توان عملیاتی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو


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

توان عملیاتی (به انگلیسی: THROUGHPUT) در شبکه‌های ارتباطی ماننداترنتیا بسته‌های رادیویی خروجی یا توان شبکه متوسط نرخ تحویل، موفق پیام در یک کانال ارتباطی است. این داده‌ها 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 بسته‌های داده برثانیه یا بسته‌های داده، دربازه‌های زمانی اندازه گیری می‌شود. توان سیستم یا توان کل عبارتست از مجموع نرخ داده‌هایی که به همه پایانه‌ها که در یک شبکه تحویل داده شده است. توان را می‌توان 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 می‌شود، تجزیه وتحلیل شده است.

توان اساساً مترادف با مصرفپهنای باند دیجیتال است.

توان ماکزیمم[ویرایش]

همچنین ببینیدنرخ اوج اطلاعات:

کاربران دستگاههای مخابراتی وطراحان سیستم‌ها 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 داده‌های 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 می‌گیرد.

توان ماکزیمم اساساً مترادف باپهنای باند دیجیتال است.

چهار مقدار مختلف به این معنی در زمینه"حداکثر"در مقایسه عملکرد مفهومی" حد بالایی" از سیستم‌های 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 می‌شود. مقایسه مقادیر توان وابسته است به هر بیتی که مقادیر یکسانی از اطلاعات را حمل می‌کند.فشرده سازی داده‌ها می‌تواند به میزان قابل توجهی انحراف محاسبات توان را از جمله ایجاد ارزش بیشتر از ۱۰۰٪ سبب شود. اگر ارتباط با لینکهای مختلف در مجموعه‌ای 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 می‌شود.

توان ماکزیمم نظری[ویرایش]

این مقدار بهظرفیت کانالسیستم مرتبط است وحداکثر مقدار ممکن از اطلاعات است که می‌تواند تحت شرایط ایده‌آل منتقل شود. در برخی موارد این مقدار برابر با ظرفیت کانال گزارش می‌شود گرچه این مقدار می‌تواند فریبنده باشد فقط سیستمهای آسنکرون می‌توانند بدون فشرده سازی داده‌ها 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 می‌شود، از جمله برای تعیین مرزهای عملکرد ممکن اولیه در مرحله طراحی یک سیستم استفاده می‌شود.

توان ماکزیمم اندازه گیری شده[ویرایش]

مقادیر بالا مقادیر نظری یا محاسبه‌ای اند. توان اندازه گیری شده اوج توانی است که درواقعیت یا سیستم اجرا شده ویا سیستم شبیه سازی شده، اندازه گیری می‌شود. مقدار توان اندازه گیری شده در طی یک دوره کوتاه از زمان است. به عبارت ریاضی این حدی است که از توان گرفته می‌شود 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 داده‌ها تکیه می‌کنند با این حال برای سیستمهایی باسیکل وظیفه بزرگتر برای اندازه گیری کارایی سیتم کمتر مفید واقع می‌شود.

توان ماکزیمم پایدار[ویرایش]

این مقدار متوسط توان است ویا در یک مدت طولانی (گاهی اوقات بینهایت) یکپارچه شده است. برای شبکه‌های با سیکل وظیفه طولانی به احتمال زیاد یک نشانگر دقیق از عملکرد سیستم است. ماکزیمم توان تعریف می‌شود 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[ویرایش]

گاهی اوقات توان نرمال وبه صورت درصد سنجیده می‌شود. 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 ۷۰ مگابیت بر ثانیه در یک ارتباط اترنت ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه کارایی کانال برابر ۷۰٪است. در این مثال۷۰ مگابیت داده موثر در هر ثانیه منتقل می‌شود. 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 می‌شود نیز حساب می‌کند. سر بار انتقال متشکل ازتوالی مقدمه قاب سرآیند فریم وتصدیق بسته است. تعاریف فرض یک کانال بی صدا در غیر اینصورت توان را نمی‌توان تنها به طبیعت (بهره وری) این پروتکل بلکه همچنین برای ارسال مجدد حاصل از کیفیت کانال همراه است. دریک رویکردساده کارایی کانال می‌تواند برابر با استفاده از کانال با این فرض که طول بسته‌های 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 می‌تواند در حدود ۱۰۰٪ در یک شبکه باشد به جز یک شکاف کوچک داخل فریم.

