Что такое полоса пропускания канала

Какие параметры влияют на производительность приложений? Часть 2. Полоса пропускания и использование канала связи

Очень часто, общаясь с ИТ-специалистами, в медленной работе корпоративных приложений обвиняют сетевой департамент или узкие каналы связи. Самое простое решение всех проблем — больше пропускной способности (шире канал) и меньше левых приложений в канале (меньше конкурентов за полосу) и тогда все будет летать. Конечно, надо обращать внимание и на чистоту каналов связи и их использование, но это не единственные параметры. Самым простым решением для оценки состояния каналов являются Flow технологии и корреляция данных между производительностью ключевого приложения и данных с NetFlow (jFlow, Sflow и т. д.).

Полоса пропускания канала связи

В сетях передачи данных, задержки — это жизненный факт. Понимая их природу, можно уменьшить отрицательный эффект, повысив тем самым качество связи. Сетевые задержки определены стандартами ITU и должны укладываться в определенные пределы:

Диапазон в миллисекундах

Приемлемо для большинства пользовательских приложений.

Допустимо при условии, что администраторы осведомлены о времени передачи и его влиянии на качество передачи в пользовательских приложениях.

Неприемлемо для общих целей планирования сетей. Однако признается, что в некоторых исключительных случаях этот предел может превышаться.

Последовательный принцип передачи пакетов по каналу связи вносит задержки. Задержка при передаче информации от одного пользователя другому состоят из нескольких составляющих и их можно разделить на два больших класса — фиксированные и переменные.

К переменным задержкам относятся в основном задержка в очередях на каждом из узлов сети: маршрутизатор, коммутатор, сетевой адаптер. К фиксированным – задержка пакетирования, последовательная задержка, задержка кодека (для видео или аудио). Средой передачи может служить медная пара, волоконно-оптический кабель или эфир. При этом величина задержки зависит от тактовой частоты и, в гораздо меньшей степени, от скорости света в среде передачи.

В документации Cisco есть вот такая таблица, которая позволяет оценить последовательную задержку в зависимости от длины пакетов и ширины канала связи:

Размер кадра (байты)

Скорость передачи по каналу (Кбит/с)

Для передачи кадра длиной 1518 байт (максимальная длина для Ethernet) по каналу 64-кбит/сек последовательная задержка достигает 185 мс. Если по тому же каналу передавать пакеты длиной 64 байт, задержка составит всего 8 мс, т. е. чем короче пакет, тем быстрее он достигнет приемной стороны. Поэтому для передачи голоса используются короткие UDP пакеты, которые позволяют минимизировать величину задержки, а разработчики оборудования для передачи данных, напротив, стремятся к увеличению длины кадров для снижения объема служебного трафика. Для расчёта последовательной задержки можно воспользоваться формулой:

Последовательная задержка = ((кол-во байт для отправки или получения) x (8 бит))/ (самую медленную скорость в канале)

Например, последовательная задержка для отправки 100 Кбайт и получения 1 Мбайт по каналу 2 Мбит/сек составит:

Передача: (100,000 * 8) / 2,048,000 = 390 мсек

Прием: (1,024,000 *8) / 2,048,000 = 4000 мсек

Конечно, последовательная задержка это один из компонентов и на каждый из потоков будет дополнительно оказывать влияние задержка в каналах связи, джиттер и т.д. Данная формула покажет идеальную картину, когда за канал связи не борются другие пользователи или приложения. Это можно увидеть на диаграмме, которая показывает реальную скорость канала связи при передаче 200 Кбайтного файла по протоколу FTP и каналу 10 Мбит/сек.

Мы видим, что скорость в процессе передачи не постоянна. Так как сеть – среда разделяемая, то пакеты по мере передачи по сети попадают в очереди, теряются, активируется алгоритм контроля доступа к среде, который мешает одному пользователю захватить весь канал связи. Все это оказывает влияние на скорость передачи и как следствие на скорость работы приложения.

Как увеличить скорость работы приложений, не изменяя ширину полосы пропускания канала связи?

