Gennemløbet er ens. Båndbredde
Systemingeniør hos INTELCOM Line
Efter at have vurderet den nødvendige gennemstrømning på hver sektion af IP-netværket, er det nødvendigt at tage stilling til valget af OSI-netværk og linklagsteknologier. I overensstemmelse med de valgte teknologier bestemmes de bedst egnede modeller netværksudstyr. Dette spørgsmål er også svært pga gennemløb afhænger direkte af udstyrets ydeevne, og ydeevnen afhænger til gengæld af software- og hardwarearkitekturen. Lad os se nærmere på kriterierne og metoderne til at vurdere kapaciteten af kanaler og udstyr i IP-netværk.
Båndbreddevurderingskriterier
Siden fremkomsten af teletrafikteori er der udviklet mange metoder til beregning af kanalkapacitet. Men i modsætning til beregningsmetoder, der anvendes på kredsløbskoblede netværk, er beregning af den nødvendige gennemstrømning i pakkenetværk ret kompleks og vil sandsynligvis ikke give nøjagtige resultater. Først og fremmest skyldes dette et stort antal faktorer (især dem, der er iboende i moderne multiservice-netværk), som er ret svære at forudsige. I IP-netværk bruges en fælles infrastruktur typisk af mange applikationer, som hver især kan bruge sit eget forskellige trafikmønster. Inden for en session kan trafik transmitteret i fremadrettet retning desuden afvige fra trafik transmitteret i den modsatte retning. Udover dette kompliceres beregningerne af, at hastigheden af trafikken mellem de enkelte netværksnoder kan ændre sig. Derfor, i de fleste tilfælde, når der bygges netværk, bestemmes kapacitetsvurderingen faktisk af de generelle anbefalinger fra producenter, statistiske undersøgelser og erfaringer fra andre organisationer.
Bliv medlem af Aktiv-SB Affiliate Program, og du vil modtage:
Ratebetaling for lagervarer (med forbehold for levering af komplet pakke Dokumenter);
Placering af virksomheden i afsnittet "Installation", når du køber udstyr månedligt for mere end 100.000 rubler;
Cashback af Bonus program op til 5 % af købsbeløbet
For mere eller mindre præcist at bestemme, hvor meget båndbredde der kræves til netværket, der designes, skal du først vide, hvilke applikationer der skal bruges. Dernæst bør du for hver applikation analysere, hvordan data vil blive overført i de valgte tidsperioder, og hvilke protokoller der bruges til dette.
Til simpelt eksempel overveje en lille ansøgning virksomhedens netværk.
Eksempel på båndbreddeberegning
Lad os antage, at der er 300 arbejdscomputere og det samme antal IP-telefoner på netværket. Det er planlagt at bruge følgende tjenester: e-mail, IP-telefoni, videoovervågning (fig. 1). Til videoovervågning anvendes 20 kameraer, hvorfra videostreams overføres til serveren. Lad os prøve at estimere, hvilken maksimal båndbredde der kræves for alle tjenester på kanalerne mellem netværkets kerne-switche og ved krydsene med hver af serverne.
Det skal med det samme bemærkes, at alle beregninger skal udføres for det tidspunkt, hvor brugernes største netværksaktivitet (i teletrafikteori - spidsbelastningstider), da netværkets ydeevne normalt i sådanne perioder er vigtigst, og forsinkelser og fejl i applikationsdriften er forbundet med en mangel på båndbredde forekommer. , er uacceptable. I organisationer kan den største belastning af netværket forekomme, f.eks. i slutningen af rapporteringsperioden eller under en sæsonbestemt kundetilstrømning, når den travleste stor mængde telefonopkald og de fleste mails sendes.
E-mail
For at vende tilbage til vores eksempel, overvej en e-mail-tjeneste. Den bruger protokoller, der kører oven på TCP, hvilket betyder, at dataoverførselshastigheden konstant justeres for at optage al den tilgængelige båndbredde. Således vil vi starte fra den maksimale forsinkelsesværdi for at sende en besked - lad os sige, at 1 sekund vil være nok til at gøre brugeren komfortabel. Dernæst skal du estimere den gennemsnitlige størrelse af den sendte besked. Lad os antage, at under spidsbelastninger af aktivitet mail beskeder vil ofte indeholde forskellige bilag (kopier af fakturaer, rapporter mv.), så for vores eksempel den gennemsnitlige størrelse Lad os tage 500 kbyte beskeder. Og endelig, sidste parameter, som vi skal vælge, er det maksimale antal medarbejdere, der samtidig sender beskeder. Antag, at halvdelen af medarbejderne i nødtider trykker på "Send"-knappen samtidigt mail klient. Den påkrævede maksimale gennemstrømning for e-mail-trafik ville da være (500 kB x 150 værter)/1 s = 75.000 kB/s eller 600 Mbps. Heraf kan vi umiddelbart slutte, at for forbindelsen mail server med netværket skal du bruge en kanal Gigabit Ethernet. I kernen af netværket vil denne værdi være et af de udtryk, der udgør den samlede nødvendige gennemstrømning.
Telefoni og videoovervågning
Andre applikationer - telefoni og videoovervågning - er ens i deres flowtransmissionsstruktur: begge typer trafik transmitteres vha. UDP protokol og har en mere eller mindre fast transmissionshastighed. De væsentligste forskelle er, at strømmene i telefoni er tovejs og begrænset af tidspunktet for opkaldet, mens strømmene ved videoovervågning transmitteres i én retning og som regel er kontinuerlige.
For at estimere den nødvendige gennemstrømning for telefonitrafik skal du antage, at antallet af samtidige forbindelser, der passerer gennem gatewayen under spidsbelastning, kan nå op på 100. Når du bruger G.711 codec i Ethernet-netværk hastigheden af én strøm, under hensyntagen til overskrifter og servicepakker, er cirka 100 kbit/s. Altså i perioder mest aktive brugere, vil den nødvendige båndbredde i netværkets kerne være 10 Mbit/s.
Videoovervågningstrafik beregnes ganske enkelt og præcist. Lad os sige, at i vores tilfælde transmitterer videokameraer streams på 4 Mbit/s hver. Den nødvendige båndbredde vil være lig med summen af hastighederne for alle videostreams: 4 Mbit/s x 20 kameraer = 80 Mbit/s.
