ネットワークスループットと帯域幅:その意味とパフォーマンスに影響を与える要因

帯域幅とは、ネットワークリンクまたはパスのデータ伝送容量のことです。スループットとは、特定のテストまたは期間中に実際にデータが通過する速度のことです。特定の速度で宣伝されている接続であっても、必ずしもその速度でアプリケーションが転送できるとは限りません。競合するトラフィック、プロトコルのオーバーヘッド、パケット損失、無線接続の状態、両端のデバイスなどによって、転送速度が低下する可能性があります。

ルーターを介して接続されたコンピュータとサーバー。幅の広いチャネルはネットワーク容量を表し、より小さなストリームは実際のデータフローを示している。
帯域幅とは経路の容量を表し、スループットとは実際にその経路が伝送するデータ速度のことである。

帯域幅、スループット、および実効スループット

日常会話では、帯域幅とはインターネットプランの最大速度やリンクの定格速度を指すことが多い。しかし、ネットワーク経路は複数のリンクで構成される場合があり、利用可能な容量が最も少ないセグメントが全体の転送速度を制限する可能性がある。また、他のユーザーもその容量を共有する可能性がある。IETFは、ネットワーク容量の定義において、ネットワークの容量を、観測された使用状況や利用可能な容量とは区別している。

スループットとは、指定された方向と時間間隔で、選択されたエンドポイント間で測定されたデータレートです。したがって、テスト結果は、ネットワーク上のすべての接続ではなく、そのパスと条件を記述するものです。グッドプットはより狭義で、ヘッダーと再送信バイトを除いた、有用なアプリケーションデータのみをカウントします。グッドプットは通常、リンク層またはIP層で観測されるレートよりも低くなります。レートはメガビット/秒(Mbps)またはメガバイト/秒(MB/s)で表されます。1バイトは8ビットなので、数値を比較する前に単位を確認してください。

スループットと体感パフォーマンスに影響を与える要因は何ですか?

要素効果
ボトルネックと混雑回線速度の低下、アップリンクの過負荷、または共有チャネルの混雑は、スループットを制限する可能性があります。混雑時のキューイングも遅延の原因となります。
レイテンシと往復時間レイテンシとはパケットの伝送遅延のことで、往復時間(RTT)は往復にかかる時間を含みます。RTTが長くなると、たとえ回線に余裕があっても、送信側が十分なデータを伝送できない場合、TCP転送が制限される可能性があります。距離は伝搬の最低速度を決定し、キューイングと処理によって変動する遅延が加わります。
ジッターとパケット損失ジッターは、パケット遅延の変動を表すのに一般的に用いられる用語です(IETFではより正確な用語としてパケット遅延変動が用いられます)。パケットの到着が不均一になると、音声や映像に支障をきたす可能性があります。TCPパケットが失われた場合、再送信が行われ、時間と容量を消費します。一方、リアルタイムのUDPトラフィックは、間隔を置いて到着する場合があります。
Wi-Fi、デバイス、および設定干渉、弱い信号、共有エアタイム、ルーターまたはNICの制限、CPU負荷、VPN暗号化、パスMTUまたはTCPバッファの不一致などが、テストまたは実際の転送を制限する可能性があります。

スループットとユーザーエクスペリエンスは関連していますが、互換性があるわけではありません。大容量ファイルのダウンロードは、スループットの高い経路であれば、わずかな遅延でスムーズに完了できます。一方、ビデオ通話は、遅延が変動したりパケットが失われたりすると、快適に感じられない場合があります。IETFのパケット遅延変動メトリックは、一定間隔のパケットを必要とするアプリケーションにとって、到着時間の変動がなぜ重要なのかを説明しています。

3つのパケットパスは、送信者と受信者の間で、規則的な到着、不規則なタイミング、およびパケットの欠落を比較します。
規則的なパケットタイミングはリアルタイムメディアを支えるが、変動や損失は中断を引き起こす可能性がある。

スループットを測定または監視するためのツール

  • iperf3:ユーザーが制御するクライアントとサーバー間でアクティブなテストを実行します。TCP、UDP、SCTPをテストでき、測定されたスループットやその他のメトリックを報告します。LAN、WAN、またはデータセンターのパスを分離するために使用できます。テストサーバーがそのサービスの外側に配置されていない限り、それ自体ではISPサービス全体を測定しません。
  • LibreNMS: SNMPインターフェースカウンタを使用して、長期的なトラフィックグラフを作成します。繰り返し発生するピークを特定し、受信トラフィックと送信トラフィックを比較するのに役立ちますが、エンドツーエンドのアプリケーション転送テストではなく、インターフェーストラフィックを報告します。
  • SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer:サポートされているフローレコードを分析し、トラフィックパターンと、どのアプリケーション、プロトコル、またはデバイスが帯域幅を使用しているかを表示します。ヘビーユーザーや輻輳の原因を特定するのに役立つ、商用監視製品です。
  • Wireshark:そのI/Oグラフは、キャプチャしたトラフィックを時間間隔あたりのビット数としてプロットできます。キャプチャを使用して短いバーストを調べたり、特定のパスのトラブルシューティングを行ったりできます。結果は、キャプチャポイントで表示可能なパケットのみを対象とします。
クライアントコンピュータとサーバーはスイッチとルーターを介してデータを交換し、ラベルのないチャートがテストを追跡する。
アクティブスループットテストは、クライアントとサーバー間の特定の経路を測定します。

有用な測定値を得る方法

  1. アクティブなエンドツーエンドテストが必要か、インターフェースの使用履歴が必要かを判断してください。前者の場合はiperf3を、後者の場合はSNMPまたはフロー監視を選択してください。
  2. エンドポイント、方向、プロトコル、テスト時間、および接続が有線か無線かを記録してください。アップロードとダウンロードの経路が異なる場合があるため、両方向でテストを実行してください。
  3. 閑散時と混雑時でテストを繰り返してください。単一のピーク値だけでなく、持続的な結果とパケット損失を比較してください。ISPや特定のデバイスを非難する前に、エンドポイントのCPU、ネゴシエートされたリンク速度、インターフェースエラー、RTT、競合トラフィックを確認してください。
  4. 本番ネットワークでの負荷テストには注意が必要です。負荷テストは意図的にトラフィックを発生させるため、他のユーザーに影響を与える可能性があります。まずは小規模なテストから始め、大規模なテストを実施する場合はネットワーク所有者と調整してください。

最も有用な比較方法は、同一条件での比較です。つまり、エンドポイント、方向、プロトコル、テスト条件がすべて同じである必要があります。そうすることで、結果はプランの定格帯域幅と単一のスループットサンプルとの誤解を招く比較ではなく、診断の手がかりとなります。

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