توان عملیاتی

توان عملیاتی:به انگلیسیTHROUGHPUT

این مقاله در مورد استفاده از توان عملیاتی در شبکه های ارتباطی است. برای درایوهای دیسک توان هارددیسک و برای مدیریت کسب وکار توان کسب وکار را مشاهده نمایید.

در شبکه های ارتباطی ماننداترنتیا بسته های رادیویی خروجی یا توان شبکه متوسط نرخ تحویل ،موفق پیام در یک کانال ارتباطی است. این داده ها ممکن است از یک پیوند فیزیکی یا منطقی و یا عبور از طریق گره شبکه خاص تحویل داده شوند.توان عملیاتی معمولاً" بوسیله بیت بر ثانیهوگاهی اوقات بسته های داده برثانیه یا بسته های داده، دربازه های زمانی اندازه گیری می شود. توان سیستم یا توان کل عبارتست از مجموع نرخ داده هایی که به همه پایانه ها که در یک شبکه تحویل داده شده است. توان را می توان به صورت ریاضی با استفاده ازتئوری صف، که درآن بار در بسته در واحد زمان با نرخ ورود λ،وتوان در بسته در هر واحد زمان با نرخ خروج μ مشخص می شود، تجزیه وتحلیل شده است.

توان اساساً مترادف با مصرفپهنای باند دیجیتال است.

توان ماکزیمم

همچنین ببینیدنرخ اوج اطلاعات:

کاربران دستگاههای مخابراتی وطراحان سیستم ها ومحققان نظریه ارتباطات اغلب به شناخت عملکرد مورد انتظار از یک سیستم علاقه‌مند شده‌اند.از دید یک کاربر اغلب به صورت" دستگاه ا طلاعات من وجود دارد به طور موثر برای نیازهای من؟"یا"کدام وسیله داده های بیشتری در واحد هزینه ارائه خواهد داد؟" طراحان اغلب علاقه‌مند به انتخاب موثرترین معماری یا طراحی محدودیتها برای سیستم که عملکرد نهایی ان است.در اغلب موارد معیار آنچه سیستم قادر به انجام آن است یا حداکثر کارایی سیستم آن چیزی است که طراح ویا کاربر بدان علاقه‌مند است.هنگام بررسی توان اغلب اصطلاح" حداکثر توان "آنجایی بکار گرفته میشود که آزمون حداکثر توان کاربر نهایی بطور مفصل ،مورد بحث قرار می گیرد.

توان ماکزیمم اساساً مترادف باپهنای باند دیجیتال است.

چهار مقدار مختلف به این معنی در زمینه"حداکثر"در مقایسه عملکرد مفهومی" حد بالایی" از سیستم های مختلف استفاده میشود.که عبارتند از”حداکثر توان نظری" "حداکثر توان دست یافتنی" "اوج توان اندازه گیری" " حداکثر توان پایدار".اینها نشان دهنده مقادیر مختلف هستند وباید دقت شود که در مقایسه با مقادیر مختلف"حداکثر"تعاریف مشابه استفاده می شود. مقایسه مقادیر توان وابسته است به هر بیتی که مقادیر یکسانی از اطلاعات را حمل می کند.فشرده سازی داده ها می تواند به میزان قابل توجهی انحراف محاسبات توان را از جمله ایجاد ارزش بیشتر از 100% سبب شود.اگر ارتباط با لینکهای مختلف در مجموعه ای با نرخ بیتهای متفاوت برقرار شود حداکثر توان لینک کلی کمتر یا مساوی کمترین نرخ بیت خواهد بود.لینک با کمترین ارزش در مجموعه با عنوانتنگنا شناخته می شود.

توان ماکزیمم نظری

این مقدار بهظرفیت کانالسیستم مرتبط است وحداکثر مقدار ممکن از اطلاعات است که می تواند تحت شرایط ایده‌آل منتقل شود.در برخی موارد این مقدار برابر با ظرفیت کانال گزارش می شود گرچه این مقدار می تواند فریبنده باشد فقط سیستمهای آسنکرون می توانند بدون فشرده سازی داده ها بدان دست یابند. حداکثر توان نظری بطور دقیق به سربارفرمت ومشخصات حساب با بهترین مفروضات گزارش شده است.این تعداد مانند"حداکثر توان دست یافتنی" زیر در درجه اول به عنوان یک ارزش خشن مورد استفاده واقع می شود،از جمله برای تعیین مرزهای عملکرد ممکن اولیه در مرحله طراحی یک سیستم استفاده می شود.

