Wie kann das Internet Daten so schnell übertragen?

Dies ist nicht etwas, das in einem einzigen Beitrag von einer einzelnen Person beantwortet werden kann. Ich hoffe jedoch, dass diese Antwort genügend Informationen und Links enthält, um hilfreich zu sein.

Es ist wichtig zu verstehen, wie Signale über das Internet übertragen werden. Beachten Sie jedoch, dass aufgrund von Rauschen und der immensen Anzahl von Benutzern dasselbe Signal codiert, decodiert, erneut übertragen usw. werden muss, sodass die für die Verarbeitung benötigte Zeit um viele Größenordnungen länger ist als die des eigentlichen elektrischen Signals. Denken Sie auch daran, dass eine Millisekunde eine sehr große Zeit für einen Computer ist. Eine GeForce Quadro K6000 -Grafikkarte kann in dieser Zeit mehr als 5.000.000.000 Gleitkommaoperationen ausführen (5196 GFlops mal 1 ms).

Leitfähige Kabel:

Die Elektronen selbst bewegen sich nicht so schnell, weil sie innerhalb der leitenden Kabel herumspringen. Elektrizität bewegt sich jedoch nicht auf der Grundlage von Elektronen, die aufeinander prallen, sondern eines stößt das andere durch elektromagnetische Wechselwirkung ab:

Angenommen, Sie haben 3 Elektronen in einer Reihe (nehmen Sie einen eindimensionalen Raum an). Bewegen Sie die erste ein wenig. Der Abstand vom ersten zum zweiten wird etwas kleiner. Die elektrostatische Kraft auf sie wird etwas größer. Nach dem Coulombschen Gesetz gilt:

Wenn sich das erste Teilchen auf das zweite zubewegt, nimmt die elektrostatische Kraft fast augenblicklich zu. Dadurch bewegt sich das zweite Teilchen ein wenig in Richtung des dritten usw.

„Fast augenblicklich“ bedeutet eigentlich „mit Lichtgeschwindigkeit “ ($c=299,792,458m/s$).

Es gibt eine extreme Anzahl von Elektronen in einem leitenden Draht und die Physik ist etwas komplizierter, aber das Wesentliche ist, dass ein Signal "fast sofort", aber langsamer als über einen Leiter gelangt$c$.

Optische Faser:

Glasfaserkabel übertragen Signale durch Photonen anstelle von Elektronen. Aber auch in diesem Fall bewegen sich die Photonen nicht geradlinig. Die Zeit, die das Photon benötigt, um die Leitung zu überqueren, ist jedoch immer noch sehr gering im Vergleich zu der Verarbeitungszeit zum Codieren und Decodieren der Signale sowie zur erneuten Übertragung von Paketen.

Kabellos:

Schließlich werden Kommunikationssatelliten sowie zahlreiche Arten von drahtlosen Verbindungen verwendet, um Signale zu übertragen, und zwar drahtlos unter Verwendung einer Vielzahl von Übertragungsprotokollen, Modulationen und Frequenzen. Dabei werden Signale mittels elektromagnetischer Strahlung übertragen . Dies ist ein sehr komplexes Thema und ich kann unmöglich alles abdecken.

Intelligente Möglichkeiten, Informationen in elektrische Signale zu kodieren:

Es reicht nicht aus, dass ein Spannungsimpuls das andere Ende einer Leitung erreicht; Diese Spannung ist da, um Informationen zu übermitteln. Der Vorgang der Codierung von Informationen durch Modifikation eines Trägersignals basierend auf der zu übertragenden Information (getragen, daher der Name Träger) wird als Modulation bezeichnet .

