スループットの重要性と活用術 – ネットワーク性能を最大化する秘訣

はじめに

現代のネットワークシステムにおいて、スループットは性能を評価する上で欠かせない重要な指標となっています。スループットとは、一定時間内に転送できるデータ量を表し、通信の高速化や処理能力の向上において大きな役割を果たします。本記事では、スループットの概念、影響要因、さまざまな分野での活用事例などを詳しく解説していきます。

スループットの基礎知識

スループットとは、単位時間あたりのデータ転送量を指します。通信業界では一般に「ビット毎秒」や「バイト毎秒」で表されます。理論値である最大スループットと、実際の転送速度を示す実効スループットを区別する必要があります。

ビットレートとの違い

スループットはしばしびビットレートと混同されがちですが、両者は異なる概念です。ビットレートは理論上の最大転送速度を表しますが、実際の通信ではさまざまな要因によりスループットは低下します。そのため、実用的な転送速度を把握するにはスループットの方が適切な指標となります。

ビットレートはネットワーク機器の物理的な性能を示しますが、スループットは実際の利用環境における処理能力を反映します。例えば100Mbpsの機器でも、通信の混雑状況によってスループットは大きく変動するのです。

スループットの単位

スループットの一般的な単位は以下の通りです。

• ビット毎秒 (bps)
• キロビット毎秒 (kbps)
• メガビット毎秒 (Mbps)
• ギガビット毎秒 (Gbps)
• バイト毎秒 (Bps)
• キロバイト毎秒 (KBps)
• メガバイト毎秒 (MBps)
• ギガバイト毎秒 (GBps)

ビットとバイトの違いに注意が必要で、1秒間に100Mbpsの通信速度は12.5MB/sに相当します。

スループットに影響する要因

スループットは理論値と実測値で差があり、さまざまな要因によって変動します。主な影響要因を理解することが重要です。

ネットワークの帯域幅

ネットワークの帯域幅が最大容量に達すると、それ以上のスループットは得られません。帯域幅が狭いと通信の輻輳が発生し、スループットが低下してしまいます。十分な帯域幅を確保することが高速なスループットを実現する上で不可欠です。

近年では光ファイバーの普及により高帯域幅のネットワークが広がっていますが、モバイル通信などではまだ制約があります。5Gの登場により、モバイル環境でのスループットの向上が期待されています。

ハードウェア・ソフトウェアの性能

スループットは、ネットワーク機器やコンピューターのハードウェア性能に大きく依存します。高性能のCPUやNICを搭載したデバイスは、大量のトラフィックや複雑なパケット処理をこなすことができ、高いスループットが得られます。

また、ソフトウェア側の最適化も重要です。TCPウィンドウサイズの調整やファイル分割と並列転送、高速な暗号化アルゴリズムの選択などにより、スループットを向上させることができます。

パケットロスと再送信

通信の過程でパケットロスが発生すると、再送信が必要となり遅延が生じます。その結果、スループットが低下してしまいます。パケットロスの主な原因は、ネットワークの輻輳や伝送路の品質の問題です。通信路の安定性を高めることが、パケットロスの軽減とスループットの向上につながります。

スループットの活用例

スループットは、ネットワークシステムの性能評価に留まらず、さまざまな分野で活用されています。

ネットワークサービスの品質管理

インターネットサービスプロバイダーは、提供するネットワークサービスの品質を保証するためにスループットを重視しています。Web会議では10Mbps以上、動画閲覧では20Mbps以上のスループットが求められ、常にモニタリングが行われています。

また、ネットワークの構築や改修の際にもスループットは重要な指標となります。シミュレーションによりさまざまな条件下でのスループットを予測し、適切な設計を行うことで、高品質なサービスを提供することができるのです。

ローカル5Gの導入検討

企業やスマート工場などでは、ローカル5G環境の構築が進められています。その際、適切なスループットの確保が重要な課題となります。ローカル5Gのスループットは、設定条件によって大きく変わるため、理論値だけでなく実測値を考慮する必要があります。

ローカル5G環境においては、遅延が小さく安定した高速通信が求められます。スループットの見積もりを行い、要件を満たす構成を選定することが肝心です。

スループット会計の活用

製造業を中心に、スループットを利益の最大化に活用する「スループット会計」が注目を集めています。スループット会計では、スループット（売上-直接材料費）、在庫、業務費用の3つの指標に着目し、TOC（制約理論）に基づいて対策を立てます。

