إنتاجية الشبكة

يرتبط معدل النقل النظري الأقصى ارتباطًا وثيقًا بسعة قناة النظام، ^{[ 2 ]} وهو أقصى كمية ممكنة من البيانات التي يمكن نقلها في ظل الظروف المثالية. في بعض الحالات، يُذكر هذا الرقم على أنه يساوي سعة القناة، مع أن هذا قد يكون مضللًا، إذ لا يمكن تحقيق ذلك إلا باستخدام تقنيات الأنظمة غير المعتمدة على الحزم. يُفضل الإبلاغ عن معدل النقل النظري الأقصى بدقة أكبر عند مراعاة تكاليف التنسيق والمواصفات الإضافية، مع افتراضات أفضل الحالات.

معدل النقل التقاربي (أو عرض النطاق التقاربي المبسط ) لشبكة اتصالات تعمل بنظام الحزم هو قيمة دالة معدل النقل الأقصى ، عندما يقترب حمل الشبكة الوارد من اللانهاية ، إما بسبب حجم الرسالة ^{[ 3 ]} أو عدد مصادر البيانات. وكما هو الحال مع معدلات البتات الأخرى وعرض نطاق البيانات ، يُقاس معدل النقل التقاربي بالبتات في الثانية (بت/ثانية) أو (نادرًا) بالبايتات في الثانية (بايت/ثانية) ، حيث يساوي 1 بايت/ثانية 8 بت/ثانية . وتُستخدم البادئات العشرية ، مما يعني أن 1 ميجابت/ثانية يساوي 1000000 بت/ثانية .

عادةً ما يُقدَّر معدل النقل التقاربي عن طريق إرسال أو محاكاة رسالة كبيرة جدًا (سلسلة من حزم البيانات) عبر الشبكة، باستخدام مصدر جشع وبدون آلية للتحكم في التدفق (أي، بروتوكول UDP بدلًا من TCP )، وقياس حجم البيانات المستلمة في عقدة الوجهة. قد يؤدي ازدحام حركة البيانات بين المصادر الأخرى إلى تقليل معدل النقل الأقصى لمسار الشبكة. بدلاً من ذلك، يمكن نمذجة عدد كبير من المصادر والمستقبلات، مع أو بدون التحكم في التدفق، وقياس معدل النقل الأقصى الإجمالي للشبكة (مجموع حركة البيانات التي تصل إلى وجهاتها). في نموذج محاكاة شبكة ذات طوابير حزم لا نهائية، يحدث معدل النقل التقاربي عندما يؤول زمن استجابة الشبكة (بسبب وقت انتظار الحزم ) إلى اللانهاية، بينما إذا كانت طوابير الحزم محدودة، أو كانت الشبكة متعددة النقاط مع العديد من المصادر، وقد تحدث تصادمات، فإن معدل فقدان الحزم يقترب من 100%.

يُعدّ نمذجة الاتصال من نقطة إلى نقطة أحد التطبيقات المعروفة للإنتاجية التقاربية، حيث يكون زمن استجابة الرسالة${\displaystyle T(N)}$يتم تصميمها كدالة لطول الرسالة${\displaystyle N}$مثل${\displaystyle T(N)=(M+N)/A}$أين${\displaystyle A}$هو عرض النطاق الترددي التقاربي و${\displaystyle M}$يمثل طول نصف الذروة. ^{[ 4 ]}

إلى جانب استخدامها في نمذجة الشبكات العامة، تُستخدم الإنتاجية التقاربية في نمذجة الأداء على أنظمة الحوسبة المتوازية الضخمة ، حيث يعتمد تشغيل النظام بشكل كبير على تكلفة الاتصال، بالإضافة إلى أداء المعالج. ^{[ 5 ]} في هذه التطبيقات، تُستخدم الإنتاجية التقاربية في النمذجة التي تتضمن عدد المعالجات، بحيث يكون كل من زمن الاستجابة والإنتاجية التقاربية دالتين لعدد المعالجات. ^{[ 6 ]}

بينما يُمثل معدل النقل التقاربي سعة نظرية أو محسوبة، فإن معدل النقل الأقصى المُقاس هو معدل النقل المُقاس على نظام فعلي مُنفذ، أو على نظام مُحاكى. وتُمثل هذه القيمة معدل النقل المُقاس خلال فترة زمنية قصيرة؛ رياضياً، هذا هو الحد الأقصى لمعدل النقل عندما يقترب الزمن من الصفر. ويُرادف هذا المصطلح معدل النقل اللحظي . يُعد هذا الرقم مفيداً للأنظمة التي تعتمد على نقل البيانات على دفعات؛ ومع ذلك، بالنسبة للأنظمة ذات دورة التشغيل العالية ، فمن غير المرجح أن يكون هذا مقياساً مفيداً لأداء النظام.

