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En términos generales, el rendimiento es la tasa de producción o la tasa a la que se procesa algo.

Cuando se usa en el contexto de redes de comunicación , como Ethernet o radio por paquetes , el rendimiento o el rendimiento de la red es la tasa de entrega exitosa de mensajes a través de un canal de comunicación. Los datos a los que pertenecen estos mensajes pueden entregarse a través de un enlace físico o lógico, o pueden pasar a través de un determinado nodo de red . El rendimiento se mide generalmente en bits por segundo (bit / so bps) y, a veces, en paquetes de datos por segundo (p / so pps) o paquetes de datos por intervalo de tiempo .

El rendimiento del sistema o el rendimiento agregado es la suma de las velocidades de datos que se entregan a todos los terminales de una red. [1] El rendimiento es esencialmente sinónimo de consumo de ancho de banda digital ; se puede analizar matemáticamente aplicando la teoría de las colas , donde la carga en paquetes por unidad de tiempo se denota como la tasa de llegada ( λ ), y el rendimiento, donde la caída en paquetes por unidad de tiempo, se denota como la tasa de salida ( μ ).

El rendimiento de un sistema de comunicación puede verse afectado por varios factores, incluidas las limitaciones del medio físico analógico subyacente, la potencia de procesamiento disponible de los componentes del sistema y el comportamiento del usuario final . Cuando se tienen en cuenta varios gastos generales de protocolo, la tasa útil de los datos transferidos puede ser significativamente menor que el rendimiento máximo alcanzable; la parte útil suele denominarse buen rendimiento .

Rendimiento máximo [ editar ]

Los usuarios de dispositivos de telecomunicaciones, diseñadores de sistemas e investigadores de la teoría de la comunicación suelen estar interesados ​​en conocer el rendimiento esperado de un sistema. Desde la perspectiva del usuario, esto a menudo se expresa como "¿qué dispositivo llevará mis datos allí de manera más efectiva para mis necesidades?", O "¿qué dispositivo entregará la mayor cantidad de datos por costo unitario?". Los diseñadores de sistemas a menudo están interesados ​​en seleccionar la arquitectura o las restricciones de diseño más efectivas para un sistema, que impulsan su rendimiento final. En la mayoría de los casos, el punto de referencia de lo que es capaz de hacer un sistema, o su "rendimiento máximo", es lo que le interesa al usuario o al diseñador. Al examinar el rendimiento, el término rendimiento máximo se utiliza con frecuencia cuando se analizan las pruebas de rendimiento máximo del usuario final. en detalle.

El rendimiento máximo es esencialmente sinónimo de capacidad de ancho de banda digital .

Cuatro valores diferentes tienen significado en el contexto de "rendimiento máximo", que se utiliza para comparar el rendimiento conceptual del "límite superior" de varios sistemas. Son 'rendimiento teórico máximo', 'rendimiento máximo alcanzable' y 'rendimiento máximo medido' y 'rendimiento máximo sostenido'. Estos representan cantidades diferentes y se debe tener cuidado de que se utilicen las mismas definiciones al comparar diferentes valores de 'rendimiento máximo'. La comparación de los valores de rendimiento también depende de que cada bit lleve la misma cantidad de información. Compresión de datospuede sesgar significativamente los cálculos de rendimiento, incluida la generación de valores superiores al 100%. Si la comunicación está mediada por varios enlaces en serie con diferentes velocidades de bits, el rendimiento máximo del enlace general es menor o igual que la velocidad de bits más baja. El vínculo de valor más bajo de la serie se denomina cuello de botella .

Rendimiento teórico máximo [ editar ]

Este número está estrechamente relacionado con la capacidad de canal del sistema, [2] y es la cantidad máxima posible de datos que se pueden transmitir en circunstancias ideales. En algunos casos, este número se informa como igual a la capacidad del canal, aunque esto puede ser engañoso, ya que solo las tecnologías de sistemas no empaquetados (asíncronos) pueden lograrlo sin compresión de datos. El rendimiento teórico máximo se informa con mayor precisión para tener en cuenta el formato y la sobrecarga de especificación con las mejores suposiciones. Este número, al igual que el término estrechamente relacionado 'rendimiento máximo alcanzable' a continuación, se utiliza principalmente como un valor calculado aproximado, como para determinar los límites del rendimiento posible al principio de una fase de diseño del sistema.