Tilbage er blot at lægge de resulterende spidsværdier sammen for hver af dem netværkstjenester: 600 + 10 + 80 = 690 Mbps. Dette vil være den nødvendige båndbredde i netværkets kerne. Designet bør også indeholde mulighed for skalering, så kommunikationskanaler kan betjene trafikken i et voksende netværk så længe som muligt. I vores eksempel vil det være nok at bruge Gigabit Ethernet til at opfylde kravene til tjenesterne og samtidig være i stand til problemfrit at udvikle netværket ved at forbinde flere noder
Det anførte eksempel er naturligvis langt fra at være standard - hver sag skal behandles separat. I virkeligheden kan netværkstopologien være meget mere kompleks (fig. 2), og kapacitetsvurdering skal foretages for hver sektion af netværket.
Det skal tages i betragtning, at VoIP-trafik (IP-telefoni) distribueres ikke kun fra telefoner til serveren, men også mellem telefoner direkte. Derudover kan netværksaktiviteten variere i forskellige afdelinger af organisationen: den tekniske supporttjeneste foretager flere telefonopkald, projektafdelingen bruger den mere aktivt end andre via e-mail, ingeniørafdelingen forbruger internettrafik mere end andre mv. Som følge heraf kan nogle dele af netværket kræve mere båndbredde end andre.
Brugbar og fuld gennemstrømning
I vores eksempel, når vi beregnede IP-telefoni-flowhastigheden, tog vi højde for det anvendte codec og størrelsen af pakkehovedet. Dette er en vigtig detalje at huske på. Afhængigt af indkodningsmetoden (brugte codecs), mængden af data, der transmitteres i hver pakke, og de anvendte linklagsprotokoller, dannes den samlede gennemstrømning af strømmen. Det er den samlede gennemstrømning, der skal tages i betragtning, når den nødvendige netværksgennemstrømning skal estimeres. Dette er mest relevant for IP-telefoni og andre applikationer, der anvender realtidstransmission af lavhastighedsstreams, hvor størrelsen af pakkeheaderne er en væsentlig del af størrelsen af hele pakken. For klarhedens skyld, lad os sammenligne to VoIP-streams (se tabel). Disse streams bruger den samme komprimering, men forskellige nyttelaststørrelser (faktisk den digitale lydstream) og forskellige linklagsprotokoller.
Dataoverførselshastigheden i sin rene form, uden at tage højde for netværksprotokolheadere (i vores tilfælde en digital lydstrøm), er nyttig båndbredde. Som du kan se fra tabellen, kan deres samlede gennemstrømning variere meget med den samme nyttige gennemstrømning af streams. Når man beregner den nødvendige netværkskapacitet til telefonopkald under spidsbelastninger, især for teleoperatører, spiller valget af kanalprotokoller og flowparametre en væsentlig rolle.
Valg af udstyr
Valget af link-layer-protokoller er normalt ikke et problem (i dag opstår spørgsmålet oftere om, hvor meget båndbredde en Ethernet-kanal skal have), men at vælge det rigtige udstyr kan give vanskeligheder selv for en erfaren ingeniør.
Udvikling netværksteknologier Samtidig med de voksende applikationskrav til netværksbåndbredde er producenter af netværksudstyr tvunget til at udvikle stadig nye software- og hardwarearkitekturer. Ofte fra en enkelt producent er der tilsyneladende lignende udstyrsmodeller, men designet til at løse forskellige netværksproblemer. Tag for eksempel Ethernet-switche: De fleste producenter har sammen med konventionelle switche, der bruges i virksomheder, switche til at bygge datalagringsnetværk, organisere operatørtjenester osv. Modeller i samme priskategori adskiller sig i deres arkitektur, "skræddersyet" til specifikke opgaver.
Ud over den samlede ydeevne bør valget af udstyr også være baseret på understøttede teknologier. Afhængigt af typen af hardware kan et bestemt sæt funktioner og trafiktyper behandles på hardwareniveau uden brug af CPU og hukommelsesressourcer. I dette tilfælde vil trafik fra andre applikationer blive behandlet den programniveau, hvilket i høj grad reducerer den samlede ydeevne og som følge heraf maksimal gennemstrømning. For eksempel er multi-lags switche, takket være deres komplekse hardwarearkitektur, i stand til at transmittere IP-pakker uden at reducere ydeevnen, når alle porte har maksimal belastning. Desuden, hvis vi ønsker at bruge mere kompleks indkapsling (GRE, MPLS), så er sådanne switche (af i det mindste billige modeller) vil næppe passe os, da deres arkitektur ikke understøtter de tilsvarende protokoller, og i bedste tilfælde vil en sådan indkapsling ske på bekostning af en lavtydende central processor. For at løse sådanne problemer kan vi derfor overveje for eksempel routere, hvis arkitektur er baseret på en højtydende central processor og i højere grad afhænger af software frem for hardwareimplementering. I dette tilfælde får vi på bekostning af maksimal gennemstrømning et stort udvalg af understøttede protokoller og teknologier, der ikke understøttes af switches i samme priskategori.
Samlet udstyrs ydeevne
I dokumentationen for deres udstyr angiver producenterne ofte to maksimale gennemløbsværdier: den ene udtrykt i pakker pr. sekund, den anden i bits pr. sekund. Dette skyldes det faktum, at det meste af netværksudstyrets ydeevne som regel bruges på at behandle pakkeheadere. Groft sagt skal udstyret modtage pakken, finde en passende koblingsvej til den, generere en ny header (hvis nødvendigt) og sende den videre. I dette tilfælde er det naturligvis ikke mængden af transmitterede data pr. tidsenhed, der spiller en rolle, men antallet af pakker.
Hvis vi sammenligner to strømme transmitteret med samme hastighed, men med forskellige størrelser pakker, og overfør derefter strømmen fra mindre størrelse pakker vil kræve mere ydeevne. Dette forhold bør tages i betragtning, hvis netværket er beregnet til at bruge f.eks. et stort antal af IP-telefonistrømme - den maksimale gennemstrømning i bits pr. sekund her vil være meget mindre end deklareret.
Det er klart, at med blandet trafik, og endda under hensyntagen yderligere tjenester(NAT, VPN), som det sker i langt de fleste tilfælde, er det meget vanskeligt at beregne belastningen på udstyrsressourcer. Ofte udfører udstyrsproducenter eller deres partnere belastningstest forskellige modeller under forskellige forhold, og resultaterne offentliggøres på internettet i formularen sammenlignende tabeller. At blive fortrolig med disse resultater forenkler i høj grad opgaven med at vælge den passende model.
