پهنای باند، تأخیر و توان عملیاتی (Bandwidth, Latency and Throughput) -- مبانی شبکه قسمت پنجم

در این درس، اساسی‌ترین واحدهای اندازه‌گیری و داده مورد استفاده در شبکه‌سازی را پوشش می‌دهیم. همچنین در مورد اینکه چرا دستگاه‌های الکترونیکی به جای اعداد دهدهی (Decimal)، از بیت‌ها استفاده می‌کنند و تفاوت بین بیت و بایت چیست، بحث می‌کنیم.

لینک آموزش قسمت چهارم : https://vrgl.ir/OmEwb

بیت چیست؟

ما انسان‌ها در تمام زندگی خود از ریاضیات پایه استفاده می‌کنیم. ریاضیات روزمره ما از سیستم دهدهی (Decimal) مبنای ۱۰ استفاده می‌کند، که نشان می‌دهد تنها ده رقم منحصربه‌فرد، ۰ تا ۹، وجود دارد. تمام اعداد دهدهی دیگر با استفاده از این ده رقم ایجاد می‌شوند.

از طرف دیگر، مسیریاب‌ها (Routers)، سوئیچ‌ها (Switches) و کامپیوترها از یک سیستم عددی مبنای ۲ به نام دودویی (Binary) استفاده می‌کنند. در سیستم اعداد دودویی تنها دو رقم منحصربه‌فرد ممکن وجود دارد: ۰ و ۱. تمام اعداد دودویی دیگر از ترکیبی از این دو رقم ایجاد می‌شوند.

چرا تمام دستگاه‌های الکترونیکی از دودویی استفاده می‌کنند؟

اما چرا دستگاه‌های الکترونیکی به جای ارقام دهدهی، از دودویی استفاده می‌کنند؟ پاسخ ساده این است که ارقام دودویی - ۰ و ۱ - به شدت با دنیای فیزیکی مطابقت دارند. دستگاه‌های الکترونیکی از قطعاتی ساخته شده‌اند که طراحی آن‌ها تنها با دو حالت (روشن و خاموش) آسان‌تر است. به عنوان مثال، یک مدار می‌تواند روشن یا خاموش باشد، یک سیگنال می‌تواند ولتاژ بالا یا ولتاژ پایین باشد، می‌تواند جریان وجود داشته باشد یا نه، و می‌تواند نور وجود داشته باشد یا نه. هر یک از این جفت حالت‌ها به طور طبیعی با سیستم دودویی ۱ و ۰ مطابقت دارد.

به عنوان مثال، انیمیشن بالا را در نظر بگیرید که مردی چراغ قوه در دست دارد. اگر می‌خواهید اطلاعات را از فاصله‌ای ارسال کنید، می‌توانید به سادگی از نور برای نمایش داده‌های دودویی استفاده کنید.

• وقتی چراغ قوه روشن است، آن یک ۱ است.

• وقتی چراغ قوه خاموش است، آن یک ۰ است.

با چشمک زدن نور در یک الگوی خاص، می‌توانید پیامی را در کیلومترها ارسال کنید. اساساً شبکه‌ها به این شکل کار می‌کنند، فقط با سرعت‌های بسیار بالاتر و دقت بسیار بیشتر.

موضوع کلیدی: ارقام دودویی ۰ و ۱ کاملاً با دنیای فیزیکی مطابقت دارند، زیرا بیشتر پدیده‌های فیزیکی می‌توانند روشن (۱) یا خاموش (۰) باشند.

از طرف دیگر، تصور کنید بخواهید یک چراغ قوه را مجبور کنید در ده سطح مختلف روشنایی بدرخشد، یکی برای هر رقم دهدهی از ۰ تا ۹. حتی تغییرات کوچک - مانند باتری‌های ضعیف - می‌تواند تشخیص اینکه آیا قصد ارسال ۵ یا ۶ را دارید، دشوار کند. اما اگر چراغ قوه فقط دو حالت واضح، خاموش و روشن، داشته باشد، هیچ ابهامی وجود ندارد.

چگونه بیت‌ها را در مقیاس اندازه‌گیری می‌کنیم؟

کامپیوترها و شبکه‌ها در نهایت از بیت‌ها برای ارسال داده استفاده می‌کنند. یک بیت کوچک‌ترین واحد اطلاعات است – یا ۰ است یا ۱. با این حال، شبکه‌ها اکنون در هنگام انتقال داده به طور غیرقابل تصوری سریع هستند. وقتی در مورد سرعت شبکه صحبت می‌کنیم، اندازه‌گیری می‌کنیم که چند بیت در ثانیه ارسال می‌شود، اما در واحدهای مقیاس‌شده به شرح زیر:

• Bps (بیت در ثانیه): واحد پایه. یعنی 1 بیت در هر ثانیه.

