Что такое канал связи как определяется пропускная способность канала связи
Пропускная способность канала связи
Пропускная способность выступает универсальной характеристикой, описывающей максимальное количество единиц объектов, проходящих канал, узел, сечение. Характеристика широко используется связистами, транспортниками, гидравликами, оптиками, акустиками, машиностроением. Каждый даёт собственное определение. Обычно подводят черту, применяя единицы времени, явно увязывая физический смысл на скорость прохождения процесса. Канал связи передаёт информацию. Поэтому характеристикой пропускной способности выступает битрейт (бит/с, бод).
Единица измерения
Стандартный бит/с чаще дополняют приставками:
Реже применяются размерности байтов (1Б = 8 бит). Величина обычно касается физического слоя иерархии OSI. Часть ёмкости канала отбирают условности протокола: заголовки, стартовые биты… Бодами принято измерять модулированную скорость, показывающую число символов в единицу времени. Для двоичной системы (0, 1) оба понятия эквиваленты. Кодирование уровней, например, псевдо-шумовыми последовательностями изменяет расстановку сил. Бодов становится меньше при том же битрейте, разницу определяет база наложенного сигнала. Теоретически достижимая верхняя граница модулированной скорости связана с шириной спектра канала законом Найквиста:
бод ≤ 2 x ширина (Гц).
Практически порог достигается одновременным выполнением двух условий:
Коммерческие каналы демонстрируют пропускную способность вдвое ниже. Реальная сеть передаёт также фреймовые биты, избыточную информацию исправления ошибок. Последнее касается вдвойне беспроводных протоколов, сверхскоростных медных линий. Заголовки каждого последующего уровня OSI последовательно снижают реальную пропускную способность канала.
Отдельно эксперты оговаривают пиковые значения – числа полученные с применением идеальных условий. Реальная скорость соединения устанавливается специализированным оборудованием, реже программным обеспечением. Онлайн-измерители показывают зачастую нереальные значения, описывающие состояние одной-единственной ветки мировой паутины. Путаницы добавляет отсутствие стандартизации. Иногда битрейт подразумевает физическую скорость, реже – сетевую (вычитающую объем служебной информации). Величины соотносятся следующим образом:
сетевая скорость = физическая скорость х кодовая скорость.
Последняя величина учитывает наличие возможности корректировать ошибки, всегда меньше единицы. Сетевая скорость однозначно ниже физической. Пример:
Ёмкость канала получила имя Шеннона – теоретический верхний предел сетевого битрейта в отсутствии ошибок.
Теория повышения пропускной способности
Теорию информацию развивал Клод Шеннон, наблюдая ужасы Второй мировой войны, ввёл понятие ёмкости канала, разработал математические модели. Имитация связной линии включает три блока:
Переданная, принятая информация представлены условными функциями распределения. Ёмкостную модель Шеннона описывают графами. Пример Википедии даёт обзор среды, характеризующейся пятью дискретными уровнями полезного сигнала. Шум выбирают из интервала (-1..+1). Тогда пропускная способность канала равна сумме полезного сигнала, помех по модулю 5. Полученное значение часто оказывается дробным. Поэтому сложно определить размер изначально переданной информации (округлять в верхнюю или нижнюю сторону).
Величины, отстоящие дальше (например, 1; 3), невозможно перепутать. Каждый набор, сформированный тремя и более различимыми сообщениями, дополнен одним нечётким. Хотя номинальная ёмкость канала позволяет передать одновременно 5 значений, эффективной оказывается пара, позволяющая кодировать послания, избегая ошибок. Чтобы увеличить объем, используют комбинации: 11, 23, 54, 42. Кодовое расстояние последовательностей всегда больше двух. Поэтому помехи бессильны помешать правильному распознаванию комбинации. Становится возможным мультиплексирование, повышающее значительно пропускную способность канала связи.
Пять дискретных значений тоже объединяют равносторонним графом. Концы рёбер указывают пары значений, которые приёмник может перепутать, благодаря наличию шума. Тогда число комбинаций представлено независимым множеством составленного графа. Графически набор собран комбинациями, исключающими присутствие обеих точек одного ребра. Модель Шеннона для пятиуровневого сигнала составлена исключительно парами значений (см. выше). Внимание, вопрос!
