توان عملیاتی در شبکه به چه معنا است؟

با فرض این‌که امکان فشرده کردن داده‌ها وجود نداشته باشد، برای انتقال یک فایل ۶۴ کیلوبایتی روی یک کانال انتقال ۶۴ کیلوبیت بر ثانیه، زمانی که در حالت تئوری به‌دست می‌آید ۸٫۱۹۲ ثانیه است که حداقل زمان انتقال است و در عمل زمان بیشتری لازم است. این به علت وجود اثر سربار که برای قالب بندی داده در حالت توافق شده‌استفاده می‌شود، به وجود می‌آید. بنابراین هر دو سمت ارتباط یک دید مداوم و ثابت از داده دارند. در اینجا حداقل دو مبحث در رابطه با انتقال فایل‌های فشرده شده، که بلافاصله آشکار نمی‌شوند، وجود دارد.

۱- توان عملیاتی همان شبکه‌ای که فشرده‌سازی را انجام می‌دهد، با فشرده‌سازی بهبود نمی‌یابد. از دیدگاه انتها به انتها (سرور به مشتری) فشرده‌سازی توان عملیاتی را بهبود می‌بخشد. دلیل آن این است که محتوای اطلاعات برای همان مقدار اطلاعاتی که منتقل می‌شود با فشرده‌سازی افزایش می‌یابد.

۲- فشرده‌سازی فایل‌ها در سیستم‌های مشتری و سرور به منابع پردازنده‌ای بیشتری در هر دو سیستم نیاز دارد. سرور از پردازنده خود برای فشرده‌سازی فایل‌ها استفاده می‌کند، درحالی که هم‌اکنون این کار انجام نمی‌شود. مشتری نیز فایل‌ها را پس از دریافت کردن از حالت فشرده خارج می‌کند. این مسئله را می‌توان یکی از هزینه‌های لازم (برای سیستم‌های سرور و مشتری) جهت افزایش توان عملیاتی انتها به انتها در نظر گرفت (اگر چه توان عملیاتی برای همان شبکه تغییر نمی-کند).

توان عملیاتی چیست؟

توان عملیاتی (Throughput) یک شبکه را می‌توان با استفاده از ابزارهای مختلف موجود بر روی سیستم عامل‌های مختلف اندازه‌گیری کرد. این صفحه تئوری ای که بر اساس آن این ابزارها برای اندازه‌گیری تنظیم می‌شوند و مسائل مربوط به این اندازه‌گیری‌ها را توضیح می‌دهد. دلیل اندازه‌گیری توان عملیاتی در شبکه‌ها این است که مردم اغلب تمایل دارند از حداکثر توان عملیاتی داده در یک لینک ارتباطی یا دسترسی به شبکه، در واحد بیت (bit) بر ثانیه، اطلاع داشته باشند. روش رایج برای اندازه‌گیری این کمیت این است که یک فایل بزرگ را از یک سیستم به سیستم دیگر انتقال می‌دهند و زمان مورد نیاز برای تکمیل انتقال یا کپی فایل را محاسبه می‌کنند. سپس توان عملیاتی با تقسیم اندازه فایل در آن زمان، در واحد مگابیت (megabit) بر ثانیه، کیلوبیت (kilobit) بر ثانیه یا بیت در ثانیه بدست می‌آید.

متأسفانه، نتایج حاصل از چنین آزمایشی در محدوده توان عملیاتی خوب است که معمولاً کمتر از حداکثر توان عملیاتی داده است که در تئوری بدست می‌آید و منجر به این می‌شود که مردم تصور کنند لینک ارتباطاتشان به درستی عمل نمی‌کند. در واقع، علاوه بر سربارهای انتقال، شامل رکود، اندازه پنجره دریافت TCP و محدودیت‌های سیستم، سربار بسیاری در goodput وجود دارد، که به این معنی است که goodput محاسبه شده، حداکثر توان عملیاتی در دسترس را نشان نمی‌دهد

به‌طور معمول، افراد از اختصار عباراتی که کاربرد زیادی دارند، استفاده می‌کنند. در مورد اندازه فایل‌ها، معمولاً عبارت '۶۴k' را به جای '۶۴kilobytes'، یا '۱۰۰meg'را به جای '۱۰۰megabytes' به کار می‌برند. هنگامی که صحبت در مورد نرخ بیت مدار است، از اصطلاحات توان عملیاتی، پهنای باند و سرعت استفاده کرده و سرعت مدار را به صورت '۶۴k' یا '۲meg' به معنی مداری با سرعت ۶۴ کیلوبیت بر ثانیه یا ۲ مگابیت بر ثانیه، نشان می‌دهند. با این حال یک مدار با سرعت ۶۴k، فایلی با حجم ۶۴k را نمی‌تواند در یک ثانیه منتقل کند. این مسئله ممکن است برای افرادی که با امور مخابراتی و محاسباتی ناآشنا هستند واضح و روشن نباشد، به‌طوری‌که گاهی دچار اشتباه می‌شوند. در حقیقت یک فایل با حجم ۶۴ کیلوبایت، ۶۴*۱۰۲۴*۸ بیت حجم دارد و یک مدار با سرعت ۶۴k، با سرعت ۶۴*۱۰۰۰ بیت در هر ثانیه عمل انتقال را انجام می‌دهد، بنابراین زمان لازم برای انتقال این فایل از طریق مدار ۶۴k حداقل (۶۴*۱۰۲۴*۸)/(۶۴*۱۰۰۰) ثانیه معادل ۸٫۱۹۲ ثانیه است.

