ネットワークスループット

理論上の最大スループットはシステムのチャネル容量と密接に関係しており、 ^{[ 2 ]}理想的な状況下で送信可能なデータ量の最大値です。場合によっては、この数値がチャネル容量と等しいと報告されることもありますが、これは誤解を招く可能性があります。なぜなら、これを実現できるのはパケット化されていないシステム技術だけだからです。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して報告する方がより正確です。

パケットモード通信ネットワークの漸近スループット（より非公式には漸近帯域幅）は、メッセージサイズ[ ^{3 ]}またはデータソースの数のいずれかによって、受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、1 B/sは8 bit/sです​​。10進接頭辞が使用され、1 Mbit/sは1000000 bit/sを意味します。

漸近スループットは通常、貪欲な送信元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、非常に大きなメッセージ（データパケットのシーケンス）をネットワーク経由で送信またはシミュレートし、宛先ノードで受信されるデータ量を測定することによって推定されます。他の送信元間のトラフィック負荷により、この最大ネットワークパススループットが低下する可能性があります。あるいは、フロー制御の有無にかかわらず、多数の送信元と受信元をモデル化し、集計された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。パケットキューが無限に大きいネットワークシミュレーションモデルでは、ネットワーク遅延（パケットキューイング時間による）が無限大になると漸近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送信元を持つマルチドロップネットワークであり、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。

漸近スループットのよく知られた応用例は、メッセージ遅延を伴うポイントツーポイント通信のモデリングである。${\displaystyle T(N)}$メッセージ長の関数としてモデル化される${\displaystyle N}$として${\displaystyle T(N)=(M+N)/A}$どこ${\displaystyle A}$は漸近帯域幅であり、${\displaystyle M}$は半値幅である。^{[ 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の使用に加えて、システムの動作がプロセッサのパフォーマンスだけでなく通信オーバーヘッドにも大きく依存する大規模並列コンピュータシステムのパフォーマンスのモデリングにも使用されます。 ^{[ 5 ]}これらのアプリケーションでは、プロセッサ数を含むモデリングに漸近スループットが使用されるため、レイテンシと漸近スループットの両方がプロセッサ数の関数になります。^{[ 6 ]}

漸近スループットが理論値または計算値の容量であるのに対し、ピーク測定スループットは、実際に実装されたシステムまたはシミュレーションされたシステムで測定されたスループットです。この値は、短時間にわたって測定されたスループットであり、数学的には、時間がゼロに近づくときのスループットの限界値です。この用語は、瞬間スループットと同義です。この数値は、バーストデータ伝送に依存するシステムには有用ですが、デューティサイクルが高いシステムでは、システム性能の有用な指標とはなりにくいでしょう。

最大持続スループットとは、長時間にわたって平均または積分されたスループットのことです。一定の負荷がかかっているネットワークでは、これがシステム性能の最も正確な指標となる可能性が高いです。最大スループットは、負荷が大きいときの漸近スループットとして定義されます。パケット交換ネットワークでは、パケット損失が発生しない限り、負荷とスループットは常に等しくなります。最大スループットは、パケット損失を引き起こす、または遅延が不安定になり無限大に近づく最小負荷（ビット/秒）として定義される場合もあります。

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）と信号対雑音比によって影響を受ける。通信機器の電流駆動能力が限られている場合、高容量リンクにおける実効信号対雑音比が制限される可能性がある。

デジタル情報は概念的には単純明快ですが、電線を伝わる電気信号はすべてアナログ信号です。電線や無線システムのアナログ的な制約は、必然的に送信できる情報量の上限を規定します。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、この種のアナログ的な制約は、信号のアナログ帯域幅に影響を与える要因、あるい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。イーサネットで使用されるツイストペアケーブルの帯域幅は約1GHzに制限されており 、プリント基板の配線も同様に制限されています。

デジタルシステムでは、ニー周波数^{[ 7 ]}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、またはその逆の時間を指します。ニー周波数はチャネルの帯域幅に関係しており、次の式でシステムの3dB帯域幅と関連付けることができます。 ^{[ 8 ]}${\displaystyle \ F_{3dB}\approx K/T_{r}}$ ここで、Trは10%から90%までの立ち上がり時間であり、Kはパルス形状に関連する比例定数で、指数関数的立ち上がりの場合は0.35、ガウス型立ち上がりの場合は0.338となる。

その他の類似要因としては、以下のようなものがある。

• RC損失：電線は、接地を基準とした場合、固有の抵抗と固有の静電容量を持ちます。このため、すべての電線とケーブルはRCローパスフィルタとして機能します。
• 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、電流を流すため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 ワイヤ（ Cat 5eケーブルで一般的に見られるタイプ）の場合、100 kHz では、表皮効果周波数がワイヤの固有抵抗率よりも支配的になります 。1  GHz では、抵抗率は 1 インチあたり 0.1 オームに増加しています。^{[ 9 ]}
• 終端とリンギング：約 1/6 波長より長いワイヤは伝送線路としてモデル化し、終端を考慮する必要があります。終端がない場合、反射信号がワイヤ内を往復し、情報伝送信号に干渉します。^{[ 10 ]}
• 無線チャネルの影響：無線システムでは、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、その結果、最大伝送速度が制限されます。

処理を必要とする大量のデータ負荷は、ハードウェアにデータ処理能力の負荷を課します。例えば、ゲートウェイルータは、毎秒数十億個のパケットを検査し、ルーティングテーブルを参照する必要があります。

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は、伝送速度を低下させます。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だけでなく、無線ネットワークでも発生する可能性があります。

例えば、伝送制御プロトコル（TCP）におけるフロー制御は、帯域幅遅延積がTCPウィンドウよりも大きい場合、スループットに影響を与えます。その場合、送信側のコンピュータは、次のパケットを送信する前に、データパケットの確認応答を待たなければなりません。

TCP輻輳回避機能はデータ転送速度を制御します。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無線リンクにおけるビットエラーなどによってパケットが失われた後に発生します。

複数のユーザーが単一の通信リンクを円滑に共有できるようにするには、リンクを公平に共有する方法が必要です。データレートRを提供する通信リンクをN人のアクティブユーザーが共有する場合、理想的には、各ユーザーは通常、約R/Nのスループットを達成できます。

ルーターやスイッチのネットワークスケジューラは、最終的に帯域幅の共有方法を決定します。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にはより多くの帯域幅が割り当てられます。差別化された、または保証されたサービス品質（QoS）が提供されている場合、重み付き公平キューイング（WFQ）アルゴリズムでは、一部のユーザーが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が限られている場合があります。チャネルは、事前割り当てまたはデマンド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、部分的に使用されるチャネルの未使用容量は失われます。

データフロー図におけるブロックは、多くの場合、単一の入力と単一の出力を持ち、離散的な情報パケットを処理します。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（例えば、1秒あたりのメッセージ数）は伝搬遅延の単位（例えば、1メッセージあたりの秒数）の逆数であるため、スループットを用いることで、計算ブロックと通信チャネルを関連付けることができ、システム解析を簡素化できます。

無線ネットワークやセルラーシステムにおいて、システムのスペクトル効率（単位：bit/s/Hz/エリア、bit/s/Hz/サイト、bit/s/Hz/セル）は、最大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何らかの尺度で割った値です。

アナログチャネルにおけるスループットは、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決まります。スループットは通常、定量化されたデジタルデータに基づいて定義されるため、「スループット」という用語は通常使用されず、「帯域幅」という用語がより頻繁に使用されます。