Egy távoli űreszközzel való kapcsolatnál két eltérő kérdés merül fel. Mennyi idő alatt jut el hozzá a jel első része, és mennyi ideig tart az összes adat elküldése? A távolság a terjedési késleltetést, az adatsebesség a továbbítás időtartamát határozza meg. A kettőt külön kell kiszámítani, majd a konkrét kommunikációs folyamat szerint összegezni.
Az űrkommunikációs késleltetés kalkulátora a távolságból egyirányú és oda-vissza jelutat ad. A fájl méretével és az átviteli sebességgel külön számolhatsz. Így egy tudományos-fantasztikus jelenet időzítését ugyanúgy ellenőrizheted, mint egy oktatási feladat számait, miközben az idealizált feltevéseket is láthatóvá teszed.
A fénysebesség az alap, az útvonal pedig a bemenet
Vákuumban a fénysebesség pontos értéke 299 792 458 m/s, azaz 299 792,458 km/s. Ezt a NIST méterdefiníciót ismertető oldala is megadja. Rádiójel és fényjel vákuumbeli terjedésénél egyaránt ez az érték szerepel az egyszerű modellben.
Az egyirányú idő képlete: idő másodpercben = távolság kilométerben / 299 792,458. A távolság az adó és a vevő közötti jelút hossza. Egy égitest Naptól mért távolságát ezért nem lehet automatikusan a Földdel való kommunikáció távolságaként beírni.
A bolygók egymáshoz viszonyított helyzete változik. Egy megadott 150 millió kilométeres példa szemléltető pillanatnyi távolságot jelent, nem a Mars állandó földtávolságát. A pontos valós feladathoz az adott időpont és az érintett űreszköz helyzete is szükséges.
Hold-távolságú példa: a gyors válasz sem azonnali
Vegyünk 384 400 km jelúthosszt szemléltető adatként. Az egyirányú terjedési idő 384 400 / 299 792,458 ≈ 1,2822 másodperc. Az ideális oda-vissza idő ennek kétszerese, körülbelül 2,5644 másodperc.
Ha a földi fél a kérdés végén azonnal elindít egy rövid jelet, az 1,28 másodperc múlva ér a távoli félhez. Az ott azonnal kibocsátott válasz újabb 1,28 másodperc után jut vissza. A beszélgetésnél ehhez hozzáadódik a kérdés kimondásának, értelmezésének és a válasz megszületésének ideje.
A kétirányú kapcsolatban ezért külön jelöld a terjedési késést és az emberi reakciót. Ha a távoli fél 3 másodpercet vár a válasz előtt, a kezdő jel és a válasz első részének visszaérkezése közötti idő a modellben 2,5644 + 3 ≈ 5,5644 másodperc. Ez még nem tartalmaz hosszú üzenetet vagy feldolgozási sort.
Nagyobb távolság: egy rövid parancs visszaigazolása
Most a szemléltető jelút 150 millió kilométer. Az egyirányú késés körülbelül 500,346 másodperc, vagyis 8 perc 20,35 másodperc. Az oda-vissza idő körülbelül 1000,692 másodperc, azaz 16 perc 40,69 másodperc.
Ha a távoli űreszköz egy rövid parancsot a beérkezés után 10 másodperccel igazol vissza, a földi oldalon legkorábban körülbelül 16 perc 50,69 másodperc után látható a visszaigazolás ebben a modellben. Az időadat a megadott állandó távolságra vonatkozik; az adás és vétel alatti mozgást elhanyagoljuk.
A NASA kommunikációs áttekintése külön tárgyalja a nagy távolságokból eredő késleltetést és a kommunikáció további műszaki feltételeit. Az alapképlet a jelút idejét adja. Antennaláthatóság, időablakok, feldolgozás és más gyakorlati korlátok ettől függetlenül hosszabbíthatják a folyamatot.
Mikor érkezik meg egy százmegabájtos fájl?
Legyen a fájl mérete 100 MB, ahol most a decimális megabájtot használjuk: 100 000 000 bájt. Nyolc bit tartozik egy bájthoz, tehát összesen 800 000 000 bitet kell elküldeni. A feltételezett hasznos adatsebesség 2 Mbit/s, vagyis 2 000 000 bit másodpercenként.
A fájl adásának időtartama 800 000 000 / 2 000 000 = 400 másodperc, vagyis 6 perc 40 másodperc. Ha a link az adás kezdetekor használható, az első bit a 150 millió kilométeres példában 500,346 másodperc után érkezik meg. Az utolsó bit 400 másodperccel később, összesen körülbelül 900,346 másodperc után jut a vevőhöz.
Az adás kezdete és a teljes fájl beérkezése között tehát körülbelül 15 perc 0,35 másodperc telik el. Az adás és a terjedés részben párhuzamosan zajlik: miközben az utolsó biteket még küldöd, az elsők már úton vannak. A letöltési idő kalkulátor az adatméret és sebesség szerinti részt segít kiszámítani.