スループット会計により、利益の源泉であるスループットを最大化し、在庫と業務費用を最小化することができます。また、ビジネスの無駄やボトルネックを発見しやすく、的確な改善につなげられる点が特長です。変化の激しい現代経営に適した手法として、導入企業が増加しています。

スループットとレイテンシの関係

ネットワークのパフォーマンスを評価する上で、スループットに並んで重要な指標が「レイテンシ」です。レイテンシとは転送要求から応答を受信するまでの時間のことで、遅延時間を表します。スループットとレイテンシにはトレードオフの関係があり、一方を改善しようとすると他方が悪化する傾向にあります。

TCP通信におけるスループットとレイテンシ

TCP通信ではレイテンシの影響を大きく受けます。レイテンシが大きくなるとスループットが低下し、通信の完了に時間がかかってしまいます。高いスループットを実現するには、レイテンシを小さく抑える必要があります。

そのため、TCP通信ではスループットの最大化には、レイテンシを最小限に抑えつつ、送受信側のウィンドウサイズを最適化することが重要になります。帯域幅遅延積を考慮し、適切なウィンドウサイズを設定する必要があります。

クラウドサービスにおけるレイテンシの影響

近年のクラウドサービスでは、クラウド間の近接性が高まったことで、レイテンシの問題が軽減されつつあります。大手クラウドプロバイダーは、ユーザーに最も近いリージョンからサービスを提供することで、レイテンシ低減を実現しています。

しかし、一部のサービスではまだレイテンシが課題となっています。例えばゲームサーバーなどでは、リアルタイム性が求められるため、レイテンシが低いことが不可欠です。クラウド側とユーザー側の両方で、スループットとレイテンシを適切にコントロールすることが重要となります。

まとめ

本記事では、スループットの概要から影響要因、さまざまな分野での活用例、レイテンシとの関係に至るまで、幅広く解説してきました。スループットは、ネットワークシステムの性能評価に留まらず、サービス品質の管理やスマート工場の導入検討、経営戦略の立案など、さまざまな場面で重要な指標となっています。

今後ますますネットワークトラフィックが増大し、高速な通信が求められる中で、スループットの重要性はさらに高まることでしょう。ネットワークシステムを構築・運用する際は、帯域幅、機器性能、ソフトウェア設定など、スループットに影響する要因を十分に検討し、適切な水準を確保することが肝心です。また、レイテンシとのバランスを取りながら、用途に応じた最適なスループットを実現することが求められます。

スループットを経営戦略に取り入れる動きも広がっており、スループット会計の手法は新たな経営マネジメントの選択肢となっています。スループットという概念をビジネスや製品サービスの改善に活かし、競争力の強化につなげていくことが、企業にとって重要な課題となるでしょう。

よくある質問

スループットとビットレートの違いは何ですか?

p: ビットレートは理論上の最大転送速度を表しますが、実際の通信ではさまざまな要因によりスループットは低下します。そのため、実用的な転送速度を把握するにはスループットの方が適切な指標となります。ビットレートはネットワーク機器の物理的な性能を示しますが、スループットは実際の利用環境における処理能力を反映します。

スループットはどのような分野で活用されていますか?

p: スループットはネットワークサービスの品質管理、ローカル5Gの導入検討、スループット会計の活用など、さまざまな分野で活用されています。ネットワークの構築や改修の際にも重要な指標となり、シミュレーションによって適切な設計を行うことができます。

スループットとレイテンシの関係はどのようなものですか?

p: スループットとレイテンシにはトレードオフの関係があり、一方を改善しようとすると他方が悪化する傾向にあります。TCP通信ではレイテンシの影響を大きく受け、レイテンシが大きくなるとスループットが低下します。高いスループットを実現するには、レイテンシを小さく抑える必要があります。

スループットに影響する要因にはどのようなものがありますか?

p: スループットに影響する主な要因には、ネットワークの帯域幅、ハードウェアとソフトウェアの性能、パケットロスと再送信などがあります。帯域幅が狭いと通信の輻輳が発生し、スループットが低下します。また、高性能なデバイスやソフトウェアの最適化により、スループットを向上させることができます。パケットロスの発生も、スループットを低下させる要因となります。