ЗАНЯТИЕ 14. Передача информации

Передача информации — физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве. Данный процесс характеризуется наличием таких компонентов, как источник информации, приёмник информации, носитель информации и среда передачи. Передача информации в основном заключается в передаче данных, перенос которых осуществляется в виде сигналов средствами электросвязи. Передача данных может быть аналоговой или цифровой (то есть поток двоичных сигналов).

Передача информации — один из самых распространённых информационных процессов. При этом можно выделить следующие шаги:

1. передаваемая информация кодируется — представляется в форме некоторой последовательности сигналов, символов, знаков;
2. информация переносится на носитель, допускающий транспортировку на расстояние (бумага, электрический импульс, радиосигнал и др.);
3. используются свойства носителя, позволяющие ему преодолеть расстояние, отделяющее источник от приёмника (для бумажных писем — автомобиль, поезд, самолёт; для электрических импульсов — кабель, для радиосигналов — радиоволны и т. д.);
4. дошедший до приёмника сигнал должен быть извлечён из канала связи и перенесён на доступный для обработки носитель;
5. закодированная информация должна быть расшифрована и преобразована в форму, доступную для восприятия с помощью органов чувств человека.

Рассмотрим более подробно технические системы передачи информации, в которых для передачи информации используются технические средства связи (телефон, радио, телевидение и Интернет).

На рисунке 1. представлена схема передачи информации по техническим каналам связи, предложенная Клодом Шенноном.

Рис. 1 Схема передачи информации по техническим каналам связи

Разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации, называют шумом. Если по каналу передаётся аналоговый сигнал (например, разговор двух подруг в вагоне метро), то при небольших шумах слушателю всё же удается понять содержание сообщения благодаря избыточности, существующей у любого естественного языка. Для систем дискретной цифровой связи потеря даже одного бита (если не используется избыточный код) может привести к полному обесцениванию информации.

В современных технических системах связи, борьба с шумом (защита от шума) осуществляется по следующим двум направлениям.

1. Устранение технических помех, связанных с плохим качеством линий связи, незащищённостью друг от друга различных потоков информации, передаваемых по одним и тем же каналам. Для устранения таких помех используют экранированные кабели, применяют различные фильтры, отделяющие полезный сигнал от шума и т. д.
2. Избыточное кодирование самого передаваемого сообщения, позволяющее компенсировать потерю какой-то части передаваемой по линиям связи информации.

Избыточность кода — это многократное повторение передаваемых данных.

Но чрезмерная избыточность приводит к задержкам и удорожанию связи. Поэтому очень важно иметь алгоритмы получения оптимального кода, одновременно обеспечивающего минимальную избыточность передаваемой информации и максимальную достоверность принятой информации.

В современных системах цифровой связи для борьбы с потерей информации часто применяется следующий приём. Всё сообщение разбивается на порции — блоки. Для каждого блока вычисляется контрольная сумма, которая передаётся вместе с данным блоком. В месте приёма заново вычисляется контрольная сумма принятого блока, и если она не совпадает с первоначальной, то передача данного блока повторяется.

Важной характеристикой современных технических каналов передачи информации является их пропускная способность — максимально возможная скорость передачи информации, измеряемая в битах в секунду (бит/с). Пропускная способность канала связи зависит от свойств используемых носителей (электрический ток, радиоволны, свет). Так, каналы связи, использующие оптоволоконные кабели и радиосвязь, обладают пропускной способностью, в тысячи раз превышающей пропускную способность телефонных линий.

Скорость передачи информации по тому или иному каналу зависит от пропускной способности канала, а также от длины закодированного сообщения, определяемой выбранным алгоритмом кодирования информации.

Современные технические каналы связи обладают перед ранее известными целым рядом достоинств:

• высокая пропускная способность, обеспечиваемая свойствами используемых носителей;
• надёжность, связанная с использованием параллельных каналов связи;
• помехозащищённость, основанная на автоматических системах проверки целостности переданной информации;
• универсальность используемого двоичного кода, позволяющего передавать любую информацию — текст, изображение, звук.