Mi történik gyorsabb adatátvitellel?
Ha a hasznos adatsebességet 20 Mbit/s-ra emeled, a 100 MB adásának időtartama 40 másodpercre csökken. Az utolsó bit beérkezése így 500,346 + 40 ≈ 540,346 másodperc, körülbelül 9 perc 0,35 másodperc az indulástól.
Az első bit terjedési ideje továbbra is 500,346 másodperc. A gyorsabb adatsebesség a teljes adatfolyam kiküldésének idejét rövidítette. A távolság szerinti késést változatlan jelút mellett nem módosította.
A lézeres kommunikáció és a rádiós kommunikáció összevetésénél ugyanez az elválasztás szükséges. Eltérhet az elérhető adatsebesség és a kapcsolat megvalósítása, de a vákuumbeli fénysebességet a kommunikációs eljárás választása nem írja át. Az adatsebesség mértékegysége bit/másodperc; a terjedési sebességé méter/másodperc.
A visszaigazolás és az újraküldés további időt kér
Tegyük fel, hogy az eredeti, 2 Mbit/s-os példában a vevő csak a teljes fájl után küld rövid visszaigazolást. A teljes beérkezés 900,346 másodperc, és a visszaút újabb 500,346 másodperc. Feldolgozás nélkül a földi oldalon az adás kezdetétől számítva körülbelül 1400,692 másodperc, vagyis 23 perc 20,69 másodperc után érkezik vissza az igazolás.
Ha egy protokoll minden apró rész után megvárná a teljes oda-vissza választ, a sok várakozás erősen korlátozhatná a hasznos teljesítményt. Emiatt a kapcsolatszervezés a nagy késleltetésű hálózatokban külön tervezési feladat. A kalkulátor egyetlen protokoll működését sem szimulálja.
A NASA késleltetést és megszakítást tűrő hálózatokról szóló ismertetője az adatok tárolására és későbbi továbbítására épülő megoldásokat is bemutat. Ez segít megérteni, hogy egy ideiglenesen elérhetetlen következő csomópont esetén a teljes szállítási idő miért lehet jóval nagyobb a puszta fényútnál.
Száz kis rész száz külön várakozással
Osszuk az előző 100 MB-os fájlt száz darab, egyenként 1 MB-os részre. A távolság marad 150 millió km, a hasznos adatsebesség 2 Mbit/s. Tegyük fel, hogy az adó minden rész után megvárja annak rövid visszaigazolását, és csak ezután kezdi a következőt. A visszaigazolás saját adásidejét, a feldolgozást és a hibákat most elhanyagoljuk.
Egy rész adása 1 000 000 × 8 / 2 000 000 = 4 másodperc. Az utolsó bit egy egyirányú jelút után ér a vevőhöz, a visszaigazolás pedig újabb egyirányú jelutat tesz meg. Egy ilyen ciklus ideje 4 + 1000,6923 ≈ 1004,6923 másodperc.
A századik rész visszaigazolásáig ezért 100 × 1004,6923 ≈ 100 469,23 másodperc, vagyis körülbelül 27 óra 54 perc 29 másodperc telik el. A tényleges adatküldés továbbra is összesen 400 másodperc volt; a többit a százszor megismételt várakozás foglalja el.
Az egész fájl egybefüggő adásánál a végső visszaigazolás az előző számítás szerint 1400,6923 másodperc, körülbelül 23 perc 21 másodperc után érkezne vissza. A két eredmény ugyanazt a végpontot, a teljes fájl földi visszaigazolását hasonlítja össze.
A darabonként várakozó eljárás átlagos hasznos sebessége egy teljes ciklusra 8 000 000 / 1004,6923 ≈ 7963 bit/s, azaz körülbelül 0,00796 Mbit/s. Ez jóval kisebb a kapcsolat két megabit/másodperces adási sebességénél.
A példa egy szándékosan egyszerű várakozási szabályt ír le. A valós protokollok csomagmérete, visszaigazolása, párhuzamosan úton lévő adatmennyisége és hibakezelése további feltételeket ad. A DG-kalkulátorokkal a jelút és az adási idő külön ellenőrizhető; a száz ciklus összesítését itt a megadott szabály alapján végeztük el.
Hány rész lehet egyszerre visszaigazolás nélkül úton?
A darabonként várakozó szabály helyett saját, ideális változatban több 1 MB-os részt engedünk elküldeni az első visszaigazolás előtt. A megengedett, még vissza nem igazolt részek száma legyen az ablakméret. Tartós, megszakítás nélküli adáshoz az ablaknak ki kell tartania az első válasz beérkezéséig.
