Разница между пропускной способностью и латентностью сети
Разница между пропускной способностью и латентностью — это то, что смущает много людей, но если вы профессионал в области ИТ, было бы полезно узнать разницу между ними, потому что рано или поздно вам придется столкнуться с связанной с ней сетевой проблемой. Часть путаницы была создана интернет-провайдерами, всегда рекомендуя увеличить пропускную способность для каждой проблемы, связанной с интернет-скоростью, но, как мы увидим, скорость интернет-соединения не всегда определяется пропускной способностью.
Что такое пропускная способность?
Чтобы понять пропускную способность и задержку, нам нужно иметь четкое определение обеих, поэтому давайте начнем с полосы пропускания. Полоса пропускания — это объем данных, которые могут передаваться из одной точки в другую, обычно измеряемой в секундах. Интернет-провайдеры обычно рекламируют свою полосу пропускания в Интернете, например, 20/20 Мбит/с, что означает, что 20 мегабайт/с данных могут быть загружены или загружены с YouTube в секунду, например. Большинство людей знакомы только с такими параметрами, как мегабайты, гигабайты и т.д., Но интернет-провайдеры все еще используют метрику Megabit, потому что это делает номера более крупными, но на самом деле соединение 20/20 Мбит/с составляет всего около 2 мегабайт. Важно помнить, что пропускная способность — это не скорость. Следовательно, возникает путаница!
Что такое латентность?
Задержка — это время, которое пакет данных принимает для перемещения из одной точки в другую. Другим точным термином для задержки является задержка. Одна важная вещь, которую следует помнить о латентности, состоит в том, что это естественное явление, постулированное Эйнштейном в теории относительности. В нашей вселенной все нужно время для путешествия, даже свет. Таким образом, в Интернете, когда требуется пакет для поездки (например, из центра обработки данных Facebook на ваш компьютер), он называется Latency.
В чем разница между пропускной способностью и задержкой?
Читая определение обоих терминов выше, вы, вероятно, уже заметили разницу между ними, но я дам вам аналогию, чтобы было легче понять это, если вы все еще запутались. Представьте себе шоссе с 4 дорожками, где ограничение скорости составляет 60 миль/ч. Теперь в Интернете пропускная способность — это шоссе, а латентность — ограничение скорости 60 миль в час. Теперь, если вы хотите увеличить количество автомобилей, которые путешествуют по шоссе, вы можете добавить еще несколько дорожек, но поскольку шоссе имеет слишком много кривых и ударов, вы не можете увеличить ограничение скорости, поэтому все автомобили должны путешествовать со скоростью 60 миль в час все еще. Не имеет значения, сколько полос дороги имеет шоссе, машины добираются до места назначения в то же время независимо от размера шоссе!
Почему увеличение пропускной способности увеличивает скорость загрузки, то вы можете спросить, не так ли? Нет, увеличивая пропускную способность, вы увеличиваете пропускную способность, а не скорость. Следуя аналогиям с шоссе, представьте, что транспортные средства, проезжавшие по этой автомагистрали, были все грузовики с кирпичами дома для доставки. Все грузовики должны путешествовать со скоростью 60 миль в час, но как только они добираются до места назначения, а не доставляют 4 груза из кирпича, доставляется 6 грузов, поскольку к шоссе добавлено еще 2 полосы. То же самое происходит, когда вы добавляете пропускную способность к интернет-соединению, емкость увеличивается, но латентность (скорость) остается неизменной.
Что вызывает латентность?
Задержка вызвана расстоянием и качеством среды, через которую проходят интернет-пакеты. Например, латентность через опто-волоконное соединение короче, чем через медный кабель, но латентность через медный кабель короче, чем через спутниковое соединение и т.д. Спутники используют микроволновый спектр для ретрансляции соединений данных из космоса. То, что увеличивает задержку, например, отставание в спутниковых соединениях, — это расстояние, которое пакеты должны перемещать туда и обратно.
Когда возникает латентность?
Большинство людей не замечают и не заботятся о латентности, пока веб-страницы, Netflix, YouTube и другие мультимедийные материалы загружаются быстро. Задержка становится проблемой только при необходимости передачи данных в реальном времени. Например, звонки VOIP, онлайн-встречи лицом к лицу и т.д. Я подсчитал, что любая латентность за пределами 200 мс даст вам проблемы в режиме реального времени. Например, в вызове Skype или VOIP, вы почувствуете заметную задержку, из-за чего практически невозможно провести текучую беседу без перерывов.