• Kbps (کیلوبیت در ثانیه): ۱,۰۰۰ بیت در ثانیه.

• Mbps (مگابیت در ثانیه): ۱,۰۰۰,۰۰۰ بیت در ثانیه.

• Gbps (گیگابیت در ثانیه): ۱,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰ بیت در ثانیه.

بنابراین دو نکته مهم وجود دارد که باید به خاطر بسپارید:

1. شبکه‌ها داده‌ها را در بیت‌های دودویی منتقل می‌کنند زیرا با دنیای فیزیکی مطابقت دارد.

2. نرخ‌های بیت در گام‌های هزارتایی رشد می‌کنند. به عنوان مثال، ۱ Kbps برابر با ۱,۰۰۰ bps است، و ۱ Mbps برابر با ۱,۰۰۰ Kbps است، و غیره.

بایت چیست؟

افراد غیرفنی اغلب بیت‌ها را با بایت‌ها اشتباه می‌گیرند. بایت واحد اصلی برای ذخیره اطلاعات است. از نظر تاریخی، بایت تعداد بیت‌های مورد نیاز برای ذخیره یک کاراکتر، مانند یک حرف یا عدد، در یک کامپیوتر بود. به همین دلیل، در بیشتر معماری‌های کامپیوتری، بایت به کوچک‌ترین بخش حافظه‌ای تبدیل شد که می‌توانید مستقیماً با آن کار کنید.

به عنوان مثال، حرف W در حافظه کامپیوتر به صورت یک بایت ذخیره می‌شود، همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده است.

چگونه بایت‌ها را در مقیاس اندازه‌گیری می‌کنیم؟

ما بایت‌ها را در مقیاس با استفاده از مضرب‌های بایت اندازه‌گیری می‌کنیم، که هر کدام ۱,۰۲۴ برابر بزرگتر از قبلی هستند. در اینجا مقیاس استاندارد در محاسبات آمده است:

• ۱ KB (کیلوبایت) = ۱,۰۲۴ بایت

• ۱ MB (مگابایت) = ۱,۰۲۴ KB = ۱,۰۴۸,۵۷۶ بایت

• ۱ GB (گیگابایت) = ۱,۰۲۴ MB = ۱,۰۷۳,۷۴۱,۸۲۴ بایت

• ۱ TB (ترابایت) = ۱,۰۲۴ GB = ۱,۰۹۹,۵۱۱,۶۲۷,۷۷۶ بایت

به این واقعیت مهم توجه کنید - بایت‌ها با مضرب‌های ۱۰۲۴ مقیاس‌بندی می‌شوند. اگرچه بسیاری از شرکت‌ها هنگام تبلیغ محصولات خود این را ساده‌سازی می‌کنند، به عنوان یک مهندس، باید این را در ذهن داشته باشید. (به همین دلیل است که یک هارد دیسک ۵۰۰ GB ممکن است در کامپیوتر شما فقط حدود ۴۶۵ GB را نشان دهد.)

بیت در مقابل بایت

مفهوم بیت و بایت مهم است، بنابراین بیایید آنچه را که تاکنون پوشش دادیم خلاصه کنیم. یک بیت کوچک‌ترین واحد داده است و می‌تواند ۰ یا ۱ باشد. یک بایت از ۸ بیت ساخته شده و یک کاراکتر داده را نشان می‌دهد.

• ما از بیت‌ها برای اندازه‌گیری سرعت شبکه، توان عملیاتی و پهنای باند استفاده می‌کنیم. به عنوان مثال، یک رابط اترنت دارای ظرفیت ۱۰۰ Mbps است.

• ما از بایت‌ها برای اندازه‌گیری اندازه داده و فضای ذخیره‌سازی دیجیتال استفاده می‌کنیم. به عنوان مثال، یک فایل ۳۰MB است. یک هارد دیسک ۲TB است.

پهنای باند و توان عملیاتی

حال، بیایید تمرکز خود را به واحدهای اندازه‌گیری مرتبط با شبکه معطوف کنیم. پهنای باند چیست؟

پهنای باند (Bandwidth) ظرفیت یک لینک است. این حداکثر مقدار نظری داده است که می‌تواند در یک ثانیه از طریق یک لینک منتقل شود، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است. پهنای باند با بیت در ثانیه (bps) اندازه‌گیری می‌شود. واحدهای رایج Kbps، Mbps و Gbps هستند.