Объём переданной информации I вычисляется по формуле:

I = v • t,

где v — скорость передачи информации (в битах в секунду), а t — время передачи.

Рассмотрим несколько примеров решения задач, имеющих отношение к процессу передачи информации.

Для более наглядного представления условий некоторых задач, связанных с процессами передачи информации, удобно рисовать диаграмму, изображающую два и более процесса с разметкой временных отметок их начал и окончаний. Примером такой диаграммы является диаграмма Гантта.

Диаграмма Гантта представляет собой размещённые вдоль горизонтальной шкалы времени отрезки (прямоугольные полоски), каждый из которых соответствует отдельному процессу или задаче. Начало, конец и длина каждого такого отрезка соответствуют началу, концу и длительности того или иного процесса, а сами отрезки располагаются друг под другом со сдвигом по горизонтали.

Пример 1. У Толи есть доступ к сети Интернет по высокоскоростному одностороннему радиоканалу, обеспечивающему скорость получения информации 2²⁰ бит/с. У Миши нет скоростного доступа в Интернет, но есть возможность получать информацию от Толи по низкоскоростному телефонному каналу со средней скоростью 2¹³ бит/с. Миша договорился с Толей, что тот будет скачивать для него данные объёмом 5 Мбайт по высокоскоростному каналу и ретранслировать их Мише по низкоскоростному каналу. Компьютер Толи может начать ретрансляцию  данных не раньше, чем им будут получены первые 0,5 Мбайт этих данных.

Каков минимально возможный промежуток времени (в секундах) с момента завершения скачивания данных Толей до полного их получения Мишей?

Как скоро Миша сможет полностью получить все данные, если Толя начнёт их скачивание в 16:00?

В этой задаче мы имеем дело с двумя процессами передачи информации, осуществляемыми с разной скоростью.

1. Процесс скачивания информации Толей по высокоскоростному каналу. Длительность этого процесса 5 • 2²³/2²⁰ = 5 • 2³ = 40 с.
2. Процесс скачивания информации Мишей по низко­скоростному каналу. Длительность этого процесса 5 • 2²³/2¹³ = 5 • 2¹⁰ = 5120 с.

При решении задач необходимо согласовывать размерности величин.

Так, если скорость передачи информации задана в битах в секунду, то и значения объёмов информации следует выразить в битах.

Из условия задачи следует, что второй процесс начинается спустя некоторое время после начала первого процесса. Вычислим это время:

0,5 • 2²³/2²⁰ = 0,5 • 2³ = 4 с.

На диаграмме Гантта результаты проведённых расчётов можно изобразить так на рис 2:

На диаграмме видно, что для ответа на первый вопрос надо найти разность:

5120 — (40 — 4) = 5120 — 36 = 5084 с.

Ответ на второй вопрос получим, выполнив следующие вы­числения:

5120 + 4 = 5124 с,

5124 с = 85 мин 24 с = 1 ч 25 мин 24 с.

Полностью получить все данные Миша сможет не ранее чем в 17:25:24. Диаграмму Гантта можно дополнить полученными результатами (рис 3):

Пример 2. У вас есть высокоскоростной спутниковый доступ в Интернет, обеспечивающий получение данных от сервера со скоростью 4 000 000 бит/с. Запросы с вашего компьютера передаются на сервер со скоростью 128 000 бит/с через подключённый к компьютеру сотовый телефон, выполняющий функции модема. Вам необходимо скачать файл с музыкальной записью объёмом 12 Мбайт. Информация по спутниковому каналу передаётся с сер­вера пакетами, объём которых не превышает 5 Мбайт. При этом для получения каждого пакета ваш компьютер сначала должен передать в сеть запрос объёмом в 25 Кбайт.

Сможете ли вы скачать требуемый файл за 25 с?

Файл объёмом 12 Мбайт будет передаваться пакетами, не превышающими 5 Мбайт; следовательно, всего пакетов будет три — два по 5 Мбайт и один — 2 Мбайт.

