In che modo Internet è in grado di trasmettere dati così velocemente?

Non sono sicuro di essere nel posto giusto o no, ma ho pensato che qualcuno qui potesse forse fornire una buona risposta. Voglio sapere come l'elettricità è in grado di fluire così velocemente. Ad esempio i videogiochi al giorno d'oggi, puoi sparare a qualcuno in tutto il mondo e muoiono quasi all'istante. In che modo l'elettricità è in grado di farlo? Stavo cercando di google questa domanda, ma ho trovato scarsi risultati, ecco perché sono qui.

Questo non è qualcosa a cui si può rispondere in un singolo post, da una sola persona. Tuttavia, spero che questa risposta fornisca informazioni e collegamenti sufficienti per essere utile.

È importante capire come i segnali vengono trasmessi su Internet. Si noti tuttavia che a causa del rumore e dell'immenso numero di utenti, lo stesso segnale deve essere codificato, decodificato, ritrasmesso, ecc. Pertanto il tempo necessario per l'elaborazione è di molti ordini di grandezza in più rispetto al viaggio effettivo del segnale elettrico. Inoltre, tenere presente che in un millisecondo è molto tempo per un computer; una scheda grafica GeForce Quadro K6000 è in grado di eseguire oltre 5.000.000.000 di operazioni in virgola mobile in così tanto tempo (5196 GFlops volte 1ms).

Cavi conduttivi:

Gli elettroni stessi non si muovono così velocemente perché rimbalzano all'interno dei cavi conduttori. Tuttavia l'elettricità non viaggia in base agli elettroni che rimbalzano l'uno sull'altro, piuttosto che respingono l'altro attraverso l'interazione elettromagnetica:

Supponi di avere 3 elettroni in linea (ipotizza uno spazio unidimensionale). Sposta il primo un po '. La distanza dalla prima alla seconda diventa un po 'più piccola. La forza elettrostatica su di essi aumenta leggermente. Secondo la legge di Coulomb è: dove:è la grandezza della forza, è la costante di Coulomb, e è la carica di ciascuna delle due particelle e infine è la distanza tra loro. ‖F‖keq1q2r

Mentre la prima particella si sposta verso la seconda, la forza elettrostatica aumenta quasi istantaneamente. Questo fa spostare leggermente la seconda particella verso la terza ecc.

"Quasi istantaneamente" significa in realtà "alla velocità della luce " ( ).$c=299,792,458m/s$

C'è un numero estremo di elettroni all'interno di un filo conduttore e la fisica è un po 'più complicata, ma la sostanza è che un segnale attraversa un conduttore "quasi istantaneamente" ma più lentamente di .$c$

Fibra ottica:

I cavi in fibra ottica trasmettono segnali tramite fotoni anziché elettroni. Anche in questo caso, tuttavia, i fotoni non viaggiano in linea retta. Tuttavia, il tempo necessario affinché il fotone passi attraverso la linea è ancora molto piccolo rispetto al tempo di elaborazione per codificare e decodificare i segnali, nonché le ritrasmissioni di pacchetti.

Senza fili:

Infine, i satelliti di comunicazione e numerosi tipi di collegamenti wireless vengono utilizzati per trasmettere segnali, beh, senza fili utilizzando un gran numero di protocolli di trasmissione, modulazioni e frequenze. In questo caso, i segnali vengono trasmessi mediante radiazione elettromagnetica . Questo è un argomento molto complesso e non posso assolutamente coprirlo tutto.

Modi intelligenti per codificare le informazioni in segnali elettrici:

Non è sufficiente che un impulso di tensione raggiunga l'altra estremità di un filo; quella tensione è lì per trasmettere alcune informazioni. L'atto di codificare le informazioni modificando un segnale portante in base alle informazioni da trasmettere (trasportate, da qui il nome portante), si chiama modulazione .