از طرف دیگر، توان عملیاتی (Throughput) نرخ واقعی داده است که مشاهده می‌کنید. این مقدار داده‌ای است که در زندگی واقعی از طریق لینک جریان می‌یابد. توان عملیاتی مانند تعداد خودروهایی است که واقعاً در هر دقیقه در بزرگراه حرکت می‌کنند. تراکم، خطاها و سایر ترافیک‌ها توان عملیاتی را کاهش می‌دهند.

توان عملیاتی نیز با بیت در ثانیه اندازه‌گیری می‌شود. اگر یک لینک دارای پهنای باند ۱۰۰ Mbps باشد، اما کاربران زیادی آن را به اشتراک بگذارند، توان عملیاتی شما ممکن است ۲۰ Mbps باشد. توان عملیاتی به هر دو، یعنی لینک و شرایط شبکه، بستگی دارد.

سرعت (Speed)

ما باید این اصطلاح را نیز در این ترکیب بیاوریم. مردم اغلب اصطلاحات "سرعت" و "پهنای باند" را به جای یکدیگر استفاده می‌کنند. سرعت می‌تواند به معنای سرعت لینک ، توان عملیاتی یا هر دو باشد. مراقب این کلمه باشید. در امتحانات، مشخص کنید که منظور شما از چه نوع سرعتی است. اگر یک سوال می‌گوید "سرعت لینک"، اغلب به معنای پهنای باند پیوند فیزیکی است.

تأخیر (Latency) و RTT

تأخیر (Latency) زمانی است که طول می‌کشد تا یک بسته از منبع به مقصد برسد. تأخیر (Delay) کلمه دیگری برای زمان صرف شده است. آن‌ها اغلب با هم استفاده می‌شوند.

زمان رفت و برگشت (Round-Trip Time - RTT) زمانی است که طول می‌کشد تا داده به مقصد برود و به منبع بازگردد.

این اصطلاحات چگونه با هم سازگار می‌شوند؟

بیایید از یکی از رایج‌ترین مثال‌هایی استفاده کنیم که در اینترنت منتشر می‌شود. به یک لوله آب فکر کنید، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است.

• پهنای باند عرض لوله است — چه مقدار آب می‌تواند در یک لحظه از آن عبور کند.

• توان عملیاتی مقدار واقعی آبی است که در حال حاضر از طریق لوله جریان دارد.

• تأخیر مدت زمانی است که طول می‌کشد تا یک قطره آب از یک انتها به انتهای دیگر برود.

• از دست رفتن بسته (Packet Loss) زمانی است که مقداری آب قبل از رسیدن به انتها از لوله نشت می‌کند.

اگر لوله باریک باشد، پهنای باند کم است. اگر لوله تا حدی مسدود شده باشد، توان عملیاتی کاهش می‌یابد. اگر لوله طولانی باشد، تأخیر افزایش می‌یابد. اگر نشتی وجود داشته باشد، از دست رفتن بسته رخ می‌دهد. این یک تمثیل خوب است که می‌تواند به شما کمک کند تا مفاهیم را درک کنید.

نکات کلیدی

توضیحات کوتاه اصطلاحات:

• بیت (Bit): کوچک‌ترین واحد داده (۰ یا ۱).

• بایت (Byte): ۸ بیت.

• پهنای باند (Bandwidth): حداکثر ظرفیت داده (bps).

• توان عملیاتی (Throughput): نرخ واقعی داده به دست آمده (bps).

• تأخیر/تأخیر (Latency/Delay): زمان لازم برای حرکت داده.

• لرزش (Jitter): تغییر در تأخیر.

• از دست رفتن بسته (Packet Loss): بسته‌هایی که به مقصد نمی‌رسند.

قوانین سرانگشتی ساده:

• همیشه بیت‌ها و بایت‌ها را با دقت تبدیل کنید. به یاد داشته باشید ۱ بایت = ۸ بیت.

• انتظار داشته باشید که توان عملیاتی کمتر از پهنای باند باشد. سربار ناشی از هدرها و پروتکل‌ها سرعت قابل استفاده را کاهش می‌دهد.

همیشه با دقت به واحدهای اندازه‌گیری توجه کرده و آن‌ها را بنویسید:

• b برای بیت‌ها.

• B برای بایت‌ها.

• Mbps برای مگابیت در ثانیه.

• MB برای مگابایت.

اشتباه گرفتن آن‌ها باعث اشتباهات بزرگ می‌شود.

**حمید رضا اسفندیاری _ کارشناس شبکه و فناوری اطلاعات**