Intelligente Möglichkeiten, dieselben Kanäle zu teilen:

Alle diese Kommunikationskanäle müssen verbunden werden und Informationen müssen zuverlässig über dieses riesige Netzwerk übertragen werden. Damit zwei Knoten miteinander kommunizieren können, würden sie zunächst eine Anzahl von Kabeln reservieren, die einen Pfad von Knoten A zu Knoten B bilden. Kein anderer Knoten wäre in der Lage, denselben Pfad zu verwenden. Dies wird Schaltungsvermittlung genannt . Der Durchbruch, der ein so riesiges Netzwerk wie das Internet möglich machte, war die Fähigkeit zahlreicher Knoten, sich einen bestimmten Kommunikationskanal zu teilen. Diese gemeinsame Nutzung wurde durch Paketvermittlung ermöglicht. Anstatt eine Schaltung nur für zwei Knoten zu reservieren, prüft jeder Knoten nur, ob der Bus frei ist, überträgt dann ein Paket mit Daten und Zielinformationen (und einigem anderen Zeug) und gibt dann den Kanal frei. Pakete müssen ihr Ziel finden, und das nennt man Paket -Routing , was ein weiteres großes Thema ist. Das Routing und die Notwendigkeit der Modulation sind der Hauptgrund dafür, dass ein Paket „so lange“ braucht, um sein Ziel zu erreichen, verglichen mit der Geschwindigkeit, mit der sich elektromagnetische Wellen ausbreiten. Das Routing ist auch erforderlich, damit alle diese Benutzer im selben Netzwerk koexistieren können.

Das Internet:

All diese Dinge, zusammen mit zahlreichen anderen Technologien, werden zusammen verwendet, um das Internet zu bilden .

Lag-Kompensation:

Bei vielen Anwendungen, einschließlich kompetitiver Videospiele, wären einige Millisekunden Verzögerung nicht akzeptabel, insbesondere wenn ein Server einen "Treffer" registrieren muss. Hier kommt die Lag-Kompensation ins Spiel. Eine der verwendeten Methoden beinhaltet, dass der Server eine kurze Historie jeder Entitätsposition und jedes Animationszustands führt. Führen Sie dann eine Reihe von Tests und Physiksimulationen durch, um zu sehen, ob ein „Treffer“ eintreten würde, wenn ein Spieler seine Waffen „abfeuert“, basierend auf der Verzögerung, der Geschwindigkeit und dem Animationszustand jeder Entität sowie der Weltgeometrie.

Vielleicht wäre dies besser als Kommentar, aber es ist zu lang. Ich wollte auf die Tatsache eingehen, dass Ihre Aussagen darauf hindeuten, dass Sie die zu übertragenden Daten fast augenblicklich wahrnehmen , aber keine der von Ihnen vorgelegten Beobachtungen beweist tatsächlich, dass sie überhaupt schnell übertragen werden.

Sie erwähnen Videospiele. Spieleentwickler sind sich der Tatsache GUT bewusst, dass zwischen den Spielern eine erhebliche Latenz besteht, also ziehen sie mehrere Tricks durch. Eine davon ist, dass sie den Client bestimmte Informationen erraten lassen, die er noch nicht vom Server/anderen Spielern erhalten hat. Zum Beispiel kennt Ihr Client die Position und Geschwindigkeit Ihres Gegners von vor, sagen wir, 50 ms. Es wird also extrapoliert und gesagt: "Wenn seine Bewegung so ist, ist er jetzt wahrscheinlich ungefähr hier", und Sie sehen diese vorhergesagte Position. Meistens ist es ziemlich genau (wahrscheinlich wegen der Mühe, die Programmierer darauf verwenden), und es fühlt sich tatsächlich so an, als gäbe es keine Latenz. In anderen Fällen ist es ungenau und für Sie scheint es, dass der Spieler erschossen wurde, obwohl er sich in Wirklichkeit an einer anderen Position befand als von Ihrer Konsole vorhergesagt.

In diesem Zusammenhang laufen die meisten Displays mit etwa 60 Hz, und einige verwenden etwas, das als Double-Buffering bezeichnet wird. Ich werde hier nicht auf die Details eingehen, aber dies führt zu einer Latenz von bis zu 33 ms zwischen dem Rendern eines Frames durch den Prozessor und seiner tatsächlichen Anzeige. Die meisten Leute bemerken dies nicht, daher denke ich, dass es vernünftig ist, darauf hinzuweisen, dass selbst wenn die Netzwerklatenz 33 ms entspricht, Sie sie als sofort wahrnehmen könnten, auch ohne Programmiertricks.