Rendimiento asintótico [ editar ]

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 la red entrante se acerca al infinito , ya sea debido al tamaño del mensaje cuando se acerca al infinito , [3] o el número de fuentes de datos es muy grande. Como otras velocidades de bits y anchos de banda de datos , el rendimiento asintótico se mide en bits por segundo (bit / s), muy raramente bytes por segundo (B / s), donde 1 B / s es 8 bit / s. Prefijos decimales se utilizan, lo que significa que 1 Mbit / s es 1000000 bit / s.

El rendimiento asintótico generalmente se estima enviando o simulando un mensaje muy grande (secuencia de paquetes de datos) a través de la red, utilizando una fuente codiciosa y sin mecanismo de control de flujo (es decir, UDP en lugar de TCP ) y midiendo el rendimiento de la ruta de la red en el nodo de destino. . La carga de tráfico entre otras fuentes puede reducir este rendimiento máximo de ruta de red. Alternativamente, se puede modelar una gran cantidad de fuentes y sumideros, con o sin control de flujo, y medir el rendimiento de la red máximo agregado (la suma del tráfico que llega a sus destinos). En un modelo de simulación de red con colas de paquetes infinitas, el rendimiento asintótico se produce cuando la latencia (el tiempo de cola de paquetes) va al infinito, mientras que si las colas de paquetes son limitadas, o la red es una red multipunto con muchas fuentes, y pueden ocurrir colisiones, la tasa de caída de paquetes se acerca al 100%.

Una aplicación bien conocida del rendimiento asintótico es el modelado de la comunicación punto a punto donde (siguiendo a Hockney) la latencia del mensaje T (N) se modela como una función de la longitud del mensaje N como T (N) = (M + N) / A donde A es el ancho de banda asintótico y M es la longitud de medio pico. [4]

Además de su uso en el modelado general de redes, el rendimiento asintótico se usa en el modelado del 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 usa en el modelo Xu y Hwang (más general que el enfoque de Hockney) que incluye el número de procesadores, de modo que tanto la latencia como el rendimiento asintótico son funciones del número de procesadores. [6]

Rendimiento máximo medido [ editar ]

Los valores anteriores son teóricos o calculados. El rendimiento máximo medido es el rendimiento medido por un sistema real implementado o un sistema simulado. El valor es el rendimiento medido durante un período corto de tiempo; matemáticamente, este es el límite tomado con respecto al rendimiento cuando el tiempo se acerca a cero. Este término es sinónimo de rendimiento instantáneo . Este número 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.

Rendimiento máximo sostenido [ editar ]

Este valor es el rendimiento promedio o integrado durante un tiempo prolongado (a veces se considera infinito). Para redes de alto ciclo de trabajo, es probable que este sea el indicador más preciso del rendimiento del sistema. El rendimiento máximo se define como el rendimiento asintótico cuando la carga (la cantidad de datos entrantes) es muy grande. En los sistemas de conmutación de paquetes donde la carga y el rendimiento siempre son iguales (donde no se produce la pérdida de paquetes ), el rendimiento máximo puede definirse como la carga mínima en bit / s que hace que el tiempo de entrega (la latencia ) se vuelva inestable y aumente hacia el infinito. Este valor también se puede utilizar de forma engañosa en relación con el rendimiento máximo medido para ocultar la forma del paquete .

Utilización y eficiencia del canal [ editar ]

El rendimiento a veces se normaliza y se mide en porcentaje, pero la normalización puede causar confusión con respecto a con qué se relaciona el porcentaje. La utilización del canal , la eficiencia del canal y la tasa de caída de paquetes en porcentaje son términos menos ambiguos.

La eficiencia del canal, también conocida como eficiencia de utilización del ancho de banda, es el porcentaje de la tasa de bits neta (en bit / s) de un canal de comunicación digital que llega al rendimiento realmente logrado. Por ejemplo, si el rendimiento es de 70 Mbit / s en una conexión Ethernet de 100 Mbit / s, la eficiencia del canal es del 70%. En este ejemplo, cada segundo se transmiten 70 Mbit de datos efectivos.