معدل النقل المستدام الأقصى هو معدل النقل المتوسط ​​أو المتكامل على مدى فترة زمنية طويلة. بالنسبة للشبكات ذات الحمل الثابت، يُرجح أن يكون هذا المؤشر الأكثر دقة لأداء النظام. يُعرَّف معدل النقل الأقصى بأنه معدل النقل التقاربي عندما يكون الحمل كبيرًا. في شبكات تبديل الحزم، عندما لا يحدث فقدان للحزم ، يكون الحمل ومعدل النقل متساويين دائمًا. يمكن تعريف معدل النقل الأقصى بأنه الحد الأدنى للحمل ( بت/ثانية) الذي يتسبب في فقدان الحزم أو في عدم استقرار زمن الاستجابة وتزايده نحو اللانهاية.

يتأثر الحد الأقصى للإنتاجية الممكنة (سعة القناة) بعرض النطاق الترددي بالهرتز ونسبة الإشارة إلى الضوضاء للوسط المادي التناظري. وقد تحدّ قدرة التيار المحدودة في معدات الاتصالات من نسبة الإشارة إلى الضوضاء الفعّالة للوصلات ذات السعة العالية .

على الرغم من بساطة مفهوم المعلومات الرقمية، فإن جميع الإشارات الكهربائية التي تنتقل عبر الأسلاك هي إشارات تناظرية. وتفرض القيود التناظرية للأسلاك أو الأنظمة اللاسلكية حدًا أقصى على كمية المعلومات التي يمكن إرسالها. وتُعدّ نظرية شانون-هارتلي المعادلة الأساسية هنا ، ويمكن فهم القيود التناظرية من هذا النوع على أنها عوامل تؤثر إما على عرض النطاق التناظري للإشارة أو على نسبة الإشارة إلى الضوضاء. ويقتصر عرض النطاق لكابلات الأزواج الملتوية المستخدمة في الإيثرنت على حوالي 1  جيجاهرتز، كما أن مسارات لوحات الدوائر المطبوعة محدودة بمقدار مماثل.

تشير الأنظمة الرقمية إلى تردد الركبة ، ^{[ 7 ]} وهو مقدار الوقت اللازم لارتفاع الجهد الرقمي من 10% من القيمة الرقمية الاسمية 0 إلى القيمة الرقمية الاسمية 1 أو العكس. يرتبط تردد الركبة بعرض نطاق القناة، ويمكن ربطه بعرض نطاق 3 ديسيبل للنظام بالمعادلة: ^{[ 8 ]}${\displaystyle \ F_{3dB}\approx K/T_{r}}$ حيث Tr هو وقت الصعود من 10٪ إلى 90٪، و K هو ثابت تناسب مرتبط بشكل النبضة، يساوي 0.35 للصعود الأسي، و 0.338 للصعود الغاوسي.

تشمل العوامل التناظرية الأخرى ما يلي:

• خسائر RC: تتميز الأسلاك بمقاومة وسعة كامنة عند قياسها بالنسبة للأرض. وهذا يجعل جميع الأسلاك والكابلات تعمل كمرشحات تمرير منخفض RC.
• تأثير السطح : مع ازدياد التردد، تنتقل الشحنات الكهربائية إلى حواف الأسلاك أو الكابلات. هذا يقلل من مساحة المقطع العرضي الفعالة المتاحة لنقل التيار، مما يزيد المقاومة ويقلل نسبة الإشارة إلى الضوضاء. بالنسبة لسلك AWG 24 (من النوع الشائع في كابلات Cat 5e )، يصبح تردد تأثير السطح هو السائد على المقاومة الذاتية للسلك عند 100  كيلوهرتز. عند 1  جيجاهرتز، تزداد المقاومة إلى 0.1 أوم لكل بوصة. ^{[ 9 ]}
• الإنهاء والرنين: يجب نمذجة الأسلاك التي يزيد طولها عن سدس الطول الموجي تقريبًا كخطوط نقل ، ويجب مراعاة الإنهاء. فبدون الإنهاء، ستنتقل الإشارات المنعكسة ذهابًا وإيابًا عبر السلك، مما يتداخل مع الإشارة الحاملة للمعلومات. ^{[ 10 ]}
• تأثيرات القناة اللاسلكية : بالنسبة للأنظمة اللاسلكية، فإن جميع التأثيرات المرتبطة بالإرسال اللاسلكي تحد من نسبة الإشارة إلى الضوضاء وعرض النطاق الترددي للإشارة المستقبلة، وبالتالي الحد الأقصى لمعدل الإرسال.