توان ماکزیمم اندازه گیری شده

مقادیر بالا مقادیر نظری یا محاسبه ای اند.توان اندازه گیری شده اوج توانی است که درواقعیت یا سیستم اجرا شده ویا سیستم شبیه سازی شده،اندازه گیری می شود.مقدار توان اندازه گیری شده در طی یک دوره کوتاه از زمان است.به عبارت ریاضی این حدی است که از توان گرفته می شود در حالی که زمان به صفر میل کند.این اصطلاح مترادف است با "توان آنی".این توان برای سیستمهایی مفید است که بر انتقال پشت سرهم انتقال داده ها تکیه می کنند با این حال برای سیستمهایی باسیکل وظیفه بزرگتر برای اندازه گیری کارایی سیتم کمتر مفید واقع می شود.

توان ماکزیمم پایدار

این مقدار متوسط توان است ویا در یک مدت طولانی(گاهی اوقات بینهایت) یکپارچه شده است.برای شبکه های با سیکل وظیفه طولانی به احتمال زیاد یک نشانگر دقیق از عملکرد سیستم است.ماکزیمم توان تعریف می شود به عنوان توان مجانبی موقعیکه بار( مقدارداده ورودی)خیلی زیاد است.در سیستمهای سوییچ بسته‌ایجاییکه بار وتوان همیشه مساویند(جاییکه بسته‌ای گم نمی‌شود)ماکزیمم توان ممکن است به صورت حداقل بار در بیت/ثانیه تعریف شود که موجب میشود زمان تحویل(تاخیر)بی ثبات شود یا به بی نهایت منجر شود.این مقدار میتواند مورد استفاده قرار گیرد بطور فریب آمیزی در ارتباط با توان اندازه گیری شده اوج برای پنهان کردن شکل گیری بسته.

سودمندی کانال-کارایی کانال-توان استاندارد

گاهی اوقات توان نرمال وبه صورت درصد سنجیده می شود.اما استاندارد سازی ممکن است باعث سردرگمی در مورد آنچه که در صد بدان مرتبط است شود.سودمندی کانال کارایی کانال ونرخ حذف بسته درسنجش درصدی کمتر مبهم است.

کارایی کانال همچنین به عنوان کارایی استفاده از پهنای باند شناخته میشود.دربیان درصدی توان دستیابی به نرخ بیت شبکه در بیت/ثانیه از یککانال ارتباطی دیجیتال مرتبط است.برای مثال اگر توان برابر 70 مگابیت بر ثانیه در یک ارتباط اترنت 100 مگابیت بر ثانیه کارایی کانال برابر 70%است.در این مثال70 مگابیت داده موثر در هر ثانیه منتقل می شود. کارایی کانال به جای یک اصطلاح است که به استفاده از توان نادیده گرفتن کانال ارتباط دارد. این نه تنها با بیتهای داده بلکه با سرباری که استفاده از کانال باعث آن می شود نیز حساب می کند.سر بار انتقال متشکل ازتوالی مقدمه قاب سرآیند فریم وتصدیق بسته است .تعاریف فرض یک کانال بی صدا در غیر اینصورت توان را نمی توان تنها به طبیعت(بهره وری)این پروتکل بلکه همچنین برای ارسال مجدد حاصل از کیفیت کانال همراه است.دریک رویکردساده کارایی کانال می تواند برابر با استفاده از کانال با این فرض که طول بسته های تصدیق صفر وآنکه ارائه دهنده ارتباطات هیچ پهنای باندی نسبت به انتقال مجدد وسرآیندها تدارک نمی‌بیند.بنا براین علامت متون خاص میان استفاده از کانال و کارایی پروتکل یک تفاوت وجود دارد. در یکلینک ارتباطی نقطه به نقطه یا نقطه به چند نقطه که تنها یک ترمینال درحال انتقال است حداکثرتوان اغلب معادل ویا بسیار نزدیک به نرخ داده فیزیکی(ظرفیت کانال)از آنجایی که استفاده از کانال می تواند در حدود 100% در یک شبکه باشد به جز یک شکاف کوچک داخل فریم.

برای مثال:در اترنت حداکثر اندازه فریم1526 بایت است(حداکثر 1500 بایت حمل ونقل+8بایت مقدمه +14 بایت سرایند +4 بایت دنباله).یک حداقل فاصله اضافی درون فریم مربوط به 12 بایت است که بعد از هر قاب وارد می شود.این فاصله اضافی مربوط به حداکثر استفاده از کانال از.%99.22=%100.(12+1526)/1526 یاحداکثر استفاده از کانال 99.22مگابیت برثانیه شامل سربار پروتکل لایه پیوند داده های اترنت دریک ارتباط 100 مگابیت بر ثانیه ارتباط اترنت.توان ماکزیمم یا کارایی کانال پس از آن97.5=(12+1526)/1500منحصربه‌فرد سربار پروتکل اترنت است.

