네트워크 스루풋

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통신 네트워크에서 네트워크 스루풋(또는 컨텍스트에 있는 경우 스루풋)은 이더넷이나 패킷무선 등의 통신 채널을 통한 메시지 전달 성공률입니다.이러한 메시지가 속한 데이터는 물리 링크 또는 논리 링크를 통해 전달되거나 특정 네트워크 노드를 통과할 수 있습니다.throughput은 보통 비트/초(bit/s 또는 bps) 단위로 측정되며, 경우에 따라서는 데이터 패킷/초(p/s 또는 pps) 또는 타임슬롯당 데이터 패킷 단위로 측정됩니다.

시스템 스루풋 또는 집약 스루풋은 네트워크 ^[1]내의 모든 단말기에 전달되는 데이터 레이트의 합계입니다.스루풋은 기본적으로 디지털 대역폭 소비와 동의어입니다.큐잉 이론을 적용하여 분석할 수 있습니다.큐잉 이론에서는 시간 단위당 패킷의 부하가 도달 레이트(θ), 스루풋은 시간 단위당 패킷의 저하가 이탈 레이트(μ)로 표시됩니다.

통신 시스템의 throughput은 기반이 되는 아날로그 물리 매체의 제한, 시스템컴포넌트의 사용 가능한 처리 능력, 최종 사용자의 동작 등 다양한 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다.다양한 프로토콜 오버헤드를 고려할 때, 전송되는 데이터의 유용한 속도는 달성 가능한 최대 처리량보다 훨씬 낮을 수 있습니다. 유용한 부분은 보통 goodput이라고 합니다.

최대 스루풋

통신 장치 사용자, 시스템 설계자 및 통신 이론 연구자는 종종 시스템의 예상 성능을 아는 데 관심이 있습니다.사용자 관점에서는 "내 요구에 가장 효과적으로 데이터를 가져올 수 있는 기기는?" 또는 "단가당 가장 많은 데이터를 제공할 수 있는 기기는?" 중 하나로 표현되는 경우가 많습니다.시스템 설계자는 종종 최종 성능을 좌우하는 시스템에 가장 효과적인 아키텍처 또는 설계 제약 조건을 선택하는 데 관심이 있습니다.대부분의 경우 시스템의 기능 또는 "최대 성능"의 벤치마크는 사용자 또는 설계자가 관심을 갖는 것입니다.throughput을 조사할 때 maximum throughput이라는 용어는 최종 사용자의 최대 throughput 테스트에 대해 자세히 설명하는 경우에 자주 사용됩니다.

최대 스루풋은 기본적으로 디지털 대역폭 용량과 동일합니다.

여러 시스템의 '상한' 개념적 성능을 비교할 때 사용되는 '최대 스루풋'의 맥락에서 4가지 다른 값이 의미가 있습니다.이론상 최대 throughput, 달성 가능한 최대 throughput, 피크 측정 throughput 및 최대 지속 throughput입니다.이들은 서로 다른 수량을 나타내며 서로 다른 '최대 처리량' 값을 비교할 때 동일한 정의를 사용하도록 주의해야 합니다.throughput 값의 비교도 같은 양의 정보를 전송하는 각 비트에 따라 달라집니다.데이터 압축은 스루풋 계산을 크게 왜곡시킬 수 있으며, 여기에는 100% 이상의 값이 생성됩니다.비트 레이트가 다른 직렬로 여러 링크에 의해 통신이 매개되는 경우 링크 전체의 최대 스루풋은 최저 비트레이트보다 낮거나 같습니다.시리즈 내에서 가장 낮은 값의 링크를 병목 현상이라고 합니다.