Естественно, самый простой выход – увеличить ширину канала связи, но иногда это не возможно или стоит очень дорого для корпоративных клиентов. В таком случае логично уменьшить объем данных, передаваемых в канале связи. Уменьшить объем можно несколькими способами. Сжатие данных, использование тонких клиентов, кеширование, использование решений для оптимизации трафика – это позволяет иногда добиться сокращения трафика от 2 до 5 раз (разные приложения ужимаются по-разному).

Также можно, понять структуру трафика и как реально используется канал связи с помощью Flow технологий и далее путем приоритезации трафика сократить возможные потери пакетов и рост очередей в активном оборудовании.

Источник

полоса пропускания и пропускная способность

Пропускная способность канала определяет максимально допустимую скорость транспортировки информации, которая может быть развита на этом канале. Особенностью пропускной способности есть то, что этот параметр зависит от характеристик физической среды а также определяется способом передачи информации. В итоге, нельзя давать оценку пропускной способности канала связи до того, пока не определим какой используется протокол физического уровня.Выбор используемого протокол должен быть определен в политике безопасности предприятия. Плохая пропускная способность может спровоцировать проблемы защиты информации в сетях а также угрозы информационной безопасности.

К примеру, для цифровых линий ясен протокол физического уровня, который задает битовую скорость транспортировки информации. Это — 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и тд. Когда же нужно определить какой протокол использовать в данном канале, нужно учитывать остальные характеристики канала, такие как перекрестные наводки, полоса пропускания, помехоустойчивость. А также характеристики проводных линий связи.

Пропускная способность канала связи зависит и от спектра передаваемого сигнала. Если нужные гармоники сигнала(гармоники, где амплитуда вносит основной вклад в исходный стгнал) попадает в полосу пропускания канала, то сигнал будет отлично транспортироваться по данному каналу связи, и приемник отлично распознает данные. Это показано на рис.2.

Если же основные гармоники выходят за границы полосы пропускания канала связи, то сигнал будет искажаться, а приемник будет ошибаться при декодировании информации. Это показано на рис.3.

Теория информации гласит, что любое непредсказуемые и различимые модификации принимаемого сигнала имеет информацию. В итоге принимая синусоиду, у которой фаза, амплитуда и частота остаются неизменными, данные не имеет, так как модификация сигнала хоть и происходит, но есть хорошо вероятным. Соответственно, не несут в себе данные импульсы на тактовой шине ПК, так как их модификация также постоянны во времени. А вот импульсы на шине передачи информации предугадать нельзя, поэтому они передают данные между различными приборами или блоками.

Если сигнал модифицируется так, что можно проанализировать только два его стана, то любая модификация будет определять наименьшей единице информации — биту. Если сигнал будет иметь больше двух различимых станов, то любая модификация будет нести несколько бит информации. Количество модификация информационной характеристики несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (baud). Если сигнал имеет более двух различимых станов, то пропускная способностьв битах в секунду будет выше, чем число бод.

На пропускную способность линии действует сам сетевой адаптер ну и логическое кодирование. Логическое кодирование действует перед физическим кодированием и характеризует замену бит начальной информации новой цепью бит, несущей ту же информацию, но имеющей, дополнительные характеристики. Например способность для принимающей стороны анализировать ошибки в принятой информации. При логическом кодировании чаще всего исходная цепь бит модифицируется более длинной цепью, поэтому пропускная способность линии по отношению к полезной информации при этом уменьшается.
Логическое кодирование является одним из методов защиты информации. Также можно кодировать биты не только при передачи информации на физическом уровне, но и на прикладном. На этом уровне можно использовать методы шифрования такие как RSA.

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор

Для других приложений есть другие определения. Одним из определений полосы пропускания для системы может быть диапазон частот, в котором система обеспечивает определенный уровень производительности. Менее строгое и более практичное определение будет относиться к частотам, выше которых ухудшаются характеристики. В случае частотной характеристики ухудшение может, например, означать более чем на 3 дБ ниже максимального значения или может означать ниже определенного абсолютного значения. Как и любое определение ширины функции, многие определения подходят для разных целей.

