Среда передачи данных: в чем измеряется пропускная способность канала передачи информации

1.8.1 Введение

Мы очень кратко поговорим об единицах измерения в компьютерных сетях. По большей части нас будет интересовать пропускная способность и время канала связи. Со временем все ясно, оно в какой-то мере знакомо каждому и может измеряться секундами, минутами, часами, днями, долями секунды. Но с пропускной способностью канала связи мы, как сетевые инженеры, строящие нашу компьютерную сеть на оборудовании Cisco, будем измерять пропускную способность в соотношении битов, проходящих через канал в секунду, или битов в секунду.

1.8.2 Пропускная способность канала связи и простая аналогия

Cisco в своих курсах (по крайней мере, в курсах ICND1 и ICND2) не считает нужным вводить вас в глубокий физический смысл этого величия, поэтому мы не будем здесь останавливаться на этой теме. Для получения подробной информации обратитесь к поисковой системе или не поленитесь и найдите книгу Бернарда Скляра «Цифровые коммуникации», где физический смысл полосы пропускания и пропускной способности описан очень подробно и точно, а также откуда все это взялось и как мы дожили до того, чтобы увидеть возможности таких каналов связи при измерениях пропускной способности.

Здесь я просто приведу грубую аналогию: представьте, что у вас есть плоский стол с круглым отверстием, вырезанным в центре, а также ящик с бесконечным количеством шаров (давайте просто согласимся, что каждый шар имеет определенный вес, скажем, 200 грамм), а ваша задача — пропустить через отверстие как можно больше шаров за определенную единицу времени, а результат мы будем измерять не в количестве шаров, а в килограммах. Как быстро ты сможешь это сделать?

Это сложный вопрос, но здесь мы можем выделить три важных фактора, которые повлияют на конечный результат: вес мяча, диаметр отверстия и скорость, с которой вы можете двигаться, толкая эти шары. Характеристики самого канала в этом случае включают диаметр отверстия, характеристики передаваемых данных включают вес мяча, и вы также можете провести аналогию с «насколько быстро вы можете действовать, толкая эти шары» и производительность реального сетевого оборудования.

В этом случае выход будет измеряться в том, сколько килограммов / граммов / тонн шариков вы можете пропустить через это отверстие в секунду. Например, вам удалось затолкать 5 мячей в лунку за одну секунду, поэтому производительность вашей системы составит 1 килограмм в секунду или 1 кг / с. Как вы можете увеличить пропускную способность вашей системы? Первый и очевидный способ — увеличить диаметр отверстия (улучшить канал связи), допустим, через это отверстие может пройти не один мяч, а два-три шара одновременно. Если удвоить отверстие, то, вероятно, за одну секунду мы сможем пропустить через отверстие не 5, а 10 мячей, а это уже 2 килограмма, и в результате выход увеличится до 2 кг / с.

Вы должны были быть озадачены словом «вероятно» в предыдущем абзаце. И это слово появилось там не случайно. Дело в том, что здесь возникает вопрос: хватит ли у нас ловкости и ловкости, чтобы вытащить сразу два мяча из коробки, или, в принципе, если мало, то нужно тренироваться. Если говорить о компьютерных сетях, то, например, ваша физическая среда передачи данных позволяет передавать данные со скоростью 1 Гигабит / с, а ваше оборудование не имеет таких портов и, как правило, не рассчитано на такую ​​скорость передачи данных вам нужно будет обновить это оборудование.

Наконец, третий параметр — это вес мяча. Например, мы можем увеличить его с двухсот граммов до четырехсот, тогда мы увеличим эффективность нашей воображаемой системы (мы увеличиваем вес за счет увеличения плотности материала, объем мяча не меняется, скажем так были алюминиевые шарики, теперь мы их взяли и заменили на медные, поэтому диаметр отверстия менять не нужно). Предположим, мы все еще можем протолкнуть 5 мячей через отверстие, но скорость потока из-за увеличения веса шара увеличится вдвое с 1 кг / с до 2 кг / с. Но возникает вопрос: можем ли мы поднимать шары, если они весят 400 грамм, или надо надувать? В реальной жизни есть такой параметр MTU (количество полезной информации в кадре / пакете, этот параметр можно задать как для канального уровня модели OSI, так и для сетевого уровня эталонной модели сетевого взаимодействия), мы обязательно поговорим об этом, но вскоре это можно будет изменить, но не все устройства смогут обрабатывать некоторые особенно высокие MTU, а удвоение MTU не приведет к удвоению полосы пропускания, почему позже вы поймете, почему.