Faldgruber ved modulært udstyr
Hvis det valgte netværksudstyr er modulopbygget, kan du ud over den fleksible konfiguration og skalerbarhed, som producenten har lovet, få mange faldgruber.
Når du vælger moduler, bør du omhyggeligt læse deres beskrivelse eller konsultere producenten. Det er ikke nok kun at blive styret af typen af grænseflader og deres antal - du skal også blive fortrolig med selve modulets arkitektur. For lignende moduler er det ikke ualmindeligt, at når de transmitterer trafik, er nogle i stand til at behandle pakker autonomt, mens andre blot videresender pakker til den centrale processor modul til yderligere behandling (for eksternt identiske moduler kan prisen derfor variere flere gange). I det første tilfælde er udstyrets samlede ydeevne og som følge heraf dets maksimale gennemløb højere end i det andet, da en del af dets arbejde CPU overførsler til modulprocessorer.
Derudover har modulært udstyr ofte en blokerende arkitektur (når den maksimale gennemstrømning er lavere end den samlede hastighed for alle porte). Dette skyldes den begrænsede kapacitet i den interne bus, hvorigennem modulerne udveksler trafik med hinanden. For eksempel, hvis en modulær switch har en intern bus med en båndbredde på 20 Gbps, så for dets linjekort med 48 Gigabit Ethernet-porte på fuldt læsset Kun 20 porte kan bruges. Du bør også have sådanne detaljer i tankerne og omhyggeligt læse dokumentationen, når du vælger udstyr.
Når man designer IP-netværk, er båndbredde en nøgleparameter, der bestemmer netværkets arkitektur som helhed. For en mere præcis vurdering af gennemløbet kan du følge følgende anbefalinger:
- Undersøg de applikationer, du planlægger at bruge på netværket, de teknologier, de bruger, og mængden af transmitteret trafik. Brug råd fra udviklere og kollegers erfaring til at tage højde for alle nuancerne i disse applikationer, når du bygger netværk.
- Studer i detaljer netværksprotokoller og de teknologier, der bruges af disse applikationer.
- Læs dokumentationen omhyggeligt, når du vælger udstyr. At have lidt reserve færdige løsninger, tjek produktlinjerne fra forskellige producenter.
Som et resultat, med det rigtige valg af teknologier og udstyr, kan du være sikker på, at netværket fuldt ud vil opfylde kravene til alle applikationer og, idet det er tilstrækkeligt fleksibelt og skalerbart, vil vare i lang tid.
Med strømmen tekniske fremskridt Internettets muligheder er også blevet udvidet. Men for at brugeren kan udnytte dem fuldt ud, er en stabil og højhastighedsforbindelse nødvendig. Først og fremmest afhænger det af kommunikationskanalernes gennemstrømning. Derfor er det nødvendigt at finde ud af, hvordan man måler dataoverførselshastighed, og hvilke faktorer der påvirker det.
Hvad er kommunikationskanalkapacitet?
For at sætte dig ind og forstå ny sigt, skal du vide, hvad en kommunikationskanal er. Hvis vi taler i et enkelt sprog, kommunikationskanaler er enheder og midler, hvorigennem transmission sker over en afstand. For eksempel foregår kommunikationen mellem computere ved hjælp af fiberoptiske netværk og kabelnet. Derudover er en almindelig kommunikationsmetode via en radiokanal (en computer forbundet til et modem eller et Wi-Fi-netværk).
Båndbredde er den maksimale hastighed for informationstransmission i en bestemt tidsenhed.
Typisk bruges følgende enheder til at angive gennemløb:
Båndbreddemåling
Måling af gennemløb er en ret vigtig operation. Det udføres for at finde ud af den nøjagtige hastighed på din internetforbindelse. Målingen kan udføres ved hjælp af følgende trin:
- Det enkleste er at downloade en stor fil og sende den til den anden ende. Ulempen er, at det er umuligt at bestemme nøjagtigheden af målingen.
- Derudover kan du bruge ressourcen speedtest.net. Tjenesten giver dig mulighed for at måle bredden af internetkanalen "der fører" til serveren. Denne metode er dog heller ikke egnet til holistisk måling; tjenesten leverer data om hele linjen til serveren og ikke om en bestemt kommunikationskanal. Derudover har objektet, der måles, ikke adgang til det globale internet.
- Den optimale løsning til måling er klient-server-værktøjet Iperf. Det giver dig mulighed for at måle tid og mængden af overførte data. Efter operationen er afsluttet, giver programmet brugeren en rapport.
Takket være ovenstående metoder kan du måle uden problemer reel fart Internetforbindelser. Hvis aflæsningerne ikke opfylder dine nuværende behov, skal du måske overveje at skifte udbyder.
Båndbreddeberegning
For at finde og beregne kapaciteten af en kommunikationslinje er det nødvendigt at bruge Shannon-Hartley-sætningen. Der står: du kan finde gennemløbet af en kommunikationskanal (linje) ved at beregne det indbyrdes forhold mellem den potentielle gennemstrømning, samt kommunikationslinjens båndbredde. Formlen til beregning af gennemløb er som følger:
I=Glog 2 (1+A s/A n).
I denne formel har hvert element sin egen betydning:
- jeg- angiver den maksimale gennemløbsparameter.
- G- parameter for båndbredden beregnet til signaltransmission.
- Som/ A n- forholdet mellem støj og signal.
Shannon-Hartley-sætningen foreslår, at for at reducere ekstern støj eller øge signalstyrken, er det bedst at bruge et bredt kabel til datatransmission.
Signaltransmissionsmetoder
I dag er der tre hovedmåder til at overføre signaler mellem computere:
- Transmission over radionetværk.
- Dataoverførsel via kabel.
- Dataoverførsel via fiberoptiske forbindelser.
Hver af disse metoder har individuelle karakteristika for kommunikationskanaler, som vil blive diskuteret nedenfor.
Fordelene ved at transmittere information via radiokanaler omfatter: alsidig brug, nem installation og konfiguration af sådant udstyr. Som regel bruges en radiosender til modtagelse og metode. Det kan være et modem til en computer eller en Wi-Fi-adapter.
Ulemperne ved denne transmissionsmetode omfatter ustabil og relativt lav hastighed, større afhængighed af tilstedeværelsen af radiotårne, samt de høje omkostninger ved brug ( Mobilt internet næsten dobbelt så dyr som en "stationær").
