとプロセッサのパフォーマンスに大きく依存する超並列コンピュータシステムのパフォーマンスをモデリングする際にも使用されます。 ^[5]これらのアプリケーションでは、漸近スループットはプロセッサの数を含む Xu と Hwang モデル (Hockney のアプローチよりも一般的) で使用され、レイテンシと漸近スループットの両方がプロセッサの数の関数になります。^[6]

上記の値は理論値または計算値です。ピーク測定スループットは、実際の実装システムまたはシミュレートされたシステムによって測定されたスループットです。この値は、短期間に測定されたスループットです。数学的には、時間がゼロに近づくにつれてスループットに関して取られる制限です。この用語は瞬間スループットと同義です。この数値は、バースト データ送信に依存するシステムには役立ちますが、デューティ サイクルが高いシステムの場合、システム パフォーマンスの有用な指標にはならない可能性があります。

この値は、長時間にわたって平均または積分されたスループットです (無限大と見なされる場合もあります)。デューティ サイクルの高いネットワークでは、これがシステム パフォーマンスの最も正確な指標となる可能性があります。最大スループットは、負荷 (受信データの量) が大きい場合の漸近スループットとして定義されます。負荷とスループットが常に等しい (パケット損失が発生しない)パケット交換システムでは、最大スループットは、配信時間 (待ち時間) が不安定になり、無限大に向かって増加する最小負荷 (ビット/秒単位) として定義できます。この値は、パケット シェーピングを隠すために、測定されたピーク スループットに関連して欺瞞的に使用することもできます。

スループットは正規化されてパーセンテージで測定されることもありますが、正規化によってパーセンテージが何に関連しているかについて混乱が生じる可能性があります。チャネル使用率、チャネル効率、およびパーセンテージでのパケットドロップ率は、それほど曖昧ではない用語です。

チャネル効率は、帯域幅利用効率とも呼ばれ、デジタル通信チャネルの正味ビット レート(ビット/秒)のうち、実際に達成されたスループットに占める割合です。たとえば、100 Mbit/秒のイーサネット接続でスループットが 70 Mbit/秒の場合、チャネル効率は 70% です。この例では、実質的に 1 秒あたり 70 Mbit のデータが送信されます。

チャネル使用率は、スループットを無視したチャネルの使用に関連する用語です。これは、データ ビットだけでなく、チャネルを使用するオーバーヘッドも考慮します。送信オーバーヘッドは、プリアンブル シーケンス、フレーム ヘッダー、確認応答パケットで構成されます。定義では、ノイズのないチャネルを想定しています。そうでない場合、スループットは、プロトコルの性質 (効率) だけでなく、チャネルの品質に起因する再送信にも関連付けられます。単純なアプローチでは、確認応答パケットの長さがゼロであり、通信プロバイダーが再送信やヘッダーに関連する帯域幅を認識しないと仮定すると、チャネル効率はチャネル使用率に等しくなります。したがって、特定のテキストでは、チャネル使用率とプロトコル効率の違いが示されています。

1 つの端末のみが送信するポイントツーポイントまたはポイントツーマルチポイント通信リンクでは、小さなフレーム間ギャップを除いて、このようなネットワークのチャネル使用率はほぼ 100% になる可能性があるため、最大スループットは物理データ レート (チャネル容量) と同等か非常に近くなることがよくあります。

たとえば、イーサネットの最大フレーム サイズは 1526 バイトで、ペイロードに最大 1500 バイト、プリアンブルに 8 バイト、ヘッダーに 14 バイト、トレーラーに 4 バイトです。各フレームの後に、12 バイトに相当する追加の最小インターフレーム ギャップが挿入されます。これは、最大チャネル使用率 1526 / (1526 + 12) × 100% = 99.22%、または 100 Mbit/s イーサネット接続でのイーサネット データリンク層プロトコル オーバーヘッドを含む最大チャネル使用率 99.22 Mbit/s に相当します。したがって、最大スループットまたはチャネル効率は、イーサネット プロトコル オーバーヘッドを除いて 1500 / (1526 + 12) = 97.5% になります。