Modi intelligenti per condividere gli stessi canali:

Tutti questi canali di comunicazione devono essere collegati e le informazioni devono viaggiare attraverso questa vasta rete in modo affidabile. Inizialmente, per avere due nodi comunicanti tra loro, riserverebbero un certo numero di cavi che formano un percorso dal nodo A al nodo B. Nessun altro nodo sarebbe in grado di utilizzare questo stesso percorso. Questo si chiama commutazione del circuito . La svolta che rese possibile una rete così vasta come Internet era la capacità di numerosi nodi di condividere un determinato canale di comunicazione. Questa condivisione è stata abilitata dalla commutazione dei pacchetti. Invece di riservare un circuito solo per due nodi, ogni nodo verifica solo se il bus è libero, quindi trasmette un pacchetto contenente dati e informazioni di destinazione (e alcune altre cose) e quindi rilascia il canale. I pacchetti devono trovare la loro destinazione e questo si chiama routing dei pacchetti , che è un altro argomento enorme. Il routing e la necessità di modulazione sono la ragione principale per cui un pacchetto impiega "così tanto tempo" per raggiungere la sua destinazione rispetto alla velocità con cui viaggiano le onde elettromagnetiche. Il routing è inoltre necessario affinché tutti quegli utenti possano coesistere sulla stessa rete.

La rete:

Tutte queste cose, insieme a numerose altre tecnologie, vengono utilizzate insieme per formare Internet .

Compensazione del ritardo:

In molte applicazioni, inclusi i videogiochi della concorrenza, alcuni millisecondi di ritardo sarebbero inaccettabili, soprattutto quando un server deve registrare un "hit". Ecco dove entra in gioco la compensazione del ritardo . Uno dei metodi utilizzati prevede che il server mantenga una breve cronologia di ciascuna posizione dell'entità e dello stato dell'animazione. Quindi esegui una serie di test e simulazioni fisiche per vedere se si verificherebbe un "colpo" quando un giocatore "spara" le loro armi, in base allo stato di ritardo, velocità e animazione di ciascuna entità più la geometria del mondo.

Forse sarebbe meglio come commento, ma è troppo lungo. Volevo affrontare il fatto che le tue affermazioni indicano che percepisci i dati per essere trasmessi quasi istantaneamente, ma nessuna delle osservazioni che presenti in realtà dimostra che vengono trasmesse rapidamente.

Citi i videogiochi. Gli sviluppatori di giochi sono ben consapevoli del fatto che esiste una latenza significativa tra i giocatori, quindi eseguono diversi trucchi. Uno di questi è che hanno il client indovinare alcune informazioni che non hanno ancora ricevuto dal server / altri giocatori. Ad esempio, il tuo cliente conosce la posizione e la velocità del tuo avversario, diciamo, 50ms fa. Quindi estrapola e dice "se il suo movimento è così, probabilmente è qui adesso", e vedi questa posizione prevista. Il più delle volte, è abbastanza preciso (probabilmente a causa dello sforzo che i programmatori fanno in questo), e in realtà sembra che non ci sia latenza. Altre volte è inaccurato e, a te, sembra che il giocatore sia stato colpito, quando in realtà si trovava in una posizione diversa da quella prevista dalla tua console.

In una nota correlata, la maggior parte dei display funziona a 60Hz e alcuni fanno qualcosa chiamato double buffering. Non entrerò nei dettagli qui, ma questo introduce fino a 33ms di latenza tra quando il processore esegue il rendering di un frame e quando viene effettivamente visualizzato. La maggior parte delle persone non lo nota, quindi penso che sia ragionevole suggerire che anche se la latenza della rete fosse equivalente a 33 ms, potresti percepirla come istantanea, anche senza trucchi di programmazione.

In sintesi, Internet non è necessariamente "veloce". Ma le persone intelligenti fanno cose intelligenti per far sembrare che sia più veloce di quanto non sia in realtà. Se vuoi maggiori informazioni, puoi prendere in considerazione di chiedere alle persone su gamedev.stackexchange.com .

Sono sorpreso che le persone menzionino solo la modulazione (il processo che modifica un "vettore" di energia superiore che può essere irradiato facilmente su lunghe distanze in funzione del segnale) come un fattore aggiuntivo piuttosto che un elemento chiave per aumentare il datarato dei collegamenti di comunicazione. Ricordi quei modem a 54kbps all'inizio di Internet? Quando i modem ADSL hanno preso il via, c'è stato un immediato aumento di venti volte + in datarate, principalmente a causa della modulazione utilizzata: con QAM, il bitrate è diventato più alto della frequenza dei simboli (clock) (usando varie ampiezze e fasi), come adattarsi a più cose nello stesso secchio viaggiando alla stessa velocità, solo immaginando un modo più intelligente di organizzarli. E non abbiamo ancora finito, molti altri già esistono o sono in fase di studio ...

a) Mappa degli stati della modulazione QAM , una delle modulazioni RF b) In che modo la frequenza dei simboli può essere diversa dal datarato, ad esempio con modulazione di ampiezza multilivello (l'antenato di FM), una delle componenti di QAM (l'altra è la fase, molto in relazione con FM).