Zusammenfassend ist das Internet nicht unbedingt "schnell". Aber schlaue Leute tun schlaue Dinge, um es so aussehen zu lassen, als ob es schneller wäre, als es wirklich ist. Wenn Sie weitere Informationen wünschen, können Sie die Leute auf gamedev.stackexchange.com fragen .

Ich bin überrascht, dass die Leute die Modulation (den Prozess, der einen "Träger" mit höherer Energie modifiziert, der leicht über große Entfernungen in Abhängigkeit vom Signal abgestrahlt werden kann) nur als zusätzlichen Faktor und nicht als Schlüsselelement bei der Erhöhung der Datenrate von Kommunikationsverbindungen erwähnen. Erinnern Sie sich an diese 54-kbps-Modems zu Beginn des Internets? Als die ADSL-Modems einsetzten, gab es eine sofortige Steigerung der Datenrate um das Zwanzigfache, hauptsächlich aufgrund der verwendeten Modulation: Mit QAM wurde die Bitrate höher als die Symbol-(Takt-)Rate (durch Verwendung verschiedener Amplituden und Phasen), als ob mehr Dinge angepasst würden im gleichen Eimer mit der gleichen Geschwindigkeit, nur indem man einen clevereren Weg findet, sie anzuordnen. Und wir sind noch nicht fertig, viele andere existieren bereits oder werden untersucht...

a) Zustandskarte der QAM-Modulation , einer der HF-Modulationen b) Wie sich die Symbolrate von der Datenrate unterscheiden kann, beispielsweise bei der Multilevel-Amplitudenmodulation (dem Vorfahren von FM), einer der Komponenten von QAM (die andere ist die Phase, sehr im Zusammenhang mit FM).

Insbesondere für Ihr Problem, abgesehen davon, dass Sie versuchen, vorherzusagen, was die Spieler tun, werden Spiele normalerweise von Ihrem Computer gerendert. Es wird nur eine kleine Menge wichtiger Informationen wie Koordinaten, Geschwindigkeiten usw. transportiert. Eine einzelne Webseite enthält wahrscheinlich viel mehr Informationen als das, aber das eigentliche Problem ist die Latenz (insbesondere für Hardcore-Gamer), und sie summiert sich mit der Anzahl der Hubs Ihrer Signale kommen unter anderem von Ausbreitungsverzögerungen (die Entfernung ist auch ein Problem, da die maximal zuverlässige Datenrate mit Verlusten abnimmt - die mit der Entfernung zunehmen).

Das Internet ist ein Netzwerk aus miteinander verbundenen Routern, die den Internetverkehr (Pakete) untereinander mithilfe eines Routing-Protokolls weiterleiten, das im Allgemeinen versucht, die kürzeste/schnellste Route zu nehmen.
Die meisten Router sind heutzutage über Glasfaser verbunden - insbesondere wenn die Entfernung zwischen den Routern mehr als ein paar Zehner oder Meter oder so beträgt oder wenn die Geschwindigkeiten zwischen den Routern hoch sind (1, 10 oder sogar 40 Gb/s) - dies heutzutage enthält fast jeden Router, der Teil des Internets ist. Die bemerkenswerte Ausnahme ist wahrscheinlich Ihr Router/Modem zu Hause usw.
In jedem Fall ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale durch die Faser oder das elektrische Kabel nahe der Lichtgeschwindigkeit. Theoretisch können Sie also ein Paket von Melbourne, Australien, nach Angra de Heroismo, Azoren (das sind fast Antipoden) in etwa 70 ms erhalten. Schauen wir uns nun ein reales Beispiel an. Es gibt einen Dienstprogrammaufruf „traceroute“, der Ihre Pakete von Router zu Router verfolgt und bequem die ungefähre Verzögerung zwischen jedem „Hop“ ausgibt. (Beachten Sie, dass die Zeit im ms 'Hin- und Rückfahrt' ist - eine Strecke ist also theoretisch die Hälfte):