تُفرض أحمال البيانات الضخمة التي تتطلب معالجة متطلبات معالجة البيانات على الأجهزة. على سبيل المثال، يجب على جهاز التوجيه البوابة فحص وإجراء عمليات بحث في جداول التوجيه على مليارات الحزم في الثانية.

يؤدي تأخير وقت الانتظار وإعادة إرسال الإطارات بعد اكتشاف التصادمات في بروتوكولي CSMA/CD و CSMA/CA إلى إبطاء عمليات الإرسال. وقد يحدث هذا في شبكات ناقل الإيثرنت وشبكات الموزعات، وكذلك في الشبكات اللاسلكية.

يؤثر التحكم في التدفق ، على سبيل المثال في بروتوكول التحكم في الإرسال (TCP)، على معدل نقل البيانات إذا كان حاصل ضرب عرض النطاق الترددي في زمن التأخير أكبر من نافذة TCP . في هذه الحالة، يجب على جهاز الإرسال انتظار تأكيد استلام حزم البيانات قبل أن يتمكن من إرسال المزيد من الحزم.

تتحكم آلية تجنب ازدحام بروتوكول TCP في معدل نقل البيانات. ويحدث ما يُسمى بالبدء البطيء في بداية نقل الملفات، وبعد فقدان الحزم الناتج عن ازدحام جهاز التوجيه أو أخطاء البتات في، على سبيل المثال، الروابط اللاسلكية.

لضمان مشاركة عدة مستخدمين لرابط اتصال واحد بسلاسة، يتطلب الأمر نوعًا من المشاركة العادلة لهذا الرابط. فإذا كان رابط اتصال يوفر معدل بيانات R مشتركًا بين N مستخدمًا نشطًا، فمن الناحية المثالية، يمكن لكل مستخدم تحقيق معدل نقل بيانات يقارب R/N .

تُحدد مُجدولات الشبكة في أجهزة التوجيه والمحولات في نهاية المطاف كيفية توزيع النطاق الترددي. في حال عدم توفير نظام عادل لتوزيع البيانات ، سيحصل المستخدمون الذين يرسلون حزم بيانات كبيرة على نطاق ترددي أكبر. قد تُعطى الأولوية لبعض المستخدمين في خوارزمية التوزيع العادل الموزون (WFQ) إذا تم توفير جودة خدمة (QoS) مُتباينة أو مضمونة .

في بعض أنظمة الاتصالات، مثل شبكات الأقمار الصناعية، قد لا يتوفر للمستخدم الواحد سوى عدد محدود من القنوات في وقت محدد. تُخصص القنوات إما عن طريق التخصيص المسبق أو عن طريق الوصول المتعدد المخصص عند الطلب (DAMA). ^{[ 11 ]} في هذه الحالات، تُحدد كمية البيانات المنقولة لكل قناة، وتُفقد السعة غير المستخدمة في القنوات المستخدمة جزئيًا.

غالبًا ما تحتوي الكتلة في مخطط تدفق البيانات على مدخل واحد ومخرج واحد، وتعمل على حزم معلومات منفصلة. ومن أمثلة هذه الكتل وحدات تحويل فورييه السريع أو المضاعفات الثنائية . ولأن وحدات الإنتاجية (مثل الرسائل في الثانية) هي مقلوب وحدة زمن التأخير (مثل الثواني لكل رسالة)، يمكن استخدام الإنتاجية لربط كتلة حسابية بقناة اتصال، مما يبسط تحليل النظام.

في الشبكات اللاسلكية أو أنظمة الاتصالات الخلوية ، فإن كفاءة الطيف للنظام بوحدات بت/ثانية/هرتز/منطقة ، أو بت/ثانية/هرتز/موقع، أو بت/ثانية/هرتز/خلية ، هي الحد الأقصى للإنتاجية الإجمالية مقسومة على عرض النطاق التناظري وبعض مقاييس منطقة تغطية النظام.

يتحدد معدل نقل البيانات عبر القنوات التناظرية بنظام التضمين، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء، وعرض النطاق الترددي المتاح. ولأن معدل نقل البيانات يُعرَّف عادةً بدلالة البيانات الرقمية الكمية، فإن مصطلح " معدل نقل البيانات " لا يُستخدم عادةً، بل يُستخدم مصطلح " عرض النطاق الترددي " في أغلب الأحيان.