Итак, мы выделили три основных фактора, которые повлияют на пропускную способность нашей компьютерной сети:

1. Полоса пропускания самого канала связи, которая измеряется в битах в секунду или бит / с.
2. Способность наших компьютерных сетевых устройств максимально использовать канал связи и не утонуть, то есть производительность оборудования компьютерной сети влияет на его пропускную способность в целом.
3. Количество полезной информации в сообщениях, которые вы транслируете по сети.

Поэтому, когда дело касается пропускной способности, желательно уточнить, о чем вы говорите и чем именно измеряется пропускная способность.

Рисунок 1.8.1 Простая компьютерная сеть

На рисунке 1.8.1 показана простая компьютерная сеть, каждое устройство в этой сети имеет свою производительность и характеристики, например, очевидно, что принтеру не нужен канал связи с пропускной способностью 1 Гбит / с, поскольку его буфер ограничен и скорость печати значительно ниже указанной скорости передачи.

1.8.3 Лирическое отступление по поводу провайдеров и скорости Интернета 100 Мбит/с

Здесь, кстати, стоит сказать несколько слов о провайдере. Когда вы оплачиваете 100 Мбит / с Интернет-провайдером, вы не просто загружаете 100 Мбит / с полезной нагрузки. Вы получаете 100 мегабит полосы пропускания. В то же время провайдер не гарантирует вам, что эта полоса пропускания будет во всем Интернете, эта полоса пропускания будет только до последнего порта провайдера, который, скажем так, подключен к общей сети, которую мы называем Интернетом. Как только ваш пакет покинул сеть поставщика и переместился на серверы YouTube, ваш поставщик услуг теряет контроль над этим пакетом, поскольку пакет может проходить через сети другого поставщика раньше YouTube.

Рисунок 1.8.2 Примерная схема пути пакета от ПК к Интернету

Если вы посмотрите на рисунок 1.8.2, который показывает очень приблизительную диаграмму пути, по которому ваш пакет будет идти от вашего ПК к Интернету, вы легко поймете, что провайдер предоставляет вам 100 Мбит / с, ровно до желтой стрелки, соединяющей маршрутизатор. Облако, которое я называю Интернетом. Что касается нижней части диаграммы, желтая стрелка, соединяющая домашний маршрутизатор с маршрутизатором провайдера, имеет пропускную способность 100 Мбит / с, что означает только то, что если вы возьмете такой канал у провайдера, то он будет быть разделенным между всеми устройствами, расположенными за домашним роутером.

Также следует иметь в виду, что домашний маршрутизатор должен общаться на собственном языке маршрутизатора с маршрутизатором провайдера и другими устройствами провайдера, и эти 100 Мбит / с, которые вы взяли у провайдера, также используются для эти цели, то есть в канале 100 Мбит / с и с полезным, и с служебным трафиком (около 7%) транслируется и этот момент даже описан, ну или хотя бы в вашем контракте должен быть прописан (ищите ключи например: процент использованного трафика или процент служебного трафика).

В общем, 100 Мбит / с получается не чисто, а грязно, вывод из этого простой: не заставляйте мозг провайдера тех опор, а читайте договор, понимайте, что получаете, и смотрите, что подписываете на.

Средняя пропускная способность линий связи

Из вышесказанного можно сделать вывод, что каналы связи различаются по своим свойствам, что влияет на скорость передачи информации. Как упоминалось выше, каналы связи могут быть проводными, беспроводными и основанными на использовании оптоволоконных кабелей. Последний тип сети наиболее эффективен. А его средняя пропускная способность канала связи составляет 100 Мбит / с.

Что такое бит? Как измеряется скорость в битах?

Битрейт — это мера скорости соединения. Вычисляется в битах, наименьшей единице хранения информации, за 1 секунду. Это было присуще каналам связи в эпоху «раннего развития» Интернета: в то время текстовые файлы в основном передавались в глобальной сети.

Теперь базовая единица измерения — 1 байт. Он, в свою очередь, равен 8 битам. Неопытные пользователи очень часто делают большую ошибку: путают килобиты и килобайты. Следовательно, недоумение возникает, когда канал с пропускной способностью 512 кбит / с не оправдывает ожиданий и обеспечивает скорость только 64 кбит / с. Чтобы не запутаться, следует помнить, что если для обозначения скорости используются биты, запись будет производиться без сокращений: бит / с, кбит / с, кбит / с или кбит / с.