이론상 최대 스루풋

이 수치는 시스템의 ^[2]채널 용량과 밀접하게 관련되어 있으며 이상적인 상황에서 전송할 수 있는 최대 데이터 양입니다.데이터 압축 없이 패킷화되지 않은 시스템(비동기) 기술만이 이를 달성할 수 있기 때문에 이 수치가 채널 용량과 동일한 것으로 보고되는 경우가 있습니다.이론상 최대 throughput은 최적의 경우를 가정하여 형식과 사양의 오버헤드를 고려하는 것으로 보다 정확하게 보고됩니다.이 수치는 아래의 '최대 달성 가능 스루풋'이라는 용어와 마찬가지로 주로 대략적인 계산값으로 사용됩니다.예를 들어 시스템 설계 단계 초기에 가능한 성능의 한계를 결정하는 데 사용됩니다.

점근 스루풋

패킷 모드 통신 네트워크의 점근 스루풋(낮은 형식 점근 대역폭)은 착신 네트워크 부하가 무한대에 가까워졌을 때 최대 스루풋 함수의 값입니다.^[3]무한에 가까워졌을 때의 메시지사이즈 또는 데이터 소스의 수가 매우 크기 때문입니다.다른 비트레이트 및 데이터 대역폭과 마찬가지로 점근 스루풋은 비트/초(bit/s)로 측정되며, 바이트/초(B/s)는 거의 없습니다.여기서 1B/s는 8비트/초입니다.10진수 프리픽스가 사용됩니다.즉, 1 Mbit/s는 1000000 bit/s입니다.

점근 스루풋은 보통 네트워크를 통해 매우 큰 메시지(데이터 패킷의 시퀀스)를 송신 또는 시뮬레이션하고 과도한 소스 및 흐름 제어 메커니즘(TCP가 아닌 UDP)을 사용하여 대상 노드의 네트워크 경로 스루풋을 측정함으로써 추정됩니다.다른 송신원간의 트래픽 부하에 의해, 이 최대 네트워크 패스 스루풋이 저하하는 일이 있습니다.또는, 플로우 제어의 유무에 관계없이, 다수의 송신원 및 싱크를 모델링 해, 측정되는 집약 최대 네트워크 throughput(행선지에 도달하는 트래픽의 합계)을 실시할 수도 있습니다.무한 패킷 큐를 가진 네트워크 시뮬레이션 모델에서는 지연 시간(패킷큐잉 시간)이 무한대에 이르렀을 때 점근 스루풋이 발생합니다.패킷 큐가 한정되어 있거나 네트워크가 다수의 송신원을 가진 멀티 드롭 네트워크일 경우, 콜리전이 발생할 가능성이 있기 때문에 패킷 폐기율은 100%에 육박합니다.

점근 스루풋의 잘 알려진 적용은 포인트 투 포인트 통신 모델링에 있습니다.여기서 (호크니) 메시지 지연 시간 T(N) = (M + N)/A로 메시지 길이 N의 함수로 모델링됩니다.여기서 A는 점근 대역폭이고 M은 하프 피크 ^[4]길이입니다.

점근 스루풋은 일반적인 네트워크 모델링에서의 사용뿐만 아니라 시스템 운영이 프로세서 ^[5]성능뿐만 아니라 통신 오버헤드에 크게 의존하는 대규모 병렬 컴퓨터 시스템의 성능 모델링에도 사용됩니다.이러한 애플리케이션에서는 프로세서의 수를 포함하는 Xu 및 Hookney의 접근법보다 일반적인 모델(점근 스루풋)에서 점근 스루풋이 사용되므로 지연과 점근 스루풋은 ^[6]모두 프로세서 수의 함수입니다.

피크 측정 스루풋

위의 값은 이론적이거나 계산된 값입니다.피크 측정 스루풋은 실제 구현된 시스템 또는 시뮬레이션된 시스템에 의해 측정된 스루풋입니다.이 값은 단기간에 측정된 throughput입니다.수학적으로 이는 시간이 0에 가까워질 때 스루풋에 관해 취해지는 제한입니다.이 용어는 즉각적인 throughput과 동의어입니다.이 수치는 버스트 데이터 전송에 의존하는 시스템에 유용하지만 듀티 사이클이 높은 시스템의 경우 시스템 성능의 유용한 척도가 될 가능성이 낮습니다.