عوامل موثر بر توان

توان سیستمهای ارتباطی بوسیله فاکتورهای متعددی محدود می شود که برخی در زیر توضیح داده میشوند:

محدودیتهای آنالوگ

ماکزیمم توان قابل دستیابی(ظرفیت کانال)با پهنای باند در هرتزونسبت سیگنال به نویز متوسط آنالوگ فیزیکی تحت تاثیر قرار می گیرد.

با وجود سادگی مفهومی اطلاعات دیجیتال همه ی سیگنالهای الکتریکی که از طریق سیمهای ارسال می شوند آنالوگ هستند.محدودیتهای آنالوگ سیستمهای با سیم وبی سیم به ناچار حد بالایی در میزان اطلاعاتی که میتواند فرستاده شود ارائه می کنند.معادله غالب در اینجاقضیه شانون،هارتلی و محدودیتهای آنالوگ از این نوع را می توان به عنوان عوامل موثر بر هر دو سیگنال پهنای باند آنالوگ یا عوامل موثر بر نسبت سیگنال به نویز درک کرد.لازم به ذکر است که پهنای باند سیستمهای سیمی می تواند در واقع به طور تعجب آوری محدود شود با پهنای باند اترنت سیمی محدود به حدود 1 گیگا هرتز و محدوده وقایع (PCB)با یک مقدار مشابه.

سیستمهای دیجیتال به "فرکانس زانو"[2](مقدار زمانی که برای ولتاژهای دیجیتال به افزایش 10% از دیجیتال اسمی 0 به دیجیتال اسمی 1 یابالعکس)فرکانس زانو ارتباط دارد به پهنای باند مورد نیاز یک کانال،و میتواند مربوط به پهنای باند 3دسی بل یک سیستم با این معادله باشد:[3] جاییکه (TR) 10% تا 90% افزایش یابد و(K) یک ثابت تناسب مربوط به شکل پالس برابر با 0.35 برای افزایش نمایی و0.338 برای افزایش گاوسی.

تلفات (RC):سیمها یک مقاومت ذاتی ویک خازن ذاتی دارند که نسبت به زمین اندازه گیری می شوند که این منجر به اثرات نامیده میشود خازنهای انگلی باعیث می شوند که تمامی سیمها و کابلها به عنوان فیلترهای پایین گذر عمل کنند. اثر پوستی:هنگامی که فرکانس افزایش می یابد،بارهای الکتریکی به لبه سیمها ویا کابل مهاجرت میکنند.این عمل اثر سطح مقطع در دسترس را برای اجرای فعلی، افزایش مقاومت و کاهش سیگنال به نویز. برای کابلAWG 24 (بطور معمول در کابل cat 5e ) اثر پوستی فرکانس بر مقاومت ذاتی سیم در 100 کیلو هرتز غالب می شود.در 1 گیگا هرتز مقاومت تا 0.1 اهم براینچ افزایش یافته است.[4]

ختم و زنگ:برای سیمهای طولانی(سیمهای طولانی تر از طولد موج 6/1میتواند طولانی در نظر گرفته شود)باید به عنوان خطوط انتقال مدلسازی و بدون انجام این کار،سیگنالهای منتشر شده در سیم به جلو وعقب حرکت خواهند کرد،مثبت یا منفی با سیگنال حامل اطلاعات تداخل پیدا می کند.[5] اثرات شبکه های بی سیم:برای سیستمهای بی سیم،همه ی اثرات در ارتباط با انتقال بی سیم SNR وپهنای باند سیگنال دریافتی و در نتیجه حداکثر تعداد بیتها یی که میتواند فرستاده شود را محدود می کند.