  7   127 ms   143 ms   139 ms  i-0-1-0-0.sydp01.bi.telstraglobal.net [202.84.220.218]
  8   111 ms   113 ms    64 ms  i-0-5-0-2.sydp-core02.bi.telstraglobal.net [202.84.220.217]
  9   167 ms   201 ms   210 ms  i-0-3-0-6.paix-core01.bx.telstraglobal.net [202.84.140.194]
 10   156 ms   158 ms   188 ms  i-0-0-0-5.paix02.bi.telstraglobal.net [202.84.251.18]
 11   204 ms   206 ms   175 ms  80.157.128.205
 12   537 ms   512 ms   593 ms  mad-sa3-i.MAD.ES.NET.DTAG.DE [217.5.95.173]
 13   554 ms   552 ms   579 ms  80.157.129.10
 14   544 ms   569 ms   545 ms  10.255.26.254
 15   568 ms   568 ms   538 ms  catvaweb.cabotva.net [81.20.240.40]

(Ich habe die Hopfen weggelassen, die über das Intranet meiner Firma gehen).
Sie werden feststellen, dass die Verzögerungen viel länger sind, als Sie aufgrund der „Lichtgeschwindigkeit“ erwarten würden. Dies ist die Verzögerung, die von den Routern eingeführt wird, die Ihre Pakete weiterleiten. Mal sind sie schnell, mal langsam, besonders unter Last.

Wie Sie sehen können, sind die meisten Verzögerungen auf die Router-Weiterleitung zurückzuführen, nicht auf Ausbreitungsverzögerungen. Wenn Sie ein bisschen mit dem Traceroute-Tool herumspielen (es gibt zahlreiche webbasierte Tools, die Sie online finden können), werden Sie feststellen, dass die Route nicht immer gleich ist, und selbst dort, wo sie ist, sind die Verzögerungen überall.
Online-Gaming-Unternehmen hosten ihre Server an Orten, an denen sie eine gute Verbindung zum Internet haben und Vereinbarungen mit Dienstanbietern treffen können, um ihren Paketen Vorrang vor anderen zu geben. Einige Internetdienstanbieter tun möglicherweise dasselbe und geben Spielern Vorrang (zu einem Preis!). Dies ist möglich, da die Hauptverzögerungen, wie Sie sehen, in den Routern und nicht in der Glasfaser liegen. Für Streaming-Videos spielt dies keine Rolle, für Spiele ist es kritisch. Auf diese Weise können Dienstanbieter Internetpakete basierend auf ihrem Inhalt priorisieren – geben Sie Videos mehr Bandbreite, aber mit einer größeren Verzögerung, während Spiele (die nicht viel Bandbreite benötigen) in der Warteschlange des Routers für minimale Verzögerungen priorisiert werden können.

und sie sterben fast sofort

Gemäß Was? Die schnellste Geschwindigkeit, mit der sich ein Einfluss ausbreiten kann, ist$c \approx 186,000$Meilen pro Sekunde. Datenpakete reisen langsamer als das über die Glasfaser und es gibt Verzögerungen in Routern, Switches usw.

Bis sich ein Datenpaket über die Internet-Infrastruktur auf die andere Seite der Erde ausbreitet, dauert es wahrscheinlich mehrere 10 Millisekunden oder so, aber tatsächlich ist das eine „Ewigkeit“ im Vergleich zu augenblicklichen .

Zum Beispiel zerfallen einige der Teilchen, die am Large Hadron Collider erzeugt wurden, grob$10^{-23}s$.

Mit anderen Worten, es dauert ungefähr 100.000.000.000.000.000.000 mehr Zeit, um Ihren „Feind“ auf der ganzen Welt zu „töten“, als einige Partikel am LHC zerfallen.

Fast sofort? Verglichen mit den Zeitskalen einiger grundlegender Teilchenwechselwirkungen ist es viel länger als das berechnete Alter des Kosmos im Vergleich zu einem Jahr auf der Erde.

Ich dachte, Sie möchten vielleicht einmal darüber nachdenken.