Самое непосредственное. Первая цифровая система передачи кодированной информации Зелёный шмель (Вторая мировая война) применяла 6-уровневый сигнал. Теоретические выкладки учёных снабдили союзников надёжной зашифрованной связью, позволив провести свыше 3000 конференций. Вычислительная сложность графов Шеннона остаётся неизвестной. Значение пытались получить окольными путями, продолжая ряды по мере усложнения случая. Число Ловаса считаем красочным примером сказанного.
Битрейт
Пропускная способность реального канала вычисляется согласно теории. Строится модель шума, например, аддитивная Гауссова, получают выражение теоремы Шеннона-Хартли:
В – полоса пропускания (Гц); S/N – отношение сигнал/шум. Логарифм по основанию 2 позволяет посчитать битрейт (бит/с). Величины сигнала, шума записываются квадратами вольта, либо ваттами. Подстановка децибелов даёт неправильный результат. Формула пиринговых беспроводных сетей немного отличается. Берут спектральную плотность шума, помноженную на ширину полосы пропускания. Выведены отдельные выражения каналов с быстрыми и медленными замираниями.
Мультимедийные файлы
Применительно к развлекательным приложениям битрейт показывает количество информации, сохраняемой, воспроизводимой ежесекундно:
Выбирается золотая середина, способствующая минимизации битрейта, обеспечивающая приемлемое качество. Иногда сжатие необратимо искажает исходный материал помехами компрессии. Часто скорость показывает число битов в единице воспроизводимого времени аудио, видео (отображается плеером). Иногда величину вычисляют делением размера файла на общую длительность. Поскольку размерность задана байтами, вводят множитель 8. Часто мультимедийный битрейт скачет. Скоростью энтропии называют минимальную, обеспечивающую полное сохранение исходного материала.
Компакт-диски
Стандарт audio CD предписывает передавать поток частотой выборки 44,1 кГц (глубина 16 бит). Типичная музыка формата стерео составлена двумя каналами (левая, правая колонка). Битрейт удваивается к моно. Пропускаемая способность канала кодово-импульсной модуляции определена выражением:
Стандарт audio CD даёт итоговую цифру 1,4112 Мбит/с. Нехитрый подсчёт показывает: 80 минут записи занимают 847 МБ без учёта заголовков. Большим размером файла определяется потребность содержимое сжимать. Приведём цифры формата MP3:
Эффект налицо. Снижение скорости с одновременным ростом качества воспроизведения. Простейшие телефонные кодеки занимают 8 кбит/с, Opus – 6 кбит/с. Видео более требовательное. 10-битный несжатый поток Full HD (24 кадра) занимает 1,4 Гбит/с. Становится понятной необходимость провайдерам постоянно превосходить ранее установленные рекорды. Элементарный семейный воскресный просмотр измеряется общими впечатлениями зрителей. Близким сложно объяснить, что такое погрешность оцифровывания изображения.
Реальные каналы строят, обеспечивая солидный запас. Аналогичными причинами обусловлен прогресс стандартов цифровых носителей. Dolby Digital (1994) предусматривал однозначно потерю информации. Первый показ Бэтмен возвращается (1992) проигрывали с 35-мм плёнки, несущей сжатый звук (320 кбит в секунду). Кадры видео переносил CCD сканер, попутно оборудование распаковывало звуковое сопровождение. Оснащённый системой 5.1 Digital Surround зал требовал дальнейшей цифровой обработки потока.
Реальные системы чаще образованы набором каналов. Сегодня былой шик вытесняется Dolby Surround 7.1, растёт популярность Atmos. Одинаковые технологи могут реализоваться практически самобытно. Приведём примеры восьмиканального (7.1) звукового сопровождения:
Заданная пропускная способность различна.
Примеры пропускной способности каналов
Рассмотрим эволюцию технологий цифровой передачи информации.
Модемы
Локальная сеть Ethernet
Сотовая связь
Япония сегодня внедряет пятое поколение мобильной связи, увеличивая возможности передачи цифровых пакетов.