Fordelene ved datatransmission via kabel er: pålidelighed, nem betjening og vedligeholdelse. Information overføres gennem elektrisk strøm. Relativt set bevæger en strøm ved en bestemt spænding sig fra punkt A til punkt B. A omdannes senere til information. Trådene kan modstå temperaturændringer, bøjning og mekanisk belastning rigtig godt. Ulemperne omfatter ustabil hastighed, samt forringelse af forbindelsen på grund af regn eller tordenvejr.
Måske den mest perfekte dette øjeblik Datatransmissionsteknologi er brugen af fiberoptisk kabel. Millioner af bittesmå glasrør bruges til at designe kommunikationskanalerne i kommunikationskanalnetværket. Og signalet, der transmitteres gennem dem, er en lysimpuls. Da lysets hastighed er flere gange højere end strømmens hastighed, denne teknologi tilladt at fremskynde internetforbindelsen flere hundrede gange.
Ulemperne omfatter fiberoptiske kablers skrøbelighed. For det første kan de ikke modstå mekaniske skader: knækkede rør kan ikke transmittere et lyssignal gennem sig selv, og pludselige temperaturændringer fører til, at de revner. Nå, den øgede baggrundsstråling gør rørene uklare - på grund af dette kan signalet forringes. Udover, fiberoptisk kabel Det er svært at genoprette, hvis det går i stykker, så du skal helt udskifte det.
Ovenstående tyder på, at kommunikationskanaler og netværk af kommunikationskanaler over tid forbedres, hvilket fører til en stigning i dataoverførselshastigheder.
Gennemsnitlig kapacitet af kommunikationslinjer
Ud fra ovenstående kan vi konkludere, at kommunikationskanaler er forskellige i deres egenskaber, hvilket påvirker hastigheden af informationsoverførsel. Som tidligere nævnt kan kommunikationskanaler være kablede, trådløse eller baseret på brug af fiberoptiske kabler. Den sidste type oprettelse af datanetværk er den mest effektive. Og dens gennemsnitlige kommunikationskanalkapacitet er 100 Mbit/s.
Hvad er et beat? Hvordan måles bithastighed?
Bithastighed er et mål for forbindelseshastighed. Beregnet i bit, de mindste enheder af informationslagring, pr. 1 sekund. Det var iboende i kommunikationskanaler i æraen af " tidlig udvikling» Internet: på det tidspunkt blev tekstfiler primært transmitteret på det globale web.
I øjeblikket er den grundlæggende måleenhed 1 byte. Det er til gengæld lig med 8 bits. Begynderbrugere laver meget ofte grov fejl: Forveksle kilobits og kilobytes. Det er her, forvirringen opstår, når en kanal med en båndbredde på 512 kbps ikke lever op til forventningerne og producerer en hastighed på kun 64 KB/s. For at undgå forvirring skal du huske, at hvis bits bruges til at angive hastighed, så vil indtastningen ske uden forkortelser: bit/s, kbit/s, kbit/s eller kbps.
Faktorer, der påvirker internethastigheden
Som du ved, afhænger den endelige hastighed af internettet af kommunikationskanalens båndbredde. Hastigheden af informationsoverførsel påvirkes også af:
- Tilslutningsmetoder.
Radiobølger, kabler og fiberoptiske kabler. Egenskaberne, fordelene og ulemperne ved disse forbindelsesmetoder blev diskuteret ovenfor.
- Serverbelastning.
Jo mere travlt serveren har, jo langsommere modtager eller transmitterer den filer og signaler.
- Ekstern interferens.
Interferens har den største indvirkning på forbindelser oprettet ved hjælp af radiobølger. Dette er forårsaget af mobiltelefoner, radioer og andre radiomodtagere og -sendere.
- Status for netværksudstyr.
Selvfølgelig spiller forbindelsesmetoder, servernes tilstand og tilstedeværelsen af interferens en vigtig rolle for at sikre højhastighedsinternet. Men selvom ovenstående indikatorer er normale, og internethastigheden er lav, er problemet skjult i computerens netværksudstyr. Moderne netværkskort er i stand til at understøtte internetforbindelser med hastigheder på op til 100 Mbit per sekund. Tidligere kunne kort give maksimal gennemstrømning på henholdsvis 30 og 50 Mbps.
Hvordan øger man internethastigheden?
Som tidligere nævnt afhænger gennemløbet af en kommunikationskanal af mange faktorer: forbindelsesmetoden, serverens ydeevne, tilstedeværelsen af støj og interferens samt netværksudstyrets tilstand. For at øge forbindelseshastigheden derhjemme kan du udskifte netværksudstyr med mere avanceret, samt skifte til en anden forbindelsesmetode (fra radiobølger til kabel eller fiberoptik).
Endelig
For at opsummere er det værd at sige, at kommunikationskanalbåndbredde og internethastighed ikke er det samme. For at beregne den første mængde er det nødvendigt at bruge Shannon-Hartley-loven. Ifølge ham kan støj reduceres og signalstyrken øges ved at erstatte transmissionskanalen med en bredere.
Det er også muligt at øge hastigheden på din internetforbindelse. Men det udføres ved at skifte udbyder, udskifte forbindelsesmetoden, forbedre netværksudstyret og også beskytte enheder til at sende og modtage information fra kilder, der forårsager interferens.
I ethvert kommunikationssystem transmitteres information gennem en kanal. Informationsoverførselshastigheden blev defineret i § 2.9. Denne hastighed afhænger ikke kun af selve kanalen, men også af egenskaberne af det signal, der leveres til dens input, og kan derfor ikke karakterisere kanalen som et middel til at transmittere information. Lad os prøve at finde en måde at vurdere en kanals evne til at transmittere information. Lad os først overveje en diskret kanal, gennem hvilken symboler fra volumenalfabetet transmitteres pr. (2.135) og (2.140)]:
hvor er tilfældige symboler ved kanalens input og output. Af de fire entropier, der er omtalt her -egen information overført karakter - bestemt af kilden diskret signal og afhænger ikke af kanalens egenskaber. De resterende tre entropier afhænger generelt af både signalkilden og kanalen.