Теория повышения пропускной способности

Теория информации была разработана Клодом Шенноном, наблюдая за ужасами Второй мировой войны, ввел понятие пропускной способности канала и разработал математические модели. Моделирование линии связи включает три блока:

1. Передатчик.
2. Шумный канал (наличие источника помех).
3. Получатель.

Переданная и полученная информация представлена ​​функциями условного распределения. Емкостная модель Шеннона описывается графиками. Пример из Википедии дает обзор среды с пятью дискретными уровнями полезного сигнала. Шум выбирается из диапазона (-1 .. + 1). Таким образом, емкость канала равна сумме полезного сигнала по модулю помехи 5. Результирующее значение часто бывает дробным. Следовательно, сложно определить размер изначально переданной информации (с округлением в большую или меньшую сторону).

Самые дальние значения (например, 1; 3) нельзя перепутать. Каждый набор, состоящий из трех или более различимых сообщений, дополняется размытием. Хотя номинальная емкость канала позволяет передавать 5 значений одновременно, эффективна одна пара, позволяющая кодировать сообщения, избегая ошибок. Для увеличения громкости используются следующие комбинации: 11, 23, 54, 42. Расстояние кода последовательности всегда больше двух. Следовательно, вмешательство не может помешать правильному распознаванию комбинации. Становится возможным мультиплексирование, что значительно увеличивает пропускную способность канала связи.

Пять дискретных значений также объединены равносторонним графиком. Края краев указывают пары значений, которые приемник может спутать из-за наличия шума. Тогда количество комбинаций представлено независимым набором составного графа. Графически набор собирается из комбинаций, исключающих наличие обеих точек ребра. Модель Шеннона для пятиуровневого сигнала состоит исключительно из пар значений (см. Выше). Внимание, вопрос!

• Какая связь между сложными теоретическими расчетами и обсуждаемой темой пропускной способности канала?

Самый прямой. Первая система цифровой передачи кодированной информации Green Bumblebee (Вторая мировая война) использовала 6-уровневый сигнал. Теоретические расчеты ученых предоставили союзникам надежную зашифрованную связь, что позволило провести более 3000 конференций. Вычислительная сложность графов Шеннона остается неизвестной. Смысл они пытались уловить косвенно, продолжая строить по мере усложнения дела. Число Ловаса считается ярким примером сказанного.

Десятичные приставки при измерении скорости

Таким образом, если двоичные префиксы используются для измерения объема хранимой информации, десятичные префиксы обычно используются для измерения скорости передачи данных по сети (т. Е. Один кбит / с содержит 1000 бит / с. Один Мбит / с содержит 1000000 бит / с, и т.д.).

Как и в прошлый раз, для удобства читателей сайта компьютерных уроков я объединил все возможные сокращения и соотношения в две полезные таблицы:

Десятичные префиксы при измерении скорости (биты, килобиты, мегабиты, гигабиты в секунду)

то же самое и с байтами, только буква «B» в сокращении пишется крупно, а значения в 8 раз больше, чем бит:

Десятичные префиксы при измерении скорости (байты, килобайты, мегабайты, гигабайты в секунду)

Что такое пропускная способность каналов связи?

Чтобы познакомиться с новым термином и понять его, вам необходимо знать, что такое канал связи. Проще говоря, каналы связи — это устройства и средства, с помощью которых данные (информация) передаются на расстояние. Например, связь между компьютерами осуществляется через оптоволоконные и кабельные сети. Также популярный способ связи по радиоканалу (компьютер, подключенный к модему или сети Wi-Fi).

Пропускной способностью называется максимальная скорость передачи информации в определенную единицу времени.

Обычно для обозначения пропускной способности используются следующие единицы:

Единица измерения информации

Килобит (или килобайт)

Мегабит (или мегабайт)

Факторы, влияющие на скорость интернета

Как известно, конечная скорость Интернета зависит от пропускной способности канала связи. Кроме того, на скорость передачи информации влияют:

Радиоволны, кабели и оптоволоконные кабели. Свойства, преимущества и недостатки этих способов подключения обсуждались выше.

Чем тяжелее сервер, тем медленнее он получает или передает файлы и сигналы.

Помехи более сильные на радиоволновом соединении. Это вызвано сотовыми телефонами, радиоприемниками и другими радиопередатчиками и приемниками.

• Состояние сетевого оборудования.

Конечно, способ подключения, состояние серверов и наличие помех играют важную роль в обеспечении высокоскоростного Интернета. Однако даже если вышеперечисленные показатели в норме и скорость интернета невысока, дело кроется в оборудовании компьютерной сети. Современные сетевые карты поддерживают подключение к Интернету со скоростью до 100 Мбит / с. Ранее карты могли обеспечивать максимальную пропускную способность 30 и 50 Мбит / с соответственно.