최대 지속 스루풋

이 값은 장기간에 걸쳐 평균 또는 통합된 throughput(무한으로 간주되는 경우도 있습니다)입니다.높은 듀티 사이클 네트워크의 경우 이는 시스템 성능을 나타내는 가장 정확한 지표가 될 수 있습니다.최대 스루풋은 부하(착신 데이터의 양)가 매우 큰 경우의 점근 스루풋으로 정의됩니다.부하와 throughput이 항상 같은(패킷 손실이 발생하지 않는) 패킷 교환 시스템에서는 최대 throughput은 전달 시간(지연)이 불안정해져 무한대로 증가하는 최소 부하(비트/초)로 정의할 수 있습니다.이 값은 패킷쉐이핑을 숨기기 위해 측정된 최대 throughput과 관련하여 잘못된 방법으로 사용될 수도 있습니다.

채널 사용률 및 효율성

throughput은 정규화되어 퍼센티지로 측정되는 경우가 있습니다만, 정규화로 인해 퍼센티지와 관련된 혼란이 발생할 수 있습니다.채널 사용률, 채널 효율 및 패킷 폐기율(%)은 덜 애매한 용어입니다.

채널 효율(대역폭 사용 효율이라고도 함)은 실제로 달성된 throughput에 도달하는 디지털 통신 채널의 순비트레이트(비트/초)의 비율입니다.예를 들어 100 Mbit/s 이더넷 접속으로 throughput이 70 Mbit/s일 경우 채널 효율은 70%입니다.이 예에서는 유효 70 Mbit의 데이터가 초당 전송됩니다.

채널 사용률은 스루풋을 무시하고 채널을 사용하는 것과 관련된 용어입니다.이는 데이터 비트뿐만 아니라 채널을 사용하는 오버헤드에도 반영됩니다.전송 오버헤드는 프리암블시퀀스, 프레임헤더 및 확인 응답 패킷으로 구성됩니다.정의에서는 노이즈가 없는 채널을 상정하고 있습니다.그렇지 않으면, 처리량은 프로토콜의 특성 (효율성)뿐만 아니라 채널의 품질에서 비롯된 재전송과도 연관될 것입니다.단순화된 접근방식으로 채널 효율은 확인 응답 패킷의 길이가 제로이고 통신 프로바이더가 재발송신 또는 헤더에 관련된 대역폭을 인식하지 않는다고 가정할 때 채널 사용률과 동등할 수 있습니다.따라서 특정 텍스트는 채널 사용률과 프로토콜 효율의 차이를 나타냅니다.

포인트 투 포인트 또는 포인트 투 멀티 포인트 통신 링크에서 최대 스루풋은 대개 물리 데이터 레이트(채널 용량)와 같거나 매우 가깝습니다.이는 이러한 네트워크에서는 작은 프레임 간 갭을 제외하고 채널 사용률이 거의 100%이기 때문입니다.

예를 들어 이더넷의 최대 프레임사이즈는 1526바이트입니다.페이로드는 최대 1500바이트, 프리암블은 8바이트, 헤더는 14바이트, 트레일러는 4바이트입니다.각 프레임 뒤에 12바이트에 대응하는 최소 프레임간 갭을 추가 삽입한다.이는 최대 채널 사용률 1526 / (1526 + 12) × 100% = 99.22% 또는 100 Mbit/s 이더넷 연결의 이더넷 데이터링크 계층 프로토콜 오버헤드를 포함한 최대 채널 사용률 99.22 Mbit/s에 해당합니다.최대 처리량 또는 채널 효율은 이더넷 프로토콜 오버헤드를 제외하고 1500 / (1526 + 12) = 97.5%입니다.

스루풋에 영향을 주는 요인

통신 시스템의 throughput은 매우 많은 요인에 의해 제한될 것이다.그 중 몇 가지는 다음과 같습니다.