Lad os forestille os, at symboler fra forskellige kilder, karakteriseret ved forskellige sandsynlighedsfordelinger (men selvfølgelig med de samme værdier af . For hver sådan kilde kan mængden af information, der transmitteres over kanalen, få sin egen værdi. Den maksimale mængde af overførte oplysninger, taget i henhold til alle former for
indgangssignalkilder, karakteriserer selve kanalen og kaldes kanalkapaciteten. Pr. karakter
hvor maksimering udføres over alle flerdimensionelle sandsynlighedsfordelinger. Du kan også bestemme kanalkapaciteten C pr. tidsenhed (sekund):
Den sidste lighed følger af entropiens additivitet. I fremtiden, hvor end dette ikke er specifikt angivet, vil vi forstå gennemløb som gennemløb pr. sekund.
Lad os som et eksempel beregne kapaciteten af en symmetrisk kanal uden hukommelse, for hvilken overgangssandsynlighederne er givet ved formlen (3.36). Ifølge (3.52) og (3.53)
Værdien i dette tilfælde er let beregnet, da den betingede overgangssandsynlighed kun tager to værdier: hvis ifl Den første af disse værdier forekommer med sandsynlighed og den anden med sandsynlighed. Desuden, da en kanal uden hukommelse tages i betragtning, vil resultaterne at modtage individuelle symboler er uafhængige af hinanden. Derfor
Den afhænger derfor ikke af sandsynlighedsfordelingen B, men bestemmes kun af kanalens overgangssandsynligheder. Denne egenskab er bevaret for alle kanalmodeller med additiv støj.
Ved at erstatte (3,56) med (3,55), opnår vi
Da det på højre side kun er termen, der afhænger af sandsynlighedsfordelingen, er det nødvendigt at maksimere den. Den maksimale værdi ifølge (2.123) er lig med og den realiseres, når alle modtagne symboler er lige sandsynlige og uafhængige af hinanden. Det er let at verificere, at denne betingelse er opfyldt, hvis inputsymbolerne er lige sandsynlige og uafhængige, da
På samme tid
Derfor gennemløbet pr. sekund
For en binær symmetrisk kanal, gennemløbet ind binære enheder i sekundet
Afhængigheden af ifølge (3.59) er vist i fig. 3.9.
Med kapaciteten af den binære kanal, da med en sådan sandsynlighed for fejl sekvensen af udgange binære tegn kan opnås uden overhovedet at sende signaler over kanalen, men ved at vælge dem tilfældigt (for eksempel baseret på resultaterne af at kaste en mønt), dvs. når sekvenserne ved kanalens udgang og indgang er uafhængige. Hændelsen kaldes en kanalpause. Det faktum, at gennemløbet ved i en binær kanal er det samme som ved (støjfri kanal), forklares ved, at det ved det er nok til at invertere alle outputsymbolerne (dvs. erstatte 0 med 1 og 1 med 0) i for at gendanne indgangssignalet korrekt.
Ris. 3.9. Afhængighed af kapaciteten af en binær symmetrisk kanal uden hukommelse af sandsynligheden for fejlagtig modtagelse af et symbol
Gennemløbet af en kontinuerlig kanal beregnes på lignende måde. Lad for eksempel en kanal have en begrænset båndbredde. Så er signalerne ved kanalens input og output, ifølge Kotelnikovs sætning, bestemt af deres samples taget med intervaller og derfor informationen, der passerer gennem kanalen over nogen tid er lig med summen af mængderne af information, der transmitteres for hver sådan prøve. Kanalkapacitet pr. sådan prøve
Her er de stokastiske variable tværsnit af processer ved kanalens indgang og udgang, og maksimum overtages alle tilladelige indgangssignaler, altså over alle fordelinger.
Gennemløbet C er defineret som summen af tælleværdierne taget over alle prøver pr. sekund. I dette tilfælde skal differentialentropierne i (3.60) selvfølgelig beregnes under hensyntagen til de sandsynlige forbindelser mellem prøverne.
Lad os for eksempel beregne kapaciteten af en kontinuert kanal uden hukommelse med additiv hvid gaussisk støj, som har en båndbredde, hvis den gennemsnitlige signaleffekt (varians) ikke overstiger en given værdi. Vi betegner effekten (spredningen) af støj i båndet. Samplingerne af input- og udgangssignalerne samt støj er relateret af ligheden
n da den har en normalfordeling med nul matematisk forventning, så vil den betingede sandsynlighedstæthed for fast og også være normal - med matematisk forventning og spredning. Lad os finde gennemløbet pr. stikprøve:
Ifølge (2.152) afhænger normalfordelingens differentialeentropi ikke af den matematiske forventning og er lig. Derfor, for at finde den, skal vi finde en sådan fordelingstæthed, der maksimerer Fra (3.61), idet der tages højde for den uafhængige tilfældige variable, vi har
Således er variansen fast, som givet. Ifølge (2.153), for en fast spredning, er den maksimale differentielle entropi tilvejebragt af normalfordelingen. Fra (3.61) er det klart, at med en normal endimensionel fordeling vil fordelingen også være normal og derfor
Med hensyn til gennemløbet C pr. sekund bemærker vi, at den information, der transmitteres over flere prøver, er maksimal i det tilfælde, hvor signalprøverne er uafhængige. Dette kan opnås, hvis signalet er valgt således, at dets spektraltæthed er ensartet i båndet. Som det blev vist i prøver adskilt af intervaller, der er multipla af dem, er gensidigt ukorrelerede, og for Gaussiske størrelser betyder ukorreleret uafhængighed.
Derfor kan gennemløbet C (per sekund) findes ved at tilføje gennemløbene (3.63) for uafhængige prøver:
Det realiseres, hvis den Gaussiske proces har en ensartet spektral tæthed i frekvensbåndet (kvasi-hvid støj).
Fra formel (3.64) er det klart, at hvis signaleffekten ikke var begrænset, så ville gennemløbet være uendeligt. Båndbredden er nul, hvis kanalens signal-til-støj-forhold er nul. Når dette forhold stiger, øges gennemløbet uendeligt, men langsomt, på grund af en logaritmisk afhængighed.
Relation (3.64) kaldes ofte for Shannons formel. Denne formel har vigtig i informationsteori, da det bestemmer afhængigheden af kapaciteten af den løbende kanal under overvejelse af sådanne tekniske egenskaber, såsom båndbredde og signal-til-støj-forhold. Shannons formel indikerer muligheden for at handle med båndbredde for signaleffekt og omvendt. Men da C afhænger lineært af og af logaritmisk, er det normalt upraktisk at kompensere for en mulig reduktion i båndbredden ved at øge signaleffekten. Mere effektiv er den omvendte udveksling af signaleffekt for båndbredde.