В Рэлеевская полоса пропускания простого радиолокационного импульса определяется как величина, обратная его длительности. Например, импульс длительностью в одну микросекунду имеет рэлеевскую полосу пропускания в один мегагерц.

В Основная полоса пропускания определяется как частьспектра сигналав частотной области, которая содержит большую часть энергии сигнала.

ширина полосы x дБ

В конструкции электронного фильтра спецификация фильтра может требовать, чтобы в пределах полосы пропускания фильтра номинальное усиление составляло 0 дБ с небольшим изменением, например, в пределах интервала ± 1 дБ. В полосе (ах) заграждения требуемое затухание в децибелах превышает определенный уровень, например> 100 дБ. В переходной полосе усиление не указано. В этом случае ширина полосы пропускания фильтра соответствует ширине полосы пропускания, которая в этом примере равна полосе пропускания 1 дБ. Если фильтр показывает колебания амплитуды в полосе пропускания, точка x дБ относится к точке, где усиление на x дБ ниже номинального усиления полосы пропускания, а не на x дБ ниже максимального усиления.

Относительная пропускная способность

Абсолютная пропускная способность не всегда является наиболее подходящим или полезным показателем пропускной способности. Например, в области антенн сложность построения антенны, удовлетворяющей заданной абсолютной ширине полосы пропускания, легче на более высокой частоте, чем на более низкой частоте. По этой причине полоса пропускания часто указывается относительно рабочей частоты, что дает лучшее представление о структуре и сложности, необходимых для рассматриваемой схемы или устройства.

Обычно используются два разных показателя относительной пропускной способности: относительная пропускная способность ( ) и относительная пропускная способность ( ). Далее абсолютная полоса пропускания определяется следующим образом: B F <\ displaystyle B _ <\ mathrm >> B р <\ displaystyle B _ <\ mathrm >>

Дробная пропускная способность

Дробная полоса пропускания определяется как абсолютная полоса пропускания, деленная на центральную частоту ( ), ж C <\ displaystyle f _ <\ mathrm >>

Центральная частота обычно определяется как среднее арифметическое верхней и нижней частот, так что,

Однако центральная частота иногда определяется как среднее геометрическое верхней и нижней частот,

В то время как среднее геометрическое используется реже, чем среднее арифметическое (и последнее можно предположить, если не указано явно), первое считается более строгим с математической точки зрения. Он более точно отражает логарифмическую зависимость дробной полосы пропускания от увеличения частоты. Для узкополосных приложений разница между двумя определениями незначительна. Версия для среднего геометрического несущественно больше. Для широкополосных приложений они существенно расходятся: средняя арифметическая версия приближается к 2 в пределе, а средняя геометрическая версия приближается к бесконечности.

Коэффициент пропускной способности

Коэффициент ширины полосы определяется как отношение верхнего и нижнего пределов полосы,

Фотоника

В фотонике термин пропускная способность имеет множество значений:

С этим связано понятие ширины спектральной линии излучения возбужденных атомов.

Источник

Полоса пропускания

Полоса пропускания (прозрачности) — диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Иногда, вместо термина «полоса пропускания», используют термин «эффективно передаваемая полоса частот (ЭППЧ)». В ЭППЧ сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90%). Этот диапазон частот устанавливается для каждого сигнала экспериментально в соответствии с требованиями качества.

Содержание

Основные параметры полосы пропускания

Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот — это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы.

Ширина полосы

Ширина полосы обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний (или для мощности) от максимальной. Этот уровень приблизительно соответствует −3 дБ.

Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в Гц).

Расширение полосы пропускания позволяет передать большее количество информации.

Неравномерность АЧХ

Неравномерность АЧХ характеризует степень её отклонения от прямой, параллельной оси частот.

Неравномерность АЧХ выражается в децибелах.

Ослабление неравномерности АЧХ в полосе улучшает воспроизведение формы передаваемого сигнала.