Az első rész adása négy másodperc, visszaigazolása az adás kezdetétől 1004,6923 másodperc múlva érkezik. A folyamatosan küldött 251 rész 251 × 4 = 1004 másodperc alatt elfogyna, így még körülbelül 0,6923 másodpercet várni kellene. A szükséges egész ablakméret ezért felfelé kerekítés(1004,6923/4) = 252 rész. A keretnek tehát legalább 252 darab 1 MB-os, még vissza nem igazolt rész engedélyezésére kell alkalmasnak lennie.
Ez a kellően hosszú adatfolyamra vonatkozó, hibamentes modell állandó oda-vissza időt, részenként azonnali és elhanyagolható adásidejű visszaigazolást feltételez. Az első válasz után újabb helyek szabadulnak fel az ablakban. A visszaigazolatlan állapotba az a rész is beletartozik, amely már megérkezett a vevőhöz, de a róla küldött válasz még úton van; az adó csak a válasz beérkezésekor használhatja újra ezt a helyet. A korábbi, mindössze százrészes fájl teljes tartalma már az első visszaigazolás előtt elküldhető, ha mind a száz rész engedélyezett; arra nem szükséges 252 részt ténylegesen előállítani. A számított ablak protokolltervezési feltétel ebben a modellben, és nem a DG-eszköz beállítható mezője.
Így építs követhető számítási sorrendet
Először írd le az adó és a vevő helyzetét, és add meg a közöttük feltételezett távolságot. A fény utazási idejének kalkulátorával a távolsági léptéket is ellenőrizheted. Ezután válaszd külön az egyirányú időt, az adás időtartamát, a feldolgozást és a visszaigazolást.
Az adatsebességnél tisztázd, hogy nyers kapcsolatsebesség vagy már hasznos adatsebesség szerepel. A kódolás, fejlécek és újraküldések miatt a kettő eltérhet. A százmegabájtos példában eleve hasznos sebességet feltételeztünk, ezért ugyanarra a többletre újabb automatikus veszteséget nem adtunk hozzá.
Végül ellenőrizd, melyik időpontot kérdezed: első bit, teljes fájl vagy földi visszaigazolás. A három helyes eredmény ugyanarra a kapcsolatra is különböző. A pontosan megfogalmazott kérdés teszi használhatóvá az egyszerű távolság–sebesség osztást.
Háromkérdéses tudáspróba
Válassz kérdésenként egy választ, és írd fel az A, B vagy C betűt. A három feladat után ellenőrizd magad a magyarázatokkal.
1. 100 MB decimális fájlt 2 Mbit/s hasznos sebességgel adsz fel. Mennyi ideig tart csak a bitek kiküldése?
- A) 50 másodpercig
- B) 400 másodpercig
- C) 500,35 másodpercig
2. Az egyirányú terjedési idő 500,35 s, a fájl kiküldése 400 s. Mikor ér a vevőhöz az utolsó bit a kezdéstől?
- A) Körülbelül 1400,70 másodpercnél
- B) 400 másodpercnél
- C) Körülbelül 900,35 másodpercnél
3. Hosszú folyam 4 s-os részekből áll; az első rész visszaigazolása 1004,69 s-nál jön. Mekkora ablak kell a megadott ideális modellben a folyamatos adáshoz?
- A) Legalább 252 rész
- B) 251 rész
- C) 100 rész minden hosszúságú folyamhoz
Megoldások és önálló pontozás
Minden helyes válasz 1 pont, a hibás vagy kihagyott válasz 0 pont; összesen 3 pont szerezhető. 3 pont: a vizsgált összefüggéseket helyesen alkalmaztad; következőként készíts számítást a saját bemeneteiddel. 2 pont: az eltévesztett feladatnál megnevezett részt olvasd újra, és ellenőrizd a megoldást a képlettel. 0–1 pont: kezdd a(z) Mikor érkezik meg egy százmegabájtos fájl? résszel, majd haladj végig a három magyarázaton, és oldd meg újra a kérdéseket. A próba a cikk megértéséről ad visszajelzést.
1. megoldás
B) 400 másodpercig – 100 × 1 000 000 × 8 / 2 000 000 = 400 s. Ez az adás időtartama, a terjedési idő külön adódik hozzá. Ha más választ adtál vagy kihagytad, ezt a részt ismételd át: Mikor érkezik meg egy százmegabájtos fájl?.
2. megoldás
C) Körülbelül 900,35 másodpercnél – Az utolsó bitet a 400. másodpercben küldjük el; még 500,35 s utat tesz meg. A visszajelzés további útja külön esemény. Ha más választ adtál vagy kihagytad, ezt a részt ismételd át: Mikor érkezik meg egy százmegabájtos fájl?.
3. megoldás
A) Legalább 252 rész – 1004,69 / 4 = 251,1725; felfelé kerekítve 252. A példabeli százrészes fájlra a teljes fájl elküldése után már nincs további adat. Ha más választ adtál vagy kihagytad, ezt a részt ismételd át: Hány rész lehet egyszerre visszaigazolás nélkül úton?.