Как я могу проверить задержку?
Самый быстрый способ проверить задержку с любого компьютера — использовать протокол ICMP с помощью команды Ping. Например, если я хочу проверить задержку между моим компьютером и центром обработки данных Google, я наберу команду ping google.com:
Как вы можете видеть, средняя задержка между моим компьютером и центром обработки данных Google составляет 48 мс.
Вывод
Надеюсь, ваше понимание между пропускной способностью и задержкой стало более ясным. Если у вас есть какие-либо вопросы, предложения или комментарии, пожалуйста, используйте поле комментариев ниже.
Что такое latency
Определение „latency” — это общий термин, обозначающий особенно в широко понимаемых системах информатики, всякого рода задержку во время исполнения заданных операций. Переходя на слишком выше уровень уточнения, а именно к вопросом компьютерных сетей, как „latency” определяется всякого рода простои и задержки, которые возникают во время трансмисии пакетов данных, а также в процессе переработки полученных или приготовленных к высылке данных. Часто можно также встретить понятие "лаг" („lag”), особенно популярное в кругах любителей компьютерных игр (игры онлайн через Интернет), и людей интенсивно использующих услугу IRC. Столь же популярное на компьютерном жаргоне является определение „ping”, используемое взаимозаменяемо с "лагом". Однако, оно не до конца правильное, потому что нинг — это один из основных инструментов до оценки задержок трансмиссии в сети.
Стоимости задержок зависят от многих факторов. В чётко работающей локальной сети, в которой существует относительно небольшое движение, которое является дробью максимальной пропускной способности трансмиссионного медиума (напр. 100 МБ/с при типических кабелях в виде витой пары кат. 5), задержка меньше чем 1 миллисекунда. Используя интернет-ретрансяторы, средние стоимости могут заключаться в разделе с нескольких десятков миллисекунд до даже нескольких секунд. Постольку в случае типичной интернет-деятельности, напр. пересматривания сайтов, дискуссии на чатах, получения файлов или высылки и-мейлов, несколько-секундные "лаги" не являются очень надоедливыми, поскольку в ситуациах, где требуется скорый ответ сервера, вопрос обстоит совершенно по-другому. Примеры применений этого типа представляются в т. ч. следующим образом:
• Компьютерные игры — практика показывает, что задержки ряда 100 миллисекунд — ещё приемлемые, выше этого предела, особенно для игр со скорым действием, такие "лаги" могут затруднить розыгрыш.
• Видео — осмотр фильмов онлайн, напр. из сервиса Youtube требует относительно высокую, постоянную пропускную способность. Задержки трансмиссии данных ряда 300 — 500 миллисекунд могут стать причиной прекращения фильма, потери синхронизации на линии звук-изображение, или в некоторых случаях вызывать деформации изображения.
• Телеработа, особенно с графическим десктопом — задержки ряда одной секунды неоднократно вызывают срыв связи и необходимость её повторного установления. Стоимости, колебающиеся вокруг 300 миллисекунд отчётливо влияют на снижение комфорта работы.
Кроме задержок, вызванных неправильно работающими трансмисионными ретрансляторами, в некоторых ситуациах можно встретиться с "лагами", вызванными системным програмным обеспечением — напр. недороботанные контроллеры устройств, модули обслуживания некоторых функций, и т. п. Как характерные примеры этого типа ситуаций можно перечислить, напр.:
• Низко производительное програмное обеспечение сервера электонной почты — в случае большого количества и-мейлов переработка одиночного сообщения понимается как промежуток времени между получением и-мейла сервером и его помещением в приёмный ящик пользователя, и может продолжаться даже до нескольких десятков минут, где типичный сервер SMTP употребляет на это действие несколько миллисекунд.
• Ошибки в контроллерах сетевых карт — некоторые дешёвые сетевые карты имеют ошибки в своих системных контроллерах, которые вызывают изрядные задержки в трансмиссии данных. Часто вследствие несоблюдения стандартов, касающихся формообразования пакетов, доступа в трансмиссионый медиум или сотрудничества с ядром операционной системы. С точки зрения конечного пользователя, сетевая карта с ошибочно написанным контроллером имеет очень низкую пропускную способность, очень долгое время ожидания установления связи (до нескольких десятков секунд, независимо от параметров ретранслятора, используемого коммуникационного протокола, и других качеств), а также вообще отрицательное влияние на стабильность операционной системы.