1.Hvad er processen med informationsoverførsel?
Overførsel af information- fysisk proces, hvorigennem information flyttes i rummet. Vi registrerede oplysningerne på en disk og flyttede dem til et andet rum. denne proces kendetegnet ved tilstedeværelsen af følgende komponenter:
En kilde til information. Informationsmodtager. Informationsbærer. Transmissionsmedium.
Informationsoverførselsskema:
Informationskilde – informationskanal – informationsmodtager.
Information præsenteres og transmitteres i form af en sekvens af signaler og symboler. Fra kilden til modtageren transmitteres beskeden gennem et eller andet materielt medium. Hvis tekniske kommunikationsmidler bruges i transmissionsprocessen, kaldes de ( informationskanaler). Disse omfatter telefon, radio, tv. Menneskelige sanseorganer spiller rollen som biologiske informationskanaler.
Processen med at overføre information gennem tekniske kommunikationskanaler følger følgende skema (ifølge Shannon):
Udtrykket "støj" refererer til forskellige typer interferens, der forvrænger det transmitterede signal og fører til tab af information. Sådan interferens opstår primært pga tekniske årsager: dårlig kvalitet af kommunikationslinjer, usikkerhed ved forskellige strømme af information transmitteret over de samme kanaler fra hinanden. Anvendes til støjbeskyttelse forskellige veje for eksempel brugen af forskellige slags filtre, der adskiller det nyttige signal fra støjen.
Claude Shannon udviklede en særlig kodningsteori, der giver metoder til at håndtere støj. En af de vigtige ideer i denne teori er, at koden, der sendes over kommunikationslinjen, skal være redundant. På grund af dette kan tabet af en del af informationen under transmissionen kompenseres. Redundansen bør dog ikke være for stor. Dette vil føre til forsinkelser og øgede kommunikationsomkostninger.
2. Generel ordning for informationsoverførsel
3. List de kommunikationskanaler, du kender
Kommunikationskanal (engelsk kanal, datalinje) - et system af tekniske midler og signaludbredelsesmedium til transmission af meddelelser (ikke kun data) fra kilde til modtager (og omvendt). En kommunikationskanal, forstået i en snæver forstand (kommunikationsvej), repræsenterer kun fysiske miljø signaludbredelse f.eks fysisk linje kommunikation.
Baseret på typen af distributionsmedie er kommunikationskanalerne opdelt i:
kablet; akustisk; optisk; infrarød; radiokanaler.
4. Hvad er telekommunikation og computertelekommunikation?
Telekommunikation(græsk tele - i det fjerne, langt væk og lat. communicatio - kommunikation) er transmission og modtagelse af enhver information (lyd, billede, data, tekst) over en afstand via forskellige elektromagnetiske systemer (kabel- og fiberoptiske kanaler, radiokanaler og andre kablede og trådløse kanalers kommunikation).
Telekommunikationsnetværk er et system af tekniske midler, hvorigennem telekommunikation udføres.
Telekommunikationsnetværk omfatter:
1. Computernetværk (til datatransmission)
2. Telefonnetværk (transmission stemmeinformation)
3. Radionetværk (transmission af stemmeinformation - udsendelsestjenester)
4. Tv-netværk (tale og video - broadcast-tjenester)
Computertelekommunikation er telekommunikation, hvis terminalenheder er computere.
Overførslen af information fra computer til computer kaldes synkron kommunikation, og gennem en mellemliggende computer, som gør det muligt at akkumulere beskeder og overføre dem til personlige computere som anmodet af brugeren, asynkront.
Computertelekommunikation begynder at blive introduceret i undervisningen. På de videregående uddannelser bruges de til koordinering videnskabelig undersøgelse, hurtig udveksling af information mellem projektdeltagere, fjernundervisning, konsultationer. I skoleuddannelsessystemet - at øge effektiviteten af elevernes selvstændige aktiviteter forbundet med forskellige former for kreativt arbejde, herunder pædagogiske aktiviteter, baseret udbredt brug forskningsmetoder, fri adgang til databaser, udveksling af information med samarbejdspartnere både i ind- og udland.
5. Hvad er båndbredden af en informationstransmissionskanal?
Båndbredde- metrisk karakteristik, der viser forholdet maksimalt antal beståede enheder ( information, objekter, volumen ) pr. tidsenhed gennem en kanal, system, knude.
I datalogi anvendes definitionen af båndbredde normalt på en kommunikationskanal og er defineret maksimalt antal transmitteret/modtaget information pr. tidsenhed.
Båndbredde er en af de vigtigste faktorer fra en brugers synspunkt. Det estimeres ud fra mængden af data, som netværket i grænsen kan overføre pr. tidsenhed fra en enhed, der er tilsluttet den, til en anden.
Hastigheden af informationsoverførsel afhænger i høj grad af hastigheden af dens oprettelse (kildeydelse), kodning og afkodningsmetoder. Den højest mulige ini en given kanal kaldes dens gennemløb. Kanalkapaciteten er pr. definition
informationsoverførselshastigheden ved brug af den "bedste" (optimale) kilde, koder og dekoder for en given kanal, så den karakteriserer kun kanalen.
5. I hvilke enheder måles infkapacitet?
Kan måles i forskellige, nogle gange meget specialiserede, enheder - stykker, bits/sek., tons, Kubikmeter etc.
6. Klassificering af computerkommunikationskanaler (efter kodningsmetode, efter kommunikationsmetode, efter signaltransmissionsmetode)
udsendelsesnetværk; netværk med transmission fra node til node.
7. Karakteristika kabelkanaler informationstransmission (koaksialkabel, snoet par, telefonkabel, fiberoptisk kabel)
kablet – telefon, telegraf (luft) kommunikationslinjer; kabel - kobber snoede par, koaksial, fiberoptisk;
og også baseret på elektromagnetisk stråling:
radiokanaler til jord- og satellitkommunikation; baseret på infrarøde stråler.
kabler baseret på snoede par kobbertråde; koaksialkabler (central kerne og kobberfletning); fiberoptiske kabler.