아날로그 제한

달성 가능한 최대 throughput(채널 용량)은 대역폭(헤르츠 단위)과 아날로그 물리 매체의 신호 대 잡음비의 영향을 받습니다.

디지털 정보의 개념적인 단순함에도 불구하고, 와이어를 통해 이동하는 모든 전기 신호는 아날로그입니다.회선이나 무선 시스템의 아날로그 제한에 의해서, 송신할 수 있는 정보의 양에 상한이 생기는 것은 피할 수 없습니다.여기서 지배적인 방정식은 Shannon-Hartley 정리이며, 이 유형의 아날로그 제한은 신호의 아날로그 대역폭에 영향을 미치는 요인 또는 신호 대 잡음비에 영향을 미치는 요인으로 이해할 수 있습니다.유선 시스템의 대역폭은 실제로 놀라울 정도로 좁을 수 있으며 이더넷 와이어의 대역폭은 약 1GHz로 제한되며 PCB 트레이스도 같은 양으로 제한됩니다.

디지털 시스템은 '무릎 주파수'^[7]를 말합니다. 이는 디지털 전압이 공칭 디지털 '0'의 10%에서 공칭 디지털 '1'로 상승하거나 그 반대로 상승하는 시간입니다.무릎 주파수는 채널의 필요한 대역폭과 관련이 있으며 ^[8]다음 방정식으로 시스템의 3db 대역폭과 관련이 있을 수 있습니다.${\displaystyle {F\mathrm{}}_{}}$ 3 ${\displaystyle d_{}}$ B${\displaystyle {}_{}k}$K / ${\displaystyle T_{}}$r \ $displaystyle$\ F $_${ 3 $dB$} \ $approx$K / $T$_ { $r$} 여기서$$ Tr은 10% ~ 90% 상승시간이며 K는 펄스 형상에 관련된 비례 상수로서 지수 상승의 경우 0.35, 가우스 상승의 경우 0.338과 같다.

• RC 손실: 와이어에는 고유 저항과 접지 측 측정 시 고유 캐패시턴스가 있습니다.이로 인해 기생 캐패시턴스라고 불리는 효과가 발생하여 모든 와이어와 케이블이 RC 로우패스 필터로 작동합니다.
• 피부효과: 주파수가 증가함에 따라 전하가 와이어 또는 케이블의 가장자리로 이동합니다.이는 전류를 흘리는 데 사용할 수 있는 효과적인 단면적을 감소시켜 저항을 증가시키고 신호 대 잡음비를 감소시킵니다.AWG 24 와이어(Cat 5e 케이블에서 흔히 볼 수 있는 유형의)의 경우 피부 효과 주파수는 100kHz에서 와이어의 고유 저항률보다 우세합니다.1GHz에서는 저항률이 0.1옴/^[9]인치로 증가했습니다.
• 종료 및 호출:긴 와이어(파장 1/6보다 긴 와이어는 긴 것으로 간주할 수 있음)의 경우 전송선으로 모델링하고 종단을 고려해야 합니다.이렇게 하지 않으면 반사된 신호는 와이어를 통해 앞뒤로 이동하며 정보 전달 ^[10]신호에 양적 또는 음적으로 간섭합니다.
• 무선 채널 효과:무선 시스템에서는 무선 전송과 관련된 모든 영향에 의해 수신 신호의 SNR 및 대역폭이 제한되므로 송신할 수 있는 최대 비트 수가 제한됩니다.

IC 하드웨어 고려 사항

계산 시스템은 유한한 처리 능력을 가지고 있으며 유한한 전류를 구동할 수 있습니다.제한된 전류 드라이브 기능으로 인해 대용량 링크의 유효 신호 대 노이즈 비율이 제한될 수 있습니다.