Единицы измерения

Для измерения скорости автомобиля километры используются как расстояние, а часы — как временной интервал. Например, автомобиль движется со скоростью 60 км / ч.

Биты используются как наименьшая единица измерения количества информации, а секунды используются как время.

Скорость интернета

Поскольку бит — это наименьшая единица, сегодня для измерения скорости Интернета используются мегабиты в секунду (Мбит / с или Мбит / с). 1024 бит = 1 килобит (Кбит / с). 1024 килобит = 1 мегабит (Мбит / с). Некоторые примеры:

Все интернет-провайдеры в своих тарифных планах используют одинаковое значение: 30, 100, 200 Мбит / с и другие. Стоимость зависит от региона проживания и технологии подключения.

Тарифные планы провайдера

При замере скорости — интернет-диагностика, тоже используют Мбит / с, входящая скорость — 66 Мбит / с, исходящая — 93 Мбит / с.

Ускорение и выход

На сайте есть сервис по проверке скорости интернета, статья о том, как это правильно сделать, и разбивка лучших сайтов и программ для тестирования.

Скорость загрузки данных

Тексты, фотографии, музыка, игры, фильмы и телешоу — это контент, набор файлов, имеющих определенный вес. Для общего понимания я также взял несколько примеров:

Письмо весит 1 байт, текст на десять тысяч символов — 176 килобайт, песня — около 8 мегабайт, фильм в формате Full-HD — около 2,3 гигабайта.

Вес данных в зависимости от типа контента

Блок хранения цифровой информации — стол

Единица измерения	Количество
1 байт (B)	8 бит (б)
1 килобайт (КБ)	1024 байта (B)
1 мегабайт (МБ)	1024 КБ (КБ)
1 гигабайт (ГБ)	1024 МБ (МБ)

Мы постоянно получаем и отправляем текстовые сообщения, фотографии, музыку в мессенджерах и социальных сетях. Скачиваем игры, фильмы и сериалы с помощью специальных сервисов.

Скорость загрузки и выгрузки измеряется количеством данных, отправленных или полученных за секунду. Это напрямую зависит от скорости интернета — вашего тарифного плана. Чем выше скорость загрузки, тем быстрее данные появятся на вашем устройстве. Требуемая скорость интернета зависит от вашего бизнеса.

При скорости ниже 8 Мбит / с ваша скорость загрузки будет измеряться в килобайтах в секунду (КБ / с или КБ / с). Если скорость выше 8 Мбит / с — в мегабайтах в секунду (МБ / с или МБ / с). Некоторые примеры:

Скачивайте фильмы на файловом хостинге со скоростью 60 Мбит / с. Скорость загрузки немного выше скорости из-за кабельного подключения и большого количества клиентов, которые они предоставляют.

Типы полосы пропускания

Симметричная полоса пропускания

Симметричная пропускная способность означает одинаковый объем и скорость передачи или перемещения данных между двумя точками данных. Загрузка и скачивание файлов будут иметь одинаковую емкость: симметричную. Симметричное общение можно наблюдать в разных городах мира через оптоволоконную сеть и кабельный Интернет. Лучший пример использования симметричной полосы пропускания — видеоконференцсвязь. С этим типом подключения вы можете наслаждаться небуферизованной передачей видеофайлов.

Асимметричная полоса пропускания

В этом типе, в отличие от симметричного, оба направления не имеют одинакового количества данных, передаваемых в секунду. Передача данных в восходящем направлении меньше, чем передача данных в нисходящем направлении. Это называется асимметричной цифровой абонентской линией (ADSL) и является отличным примером такого типа полосы пропускания. Скорость загрузки ADSL намного выше, чем скорость загрузки, в основном потому, что загрузки файлов и мультимедиа используются больше, чем загрузки, которые требуют только отправки запроса на доступ к URL-адресам.

Примеры пропускной способности каналов

Рассмотрим эволюцию цифровых технологий передачи информации.