ملاحظات سخت افزار IC

سیستمهای محاسباتی قدرت پردازش محدودی دارند ومی توانند محدود شوند.توانایی محدودیت جریان رایج می تواند نسبت سیگنال به نویز برای لینکهای با ظرفیت بالا محدود کند. بارهای داده های بزرگی که نیاز به پردازش داده های تحمیلی پردازش نیاز مندیهای سخت افزار(مثل روتر).به عنوان مثال،یک روتر دروازه ای که یک جمعیت زیرشبکه کلاس B را پشتیبانی می کند 100*10 مگابایت برثانیه کانالهای اترنت را اداره می کند،ضروری است برای تعیین فاصله ی پورت برای هر بسته 16 بیت از آدرس بازرسی شود. این ترجمه به 81913 بسته در هر ثانیه (با فرض ماکزیمم داده برای هر بسته)با یک جدول با 16 ^2 ازآدرسها این نیاز به روتری دارد که قادر باشد 5.368 بیلیون عملیات جستجو در هر ثانیه انجام دهد.در یک سناریوی بدتر،که درآن محموله هر یک از بسته های اترنت به 100 بایت کاهش می یابد، این تعداد از عملیات در ثانیه به520 بیلیون جهش پیدا می کند.این روتر نیازمند یک هسته پردازش multi- terflop است تا قادر به اداره ی چنین باری باشد. CSMA/CD دسترسی چندگانه با قابلیت شنود سیگنال حامل”back off “زمان انتظار و ارسال مجدد فریم پس از کشف برخورد.این کار در شبکه های اترنت با گذرگاه عمومی وشبکه های هاب بهتر از شبکه های بی سیم اتفاق بیفتد کنترل جریان،به عنوان مثال در پروتکل کنترل انتقال(TCP) تاثیر می گذارد بر توان اگر محصول تاخیر پهنای باند بزرگتر از پنجره TCP، یعنی اندازه بافرi.e.. باشد در چنین حالتی کامپیوتر ارسال کننده باید برای قبول بسته های داده صبر کند قبل از آن می تواند داده های بیشتری ارسال کند. اجتناب از ازدحام TCP نرخ داده را کنترل می کند. در شروع انتقال فایل باصطلاح "شروع آهسته" اتفاق می افتد،و بعد ازدحام روتر یا خطاهای بیتی برای مثال در لینکهای بیسیم باعث حذف بسته میشود.

ملاحظات چند کاربری

اطمینان از اینکه چند کاربر بتوانند بطور هماهنگ یک لینک ارتباطات را به تنهایی نیاز به اشتراک بگذارند نیازمند چند نوع تسهیم عادلانه از لینک است.اگر یک لینک ارتباطی گردنه بطری که در حال ارائه نرخ داده R است با N کاربر فعال به اشتراک گذاشته شود(با حداقل یک بسته داده در صف)،هر کاربری بطور معمول به توانی در حدود R/N دسترسی پیدا خواهد کرد،اگر صف بندی عادلانه ارتباط بهترین تلاش فرض شده باشد. از دست دادن بسته ها به دلیل ازدحام شبکه می باشد.بسته ها ممکن است در سوییچ ها یا روترها زمانیکه صفهای بسته با توجه به ازدحام پر باشند ،حذف شوند.

از دست دادن بسته ها به دلیل خطاهای بیتی است.

الگوریتمهای زمانبندی در روترها وسوییچها.اگر صف بندی عادلانه تامین نشده باشد،کاربرانی که بسته های بزرگ ارسال می کنند به پهنای باند وسیعتری دست خواهند یافت.برخی از کاربران ممکن است در الگوریتم صف بندی عادلانه براساس وزن (WFQ)اگر تمایز یا تضمین کیقیت خدمات(QOS) تامین شده باشد.

در برخی از سیستمهای ارتباطی،مثل شبکه های ماهواره ای، فقط تعداد محدودی از کانالها برای یک کاربر در یک زمان معین ممکن است در دسترس باشد.کانالها برای توان preassignmentدیگری یا توان مورد تقاضا برای دسترسی چند گانه اختصاص داده شد ه است.در این حالتها توان برای هر کانال کوانتیزه شده است و ظرفیت بلا استفاده بر روی کانالهای تدریجی از دست رفته است.

سربار وGOODPUT

مقاله اصلی :

حداکثر توان اغلب یک اندازه گیری غیر قابل اعتماد از پهنای باند درک شده است. برای مثال نرخ داده انتقال فایل در بیت در هر ثانیه است.همانطور که در بالا اشاره شد توان قابل دسترسی اغلب کمتر از حداکثر توان است.همچنین،سربار پروتکل برپهنای باند درک شده موثر است. توان یک متریک خوب تعریف شده،برای نشان دادن نحوه برخورد با سربار پروتکل نیست.آن به طور معمول در یک نقطه مرجع زیر لایه شبکه وبالاتر از لایه ی فیزیکی اندازه گیری شده است. ساده ترین تعریف، تعداد بیتهایی در ثانیه است که بطور فیزیکی تحویل داده شده است.نمونه ای که در آن این تعریف تمرین یک شبکه ی اترنت است.در این مورد حداکثر توان ،حداکثر میزان بیت ناخالص یا میزان ارسال بیت خام است.