처리가 필요한 대규모 데이터 로드는 하드웨어(라우터 등)에 데이터 처리 요건을 부과합니다.예를 들어, 10 x 100 Mbit/s 이더넷채널을 처리하는, 채워진 클래스B 서브넷을 지원하는 게이트웨이 라우터는, 16 비트의 주소를 조사해 각 패킷의 행선지 포토를 판별할 필요가 있습니다.이는 2^16 주소의 테이블을 사용하여 초당 81913 패킷(패킷당 최대 데이터 페이로드로 가정)으로 변환됩니다.이것에 의해, 라우터는 초당 53억6800만 개의 룩업 조작을 실행할 수 있을 필요가 있습니다.각 이더넷 패킷의 payload가 100 바이트로 감소하는 최악의 경우 초당 이 동작 수는 5,200억으로 급증합니다.이 라우터는 이러한 부하를 처리할 수 있도록 멀티테라플롭 처리 코어가 필요합니다.

• CSMA/CD 및 CSMA/CA는 콜리전이 검출된 후 대기시간과 프레임 재발송신을 '백오프'합니다.이 문제는 이더넷버스 네트워크와 허브네트워크 및 무선 네트워크에서도 발생할 수 있습니다.
• 예를 들어 TCP(Transmission Control Protocol) 프로토콜의 흐름 제어는 대역폭 지연 제품이 TCP 창보다 큰 경우(예: 버퍼 크기) throughput에 영향을 줍니다.이 경우, 송신측 컴퓨터는, 더 많은 패킷을 송신하기 전에, 데이터 패킷의 확인 응답을 기다릴 필요가 있습니다.
• TCP congestion 회피는 데이터 레이트를 제어합니다.이른바 '슬로우 스타트'는 파일 전송 시작 시 및 무선 링크 등의 라우터 폭주 또는 비트오류 때문에 패킷이 드롭된 후에 발생합니다.

다중 사용자 고려 사항

여러 사용자가 하나의 통신 링크를 조화롭게 공유할 수 있도록 하려면 링크의 공평한 공유가 필요합니다.데이터 레이트 R을 제공하는 보틀넥 통신 링크가 N개의 액티브 유저(큐에 적어도1개의 데이터 패킷 포함)에 의해서 공유되고 있는 경우, 공평한 큐잉 베스트 에포트 통신이 상정되고 있는 경우, 통상, 모든 유저는 약 R/N 의 throughput을 달성합니다.

• 네트워크 congestion에 의한 패킷 손실.폭주로 인해 패킷큐가 가득 차면 스위치 및 라우터에서 패킷이 폐기될 수 있습니다.
• 비트 오류로 인한 패킷 손실.
• 라우터 및 스위치의 스케줄링 알고리즘균등화 큐잉이 제공되지 않으면 큰 패킷을 보내는 사용자는 더 높은 대역폭을 얻게 됩니다.차별화 또는 보증 Quality of Service(QoS; 서비스 품질)가 제공되는 경우 일부 사용자는 Weighted Fair Queuing(WFQ; 가중치 균등화 큐잉) 알고리즘으로 우선순위를 설정할 수 있습니다.
• 위성 네트워크와 같은 일부 통신 시스템에서는 주어진 시간에 특정 사용자가 사용할 수 있는 채널 수는 한정될 수 있습니다.채널은 사전 할당 또는 DAMA(Demand Assigned Multiple Access)^[11]를 통해 할당됩니다.이 경우 throughput은 채널별로 양자화되어 부분적으로 사용되는 채널에서 사용되지 않는 용량이 손실됩니다.

뛰어난 처리 능력과 오버헤드

최대 throughput은 대부분의 경우 인식된 대역폭(예를 들어 파일 전송 데이터 속도/초)을 신뢰할 수 없습니다.위에서 설명한 바와 같이 달성된 throughput은 최대 throughput보다 낮은 경우가 많습니다.또한 프로토콜 오버헤드는 인식된 대역폭에 영향을 미칩니다.처리량은 프로토콜 오버헤드를 처리하는 방법에 대해 명확하게 정의된 메트릭이 아닙니다.일반적으로 네트워크 계층 아래 및 물리적 계층 위 참조 지점에서 측정됩니다.가장 간단한 정의는 물리적으로 전달되는 초당 비트 수입니다.이 정의가 실행되는 일반적인 예는 이더넷네트워크입니다이 경우 최대 스루풋은 총 비트레이트 또는 원시 비트환율입니다.