Необходимые сведения о случайных величинах
5.2.2 Пропускная способность канала и количество принятой информации
При передаче каждого символа в среднем по каналу связи проходит количество информации, определяемое по формуле:
 | ( 5.3) |
где 
— взаимная информация, т.е. количество информации, содержащееся в 
относительно 
; 
— энтропия источника сообщений; 
— условная энтропия, определяющая потерю информации на один символ, связанную с наличием помех и искажений.
При передаче сообщения 
длительности 
, состоящего из 
элементарных символов, среднее количество передаваемой информации с учетом симметрии взаимного количества информации равно:
 | ( 5.4) |
 | ( 5.5) |
где 
; 
— среднее время передачи одного символа; -число символов в сообщении длительностью .
Для символов равной длительности 
, в случае неравновероятных символов неравной длительности 
.
При этом скорость передачи информации
 | ( 5.6) |
Скорость передачи информации зависит от статистических свойств источника, метода кодирования и свойств канала.
Пропускная способность дискретного канала связи
 | ( 5.7) |
Пример 5.4 [2] Источник вырабатывает 3 сообщения с вероятностями: 
, 
и 
. Сообщения независимы и передаются равномерным двоичным кодом (
) с длительностью символов, равной 
мс. Определить скорость передачи информации по каналу связи без помех.
Решение. Энтропия источника равна
Для передачи 3 сообщений равномерным кодом необходимо два разряда, при этом длительность кодовой комбинации равна 
.
Средняя скорость передачи сигнала
Скорость передачи информации
Пример 5.5 По каналу связи передаются сообщения, вероятности которых соответственно равны:
Канальная матрица, определяющая потери информации в канале связи имеет вид:
Курс по основам компьютерных сетей на базе оборудования Cisco. Этот курс поможет вам подготовиться к экзаменам CCENT/CCNA, так как за его основу взят курс Cisco ICND1.
1.8 Коротко о единицах измерения в компьютерных сетях или что такое пропуская способность канала связи
Привет, посетитель сайта ZametkiNaPolyah.ru! Продолжаем изучать основы работы компьютерных сетей, напомню, что эти записи основаны на программе Cisco ICND1 и помогут вам подготовиться к экзаменам CCENT/CCNA. В этой записи мы лишь поверхностно затронем темы единиц измерения в компьютерных сетях и пропускной способности канала связи, для более подробного изучения этих вопросов в тексте записи будет приведен один источник, который раскроет тему в достаточной мере с точки зрения физики и современных технологий.
Еще из этой записи вы узнаете, почему скорость Интернета у вас дома не 100 Мбит/с, а меньше и докуда (до какой точки) вообще вам гарантирует провайдер такую скорость передачи данных, а также вы поймете, что пропускная способность считается несколько иначе, нежели занятое пространство на жестком диске.
Перед началом я хотел бы вам напомнить, что ознакомиться с опубликованными материалами первой части нашего курса можно по ссылке: «Основы взаимодействия в компьютерных сетях».
1.8.1 Введение
Совсем коротко мы поговорим о единицах измерения в компьютерных сетях. По большей части нас будет интересовать пропускная способность канала связи и время. С временем все понятно, оно так или иначе всем знакомо и может измеряться в секундах минутах, часах, днях, долях секунды. А вот с пропускной способностью канала связи не совсем, мы, как сетевые инженеры, строящие свою компьютерную сеть на оборудование Cisco, будем измерять пропускную способность в соотношении битов, пройденных через канал за секунду или битах 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 посвящать вас в глубокий физический смысл этой величины, поэтому и мы здесь не будем останавливаться на этом деле. За подробностями обращайтесь к поисковой системе, либо не поленитесь и найдите книгу Бернарда Скляра «Цифровая связь», там очень подробно и хорошо описан физический смысл пропускной способности и полосы пропускания, а также откуда это все у нас пошло и как мы дожили до таких измерений пропускной способности канала связи.