Модемы

1. Акустический крутящий момент (1972 г.) — 300 бод
2. Модем Vadik & Bell 212A (1977) — 1200 бод.
3. Канал ISDN (1986) — 2 канала 64 кбит / с (конечная скорость — 144 кбит / с).
4. 32bis (1990 г.) — до 19,2 кбит / с.
5. 34 (1994) — 28,8 кбит / с.
6. 90 (1995) 56 кбит / с в нисходящем направлении, 33,6 кбит / с в восходящем направлении.
7. 92 (1999) — 56/48 кбит / с нисходящий / восходящий поток.
8. ADSL (1998 г.) — до 10 Мбит / с.
9. ADSL2 (2003 г.) — до 12 Мбит / с.
10. ADSL2 + (2005 г.) — до 26 Мбит / с.
11. VDSL2 (2005 г.) — 200 Мбит / с.
12. fast (2014) — 1 Гбит / с.

Локальная сеть Ethernet

1. Экспериментальная версия (1975 г.) — 2,94 Мбит / с.
2. 10BASES (1981 г., коаксиальный кабель) — 10 Мбит / с.
3. 10BASE-T (1990 г., витая пара) — 10 Мбит / с.
4. Fast Ethernet (1995 г.) — 100 Мбит / с.
5. Gigabit Ethernet (1999) — 1 Гбит / с.
6. 10 Gigabit Ethernet (2003 г.) — 10 Гбит / с.
7. 100 Gigabit Ethernet (2010) — 100 Гбит / с.

Wi-Fi

1. IEEE 802.11 (1997) — 2 Мбит / с.
2. IEEE 802.11b (1999) — 11 Мбит / с.
3. IEEE 802.11a (1999) — 54 Мбит / с.
4. IEEE 802.11g (2003) — 54 Мбит / с.
5. IEEE 802.11n (2007) — 600 Мбит / с.
6. IEEE 802.11ac (2012) — 1000 Мбит / с.

Способы передачи сигнала

Сегодня существует три основных способа передачи сигнала между компьютерами:

• Передача по радиосетям.
• Передача данных по кабелю.
• Передача данных по оптоволоконным соединениям.

Каждый из этих методов имеет индивидуальные характеристики каналов связи, о которых будет сказано ниже.

К преимуществам передачи информации по радиоканалам можно отнести: универсальность использования, простоту установки и настройки такого оборудования. Обычно радиопередатчик используется для приема и передачи данных по беспроводной сети. Это может быть модем для компьютера или адаптер Wi-Fi.

Недостатками этого способа передачи являются нестабильность и относительно низкая скорость, высокая зависимость от наличия радиовышек и высокая стоимость использования (мобильный Интернет стоит почти вдвое дороже «фиксированного»).

Преимущества передачи данных по кабелю: надежность, простота использования и обслуживания. Информация передается с помощью электрического тока. Условно говоря, ток под определенным напряжением движется из точки А в точку Б. И впоследствии преобразуется в информацию. Провода отлично выдерживают экстремальные температуры, изгиб и механические нагрузки. К недостаткам можно отнести нестабильную скорость, а также ухудшение связи из-за дождя или грозы.

Пожалуй, самой передовой технологией передачи данных на данный момент является использование оптоволоконного кабеля. Миллионы крошечных стеклянных трубок используются в конструкции каналов связи сети каналов связи. И передаваемый через них сигнал представляет собой световой импульс. Поскольку скорость света в несколько раз превышает скорость тока, эта технология позволила в несколько сотен раз ускорить интернет-соединение.

К недостаткам можно отнести хрупкость оптоволоконных кабелей. Во-первых, они не выдерживают механических повреждений — сломанные трубы не могут пропускать через себя световой сигнал, а резкие перепады температуры приводят к их разрыву. Ну а повышенный радиационный фон делает трубки мутными — из-за этого может ухудшиться сигнал. Кроме того, оптоволоконный кабель сложно отремонтировать в случае поломки, поэтому его необходимо полностью заменить.

Вышесказанное говорит о том, что со временем каналы связи и сети каналов связи улучшаются, что приводит к увеличению скорости передачи данных.

Расчет пропускной способности

Чтобы найти и рассчитать пропускную способность линии связи, необходимо использовать теорему Шеннона-Хартли. В нем говорится: вы можете найти полосу пропускания канала (линии) связи, вычислив взаимозависимость между потенциальной пропускной способностью, а также пропускной способностью линии связи. Формула для расчета пропускной способности выглядит следующим образом:

В этой формуле каждый элемент имеет свое значение:

• I– указывает параметр максимальной пропускной способности.
• G — параметр полосы пропускания, предназначенный для передачи сигнала.
• As / An– отношение шума к сигналу.

Теорема Шеннона-Хартли предполагает, что лучше всего использовать широкий кабель для передачи данных, чтобы уменьшить окружающий шум или увеличить мощность сигнала.