Конкретные примеры

В теории антенн полоса пропускания — диапазон частот, при которых антенна работает эффективно, обычно окрестность центральной (резонансной) частоты. Зависит от типа антенны, ее геометрии. На практике полоса пропускания обычно определяется по уровню КСВ (коэффициента стоячей волны). КСВ МЕТР

В оптике полоса пропускания — это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. [источник не указан 1309 дней]

Поскольку даже самый лучший монохроматичный лазер всё равно излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке этого пользуются термином полоса пропускания. Измеряется полоса пропускания (в данном случае) в МГц/км. [источник не указан 1309 дней]

Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

См. также

Примечания

Полезное

Смотреть что такое «Полоса пропускания» в других словарях:

полоса пропускания — диапазон частот, в пределах которого зависимость амплитуды колебаний на выходе акустического, радиотехнического или оптического устройства от их частоты достаточно слаба, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения. Ширину… … Энциклопедический словарь

полоса пропускания — 1. Ширина частотного спектра сигнала между верхней и нижней частотами среза 2. Интервал частот, заключенный между двумя частотами среза, в пределах которого модуль коэффициента передачи системы составляет не менее 0,707 от максимального значения… … Справочник технического переводчика

ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ — диапазон частот, в пределах которого зависимость амплитуды колебаний на выходе акустического, радиотехнического или оптического устройства от их частоты достаточно слаба, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения. Ширину… … Большой Энциклопедический словарь

ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ — область частот, в к рой колебания, проходящие через радиотехн., акустич., оптич. и др. устройства, изменяют свою амплитуду и др. параметры в установленных границах. Для электрич. цепей в пределах П. п. сопротивление цепи (в зависимости от её… … Физическая энциклопедия

полоса пропускания — praleidžiamoji juosta statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. pass band; pass range; passband; transmission band vok. Durchlaßband, n; Durchlaßbereich, m rus. полоса пропускания, f pranc. bande de transmission, f; bande passante, f; passe … Automatikos terminų žodynas

полоса пропускания — praleidžiamoji juosta statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. pass band; transmission band vok. Durchlaßband, n; Durchlaßbereich, n rus. полоса пропускания, f pranc. bande passante, f … Fizikos terminų žodynas

Полоса пропускания — частот, диапазон частот, в пределах которого Амплитудно частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического или оптического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного… … Большая советская энциклопедия

ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ — частот (в радиотехнике и электросвязи) интервал частот, в пределах к рого отношение амплитуды колебаний на выходе электрич. цепи (фильтра, усилителя и др.) к амплитуде колебаний на её входе не опускается ниже определённого уровня, обычно 1 3 дБ… … Большой энциклопедический политехнический словарь

ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ — диапазон частот, в пределах к рого зависимость амплитуды колебаний на выходе акустич., радиотехн. или оптич. устройства от их частоты достаточно слаба, чтобы обеспечить передачу сигнала без существ, искажения. Ширину П. п. выражают в Гц,… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Источник

Некоторые умозаключения об IP-телефонии — основной цифровой сигнал, кодеки, полоса пропускания

Приветствую вас, друзья!

В ходе изучения материалов к экзамену CCNA Voice родилась идея оформить некоторую полученную информацию в виде отдельной статьи. Преследуя при этом две цели: одна корыстная — получше самому разобраться в изучаемом материале и разложить всё по полочкам в своём сознании; вторая альтруистическая — поделиться полученными знаниями с теми, кому это мало мальски интересно.

В статье поведаю о процессах кодирования голоса, кодеках как таковых и расчётах полосы пропускания, необходимой для передачи голоса в IP-сетях

Про основной цифровой сигнал

Думаю, не стоит объяснять что, для передачи аналогового сигнала (коим является голос человека) по IP-сетям, необходимо этот самый сигнал преобразовать в последовательность единиц и нулей. Как это делается, прекрасно объяснил пользователь denis_g в своей многим понравившейся статье. Дабы не сойти за плагиатора и дабы не дублировать информацию, я просто оставлю это здесь. Вкратце суть такова — исходя из теоремы Котельникова (буржуи зовут её теоремой Найквиста) при использовании импульсно-кодовой модуляции для передачи голосового сигнала без потери качества достаточно передавать данные со скоростью 64 kbit/сек.
64 килобита в секунду — это то, что в современной цифровой телефонии называется основным цифровым сигналом.