通信システムのスループットは、多数の要因によって制限されます。そのいくつかを次に説明します。

達成可能な最大スループット (チャネル容量) は、アナログ物理媒体の 帯域幅 (ヘルツ単位) と信号対雑音比によって影響を受けます。

デジタル情報の概念は単純ですが、配線上を移動するすべての電気信号はアナログです。配線や無線システムのアナログ制限により、送信できる情報量に上限が必然的に生じます。ここで支配的な方程式はシャノン・ハートレーの定理であり、このタイプのアナログ制限は、信号のアナログ帯域幅に影響を与える要因、または信号対雑音比に影響を与える要因として理解できます。有線システムの帯域幅は実際には驚くほど狭く、イーサネット ワイヤの帯域幅は約 1 GHz に制限され、PCB トレースも同様に制限されます。

デジタルシステムでは、「ニー周波数」^[7]を参照します。これは、デジタル電圧が公称デジタル「0」の10%から公称デジタル「1」に上昇する時間、またはその逆です。ニー周波数はチャネルに必要な帯域幅に関連しており、次の式でシステムの3db帯域幅に関連付けることができます。^[8] ここで、Trは10%から90%の上昇時間、Kはパルス形状に関連する比例定数で、指数関数的な上昇の場合は0.35、ガウス分布の上昇の場合は0.338です。 ${\displaystyle \ F_{3dB}\approx K/T_{r}}$

• RC 損失: 配線には固有の抵抗があり、接地に対して測定すると固有の静電容量があります。これにより寄生容量と呼ばれる効果が生じ、すべての配線とケーブルが RC ローパス フィルターとして機能します。
• 表皮効果: 周波数が高くなると、電荷は電線やケーブルの端に移動します。これにより、電流を流すのに利用できる有効断面積が減少し、抵抗が増加し、信号対雑音比が低下します。AWG 24 電線 (Cat 5e ケーブルでよく見られるタイプ) の場合、100 kHzでは表皮効果周波数が電線の固有抵抗よりも優位になります。1 GHz では、抵抗は 1 インチあたり 0.1 オームに増加します。^[9]
• 終端とリンギング: 波長の約1/6よりも長い配線は、終端を考慮した伝送線路としてモデル化する必要があります。これを行わないと、反射信号が配線を行き来し、情報を伝える信号にプラスまたはマイナスの干渉を与えます。^[10]
• 無線チャネルの影響: 無線システムの場合、無線伝送に関連するすべての影響により、受信信号の SNR と帯域幅が制限され、最大ビット伝送速度も制限されます。

計算システムの処理能力には限界があり、駆動できる電流も限られています。電流駆動能力が限られていると、高容量リンクの有効な信号対雑音比が制限される可能性があります。

処理を必要とする大量のデータ負荷は、ハードウェア (ルーターなど) にデータ処理要件を課します。たとえば、10 × 100 Mbit/s イーサネット チャネルを処理する、クラス B サブネットをサポートするゲートウェイ ルーターは、16 ビットのアドレスを調べて各パケットの宛先ポートを決定する必要があります。これは、2^16 アドレスのテーブルで 1 秒あたり 81913 パケット (パケットあたりの最大データ ペイロードを想定) に相当し、ルーターは 1 秒あたり 53 億 6800 万回の検索操作を実行できる必要があります。最悪のシナリオでは、各イーサネット パケットのペイロードが 100 バイトに削減され、1 秒あたりの操作数は 5200 億に跳ね上がります。このルーターでこのような負荷を処理するには、マルチテラフロップスの処理コアが必要になります。

• CSMA/CDおよびCSMA/CA の「バックオフ」待機時間と衝突検出後のフレーム再送信。これは、イーサネット バス ネットワークやハブ ネットワーク、ワイヤレス ネットワークで発生する可能性があります。
• たとえば、伝送制御プロトコル(TCP) プロトコルのフロー制御は、帯域幅遅延積が TCP ウィンドウ (つまり、バッファ サイズ) より大きい場合にスループットに影響します。その場合、送信側コンピュータは、データ パケットの確認応答を待ってから、さらにパケットを送信する必要があります。
• TCP輻輳回避はデータ レートを制御します。いわゆる「スロー スタート」は、ファイル転送の開始時、およびルーターの輻輳やワイヤレス リンクなどのビット エラーによってパケットがドロップされた後に発生します。