با این حال،در طرحی که شامل ارسال کدهای تصحیح خطا(برنامه نویسی کانال)،کد خطا کار بر کنار شده به طور معمول از مطالعه توان خارج شدند.به عنوان مثال در ارتباطات مودم،که در آن به طور معمول، توان در رابط بینپروتکل نقطه به نقطه(PPP)و مدار سوییچ اتصال مودم اندازه گیری می شود.در این مورد حداکثر توان اغلب با نام میزان ارسال بیت خالص یا میزان ارسال بیت مفید شناخته می شود. برای تعیین میزان اطلاعات واقعی یک شبکه یا ارتباط،ممکن است تعریف اندازه گیری "goodput"مورد استفاده قرار گیرد.برای مثال در انتقال فایل goodputمربوط به اندازه فایل(در بیت)تقسیم بر زمان انتقال فایل است. "goodput"میزان اطلاعات مفیدی است که در هر ثانیه به پروتکل لایه کاربرد تحویل داده شده است.بسته های حذف شده یا بسته های مجدد ارسال شده نیز به عنوان سربار پروتکل از مطالعه حذف شدند.به همان دلیل "goodput"پایینتر از توان است.عوامل فنی موثر برتفاوت در مقاله "goodput"ارائه شده است.

کاربردهای دیگر توان برای داده ها

مدار های مجتمع

اغلب یک بلوک در نمودار جریان داده تنها یک ورودی و یک خروجی واحد دارد و در بسته های مجزا از اطلاعات عمل می کند.نمونه های از بلوکهای اینچنینی ماژولهای FFT یا ضرایب باینری است.از آنجا که واحدهای توان در مقابل واحد تاخیر انتشار قرار دارد،که "ثانیه ها به ازای هر پیام"یا"ثانیه ها به ازای هر خروجی"توان می تواند مورد استفاده قرار گیرد برای ارتباط دستگاههای محاسباتی، اجرای یک تابع اختصاص داده شده مانند یک ASIC یا یک پردازنده جاسازی شده برای یک کانال ارتباطی،تسهیل تجزیه وتحلیل سیستم.

شبکه های بی سیم وسلولی

در شبکه های بی سیمسیستمهای تلفن همراه، بهره وری طیفی سیستم در بیت/ثانیه/هرتز/ در واحد سطح،بیت/ثانیه/هرتز/سایت یا بیت/ثانیه/هرتز/سلول، حداکثر توان سیستم(توان کل)تقسیم شده بوسیله ی پهنای باند آنالوگ وبرخی معیار آرا پوشش سیستم.

کانالهای آنالوگ سراسری

در طول کانالهای آنالوگ،توان به طور کامل با طرح مدولاسیون،نسبت سیگنال به نویز،و پهنای باند موجود تعریف شده است.از آنجا که توان بطور معمول در شرایط استفاده از داده های دیجیتال کمی تعریف شده است،بطور معمول واژه" توان"استفاده نمی‌شود،وبجای آن اغلب اصطلاح"پهنای باند"استفاده شده است.

همچنین مشاهده کنید:

• GOODPUT
• منبع حریص
• برنامه زمانبندی مایع
• اندازه گیری توان عملیاتی شبکه
• اندازه گیری ترافیک شبکه
• بهره وری طیفی سیستم و پیوند
• مدل تولید ترافیک

منابع

• بلاهوت,p.42004
• جانسون،۱۹۹۳،۵-۲
• جانسون،۱۹۹۳،۹
• جانسون،۱۹۹۳،۱۵۴
• جانسون،۱۹۹۳،۳۷۱-۳۷۰
• ردی،۲۰۰۱،۳۷۱-۳۷۰
• [۱]ویکی‌پدیای انگلیسی
• ارتباطات بی سیم تئودور راپاپورت، اصول وتمرین پرنتیک هال چاپ دوم،۲۰۰۲،ISBN 0-13-042232-0
• کدهای جبری برای انتقال داده‌ها ی ریچارد بلاهوت، انتشارات دانشگاه کمبریج،۲۰۰۴،ISBN 0-521-55374-1
• "تاثیر لینکهای پر اتلاف برعملکرد شبکه‌های بی سیم چند پرشه"لی هارنس هلت، مجموعه مقالات چهاردهمین کنفرانس بین‌المللی در ارتباطات کامپیوتری وشبکه، اکتبر۲۰۰۵،۳۰۸-۳۰۳
• طراحی دیجیتال سرعت بالا گراهام جانسون، یک هند بوک سحر سیاه پرنتیک هال،ISBN 0-13-395724-1 ,1973