Kabler baseret snoede par
Kabler baseret på snoede par bruges til at overføre digitale data og er meget udbredt i computernetværk. Det er også muligt at bruge dem til transmission analoge signaler. Snoning af ledningerne reducerer indflydelsen af ekstern interferens på nyttige signaler og reducerer udstråling elektromagnetiske vibrationer ud i det ydre rum. Afskærmning øger prisen på kablet, komplicerer installationen og kræver jording af høj kvalitet. I fig. Et typisk UTP-design baseret på to snoede par præsenteres.
Ris. Kabeldesign med ubeskyttet snoet par.
Afhængigt af tilstedeværelsen af beskyttelse - en elektrisk jordet kobberfletning eller aluminiumsfolie omkring snoede par, bestemmes typerne af kabler baseret på snoede par:
ubeskyttet snoet par UTP (Unshielded twisted pair) – fraværende beskyttende skærm omkring et enkelt par;
foil twisted pair FTP (Foiled twisted pair) – der er ét fælles eksternt skjold i form af folie;
beskyttet snoet par STP (Shielded twisted pair) – der er en beskyttelsesskærm til hvert par og en fælles ekstern skærm i form af et net;
folieafskærmet snoet par S/FTP (Screened Foiled twisted pair) – der er en beskyttelsesskærm til hvert par i foliefletning og en ydre skærm lavet af kobberflet;
ubeskyttet skærmet parsnoet SF/UTP (Screened Foiled Unshielded twisted pair) – dobbelt udvendigt skjold lavet af kobberfletning og folie, hvert par snoet uden beskyttelse.
1.5.2.2. Coax kabel
Formål Coax kabel– signaltransmission inden for forskellige teknologiområder: kommunikationssystemer; udsendelsesnetværk; computernetværk; antenne-fødersystemer af kommunikationsudstyr osv. Denne type kabel har et asymmetrisk design og består af en indvendig kobberkerne og fletning, adskilt fra kernen af et isoleringslag.
Et typisk koaksialkabeldesign er vist i fig. 1.22.
Ris. 1.22. Typisk koaksialkabeldesign
Takket være den metalafskærmende fletning har den høj støjimmunitet. Den største fordel ved coax frem for parsnoet er dens brede båndbredde, som giver potentielt højere dataoverførselshastigheder på op til 500 Mbps sammenlignet med parsnoede kabler. Derudover giver koaksial betydeligt større tilladte signaltransmissionsafstande (op til en kilometer), det er sværere at mekanisk forbinde til det for uautoriseret aflytning af netværket, og det er også mærkbart mindre forurenende miljø elektromagnetisk stråling. Installation og reparation af koaksialkabel er imidlertid vanskeligere end parsnoet kabel, og omkostningerne er højere.
Den bruger konventionelle LED-transceivere, hvilket reducerer omkostningerne og øger levetiden sammenlignet med single-mode kabel. I fig. 1.24. Karakteristikken for signaldæmpning i optisk fiber er givet. Sammenlignet med andre typer kabler, der bruges til kommunikationslinjer, har denne type kabel væsentligt lavere signaldæmpningsværdier, som normalt spænder fra 0,2 til 5 dB pr. 1000 m længde. Multimode optisk fiber er kendetegnet ved dæmpningsgennemsigtighedsvinduer i bølgelængdeområderne 380-850, 850-1310 (nm) og single-mode fiber, henholdsvis 850-1310, 1310-1550 (nm).
Figur 1.24. Fiberoptiske gennemsigtighedsvinduer.
Fordele ved fiberoptisk kommunikation:
Bred båndbredde.
Ekstremt konditioneret høj frekvens bærer vibration. Når du bruger teknologien til spektral multipleksing af kommunikationskanaler ved hjælp af bølgen
Multipleksing i 2009 blev signaler fra 155 kommunikationskanaler med en transmissionshastighed på hver 100 Gbit/s transmitteret over en afstand på 7.000 kilometer. Den samlede dataoverførselshastighed over optisk fiber var således 15,5 Tbit/s. (Tera = 1000 Giga);
Lav dæmpning af lyssignalet i fiberen.
Giver dig mulighed for at bygge fiberoptiske kommunikationslinjer lang længde uden mellemsignalforstærkning;
Lavt støjniveau i fiberoptisk kabel.
Giver dig mulighed for at øge båndbredden ved at transmittere forskellige moduleringer af signaler med lav koderedundans;
Høj støjimmunitet og beskyttelse mod uautoriseret adgang.
Det sikrer absolut beskyttelse af den optiske fiber mod elektrisk interferens, interferens og et fuldstændigt fravær af stråling i det ydre miljø. Dette forklares af arten af lysvibrationer, som ikke interagerer med elektromagnetiske felter andre frekvensområder, som selve den optiske fiber, som er et dielektrikum. Brug af en række lysudbredelsesegenskaber i optisk fiber, integritetsovervågningssystemer optisk linje kommunikation kan øjeblikkeligt slukke for den "hackede" kommunikationskanal og afgive en alarm. Sådanne systemer er især nødvendige, når der oprettes kommunikationslinjer i regering, bank og nogle andre særlige tjenester, der har øgede krav til databeskyttelse;
Intet behov for galvanisk isolering af netværksknuder.
Fiberoptiske netværk kan grundlæggende ikke have elektriske jordsløjfer, som opstår, når to netværksenheder have jordforbindelser på forskellige steder i bygningen;
Høj eksplosions- og brandsikkerhed, modstandsdygtighed over for aggressive miljøer.
På grund af fraværet af muligheden for gnistdannelse øger optisk fiber netværkssikkerheden i kemiske anlæg, olieraffinaderier og vedligeholdelse teknologiske processerøget risiko;
Let vægt, volumen, omkostningseffektivitet af fiberoptisk kabel.
Fiberen er baseret på kvarts (siliciumdioxid), som er et meget tilgængeligt og billigt materiale. I øjeblikket er prisen på fiber i forhold til et kobberpar 2:5. Omkostningerne til selve det fiberoptiske kabel er konstant faldende, dog er brugen af specielle optiske modtagere og sendere (fiberoptiske modemer), der konverterer lyssignaler til elektrisk og omvendt, øger omkostningerne ved netværket som helhed betydeligt;
Lang levetid.