Здесь я приведу лишь грубую аналогию: представьте, что у вас есть плоский стол, в центре которого вырезано круглое отверстие, а также коробка с бесконечным количеством шаров (давайте только договоримся, что каждый шар имеет определенный вес, скажем, 200 грамм) и ваша задача заключается, в том, чтобы за какую-то определенную единицу времени пропустить как можно большее количество шаров через отверстие, а результат мы будем измерять не в количестве шаров, а в килограммах. Насколько быстро это у вас получится?
Сложный вопрос, но мы можем выделить здесь три важных фактора, которые повлияют на конечный результат: вес шара, диаметр отверстия и то, насколько быстро вы сможете орудовать, проталкивая эти шары. К характеристикам непосредственно канала в данном случае относится диаметр отверстия, к характеристикам передаваемых данных относится вес шара, а также можно провести аналогию с тем «насколько быстро вы сможете орудовать, проталкивая эти шары» и производительностью реального сетевого оборудования.
В данному случае пропускная способность будет измеряться в том, сколько килограммов/граммов/тонн шаров вы сможете пропустить через это отверстие за секунду. Например, у вас получилось за секунду протолкнуть в отверстие 5 шаров, тогда пропускная способность вашей системы будет 1 килограмм в секунду или 1 кг/с. Как можно увеличить пропускную способность вашей системы? Первый и очевидный способ – увеличить диаметр отверстия (улучшить канал связи), допустим, чтобы через это отверстия в один момент времени могло проходить не один шар, а два или три. Если мы увеличим отверстие в два раза, то, наверное, за секунду мы сможем пропустить через отверстие не 5, а 10 шаров, а это уже 2 килограмма и, соответственно, пропускная способность увеличится до 2 кг/c.
Вас должно было смутить слово «наверное» в предыдущем абзаце. И это слово там появилось не случайно. Дело все в том, что тут возникает вопрос: а хватит ли нам сноровки и ловкости, чтобы брать сразу по два шара из коробки постоянно или в принципе, если не хватит, то нам нужно тренироваться. Если говорить о компьютерных сетях, то, например, ваш физическая среда передачи данных позволяет вам передавать данных со скоростью 1 Гигабит/с, а у вашего оборудования нет таких портов, да и вообще оно не рассчитано на такую скорость передачи данных, тогда вам нужно будет обновить это оборудование.
И наконец третий параметр – вес шара. Например, мы можем его увеличить с двухсот грамм до четырехсот, тем самым мы увеличим пропускную способность нашей вымышленной системы (вес увеличиваем за счет увеличения плотности материала, объем шара не меняется, допустим шары у нас были алюминиевые, а теперь мы взяли и заменили их на медные, поэтому диаметр отверстия изменять не нужно). Допустим мы по-прежнему сможем проталкивать через отверстие 5 шаров, но пропускная способность за счет увеличения веса шара увеличится в два раза с 1 кг/с до 2 кг/c. Но возникает вопрос: а сможем ли мы поднимать шары, если они будут весом 400 грамм или нам надо подкачаться? В реальной жизни есть такой параметр MTU (количество полезной информации в кадре/пакете, этот параметр можно задавать как для канального уровня модели OSI, так и для сетевого уровня эталонной модели сетевого взаимодействия), о нем мы обязательно поговорим, но чуть позже, его можно изменять, но не все оборудование сможет работать с некоторыми особенно большими значениями MTU, да и увеличение MTU в два раза не приведет к увеличению пропускной способности в два раза, позже вы поймете почему.
Итак, мы выделили три главных фактора, которые будут влиять на пропускную способность нашей компьютерной сети:
Поэтому, когда вы говорите про пропускную способность, желательно уточнять про что вы именно говорите и в чем именно вы измеряете пропускную способность.
Рисунок 1.8.1 Простая компьютерная сеть
На Рисунке 1.8.1 показана простая компьютерная сеть, у каждого устройства в этой сети есть своя производительность и свои характеристики, например, очевидно, что принтеру не нужен канал связи с пропускной способностью 1 Гбит/c, так как его буфер ограничен, а скорость печати значительно медленнее указанной скорости передачи данных.