سربارها و فرمت‌های داده

لینک ارتباطی که توسط اکثر مردم مورد استفاده قرار می‌گیرد لینک سریال است که لینک 'قطع و وصل ناهمگام'(asynchronous start-stop) یا 'ناهمگام' نیز گفته می‌شود. اگر از مودمی استفاده می‌کنید که به صورت خارجی به رایانه خانگی یا اداری تان وصل است، این امکان وجود دارد که لینک ارتباطی شما از طریق اتصال سریال ناهمگام برقرار شده باشد. مزیت این لینک این است که ساده است و تنها با استفاده از سه سیم پیاده‌سازی می‌شود: ارسال، دریافت و سیگنال زمین (یا سیگنال مشترک). در پروتکل RS-232، بیت '۰' دارای ولتاژ منفی نسبت به ولتاژ زمین است و بیت '۱' نسبت به ولتاژ زمین ولتاژ مثبت دارد. یک سیگنال RS232 در وضعیت غیر فعال دارای ولتاژ منفی است. بنابراین هرگونه توضیحات بالا در مورد بیت‌های '۰' و '۱' در اینجا وارونه است. بیت شروع هر بایت دارای ولتاژ رو به بالا است و نشان می‌دهد که بیت بعدی اولین بیت از داده سریال است. داده سریال ناهمگام در سطح TTL در حالت ولتاژ بالا برابر با '۰' و در حالت ولتاژ پایین برابر با '۱' است. داده‌های سطح TTL از طریق یک مبدل TTL/RS232، که معمولاً به صورت یک تراشه ماکسیم، مانند MAX232 است اداره می‌شوند و این مبدل همچنین وارونه کردن و تغییر دادن سطح داده را نیز انجام می‌دهد. همه سیگنال‌ها درون دستگاهی مجهز به اتصال RS232 و معمولاً دارای سطح TTL داخلی هستند (۰ و ۵ ولت یا ۰ و۳٫۳ ولت یا ۰ و ۳ ولت) و تبدیل به، یا از RS232 آخرین عملی است که داده‌های خروجی، یا اولین کاری است که داده‌های ورودی انجام می‌دهند.

در حقیقت موارد بیشتری از جمله سرعت انتقال یک بیت، تعداد بیت‌ها در هر کاراکتر، بیت توازن (parity) و تعداد بیت‌های توقف (به مفهوم پایان یک کاراکتر) در پیشبرد انتقال مورد توافق قرار می‌گیرد. به عنوان مثال مشخصه توافق شده ۹۶۰۰-۸-E-2 به این معنی است که کانال دارای سرعت انتقال ۹۶۰۰ بیت در هر ثانیه، با ۸ بیت در هر کاراکتر، بیت توازن زوج و دو بیت توقف است. این مشخصات در اتصالات سریال معمولاً به صورت ۹۶۰۰-۸-N-1 تنظیم می‌شوند (۹۶۰۰ بیت در هر ثانیه، ۸ بیت در هر کاراکتر، بدون بیت توازن و ۱ بیت توقف) در مجموع ۱۰ بیت برای ارسال هر کاراکتر ۸ بیتی منتقل می‌شود (یک بیت شروع، ۸ بیت داده و یک بیت توقف). این یعنی ۲۵% سربار. بنابراین یک لینک سریال ناهمگام با سرعت ۹۶۰۰ بیت در هر ثانیه (۱۲۰۰ بایت در هر ثانیه)، داده‌ها را با همین سرعت منتقل نمی‌کند. در این حالت سرعت واقعی انتقال ۹۶۰۰/۱۰ بایت در هر ثانیه (۹۶۰ بایت در هر ثانیه) است که به‌طور قابل ملاحظه‌ای کندتر از حد انتظار است.

این وضعیت می‌تواند بدتر هم بشود. در صورتی که بیت توازن و دو بیت توقف استفاده شود، سربار حمل هر کاراکتر ۸ بیتی ۴ بیت خواهد بود (یک بیت شروع، بیت توازن و ۲ بیت توقف) که معادل سربار ۵۰% است. در این حالت یک کانال با سرعت ۹۶۰۰ بیت در هر ثانیه در واقع می‌تواند ۹۶۰۰/۱۲ بایت در هر ثانیه (معادل ۸۰۰ بایت در هر ثانیه) منتقل کند. سرعت انتقال در رابط‌های سریال ناهمگام معمولاً تا ۲۳۰٫۴ کیلو بیت در هر ثانیه پشتیبانی می‌شود. در این صورت اگر در تنظیمات کانال بیت توازن تعیین نشود و از یک بیت توقف استفاده شود، نرخ انتقال ۲۳٫۰۴ کیلوبایت در هر ثانیه می‌شود.

مزیت اتصال سریال ناهمگام سادگی آن است. یکی از معایب آن نیز بازدهی کم در حمل داده است. با استفاده از رابط هم‌زمان می‌توان بر این مورد غلبه کرد. در این نوع رابط، یک سیگنال ساعت (clock) از طریق یک سیم جدا اضافه شده و بیت‌ها منطبق با ساعت منتقل می‌شوند. رابط دیگر به بیت‌های شروع و توقف هر کاراکتر توجه نمی‌کند، با این حال به یک مکانیسم برای اطمینان از اینکه ساعت‌های ارسال و دریافت هم‌زمان هستند، نیاز است. به این منظور داده به کمک جداکننده‌های شناخته شده، به قاب‌هایی (frames) از کاراکترهای مختلف مجزا