複数のユーザーが 1 つの通信リンクを調和的に共有できるようにするには、リンクを公平に共有する必要があります。データ レートR を提供するボトルネック通信リンクが「N」人のアクティブ ユーザー (キューに少なくとも 1 つのデータ パケットがある) によって共有されている場合、公平なキューイングによるベスト エフォート通信が想定される と、通常、各ユーザーは約R/Nのスループットを達成します。

• ネットワークの輻輳によるパケット損失。輻輳によりパケット キューがいっぱいになると、スイッチやルーターでパケットがドロップされることがあります。
• ビットエラーによるパケット損失。
• ルーターとスイッチのスケジューリング アルゴリズム。公平なキューイングが提供されない場合、大きなパケットを送信するユーザーはより高い帯域幅を取得します。差別化された、または保証されたサービス品質(QoS) が提供される場合、一部のユーザーは重み付け公平キューイング(WFQ) アルゴリズムで優先される場合があります。
• 衛星ネットワークなどの一部の通信システムでは、特定の時間に特定のユーザーが利用できるチャネルの数は限られています。チャネルは事前割り当てまたは需要割り当て多重アクセス（DAMA）によって割り当てられます。^[11]これらの場合、スループットはチャネルごとに量子化され、部分的に使用されているチャネルの未使用容量は失われます。

最大スループットは、多くの場合、認識される帯域幅の信頼性の低い測定値です。たとえば、ファイル転送データ レート (ビット/秒) などです。上で指摘したように、達成されるスループットは、多くの場合、最大スループットよりも低くなります。また、プロトコル オーバーヘッドは、認識される帯域幅に影響します。スループットは、プロトコル オーバーヘッドの処理方法に関して明確に定義されたメトリックではありません。通常、スループットは、ネットワーク層の下、物理層の上にある参照ポイントで測定されます。最も単純な定義は、物理的に配信される 1 秒あたりのビット数です。この定義が実践されている典型的な例は、イーサネット ネットワークです。この場合、最大スループットは、総ビット レートまたは生のビット レートです。

ただし、フォワード エラー訂正コード(チャネル コーディング)を含む方式では、冗長エラー コードは通常、スループットから除外されます。モデム通信の例で、スループットは通常、ポイントツーポイント プロトコル(PPP) と回線交換モデム接続間のインターフェイスで測定されます。この場合、最大スループットは、ネット ビット レートまたは有効ビット レートと呼ばれることがよくあります。

ネットワークまたは接続の実際のデータ レートを決定するには、「グッドプット」測定定義を使用できます。たとえば、ファイル転送の場合、「グッドプット」はファイル サイズ (ビット単位) をファイル転送時間で割った値に相当します。「グッドプット」は、アプリケーション層プロトコルに 1 秒あたりに配信される有用な情報の量です。ドロップされたパケットやパケットの再送信、およびプロトコル オーバーヘッドは除外されます。そのため、「グッドプット」はスループットよりも低くなります。この差に影響を与える技術的な要因については、「グッドプット」の記事で説明しています。

多くの場合、データ フロー図のブロックには1 つの入力と 1 つの出力があり、個別の情報パケットに対して動作します。このようなブロックの例としては、高速フーリエ変換モジュールやバイナリ乗算器などがあります。スループットの単位は、伝播遅延の単位の逆数 (「メッセージあたりの秒数」または「出力あたりの秒数」) であるため、スループットを使用して、 ASICや組み込みプロセッサなどの専用機能を実行する計算デバイスを通信チャネルに関連付けることができ、システム分析が簡素化されます。

無線ネットワークまたはセルラー システムでは、システム スペクトル効率は、ビット/秒/Hz/エリア単位、ビット/秒/Hz/サイト、またはビット/秒/Hz/セルで表され、最大システム スループット (総スループット) をアナログ帯域幅とシステム カバレッジ エリアの測定値で割った値です。

アナログ チャネルのスループットは、変調方式、信号対雑音比、および利用可能な帯域幅によって完全に定義されます。スループットは通常、定量化されたデジタル データで定義されるため、「スループット」という用語は通常使用されず、「帯域幅」という用語が代わりに使用されることが多いです。

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• ジョンソン、グラハム、「高速デジタル設計、黒魔術ハンドブック」、プレンティスホール、1973年、ISBN 0-13-395724-1 
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