1.8.3 Лирическое отступление по поводу провайдеров и скорости Интернета 100 Мбит/с
Тут, кстати, стоит сказать пару слов о провайдере. Когда вы берете у провайдера «интернет 100 мегабит/с», вы берете не чистых 100 мегабит/с полезных данных. Вы берете полосу пропускания шириной 100 мегабит. При этом провайдер вам не гарантирует, что такая полоса пропускания будет во всем Интернете, такая полоса будет только до конечного порта провайдера, который, будем пока говорить так, подключен к общей сети, которую мы называем Интернет. Как только ваш пакет вышел из сети провайдера и отправился в путешествие до серверов Ютуба, ваш поставщик услуг теряет контроль над этим пакетом, так как до Ютуба пакет может пройти через сети других провайдеров.
Рисунок 1.8.2 Грубая схема пути пакета от вашего ПК до Интернета
Если посмотреть на Рисунок 1.8.2, на котором изображена очень грубая схема того, какой путь пройдет ваш пакет от вашего ПК, до Интернета, легко можно понять, что провайдер гарантирует вам 100 Мбит/c, ровно до той желтой стрелочки, которая соединяет маршрутизатор провайдера с облачком, которое я назвал Интернет. Ну а что касается нижней части схемы, то желтая стрелочка, соединяющая домашний роутер с роутером провайдера, имеет пропускную способность 100 Мбит/c, это как раз означает то, что если вы берете у провайдера такой канал, то он будет делиться между всеми устройствами, находящимися за вашим домашним роутером.
А еще стоит учитывать, что ваш домашний роутер должен общаться на своем роутерском языке с роутером провайдера и другими провайдерскими устройствами, и вот этих 100 Мбит/с, которые вы взяли у провайдера, также используются для этих целей, то есть в канале 100 Мбит/с передается как полезный трафик, так и служебный (примерно 7%) и этот момент даже описан, ну или по крайней мере должен быть прописан в вашем договоре (смотрите по ключам вроде: процент утилизируемого трафика или процент служебного трафика).
В общем и целом, вы берете не чистых 100 Мбит/с, а грязных, вывод из этого прост: не насилуйте мозг провайдерской тех. поддержки, а читайте договор, разбирайтесь в том, что вы берете и смотрите, на что подписываетесь.
1.8.4 Единицы измерения канала связи и единицы измерения объема данных на жестком диске компьютера
Если вы IP-инженер, сетевой инженер или администратор сети, то для вас пропускная способность, скорее всего, будет представлена в бит/c и это чертовски удобно. Но бит/c не всегда удобная единица измерения, слишком много нулей придется печатать или считывать с экрана, если вы работаете с современной компьютерной сетью, вероятно вам будет удобнее работать килобитами (10 в 3-ей степени бит)[1 Кбит/c], мегабитами (10 в 6-ой степени бит)[1 Мбит/с] или гигабитами (10 в 9-ой степени бит)[1 Гбит/с].
Обратите внимание, если мы говорим о пропускной способности канала связи, то 1 Кбит = 1000 бит. Но если мы говорим о компьютерной логике и о мере измерения объемов памяти, то мир меняется и, к сожалению, об этом знают не все сетевые инженеры, хотя, казалось бы, очевидная вещь. Итак, когда мы говорим про объем памяти компьютера, то мы тоже вполне себе неплохо используем эти самые биты, но до тех пор, пока мы используем просто биты, а не килобиты или мегабиты. Так, например, 1 Кбит на жестком диске равен 1024 битам, а 1 Кбит пропускной способности канала связи равен 1000 битам. Вопрос: куда делись или откуда появились этих 24 бита?
А дело вот в чем: когда мы говорим про пропускную способность канала связи, то один килобит для нас представляется как 10 в третьей степени бит или 1000 бит, а когда мы говорим про объем памяти, то 1 килобит это 2 в 10 степени бит (это соответствует общей концепции вычислительной техники, подробнее читайте у Таненбаума в его «Архитектуре компьютера»). Вам важно запомнить, что размеры памяти всегда представляются как степень двойки, поэтому даже если вы от бит перейдете к байтам (в одном байте 8 бит), то в логике компьютера 1 килобайт памяти, это не 1000 байт, а 1024 байта.