Strom breitet sich grundsätzlich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Im Internet sind die einzigen Dinge, die dies ein wenig verlangsamen werden, die Netzwerkhardware, die den Internetverkehr zwischen Ihrem Zuhause und dem Zuhause Ihres Gegners auf der ganzen Welt leitet: Diese Hardware umfasst Dinge wie Router, Switches und Dinge, die konvertieren Strom in Licht (Faser) und zurück. Diese Dinge basieren auf einer Technologie, die auch sehr schnell ist (Transistoren, Siliziumchips und so weiter), und daher sind die Auswirkungen minimal. Was Sie also haben, ist eine leichte Verzögerung der Informationen, die mit Lichtgeschwindigkeit übersetzt werden. Licht von der Sonne braucht 8 Minuten, um 93 Millionen Meilen zurückzulegen, um die Erde zu erreichen. Wenn Sie es also aus dieser Perspektive betrachten, macht es Sinn, dass die Informationen von Ihrer Spielkonsole "fast sofort"

Es ist meistens relativ zur Lichtgeschwindigkeit.

Theoretische Grenze von Amsterdam New York = 40 ms
Internet-Grenze von Amsterdam New York = 82 ms

Theoretische Grenze von Amsterdam Adelaide = 130 ms
Internet-Grenze von Amsterdam Adelaide = 320 ms

Von Paris nach New York, wie ein Vogel fliegt, braucht Licht etwa 20 ms. Eine perfekte Ping-Zeit wäre also 40 ms. In Glasfaser ist Licht um 31 % langsamer. Außerdem prallt Licht in einer Glasfaser wie folgt ab \ / \ / \ / wodurch die Strecke länger wird. Dazu kommen noch die Router-Gerätezeiten. Der schnellste Ping von Paris nach New York liegt derzeit bei etwa 82 ms.

Von Amsterdam nach Adelaide sind es 320 ms, in 100 Jahren wird es vielleicht nahe an der theoretischen Grenze liegen, die die Gesetze der Physik erlauben, dh 130 ms, für 1550 km ist es bereits nahe an der theoretischen Grenze.

Hier ist eine Liste der Internetgeschwindigkeiten: https://wondernetwork.com/pings

Hinzu kommt der Begriff der Bandbreite.

Die Latenz von Geräten in Ihrem Computer, Bildschirm, Peripheriegeräten, Ton, Tastatur, beträgt normalerweise etwa 10 ms. Die schnellste Reaktionszeit für ein Ereignis, das auf Ihrem PC auftritt, zu Ihrem Router beträgt also immer weniger als 20 ms per DirectX für jede Datenübertragung.

Der Hauptgrund, warum Online-Videospiele so schnelle Reaktionszeiten haben, liegt darin, dass alles auf Ihrem Computer erledigt wird . Wenn Sie jemanden erschießen, entscheidet Ihr Computer, dass Sie Ihren Gegner getötet haben, und zeigt Ihnen sofort das entsprechende Bild an. Es benachrichtigt auch den Computer Ihres Gegners über dieses Ereignis, aber Sie sehen nicht, dass dies mit einer Verzögerung geschieht. Typischerweise werden die Berechnungen auch ein zweites Mal auf einem zentralen Server durchgeführt, um Betrug zu verhindern. Wenn der Server entscheidet, dass Sie Ihren Gegner tatsächlich nicht getötet haben, werden Sie sehen, wie er nach etwa einer halben Sekunde wieder zum Leben erweckt wird.

Die Netzwerkübermittlungszeit kann bis zu 300+ ms zwischen entfernten Standorten betragen, und schnelle Spiele wären nicht spielbar, wenn solche Verzögerungen bei jeder Spieleraktion auftreten würden.

Während ich die Aussagen lese, gibt es zwei (verwandte) Fragen mit derselben Antwort: 1) Das Internet kann Daten "schnell" übertragen, da es verschiedene Formen der elektromagnetischen (EM) Energieübertragung verwendet und EM sich sehr schnell ausbreitet ( ungefähr 186.000 Meilen/s), 2) Elektrizität kann "schnell fließen", weil es elektromagnetische Energie ist und EM sich sehr schnell ausbreitet.