Per il tuo problema in particolare, oltre a cercare di prevedere cosa stanno facendo i giocatori, i giochi sono in genere resi dalla tua macchina; viene trasportata solo una piccola quantità di informazioni vitali come coordinate, velocità, ecc. Una singola pagina web ha probabilmente molte più informazioni di così, ma il vero problema è la latenza (specialmente per i giocatori hardcore), e si accumula con il numero di hub dei segnali provengono da ritardi di propagazione, tra le altre cose (la distanza è anche un problema poiché il datarato massimo affidabile diminuisce con le perdite - che aumentano con la distanza).

Internet è una rete di router interconnessi che inoltrano il traffico Internet (pacchetti) tra loro utilizzando un protocollo di routing che, in genere, cerca di seguire il percorso più breve / più veloce.
La maggior parte dei router è oggi connessa tramite fibra ottica, soprattutto quando la distanza tra i router è superiore a qualche decina o più o quando la velocità tra i router è elevata (1, 10 o anche 40 Gb / s), questo al giorno d'oggi include quasi tutti i router che fanno parte di Internet. L'eccezione notevole è probabilmente il router / modem di casa, ecc.
In entrambi i casi, la velocità di propagazione dei segnali attraverso la fibra o il calibro elettrico è vicina alla velocità della luce. In quanto tale, in teoria è possibile ottenere un pacchetto da Melbourne, in Australia a Angra de Heroismo, Azzorre (questi sono quasi antipodi) in circa 70 ms. Ora diamo un'occhiata a un esempio del mondo reale. Esiste una chiamata di utilità "traceroute" che traccia i pacchetti da un router all'altro e genera in modo conveniente il ritardo approssimativo tra ciascun "hop". (Nota che il tempo im ms è "andata e ritorno", quindi in teoria unidirezionale è la metà):

  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]

(Ho tralasciato il luppolo che passa sulla intranet della mia azienda).
Noterai che i ritardi sono molto più lunghi di quanto ti aspetteresti solo dalla "velocità della luce". Questo è il ritardo introdotto dai router che inoltrano i pacchetti. A volte sono veloci, a volte sono lenti, specialmente quando sono sotto carico.

Come puoi vedere, la maggior parte dei ritardi è dovuta all'inoltro del router, non ai ritardi di propagazione. Se giochi un po 'con lo strumento traceroute (ce ne sono molti basati sul web che puoi trovare online), scoprirai che il percorso non è sempre lo stesso e anche dove si trova, i ritardi sono ovunque.
Le società di giochi online ospitano i loro server in luoghi in cui hanno una buona connessione a Internet e possono avere accordi con i fornitori di servizi per dare priorità ai loro pacchetti rispetto ad altri. Inoltre, alcuni fornitori di servizi Internet potrebbero fare lo stesso e dare priorità ai giocatori (a un prezzo!). Questo è possibile perché, come puoi vedere, i principali ritardi sono nei router, non nella fibra. Per i video in streaming questo non ha importanza, per i giochi è fondamentale. Di conseguenza, i fornitori di servizi possono dare la priorità ai pacchetti Internet in base al loro contenuto: dare ai video più larghezza di banda ma un ritardo maggiore, mentre i giochi (che non richiedono molta larghezza di banda) possono avere la priorità nella coda del router per ritardi minimi.

e muoiono quasi all'istante

Secondo cosa? La velocità più elevata con cui un'influenza può propagarsi è di miglia al secondo. I pacchetti di dati viaggiano più lentamente di quello attraverso la fibra e c'è ritardo all'interno di router, switch, ecc.$c \approx 186,000$

Affinché un pacchetto di dati si propaghi attraverso l'infrastruttura di Internet dall'altra parte della Terra, probabilmente, occorrono circa 10 decine di millisecondi circa, ma in realtà è un'eternità rispetto a quella istantanea .