На 32-х (30 голосовых + 2 служебных) основных цифровых сигналах построен первичный (самый маленький, простой) уровень в плезиосинхронной (почти синхронной) цифровой иерархии (PDH) — т.н. поток E1 (2048 кбит/сек). А сам основной цифровой сигнал порой называют нулевым уровнем. Стоит отметить, что в PDH существует второй (E2), третий (E3) и четвёртый (E4) уровни. Каждый последующий уровень мультиплексируется из четырёх предыдущих с добавлением кое-какой служебной информации, например E3=4*E2+сигнализация.

На PDH-технологии какое-то время (в 80-х годах) была построена вся цифровая телефония в мире. Но у неё было некоторое количество недостатков, самым существенным из которых была необходимость последовательного демультиплексирования потока высокого уровня для извлечения потоков более низкого уровня. То есть, к примеру, для извлечения одного E1 потока из потока E4 с целью маршрутизации его в другое место, необходимо было для начала разложить E4 на четыре E3, затем разобрать E3 на четыре E2, разобрать E2 на четыре E1, перенаправить E1 куда следует, собрать поток в обратном порядке и отправить дальше. Муторно в общем, да и ресурсов немерено съедало.

На смену технологии PDH пришла SDH (синхронная цифровая иерархия), которая и по сей день остаётся основным вариантом организации связи у сотовых операторов, да и сети наших двух магистральных провайдеров (ТТК, РТК) до сих пор основаны на SDH.

Тем не менее первичные уровни (E1) никуда не делись, и порой остаются единственным способом организации связи. Так например, все телефонные операторы в нашей стране для стыков друг с другом используют N-ное количество потоков E1.

Ага, отвлёкся. Вернёмся таки к IP-телефонии, то бишь к коммутации пакетов, а про коммутацию каналов пока забудем.

Про кодеки

Итак, у нас с вами есть первичный цифровой канал воплощением которого в IP-сетях стал кодек G.711. Этот стандарт стал де-факто самым популярным и нынче используется в таких протоколах как SIP и SCCP. Он использует полосу пропускания в 64 кбит/секунду и наверное знаком всем, кто имеет дело с современной IP-телефонией.
Стандарт был разработан в 70-х годах прошлого столетия и в данный момент срок патента на него истёк, и он является народным достоянием.
В стандарте описано два алгоритма кодирования — Mu-law (используется в Северной Америке и Японии) и A-law (используется в Европе и в остальном мире). Оба алгоритма являются логарифмическими, но более поздний a-law был изначально предназначен для компьютерной обработки процессов. (с) Wikipedia

Помимо общепризнанного G.711 существует ещё масса стандартов для кодирования\декодирования аудиосигналов. Наиболее популярными из них являются G.729, G.729a, G.726, G.728. Если оценивать их по занимаемой полосе пропускания, то увидим следующую картину:

G.729 — 8 кбит/сек
G.729а — 8 кбит/сек
G.726 — 32 кбит/сек
G.728 — 16 кбит/сек

Казалось бы, если они используют меньшую полосу, то почему не стали популярнее G.711? Дело в том, что полоса пропускания — не самый важный параметр кодека, важна ещё и скорость работы, и как следствие — загрузка DSP (Digital Signal Processor) — цифровго сигнального процессора, который в реальном времени отвечает за кодирование/декодирования сигнала.
Ещё одним немаловажным критерием определяющим успешность того или иного кодека является т.н. MOS (Mean Opinion Score, в русской литературе встречается как усреднённая субъективная оценка). Идея MOS очень проста: специально сформированной группе людей предоставляют возможность воспользоваться системой связи и просят поставить оценку от 1 (ужасно) до 5 (отлично). Усредненные данные такого исследования и называются MOS.