Optisk fibers levetid er mindst 25 år. Fiberoptisk kabel har også nogle ulemper. Den vigtigste er installationens høje kompleksitet. Ved tilslutning af kablets ender er det nødvendigt at sikre høj nøjagtighed af glasfiberens tværsnit, efterfølgende polering af snittet og justering af glasfiberen, når den er installeret i stikket. Installation af konnektorer udføres ved svejsning af samlingen eller ved limning ved hjælp af en speciel gel, der har samme lysbrydningsindeks som glasfiber. Dette kræver under alle omstændigheder højt kvalificeret personale og specialværktøj. Desuden er fiberoptisk kabel mindre holdbart og mindre fleksibelt end elektrisk kabel og er følsomt over for mekanisk belastning. Det er også følsomt over for ioniserende stråling, hvilket reducerer glasfiberens gennemsigtighed, det vil sige øger signaldæmpningen i kablet. Pludselige temperaturændringer kan få glasfiber til at revne. For at reducere indflydelsen af disse faktorer, forskellige Konstruktive beslutninger, hvilket påvirker prisen på kablet.
Under hensyntagen til optisk fibers unikke egenskaber bliver telekommunikation baseret på den i stigende grad brugt inden for alle teknologiområder. Disse er computernetværk, by-, regionale, føderale samt interkontinentale primære undervandskommunikationsnetværk og meget mere. Ved hjælp af fiberoptiske kommunikationskanaler udføres følgende: kabel TV, fjernvideoovervågning, videokonferencer og videoudsendelser, telemetri og andre informationssystemer.
8. Karakteristika trådløse kanaler informationsoverførsel (satellit,
radiokanaler, Wi-Fi, Bluetooth)
Trådløse teknologier- underklasse informationsteknologier, tjener til at overføre information over en afstand mellem to eller flere punkter uden at kræve, at de er forbundet med ledninger. Kan bruges til at overføre informationinfrarød stråling, radiobølger, optisk eller laserstråling.
I øjeblikket er der mange trådløse teknologier, mest almindeligt kendt af brugerne under deres markedsføringsnavne såsom Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Hver teknologi har visse egenskaber, der bestemmer dens anvendelsesområde.
Der er forskellige tilgange til at klassificere trådløse teknologier.
Efter område:
o Trådløs personlige netværk ( WPAN - Wireless Personal Area Networks). Eksempler på teknologier -Bluetooth.
o Trådløs lokale netværk ( WLAN - Wireless Local Area Networks).
Eksempler på teknologier er Wi-Fi.
o By-skala trådløse netværk ( WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks). Eksempler på teknologier - WiMAX.
o Trådløs globale netværk ( WWAN - Trådløs Bredt område netværk).
Eksempler på teknologier er CSD, GPRS, EDGE, EV-DO, HSPA.
Efter topologi:
o "Punkt-til-punkt".
o Punkt-til-multipunkt.
Efter anvendelsesområde:
o Corporate (afdelings) trådløst netværk- skabt af virksomheder til deres egne behov.
o Trådløse operatørnetværk - oprettet af teleoperatører for at levere tjenester mod et gebyr.
En kort, men kortfattet måde at klassificere på kan være at vise de to vigtigste egenskaber ved trådløse teknologier på to akser samtidigt: maksimal hastighed informationsoverførsel og maksimal afstand.
Opgaver Opgave 1. På 10 s transmitteres 500 bytes information over kommunikationskanalen. Hvad er det lig med
kanalkapacitet? (500/10=50 bytes/s=400bit/s)
Opgave 2. Hvor meget information kan transmitteres over en kanal med en båndbredde på 10 kbit/s på 1 minut? (10 kbit/s*60 s = 600 kbit)
Opgave 3. Den gennemsnitlige dataoverførselshastighed ved brug af et modem er 36864 bps. Hvor mange sekunder vil det tage for modemmet at transmittere 4 sider med tekst i KOI-8-kodning, forudsat at hver side i gennemsnit har 2304 tegn.
Løsning: Antal tegn i teksten: 2304*4 = 9216 tegn.
I KOI-8-kodning er hvert tegn kodet med én byte, hvorefter tekstens informationsvolumen er 9216 * 8 = 73.728 bit.
Tid = volumen / hastighed. 73728: 36864 = 2 s
Kanalkapaciteten kaldes maksimal værdi hastigheden af informationstransmission over denne kanal. Det vil sige, gennemstrømning karakteriserer potentialet for at overføre information. Kanalgennemstrømning måles i bits per sekund (bps).
Ud fra forholdet er det klart, at hvis signaleffekten ikke var begrænset, så ville gennemløbet være uendeligt stort. Båndbredden er nul, når signal-til-støj-forholdet Ps/Pw er lig med nul. Når dette forhold stiger, øges gennemløbet uendeligt.
Dette udtryk giver en øvre, fysisk uopnåelig grænse for informationsoverførselshastigheden, da dens udledning gjorde antagelsen om ideel støjbestandig kodning, som kræver en uendelig lang informationsoverførselstid for dens implementering.
Shannon beviste også, at meddelelser fra enhver diskret kilde kan kodes af signaler z(t) ved kanalindgangen og rekonstrueres fra signaler ved kanaludgangen z"(t) med en fejlsandsynlighed vilkårligt tæt på nul for H"(a) I det første tilfælde kan senderen og modtageren være meget enkel og derfor billig, da hvis kanalkapaciteten i høj grad overstiger kildeydelsen, kan du begrænse dig til de enkleste transmissionsmetoder (kodning, modulering) og modtagelse (beslutningskredsløb) og opnå tilstrækkelig troskab. Dette bruger dog en meget dyr kanal, da et bredt frekvensbånd eller et højt signal-til-støj-forhold er dyrt. I det andet tilfælde kan der anvendes en billigere kanal med lavere kapacitet, men der kræves mere avancerede transmissions- og modtagelsesmetoder, dvs. dyrere sender og modtager. Af ovenstående følger, at der skal være et optimalt forhold mellem C og H"(a), hvorved de samlede omkostninger ved det diskrete informationstransmissionssystem er minimale. Ved fastlæggelsen af dette minimum bør det tages i betragtning, at med udvikling af elektronisk teknologi, falder prisen på transceivere hurtigere end omkostningerne ved kommunikationskanaler, dvs. over tid falder forholdet C/H"(a). I dette tilfælde er kanalkapaciteten større end kildekapaciteten, så denne kanal kan bruges til at transmittere analoge og digitale signaler. Kanalkapacitetsreserven, sammenlignet med kildekapaciteten, kunne bruges til at anvende statistisk eller støjbestandig kodning.