برای مثال:در اترنت حداکثر اندازه فریم۱۵۲۶ بایت است (حداکثر ۱۵۰۰ بایت حمل ونقل+۸بایت مقدمه +۱۴ بایت سرایند +۴ بایت دنباله). یک حداقل فاصله اضافی درون فریم مربوط به ۱۲ بایت است که بعد از هر قاب وارد می‌شود. این فاصله اضافی مربوط به حداکثر استفاده از کانال از. %۹۹٫۲۲=%۱۰۰.(۱۲+۱۵۲۶)/۱۵۲۶ یاحداکثر استفاده از کانال ۹۹٫۲۲مگابیت برثانیه شامل سربار پروتکل لایه پیوند داده‌های اترنت دریک ارتباط ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه ارتباط اترنت. توان ماکزیمم یا کارایی کانال پس از آن۹۷٫۵=(۱۲+۱۵۲۶)/۱۵۰۰منحصربه‌فرد سربار پروتکل اترنت است.

عوامل موثر بر توان[ویرایش]

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

محدودیتهای آنالوگ[ویرایش]

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

با وجود سادگی مفهومی اطلاعات دیجیتال همهٔ سیگنالهای الکتریکی که از طریق سیمهای ارسال می‌شوند آنالوگ هستند. محدودیتهای آنالوگ سیستمهای با سیم وبی سیم به ناچار حد بالایی در میزان اطلاعاتی که می‌تواند فرستاده شود ارائه می‌کنند. معادله غالب در اینجاقضیه شانون، هارتلی و محدودیتهای آنالوگ از این نوع را می‌توان 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 می‌تواند در واقع به طور تعجب آوری محدود شود با پهنای باند اترنت سیمی محدود به حدود ۱ گیگا هرتز و محدوده وقایع (PCB)با یک مقدار مشابه.

سیستمهای دیجیتال به "فرکانس زانو"[۲](مقدار زمانی که برای ولتاژهای دیجیتال به افزایش ۱۰٪ از دیجیتال اسمی ۰ به دیجیتال اسمی ۱ یابالعکس) فرکانس زانو ارتباط دارد به پهنای باند مورد نیاز یک کانال، و می‌تواند مربوط به پهنای باند ۳دسی بل یک سیستم با این معادله باشد:[۳] جاییکه (TR) ۱۰٪ تا ۹۰٪ افزایش یابد و(K) یک ثابت تناسب مربوط به شکل پالس برابر با ۰٫۳۵ برای افزایش نمایی و۰٫۳۳۸ برای افزایش گاوسی.

تلفات (RC):سیمها یک مقاومت ذاتی ویک خازن ذاتی دارند که نسبت به زمین اندازه گیری می‌شوند که این منجر به اثرات نامیده می‌شود خازنهای انگلی باعیث می‌شوند که تمامی سیمها و کابلها به عنوان فیلترهای پایین گذر عمل کنند. اثر پوستی:هنگامی که فرکانس افزایش می‌یابد، 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 ۲۴ (بطور معمول در کابل cat 5e) اثر پوستی فرکانس بر مقاومت ذاتی سیم در ۱۰۰ کیلو هرتز غالب می‌شود. در ۱ گیگا هرتز مقاومت تا ۰٫۱ اهم براینچ افزایش یافته است.[۴]

ختم و زنگ:برای سیمهای طولانی (سیمهای طولانی تر از طولد موج ۶/۱می‌تواند 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 می‌کند.[۵] اثرات شبکه‌های بی سیم:برای سیستمهای بی سیم، همهٔ 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 می‌کند.