Но скорость передачи данных не измеряется двоичной системой счисления, для этого мы используем десятичную систему и, соответственно, степени десятки. И вот эта очевидная и базовая вещь в реальной работе приводит к тому, что сетевой инженер пытается решить проблему, которой нет. В качестве примера возьмем такой замечательный во всех отношениях файловый менеджер с названием Total Commander, у которого есть встроенный FTP клиент, при помощи которого абонент, арендующий у провайдера канал связи, решил замерить производительность своего канала (действительно ли провайдер дает ему заявленную скорость или нет), все бы ничего, но дело в том, что FTP клиент, встроенный в Total Commander измеряет скорость копирования файлов, а не скорость канала связи, поэтому результаты он показывает в компьютерной логике и не в мегабитах, а в мегабайтах за секунду. Если хотите попрактиковаться, то вот вам вопрос: канал с какой пропускной способностью арендовал клиент у провайдера, если Total Commander показывал скорость копирования файлов 2.3-2.5 мегабайта в секунду.
Другой пример, есть такой замечательный производитель сетевого оборудования, название которого начинается на D и заканчивается на Link, а между двумя этими словами дефис еще есть. Если говорить о провайдерах, то они любят коммутаторы этого вендора устанавливать для подключения конечных абонентов (если к вам домой приходит витая пара, то, вероятно, она уходит на чердак или в подвал и со стороны провайдера она воткнута в коммутатор этого вендора), такие коммутаторы называются коммутаторами доступа. Как правило, но не всегда, порты этих коммутаторов, с которых включены абоненты, имеют пропускную способность 100 Мбит/c, но не все абоненты берут скорость 100 Мбит/с, кому-то 30 Мбит/с подавай, кому-то пятнадцать.
И самым простым и ломовым способом ограничить пропускную способность для таких абонентов является ограничение полосы пропускания непосредственно на порту, с которого включен абонент (но, если речь идет про услугу доступ в интернет, то провайдеры так не делают, так как маркетологи обещают абонентам при любой скорости доступа в Интернет, пусть даже и 10 Мбит/c, скорость к внутрисетевым ресурсам будет 100 Мбит/c). Так вот, у D-Link есть модели, которым говоришь: D-Link на 5-ом порту надо ограничить скорость до 20 Мбит/c. D-Link на это отвечает: хорошо, я тебя понял и сделал как ты говоришь. Но, мы же должны быть ответственными инженерами, поэтому мы говорим коммутатору: D-Link, покажи скорость, которую ты выставил на 5-ый порт. А D-Link отвечает: вот смотри, на 5-ом порту скорость 24.9 (с хвостиком). И эта ситуация как раз-таки связана с проблемой компьютерной логики подсчета и логики пропускной способности канала связи. Но не подумайте, ничего плохого про D-Link я говорить не хочу, эта ситуация решается парой команд в конфигурации коммутатора.
А теперь давайте я приведу таблицу степеней десятки, в которой будет записано число без степени, это же число, но в виде 10 в степени и как эта вся штука называется (префикс).
1.8.5 Выводы
Итак, в завершении разговора о пропускной способности канала связи выделим все самое основное и важное. И первое, нужно быть внимательным при работе с пропускной способностью, хотя эта общая рекомендации при работе с компьютерными сетями в целом. Второе, пропускная способность канала связи считается иначе, нежели объем памяти на компьютере. Третье, провайдер дает нам не 100 Мегабит/с скорости Интернета, а полосу пропускания 100 мегабит, причем грязную полосу, часть которой занята служебным трафиком.
Четвертое, стоит отделять пропускную способность канала связи от пропускной способности компьютерной сети в целом, да и вообще каналы связи работают куда быстрее, чем может работать компьютер, поэтому производители сетевого оборудования везде, где это только возможно, стараются заменить программные вычисления аппаратными. Пятое, для нас в рамках всего нашего разговора пропускная способность будет измеряться как соотношение бит/c. Ну и шестое (об этом будет подробнее в разговоре про MTU), на пропускную способность системы в целом влияет то, сколько полезных данных содержится в одном фрагменте данных (кадре или пакете), MTU на пропускную способность непосредственно канала не влияет, поэтому в компьютерных сетях и системах связи иногда размер чего-либо имеет большое значение.