La utilización del canal es, en cambio, un término relacionado con el uso del canal sin tener en cuenta el rendimiento. Cuenta no solo con los bits de datos sino también con la sobrecarga que hace uso del canal. La sobrecarga de transmisión consta de secuencias de preámbulo, encabezados de trama y paquetes de reconocimiento. Las definiciones asumen un canal silencioso. De lo contrario, el rendimiento no solo estaría asociado a la naturaleza (eficiencia) del protocolo, sino también a las retransmisiones resultantes de la calidad del canal. En un enfoque simplista, la eficiencia del canal puede ser igual a la utilización del canal asumiendo que los paquetes de reconocimiento son de longitud cero y que el proveedor de comunicaciones no verá ningún ancho de banda en relación con las retransmisiones o encabezados. Por tanto, determinados textos marcan una diferencia entre la utilización del canal y la eficacia del protocolo.

En un enlace de comunicación punto a punto o punto a multipunto , donde solo un terminal está transmitiendo, el rendimiento máximo a menudo es equivalente o muy cercano a la velocidad de datos físicos (la capacidad del canal ), ya que la utilización del canal puede ser casi 100% en una red de este tipo, excepto por un pequeño espacio entre tramas.

Por ejemplo, el tamaño máximo de trama en Ethernet es 1526 bytes: hasta 1500 bytes para la carga útil, ocho bytes para el preámbulo, 14 bytes para el encabezado y 4 bytes para el final. Se inserta un espacio entre tramas mínimo adicional correspondiente a 12 bytes después de cada trama. Esto corresponde a una utilización máxima de canal de 1526 / (1526 + 12) × 100% = 99,22%, o una utilización máxima de canal de 99,22 Mbit / s, incluida la sobrecarga del protocolo de capa de enlace de datos Ethernet en una conexión Ethernet de 100 Mbit / s. El rendimiento máximo o la eficiencia del canal es entonces 1500 / (1526 + 12) = 97,5%, sin incluir la sobrecarga del protocolo Ethernet.

Factores que afectan el rendimiento [ editar ]

El rendimiento de un sistema de comunicación estará limitado por una gran cantidad de factores. Algunos de ellos se describen a continuación:

Limitaciones analógicas [ editar ]

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.

A pesar de la simplicidad conceptual de la información digital, todas las señales eléctricas que viajan por cables son analógicas. Las limitaciones analógicas de los cables o los sistemas inalámbricos proporcionan inevitablemente un límite superior en la cantidad de información que se puede enviar. La ecuación dominante aquí es el teorema de Shannon-Hartley , y las limitaciones analógicas de este tipo pueden entenderse como factores que afectan el ancho de banda analógico de una señal o como factores que afectan la relación señal / ruido. De hecho, el ancho de banda de los sistemas cableados puede ser sorprendentemente estrecho, con el ancho de banda del cable Ethernet limitado a aproximadamente 1 GHz y las trazas de PCB limitadas en una cantidad similar.

Los sistemas digitales se refieren a la "frecuencia de rodilla", [7] la cantidad de tiempo que tarda la tensión digital en subir 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 requerido de un canal y se puede relacionar con el ancho de banda de 3 db de un sistema mediante la ecuación: [8] 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 aumento exponencial y 0,338 para aumento gaussiano.

  • Pérdidas RC: los cables tienen una resistencia inherente y una capacitancia inherente cuando se miden con respecto a tierra. Esto conduce a efectos llamados capacitancia parásita , lo que hace que todos los alambres y cables actúen como filtros de paso bajo RC.
  • Efecto piel : a medida que aumenta la frecuencia, las cargas eléctricas migran a los bordes de los alambres o cables. Esto reduce el área de sección transversal efectiva disponible para transportar corriente, aumentando la resistencia y reduciendo la relación señal / ruido. Para el cable AWG 24 (del tipo que se encuentra comúnmente en el cable Cat 5e ), la frecuencia del efecto de piel se vuelve dominante sobre la resistividad inherente del cable a 100 kHz. A 1 GHz, la resistividad ha aumentado a 0,1 ohmios / pulgada. [9]
  • Terminación y timbre: Para cables largos (los cables de más de 1/6 de longitud de onda pueden considerarse largos) deben modelarse como líneas de transmisión y tener en cuenta la terminación. A menos que se haga esto, las señales reflejadas viajarán de un lado a otro a través del cable, interfiriendo positiva o negativamente con la señal portadora de información. [10]
  • Efectos de canal inalámbrico : para los sistemas inalámbricos, todos los efectos asociados con la transmisión inalámbrica limitan la SNR y el ancho de banda de la señal recibida y, por lo tanto, el número máximo de bits que se pueden enviar.