Ad esempio, alcune delle particelle create nel grande collatore di adroni decadono in circa .$10^{-23}s$

In altre parole, ci vogliono circa 100.000.000.000.000.000.000.000 di tempo in più per "uccidere" il tuo "nemico" in tutto il mondo di quanto non ci voglia per far decadere alcune particelle nell'LHC.

Quasi istantaneamente? Rispetto alle scale temporali di alcune interazioni di particelle fondamentali, è molto più lungo dell'età calcolata del cosmo rispetto a un anno sulla Terra.

Ho pensato che potresti voler riflettere su questo prima o poi.

L'elettricità viaggia sostanzialmente alla velocità della luce. in Internet, le uniche cose che rallenteranno un po 'sono l'hardware di rete che instrada il traffico Internet tra la tua casa e la casa del tuo avversario in tutto il mondo: questo hardware include cose come router, switch e cose che si convertono elettricità in luce (fibra) e ritorno. Queste cose si basano su una tecnologia che è anche molto veloce (transistor, chip di silicio e quant'altro) e quindi gli effetti sono minimi. Quindi quello che hai è un leggero ritardo nelle informazioni tradotte alla velocità della luce. la luce del sole impiega 8 minuti per percorrere 93 milioni di miglia per raggiungere la terra, quindi quando la metti in questa prospettiva, ha senso che le informazioni dalla tua console di gioco "quasi istantaneamente"

È principalmente relativo alla velocità della luce.

Limite teorico di Amsterdam New York = 40ms
Limite Internet di Amsterdam New York = 82ms

Limite teorico di Amsterdam Adelaide = 130ms
Limite Internet di Amsterdam Adelaide = 320ms

Da Parigi a New York come un uccello vola, la luce dura circa 20 ms. quindi un tempo di ping perfetto sarebbe 40ms. Nel vetro a fibre ottiche, la luce è più lenta del 31%. Inoltre, la luce in una fibra ottica rimbalza come questa \ / \ / \ / che allunga il percorso. Aggiungete a ciò i tempi delle apparecchiature di routing. il ping più veloce da Parigi a New York è attualmente di circa 82ms.

Amsterdam ad Adelaide è di 320 ms, in 100 anni, forse sarà chiusa al limite teorico consentito dalle leggi della fisica, ovvero 130 ms, per 1550 km, è già vicino al limite teorico.

Ecco un elenco delle velocità di Internet: https://wondernetwork.com/pings

Aggiungete a ciò, la nozione di larghezza di banda.

La latenza delle apparecchiature all'interno del computer, dello schermo, delle periferiche, dell'audio, della tastiera è normalmente di circa 10 ms. Quindi il tempo di risposta più veloce per un evento che si verifica sul tuo PC, al tuo router è sempre meno di 20 ms da DirectX per qualsiasi trasferimento di dati.

Il motivo ultimo per cui i videogiochi online hanno tempi di risposta così rapidi è perché tutto è fatto sul tuo computer . Quando spari a qualcuno, il tuo computer decide che hai ucciso il tuo avversario e ti mostra immediatamente l'immagine corrispondente. Informa anche il computer del tuo avversario su questo evento, ma non puoi vedere che ciò accade con un ritardo. In genere, i calcoli vengono eseguiti anche su un server centrale una seconda volta, per evitare cheat. Se il server decide che in realtà non hai ucciso il tuo avversario, lo vedrai tornare in vita dopo circa mezzo secondo.

I tempi di consegna della rete possono arrivare a più di 300 ms tra località remote e giochi frenetici sarebbero ingiocabili se tali ritardi dovessero verificarsi su ogni azione del giocatore.

Mentre leggo le dichiarazioni, ci sono due domande (correlate), con la stessa risposta: 1) Internet è in grado di trasmettere dati "velocemente" perché utilizza varie forme di trasmissione di energia elettromagnetica (EM) e EM si propaga molto velocemente ( circa 186.000 miglia / s), 2) l'elettricità è in grado di "fluire velocemente", perché è energia elettromagnetica e l'EM si propaga molto velocemente.