Posílání bitů přes kabely

Internet je síť počítačů komunikujících mezi sebou. Když lidé spolu navzájem komunikují, používáme slova a gesta. Když spolu navzájem komunikují počítače, používají 1 a 0. Pro počítače je to snadné, protože reprezentují všechna svá data ve dvojkové soustavě.

Když potřebují počítače interně reprezentovat číslo 5 (101 ve dvojkové soustavě), mohou použít tři dráty k reprezentaci 3 bitů: jeden drát pro zapnuto, jeden drát pro vypnuto, jeden drát pro zapnuto.

Pokud chce počítač poslat číslo 5 jinému počítači, nemůžou použít tolik drátů, kolik se jim zachce. Ve skutečnosti se může stát, že budou mít pro posílání informací pouze jediný drát. Místo toho mohou poslat číslo 5 po třech časových intervalech: nejprve poslat puls zapnuto (a čekat), poté nic neposlat (a čekat), poté odeslat puls zapnuto.

Pokud se oba počítače dohodnou na časových intervalech, pak mohou vzájemně přenášet informace, přeměňujíc binární data na pulsy a pulsy zpět na binární data.

Počítačové sítě mohou odesílat bity velmi rychle. Tuto rychlost měříme pomocí přenosové rychlosti, počtu bitů dat, které jsou každou sekundu odeslány. První internetová připojení byla jen 75 bps (bitů za sekundu). Dnes se připojení častěji měří v Mbps (megabitech za sekundu).

Megabit je obrovský: 1 milion bitů! Připojení 10 Mbps přenáší data rychlostí 10 milionů bitů za sekundu.

To je jeden bit každých 100 nanosekund (0,0000001 sekund).

Přenosovou rychlost měříme také v menších jednotkách, jako jsou kilobity (1 tisíc bitů) nebo mnohem větších jednotkách jako gigabity (1 miliarda bitů) a dokonce i v petabitech (1 biliarda bitů).

K popisu maximální přenosové rychlosti systému používáme termín šířka pásma. Pokud má síťové připojení šířku pásma 100 Mbps, znamená to, že nemůže přenášet více než 100 megabitů za sekundu. Naštěstí je to stále hodně!

Říká ti něco výraz "širokopásmový internet"? Odkazuje to na spojení s minimální šířkou pásma 256 Kbps. To je dostačující šířka pásma pro základní použití internetu, jako je kontrola e-mailů a čtení webových stránek, ale ne dost pro sledování online videí. V roce 2016 mělo přístup k širokopásmovému internetu pouze 40 % lidí v rozvojových zemích.

Dalším způsobem, jak měřit rychlost počítačové sítě, je latence. Co to znamená možná poznáš už ze samotného slova: latence měří, jak pozdě bity dorazí. Ve formálnější řeči: latence je čas mezi odesláním datové zprávy a obdržením dané zprávy, měřeno v milisekundách.

Obvykle měříme "obousměrnou" latenci požadavku. Pojďme si projít příkladem z praxe a podívat se, co to znamená.

Můj počítač odešle zprávu na server Google. O 30 milisekund později Google zprávu obdrží. O 40 milisekund později můj počítač obdrží potvrzení od Google, že obdržel zprávu.

To je celková obousměrná latence 70ms. Latence závisí na řadě fyzických faktorů: typ připojení z mého počítače k Google, vzdálenost od mého počítače k serverům Google a přetížení sítě (což může znamenat, že můj požadavek musí čekat ve frontě).

Latenci limituje jeden důležitý faktor: rychlost světla. Nic se nemůže pohybovat rychleji než světlo, ani naše velmi důležité internetové požadavky. Rychlost světla je 1 stopa (0,3 m) za nanosekundu, což znamená jízdu z Los Angeles do Tokia dlouhou 30 ms. S rychlostí světla toho moc nenaděláme, ale můžeme snížit latenci tím, že snížíme přetížení sítě a zlepšíme naše fyzické připojení.

Internet je řada vzájemně propojených počítačů. Jak ale toto fyzické připojení vypadá? Závisí na potřebách připojení a velikosti sítě.

Ethernetové kabely jsou běžným typem připojení skládajícího se ze zkroucených měděných drátů. Pulsuje přes ně elektřina s přenosovou rychlostí 400 Gbps. Ethernetové kabely se používají například v malých sítích, jako je LAN (lokání síť), například kancelář společnosti nebo ve velkých sítích, jako je WAN (rozlehlá síť), například celá země.

Pokud jsi v počítačové učebně nebo vedle modemu, pravděpodobně nalezneš ethernetový kabel, který bude podobný tomuto:

Vláknové optické kabely posílají místo elektřiny pulsy světla a mohou posílat až terabity za sekundu. Spojují počítače napříč oceány, abychom mohli rychle posílat data po celém světě. Vzhledem k tomu, že se stávají levnějšími, jsou čím dál tím běžnější i v rámci městských sítí.

Bezdrátová připojení nezahrnují vůbec žádné kabely/dráty – alespoň na začátku. Bezdrátová karta v počítači mění binární data na rádiové vlny a přenáší je vzduchem. Tyto rádiové vlny nemohou cestovat příliš daleko: 20 až 30 m na místě, jako je kancelářská budova, která je plná nejrůznějších překážek, nebo až 300 m v širokém otevřeném poli.

Vlny jsou doufejme zachyceny bezdrátovým routerem, nazývaným také přístupový bod, který je převádí z rádiových vln zpět do binárních dat. Bezdrátové přístupové body jsou připojeny ke zbytku sítě pomocí fyzického kabelu, jako jsou ethernet nebo optické kabely.

V každém okamžiku naše internetové připojení využívá kombinaci těchto technologií. Možná používáme WiFi k připojení se k našemu domácímu routeru, náš domácí router používá ethernetové měděné kabely k připojení se k metropolitní síti. A tyto kabely spolu s optickými vlákny komunikují se zaoceánskými datovými centry.

Každá technologie má své výhody a nevýhody, takže používáme cokoliv, co je pro danou práci nejlepší.

Inženýři nepřetržitě pracují na zlepšení stávajících technologií a vymýšlejí nové technologie, takže v budoucnu budeme pravděpodobně používat nové druhy připojení, které budou rychlejší, spolehlivější a levnější.

Rychlost je kombinace šířky pásma a latence. Počítače rozdělí zprávy na pakety a nemohou odeslat další zprávu, dokud nebude přijat první paket. I když je počítač na spojení s vysokou šířkou pásma, jeho rychlost odesílání a přijímání zpráv bude stále omezena latencí připojení.

Aktuální rychlost sítě můžeš měřit pomocí webových stránek, jako je Internet speed test, která stahuje a odesílá data a sleduje, jak rychle jsou data přenášena.

Zde jsou výsledky testu rychlosti internetu z mého domácího notebooku:

Latence (nazývaná také ping rate) byla pouhých 18ms. Pro většinu online her pro více hráčů je to dostatečně rychlé.

Rychlost stahování je 39 Mbps a rychlost odesílání je 5,85 Mbps, výrazně méně. To se dalo čekat. Poskytovatelé internetu často podporují mnohem větší rychlost stahování než rychlost odesílání, protože uživatelé internetu tráví mnohem více času stahováním dat (čtení článků, sledování filmů) než odesíláním dat (psaní příspěvků, odesílání formulářů).

🔍 Jaká je rychlost tvého internetu? Jakou šířku pásma tvůj poskytovatel internetu garantuje? Jaký typ připojení používáš? Toto je skvělá příležitost k hlubšímu pochopení fyzické infrastruktury, kterou každý den používáš.