Так вот, для указанных мною кодеков оценки MOS имеют следующие значения:

G.711 — 4,1 (по некоторым источникам 4,45 для Мю-закона)
G.729 — 3, 92 (возможно бы и потягался с G.711, да вот процессорного времени много сжирает)
G.729а — 3,7 (этот кодек работает гораздо быстрее своего старшего брата, но как видим — в ущерб качества)
G.726 — 3,85
G.728 — 3,61

И вот совокупность всех этих факторов (пропускная способность, скорость работы, MOS) определяет главенство того или иного кодека в царстве цифрового кодирования сигналов.

К слову сказать, все эти стандарты (ну которые начинаются на G.) являются плодами деятельности международного консультационного комитета по телефонии и телеграфии (подразделения ITU — международного союза электросвязи) и по сути дела являются проприетарными. А в наше время сложно представить отсутствие свободных альтернатив у проприетраных стандартов. Так и в сфере кодирования аудиосигналов родился стандарт iLBC (internet Low Bitrate Codec), который использует15,2 Кбит/секунду и имеет оценку MOS 4,1. Именно эти факторы наряду с открытостью оказали влияние на то, что данный стандарт используется в Google talk, Yahoo messenger и всем нами любимом Skype.

Стоит отметить, что популярные IP-АТС (asterisk, cisco CME) поддерживают все эти кодеки, и вы всегда вправе сами определить, что будете использовать в вашей телефонной сети.

Про полосу пропускания

Расчётная пропускная способность — это тот параметр, который необходимо учитывать при планировании любой сети передачи данных, чтобы она была легко масштабируемой и у ваших пользователей не возникало лишних неудобств в процессе её эксплуатации. Повторюсь — любой сети, в том числе и сети VoIP.

Немаловажным параметром в данном частном случае является размер сэмпла (измеряется в миллисекундах). Размер сэмпла это тот параметр который определяет «количество» голосовой информации в IP-пакете — например, в один и тот же стандартных размеров пакет вы можете запихать один слог или два. Чем больше размер сэмпла, тем экономнее вы расходуете свою пропускную способность, но тем больше в разговоре будет слышна задержка (следствие работы цифрового процессора по кодированию/раскодированию).

Не знаю как в Asterisk (надеюсь кто-нибудь подскажет), но в Cisco CME (решение от Cisco в области IP-телефонии) при настройке параметров кодека к сожалению нет такого параметра — размер сэмпла, зато есть параметр, определяющий количество байт в сэмпле. Они друг с другом связаны простой формулой (линейная зависимость), и легко выражаются друг через друга. А вот и формула:

БвС = РС*ППК/8, где БвС — количество байт в сэмпле, РС — размер сэмпла в секундах, ППК — пропускания кодека в битах/сек. То есть если мы хотим чтобы при использовании кодека G.711 в одном пакете было, к примеру, 20 милисекунду разговора, то нам необходимо выставить значение параметра БвС=0,02*64000/8=160

Таким образом нам в наш UDP-фрагмент необходимо заложить 160 байт полезной информации. Ок, идём дальше.

Допустим мы используем классическую IP сеть, канальным протоколом для которой является Ethernet, плюс хотим это всё гонять в шифрованной сети VPN. Тогда к нашим 160 байтам добавятся ещё 18 байт служебной информации Ethernet. Добавляем сюда сетевой и транспортный уровень — заголовки IP, UDP и RTP (20+8+12 байт). И заворачиваем всё наше добро в IPSec — ещё плюс 50 байт. На выходе имеем пакет размером 268 байт.

Чтобы вычислить итоговую полосу пропускания нам необходимо умножить размер этого пакета на количество пакетов в секунду. С учётом того, что размер нашего сэмпла — 20 мс, то в одну секунду таких сэмплов будет 50. Умножая 50 на 268 видим что за одну секунду нам надо гонять 13400 байт или 107200 бит в секунду, то есть 107, 2 Кбита в секунду. А это уже почти в два раза больше чем изначальные 64 килобита! Именно из этого числа необходимо исходить при планировании своей сети.

Источник