• Програмное обеспечение, которое не успевает к переработке прибывающих данных. Это слишком другая ситуация, чем в случае свободного сервера электронной почты, потому что связывается со слишком низкой расчётной мощью компьютера. Случаи этого рода можно заметить при пробе осмотра фильма онлайн по компьютеру со сильно устарелой конфигурацией. Несмотря на распоряжение ретранслятором с теоретической пропускной способностью, значительно превышающей требования фильма, его осмотр может оказаться затруднённым в связи с техникой, не успевающей за декодированием отдельных клеток так, чтобы пользователь получил плавное изображение.
Что такое latency (задержка)
Многие начинающие и даже опытные музыканты сталкиваются с различными проблемами в работе из-за задержки. Задержка — неотъемлимая часть любой студийной деятельности, как ни крути. Но не все понимают, что такое задержка (latency), откуда она берется и как ее побороть. Отличная статья на эту тему, раскрывающая всю суть вопроса, хранится на официальном сайте PreSonus — разработчика StudioOne. Собственно, на основе этой статьи и создан данный материал.
Матчасть
Для начала обратимся к Википедии (или школьному курсу физики), которая расскажет каждому школьнику о том, что скорость распространения звука в воздухе составляет 331 метр в секунду. За одну миллисекунду звук проходит расстояние, равное 0,331 метра. Не нужно быть семи пядей во лбу, чтобы догадаться, что абсолютно все звуки, которые мы слышим, достигают нас с некоторой задержкой. Задержка зависит от того, насколько далеко располагается источник звука от нашего уха. Плюс ко всему, скорость распространения звуковых сигналов может сильно меняться в зависимости от условий окружающей среды. Так, цифра в 331 м/с будет верной при температуре воздуха в 0 градусов по Цельсию.
Допустим, у нас есть некий источник звукового сигнала, который издает один и тот же звук с определенным промежутком времени. Если время между повторениями сигнала будет составлять от 20 до 30 миллисекунд, то человек сможет различить звуки. Если интервал между звуками будет на отметке от 12 мс до 15 мс, то человек не будет способен различить два отдельных звука, но почти наверняка почувствует что-то неладное. А если отставание звуков друг от друга будет в районе 10 мс, то большинство людей будут думать, что звук идет непрерывно. В зависимости от человека цифры могут меняться, но среднее их значение будет примерно такое, как описано выше.
Подводя итог, можно сказать, что верхняя граница задержки при работе со звуком на компьютере — 12 мс.
Представим ситуацию, что музыкант находится дома и играет на гитаре через компьютер — гитара подключена к аудиокарте, в системе открыта некая DAW, в которой запущен Guitar Rig. При таком развитии событий человек со 100% вероятностью столкнется с задержкой. Если задержка будет больше 12 мс, то будет отчетливо слышно отставание реально извлеченного звука от того, что будет слышно в наушниках или мониторах компьютера. Играть с задержкой некомфортно, хотя и есть такие товарищи, которые спокойно могут играть при большем уровне задержки.
Что такое задержка (latency) в цифровых интерфейсах
Говоря максимально простым языком, задержка (latency) — это время, необходимое звуковому сигналу на прохождение пути от аналогового входа до аналогового выхода аудиоинтерфейса. Во время своего пути сигнал попадает на аналоговый вход, затем отправляется через аналого-цифровой преобразователь в рабочую станцию на компьютере, после чего через цифро-аналоговый преобразователь сигнал поступает на аналоговый выход. Путь не близкий, однозначно.
Прежде, чем попасть куда-либо дальше, любой аналоговый сигнал в современных аудиоинтерфейсах проходит через аналого-цифровой преобразователь (АЦП), главной задачей которого является перекодировка аналогового сигнала в цифровой. Не трудно догадаться, что с технической точки зрения это крайне сложный процесс. Среднее время выполнения перекодировки аналогового сигнала в цифровой составляет порядка 0,5 мс. На обратной стороне звук вновь пройдет через преобразователь, но цифро-аналоговый (ЦАП), который преобразует получившиеся цифровые значения обратно в аналоговый сигнал. Время обратного преобразования также находится на отметке около 0,5 мс.
Не стоит забывать, что на пути сигнала встречаются несколько специальных буферов — областей памяти, используемых для временного хранения информации. Они активно используются в тех случаях, когда скорость получения данных и скорость обработки данных разнится между собой. Это позволяет достичь максимально точной обработки информации и избежать любых искажений сигнала, но за счет замедления вывода звука. Каждый буфер, в случае своего использования, увеличивает значение задержки на некоторое количество единиц времени. Примерами таких буферов служат входные и выходные буферы USB-шины, а также ASIO или Core Audio драйверов.