ملاحظات سخت افزار IC[ویرایش]

سیستمهای محاسباتی قدرت پردازش محدودی دارند ومی‌توانند محدود شوند. توانایی محدودیت جریان رایج می‌تواند نسبت سیگنال به نویز برای لینکهای با ظرفیت بالا محدود کند. بارهای داده‌های بزرگی که نیاز به پردازش داده‌های تحمیلی پردازش نیاز مندیهای سخت افزار (مثل روتر). به عنوان مثال، یک روتر دروازه‌ای که یک جمعیت زیرشبکه کلاس B را پشتیبانی می‌کند ۱۰۰*۱۰ مگابایت برثانیه کانالهای اترنت را اداره می‌کند، ضروری است برای تعیین فاصلهٔ پورت برای هر بسته ۱۶ بیت از آدرس بازرسی شود. این ترجمه به ۸۱۹۱۳ بسته در هر ثانیه (با فرض ماکزیمم داده برای هر بسته) با یک جدول با ۱۶ ^۲ ازآدرسها این نیاز به روتری دارد که قادر باشد ۵٫۳۶۸ بیلیون عملیات جستجو در هر ثانیه انجام دهد. در یک سناریوی بدتر، که درآن محموله هر یک از بسته‌های اترنت به ۱۰۰ بایت کاهش می‌یابد، این تعداد از عملیات در ثانیه به۵۲۰ بیلیون جهش پیدا می‌کند. این روتر نیازمند یک هسته پردازش multi- terflop است تا قادر به ادارهٔ 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 شبکه‌های اترنت با گذرگاه عمومی وشبکه‌های هاب بهتر از شبکه‌های بی سیم اتفاق بیفتد کنترل جریان، به عنوان مثال در پروتکل کنترل انتقال(TCP) تاثیر می‌گذارد 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 بسته‌های داده صبر کند قبل از آن می‌تواند داده‌های بیشتری ارسال کند. اجتناب از ازدحام TCP نرخ داده را کنترل می‌کند. در شروع انتقال فایل باصطلاح "شروع آهسته" اتفاق می‌افتد، و بعد ازدحام روتر یا خطاهای بیتی برای مثال در لینکهای بیسیم باعث حذف بسته می‌شود.

ملاحظات چند کاربری[ویرایش]

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 بسته‌ها به دلیل ازدحام شبکه می‌باشد. بسته‌ها ممکن است در سوییچ‌ها یا روترها زمانیکه صفهای بسته با توجه به ازدحام پر باشند، حذف شوند.

از دست دادن بسته‌ها به دلیل خطاهای بیتی است.

الگوریتمهای زمانبندی در روترها وسوییچها. اگر صف بندی عادلانه تامین نشده باشد، کاربرانی که بسته‌های بزرگ ارسال می‌کنند 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 شبکه‌های ماهواره‌ای، 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[ویرایش]

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 لایهٔ فیزیکی اندازه گیری شده است. ساده ترین تعریف، تعداد بیتهایی در ثانیه است که بطور فیزیکی تحویل داده شده است. نمونه‌ای که در آن این تعریف تمرین یک شبکهٔ 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 می‌شود. در این مورد حداکثر توان اغلب با نام میزان ارسال بیت خالص یا میزان ارسال بیت مفید شناخته می‌شود. 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. بسته‌های حذف شده یا بسته‌های 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 داده‌ها[ویرایش]

مدارهای مجتمع[ویرایش]

اغلب یک بلوک در نمودار جریان داده تنها یک ورودی و یک خروجی واحد دارد و در بسته‌های مجزا از اطلاعات عمل می‌کند. نمونه‌های از بلوکهای اینچنینی ماژولهای FFT یا ضرایب باینری است. از آنجا که واحدهای توان در مقابل واحد تاخیر انتشار قرار دارد، که "ثانیه‌ها به ازای هر پیام"یا"ثانیه‌ها به ازای هر خروجی"توان می‌تواند 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.

شبکه‌های بی سیم وسلولی[ویرایش]

در شبکه‌های 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 بوسیلهٔ پهنای باند آنالوگ وبرخی معیار آرا پوشش سیستم.

کانالهای آنالوگ سراسری[ویرایش]

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 داده‌های دیجیتال کمی تعریف شده است، بطور معمول واژه" توان"استفاده نمی‌شود، وبجای آن اغلب اصطلاح"پهنای باند"استفاده شده است.

همچنین مشاهده کنید:

پانویس[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  • بلاهوت,p.۴۲۰۰۴
  • 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 ,۱۹۷۳