Consideraciones de hardware IC [ editar ]

Los sistemas computacionales tienen un poder de procesamiento finito y pueden impulsar una corriente finita. La capacidad de transmisión de corriente limitada puede limitar la relación señal / ruido efectiva para enlaces de alta capacitancia .

Las grandes cargas de datos que requieren procesamiento imponen requisitos de procesamiento de datos en el hardware (como los enrutadores). Por ejemplo, un enrutador de puerta de enlace que admita una subred de clase B poblada , que maneje canales Ethernet de 10 x 100 Mbit / s, debe examinar 16 bits de dirección para determinar el puerto de destino de cada paquete. Esto se traduce en 81913 paquetes por segundo (asumiendo la carga útil máxima de datos por paquete) con una tabla de 2 ^ 16 direcciones, esto requiere que el enrutador pueda realizar 5.368 mil millones de operaciones de búsqueda por segundo. En el peor de los casos, donde las cargas útiles de cada paquete Ethernet se reducen a 100 bytes, esta cantidad de operaciones por segundo salta a 520 mil millones. Este enrutador requeriría un núcleo de procesamiento de múltiples teraflop para poder manejar dicha carga.

  • Tiempo de espera de "retroceso" de CSMA / CD y CSMA / CA y retransmisiones de tramas después de detectar colisiones. Esto puede ocurrir en redes de bus Ethernet y redes de concentradores, así como en redes inalámbricas.
  • el control de flujo , por ejemplo en el protocolo Transmission Control Protocol (TCP), afecta el rendimiento si el producto de retardo de ancho de banda es mayor que la ventana TCP, es decir, el tamaño del búfer. En ese caso, la computadora emisora ​​debe esperar el reconocimiento de los paquetes de datos antes de poder enviar más paquetes.
  • La prevención de la congestión de TCP controla la velocidad de datos. El llamado "inicio lento" ocurre al comienzo de la transferencia de un archivo y después de que los paquetes caigan debido a la congestión del enrutador o errores de bits en, por ejemplo, enlaces inalámbricos.

Consideraciones multiusuario [ editar ]

Asegurar que varios usuarios puedan compartir armoniosamente un único enlace de comunicaciones requiere algún tipo de intercambio equitativo del enlace. Si un enlace de comunicación de cuello de botella que ofrece una velocidad de datos R es compartido por "N" usuarios activos (con al menos un paquete de datos en la cola), cada usuario típicamente logra un rendimiento de aproximadamente R / N , si se asume una comunicación de mejor esfuerzo en cola justa. .

  • Pérdida de paquetes debido a la congestión de la red . Los paquetes pueden caer en conmutadores y enrutadores cuando las colas de paquetes están llenas debido a la congestión.
  • Pérdida de paquetes debido a errores de bits .
  • Programación de algoritmos en enrutadores y conmutadores. Si no se proporciona una cola justa, los usuarios que envían paquetes grandes obtendrán un mayor ancho de banda. Algunos usuarios pueden tener prioridad en un algoritmo de cola equitativa ponderada (WFQ) si se proporciona calidad de servicio (QoS) diferenciada o garantizada .
  • En algunos sistemas de comunicaciones, como las redes de satélite, solo un número finito de canales puede estar disponible para un usuario determinado en un momento determinado. Los canales se asignan mediante asignación previa 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.

Buen rendimiento y gastos generales [ editar ]

El rendimiento máximo es a menudo una medida poco fiable del ancho de banda percibido, por ejemplo, la velocidad de transmisión de datos de archivos en bits por segundo. Como se señaló anteriormente, el rendimiento alcanzado es a menudo menor que el rendimiento máximo. Además, la sobrecarga del protocolo afecta el ancho de banda percibido. El rendimiento no es una métrica bien definida cuando se trata de cómo lidiar con la sobrecarga del protocolo. Por lo general, se mide en un punto de referencia debajo de la capa de red y por encima de la capa física. La definición más simple es la cantidad de bits por segundo que se entregan físicamente. Un ejemplo típico en el que se practica esta definición es una red Ethernet. En este caso, el rendimiento máximo es la tasa de bits bruta o la tasa de bits sin procesar .

Sin embargo, en los esquemas que incluyen códigos de corrección de errores de envío (codificación de canal), el código de error redundante normalmente se excluye del rendimiento. Un ejemplo de comunicación por módem , donde el rendimiento se mide típicamente en la interfaz entre el Protocolo punto a punto (PPP) y la conexión del módem por conmutación de circuitos. En este caso, el rendimiento máximo a menudo se denomina tasa de bits neta o tasa de bits útil .