Процессы передачи каждого из двух пакетов по 5 Мбайт займут по 5 • 2²³/4000000 ≈ 10,5 с. На передачу 2 Мбайт потребуется ≈4,2 с.

Приёму каждого пакета будет предшествовать передача запроса, объёмом 25 Кбайт. Каждый раз этот процесс будет осуществляться за 25 • 2¹³/128000 = 25 • 2¹³/(2¹⁰ • 125) = 1,6 с.

Изобразим имеющуюся информацию на диаграмме Гантта:

Вычислим общее время, требуемое для скачивания файла:

2 • (1,6 + 10,5) + 1,6 + 4,2 = 30 с.

Таким образом, 25 секунд будет недостаточно, чтобы скачать требуемый файл.

Пример 3. Документ объёмом 10 Мбайт можно передать с одного компьютера на другой двумя способами.

А. Передать по каналу связи без использования архиватора.

Б. Сжать архиватором, передать архив по каналу связи, распаковать.

Какой способ быстрее и насколько, если:

• средняя скорость передачи данных по каналу связи составляет 2¹⁸ бит/с;
• объём сжатого архиватором документа равен 25% от исходного объёма;
• время, требуемое на сжатие документа, — 5 секунд, на распаковку — 3 секунды?

Для решения данной задачи диаграмма Гантта не нужна; достаточно выполнить расчёты для каждого из имеющихся вариантов передачи информации.

Рассмотрим вариант А. Длительность передачи информации в этом случае составит: 10 • 2²³/2¹⁸ = 10 • 2⁵ = 320 с.

Рассмотрим вариант Б. Длительность передачи информации в этом случае составит:

Итак, вариант Б быстрее на 232 с.

ДОМАШНЯЯ РАБОТА К § 6

Пример 1:

Определить какой размер файла  можно передать по каналу со скоростью 10 Кбит/с за 5 секунд?

Дано:

V = 10 Кбит/с,

t = 5 с.

Найти: I — ?

Решение:

I=V*t =10*1024 = 10 240 бит*5 сек=51 200 бит/8=6400 байт/1024=

=6,25 Кбайт

Ответ: 6,25 Кбайт

Пример 2:

Файл размером 525 Кбайт, передают со скоростью 33 600 бит/с. Определить время передачи.

Дано:

I = 525 Кбайт,

V = 33 600 бит/сек.

Найти: t — ?

Решение:

I = 525 Кбайт*1024 = 537 600 байт*8 = 4300800 бит

t = I/V

t = 4300 800 бит /33 600 бит/сек.=128 сек.

Ответ: 128 секунд.

Пример 3:

За 3 секунды модем передал 10 800 байт. Определить скорость модема.

Дано:

I =10 800 байт, 

t =3 с.

Найти: V — ?

Решение:

V =I / t=10 800 *8 =86 4000 бит /3 сек.=28 800 бит/сек.

Ответ: 28 800 бит/сек.

Пример 4:

У Кати появился скоростной доступ в Интернет. Это позволяет ей получать из Интернета файлы со скоростью  бит в секунду. Ее соседка через дорогу Маша договорилась с Катей, что сможет получать от нее файлы по прямому оптическому каналу со скоростью  бит в секунду. Маше нужно скачать файл объемом 5 Мбайт. При этом особенности передачи таковы, что Катя должна сначала получить из Интернета первую часть файла объемом 1 Мбайт и только потом сможет начать передавать файл Маше. Через какое количество секунд от начала получения файла Катей Маша сможет получить весь заказанный файл? В ответе укажите только число.

Решение:

Используем формулу: I = V * t,

где V — объем в битах,

V — скорость в битах,

t — время в секундах.

Отсюда: t = I/V

Сначала Катя должна скачать 1 Мбайт из интернета со скорость бит/сек, узнаем время: 1Мбайт =;

После закачки 1 Мбайта, Катя передает 5 Мб Маше со скоростью бит/сек.: 5Мбайт = 5* бит

Общее время передачи от начала получения = 320 + 2 = 322 секунды.

Ответ: 322