다만, 전송 에러 정정 코드(채널 부호화)를 포함한 스킴에서는, 통상, 용장 에러 코드는 throughput 로부터 제외됩니다.모뎀 통신의 예로서 일반적으로 Point-to-Point Protocol(PPP)과 회선 교환 모뎀 접속 사이의 인터페이스에서 throughput이 측정됩니다.이 경우 최대 스루풋은 보통 넷비트레이트 또는 유용한 비트레이트라고 불립니다.

네트워크 또는 접속의 실제 데이터 레이트를 판별하려면 "goodput" 측정 정의를 사용할 수 있습니다.예를 들어, 파일 전송에서 "goodput"은 파일 크기(비트)를 파일 전송 시간으로 나눈 값에 해당합니다."goodput"은 애플리케이션 계층 프로토콜에 초당 전달되는 유용한 정보의 양입니다.폐기된 패킷 또는 패킷 재발송신 및 프로토콜 오버헤드는 제외됩니다.그 때문에, 스루풋보다 「굿풋」이 낮아집니다.이 차이에 영향을 주는 기술적 요인은 "goodput" 기사에 기재되어 있습니다.

기타 데이터 스루풋 사용

집적회로

많은 경우 데이터 흐름도 내의 블록은 단일 입력과 단일 출력을 가지며 개별 정보 패킷으로 동작합니다.이러한 블록의 예로는 Fast Fourier Transform 모듈 또는 바이너리 승수가 있습니다.throughput 단위는 전파 지연 단위인 '메시지당 초수' 또는 '출력당 초수'의 역수이기 때문에 스루풋은 ASIC 또는 임베디드 프로세서 등의 전용 기능을 수행하는 계산 장치를 통신 채널에 관련짓는 데 사용할 수 있어 시스템 분석을 단순화할 수 있다.

무선 및 셀룰러 네트워크

무선 네트워크 또는 셀룰러 시스템에서 시스템의 스펙트럼 효율(비트/초/Hz/지역 단위, 비트/초/Hz/사이트 또는 비트/초/Hz/셀 단위)은 최대 시스템 스루풋(집약 스루풋)을 아날로그 대역폭 및 시스템커버리지 영역의 측정값으로 나눈 값입니다.

아날로그 채널 경유

아날로그 채널 상의 throughput은 모두 변조 방식, 신호 대 노이즈 비율 및 사용 가능한 대역폭에 의해 정의됩니다.throughput은 일반적으로 정량화된 디지털 데이터의 관점에서 정의되기 때문에 'throughput'이라는 용어는 일반적으로 사용되지 않습니다. 대신 'bandwidth'라는 용어가 더 자주 사용됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

무료 사전인 Wiktionary에서 네트워크 처리량을 검색합니다.

레퍼런스

추가 정보

• 랩포트, 테오도르 S무선통신, 원칙 및 실천 제2판, 프렌티스홀, 2002, ISBN 0-13-042232-0
• 블러허트, 리처드 E.데이터 전송을 위한 대수적 코드, 2004, ISBN 0-521-55374-1
• Li, Harnes, Holte, "멀티홉 무선 네트워크의 퍼포먼스에 대한 Lossy Links 영향", IEEE, 제14회 컴퓨터 통신 및 네트워크에 관한 국제회의 진행, 2005년 10월, 303 - 308
• Johnson, Graham, High Speed Digital Design, Black Magic 핸드북, 프렌티스 홀, 1973, ISBN 0-13-395724-1
• Roddy, Dennis, Satellite Communications 제3판, McGraw-Hill, 2001, ISBN 0-07-137176-1