Para determinar la velocidad de datos real de una red o conexión, se puede utilizar la definición de medición de " buen rendimiento ". Por ejemplo, en la transmisión de archivos, el "buen rendimiento" corresponde al tamaño del archivo (en bits) dividido por el tiempo de transmisión del archivo. El " buen rendimiento " es la cantidad de información útil que se entrega por segundo al protocolo de la capa de aplicación . Se excluyen los paquetes descartados o las retransmisiones de paquetes, así como la sobrecarga del protocolo. Por eso, el "buen rendimiento" es menor que el rendimiento. Los factores técnicos que afectan la diferencia se presentan en el artículo " goodput ".

Otros usos del rendimiento de los datos [ editar ]

Circuitos integrados [ editar ]

A menudo, un bloque en un diagrama de flujo de datos tiene una sola entrada y una sola salida, y opera en paquetes discretos de información. Ejemplos de tales bloques son los módulos de Transformada Rápida de Fourier o los multiplicadores binarios . Debido a que las unidades de rendimiento son recíprocas de la unidad de retardo de propagación , que es 'segundos por mensaje' o 'segundos por salida', el rendimiento se puede utilizar para relacionar un dispositivo computacional que realiza una función dedicada como un ASIC o un procesador integrado con un canal de comunicaciones, simplificando el análisis del sistema.

Redes inalámbricas y celulares [ editar ]

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

Por canales analógicos [ editar ]

El rendimiento en canales analógicos se define completamente 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, el término "rendimiento" no se utiliza normalmente; en su lugar, el término "ancho de banda" se utiliza con más frecuencia.

Ver también [ editar ]

  • BWPing
  • Fuente codiciosa
  • Computación de alto rendimiento (HTC)
  • Iperf
  • Medir el rendimiento de la red
  • Medición del tráfico de la red
  • Ingeniería de desempeño
  • Modelo de generación de tráfico
  • ttcp

Referencias [ editar ]

  1. ^ Guowang Miao , Jens Zander, KW Sung y Ben Slimane, Fundamentos de las redes de datos móviles, Cambridge University Press, ISBN  1107143217 , 2016.
  2. Blahut, 2004, p.4
  3. ^ Modelado de mensajes que pasan por encima de CY Chou et al. en Advances in Grid and Pervasive Computing: First International Conference, GPC 2006 editado por Yeh-Ching Chung y José E. Moreira ISBN 3540338098 páginas 299-307 
  4. ^ Avances recientes en la interfaz de paso de mensajes y máquinas virtuales paralelas por Jack Dongarra, Emilio Luque y Tomas Margalef 1999 ISBN 3540665498 página 134 
  5. ^ M. Resch y col. Una comparación del rendimiento de MPI en diferentes MPP en Avances recientes en la interfaz de transmisión de mensajes y máquinas virtuales paralelas, Notas de la conferencia en Ciencias de la Computación, 1997, Volumen 1332/1997, 25-32
  6. ^ Computación y redes de alto rendimiento editado por Angelo Mañas, Bernardo Tafalla y Rou Rey Jay Pallones 1998 ISBN 3540644431 página 935 
  7. Johnson, 1993, 2-5.
  8. ^ Johnson, 1993, 9
  9. ^ Johnson, 1993, 154
  10. ^ Johnson, 1993, 160-170
  11. Roddy, 2001, 370 - 371

Lectura adicional [ editar ]

  • Rappaport, Theodore S. Wireless Communications, Principles and Practice, segunda edición, Prentice Hall , 2002, ISBN 0-13-042232-0 
  • Blahut, Richard E. Códigos algebraicos para la transmisión de datos Cambridge University Press , 2004, ISBN 0-521-55374-1 
  • Li, Harnes, Holte, "Impact of Lossy Links on Performance of Multihop Wireless Networks", IEEE, Actas de la 14ª Conferencia Internacional sobre Comunicaciones y Redes de Computadoras, octubre de 2005, 303 - 308
  • Johnson, Graham, Diseño digital de alta velocidad, un manual de magia negra , Prentice Hall , 1973, ISBN 0-13-395724-1 
  • Roddy, Dennis, Comunicaciones por satélite , tercera edición, McGraw-Hill , 2001, ISBN 0-07-137176-1