Кстати, о драйверах. Один и тот же аудиоинтерфейс может давать разные значения задержки на разных компьютерах и операционных системах. Это происходит за счет того, что материнские платы разных компьютеров могут быть оснащены совершенно разными по своим характеристикам USB-контроллерами, отвечающими за работоспособность всех портов USB. Именно здесь находится одна из основных проблем для тех инженеров, которые разрабатывают аудиоинтерфейсы. Их главной задачей становится достижение максимальной производительности драйверов при сохранении стабильной работы всех компонентов компьютера.
Для облегчения данной ситуации разработчики драйверов предоставили возможность конечным пользователям самостоятельно изменять размер буфера. Уменьшение размера буфера может привести к уменьшению задержки за счет увеличения нагрузки на процессор компьютера. Увеличение буфера — к увеличению задержки, но меньшим нагрузкам на процессор и прочие компоненты системы. Таким образом, меньше размер буфера — меньше задержка, меньше стабильность системы; больше размер буфера — больше задержка, больше стабильность работы компьютера.
Как уменьшить задержку?
Большая часть пользователей, которые ищут в интернете, что такое задержка (latency), желают уменьшить ее размеры всеми доступными способами.
В наше время в 90% аудиоинтерфейсов можно найти функцию прямого мониторинга, которая выводит звуковой сигнал сразу на аналоговый выход в обход преобразователей. На выходе к сигналу добавляется выходной сигнал с компьютера. Прямой мониторинг позволяет избавиться от задержки, слышать аудиотрек и собственный сигнал одновременно, но за счет того, что исходный звук не будет подвергнут никакой обработке. То есть, при использовании прямого мониторинга во время записи гитарных партий нам будет слышен чистый, ничем не обработанный звук, тусклый гитарный звук без компрессии, панорамирования и прочих радостей студийных технологий.
В некоторых аудиоинтерфейсах имеются встроенные процессоры цифрового сигнала или, как они чаще называются, DSP. Эти процессоры могут обрабатывать поступающий сигнал еще до того, как он полноценно пройдет через USB-шину и отправится дальше по цепи. Использование DSP позволяет снизить значения задержки за счет предварительной обработки сигнала, но аудиоинтерфейсы с такими процессорами стоят несколько дороже обычных аудиокарт.
Некоторые производители программного и аппаратного обеспечения стараются использовать собственные приложения для обработки и мониторинга сигнала, которые работают в обход различных буферов и драйверов. Так, к примеру, поступает приложение для обработки гитарного звука Pod Farm от Line 6, которое самостоятельно обрабатывает сигнал и не задействует ASIO-буфер.
Те же PreSonus установили, что на современных компьютерах размер буфера USB-шины можно уменьшить до 1 мс, если будут соблюдены множественные условия. PreSonus отдельно отмечают о том, что размер буфера в 1 мс возможен пока что только теоритически, на практике же размер буфера может быть уменьшен до 2-4 мс. Проблема заключается в том, что достижение таких временных значений зависит не столько от компьютера или аудиоинтерфейса, сколько от стараний самих производителей программного обеспечения по написанию качественного и быстрого драйвера, который сможет работать в обход ASIO напрямую с USB-шиной. Из очевидных примеров использования такого подхода можно привести компанию Image-Line, разработчиков популярной рабочей станцим FL Studio. В комплекте с программой поставляется собственный ASIO-драйвер, который должен обеспечить уменьшение значений задержки при работе в FL Studio.
Вместо выводов
Теперь, когда мы разобрались, что такое задержка (latency) и откуда она берется, стоит запомнить самое главное. От задержки никуда не деться. Вообще. Никак. Это абсолютно естественная вещь, от которой нельзя избавиться, но можно минимизировать «ущерб» от нее.
Нет определенного ответа на вопрос, какой уровень задержки приемлем, а какой нет. Все очень индивидуально и зависит от множества факторов: что записывается, как записывается, для чего и где записывается и т.д.
В любом случае, если производители программного обеспечения будут грамотно подходить к оптимизации работы собственного ПО и необходимых драйверов по части работы с USB и ASIO/Core Audio, то задержка будет составлять менее 10 мс, а то и меньше.