АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Пропускная способность (вычислительная техника)

ИИ-обзор статьи
Пропускная способность в вычислительной технике — максимальная скорость передачи данных по заданному каналу связи, обычно измеряемая в битах в секунду.
Зависимость от полосы и шума
Максимальная скорость передачи ограничивается формулой Шеннона — Хартли, которая зависит от полосы пропускания в герцах и уровня шума в канале.
Нелинейный предел Шеннона
Для сверхширокополосных оптических систем применяется GN-модель, рассматривающая нелинейные искажения как аддитивный гауссов шум; при превышении оптимальной мощности пропускная способность падает.
Реальная и полезная пропускная способность
Полезная производительность (goodput) — средняя скорость успешной передачи и всегда ниже реальной пропускной способности канала из-за накладных расходов протоколов, например трёхстороннего рукопожатия TCP и потерь пакетов. Протоколы QUIC и HTTP/3 повышают goodput и снижают задержки за счёт 0-RTT при повторном подключении.
Измерение асимптотической пропускной способности
Асимптотическую пропускную способность оценивают передачей большого объёма данных и измерением сквозной производительности в битах в секунду. Для защиты от искажающего влияния всплесков применяют метод 95-го процентиля, отбрасывающий верхние 5% измерений.
Сжатие мультимедиа и VR-требования
Пропускная способность мультимедиа существенно снижается за счёт сжатия: ДКП даёт коэффициент до 100:1, а кодеки VVC и AV1 экономят битрейт для 8K-видео. VR-стриминг требует 10–50 Мбит/с при задержке ниже 75 мс, рекомендуемая — менее 30 мс.
Рекорды оптоволокна и полое волокно
В 2024–2025 годах зафиксированы рекорды до 1,02 Пбит/с на 19-жильном волокне и 450 Тбит/с на городской инфраструктуре. Полое волокно снижает задержку на 30–31% и внедряется Microsoft и AWS.
Закон Эдхолма и роль МОП-транзисторов
Сформулированный Филом Эдхолмом в 2004 году закон утверждает удвоение пропускной способности телекоммуникационных сетей каждые 18 месяцев; этот рост обеспечило последовательное уменьшение МОП-транзисторов, изобретённых в 1959 году.

Пропускная способность (англ. bandwidth) в вычислительной технике — это максимальная скорость передачи данных по заданному каналу связи. Пропускная способность может также обозначаться как пропускная способность сети[1], пропускная способность по данным[2] или цифровая пропускная способность[3][4].

Это определение пропускной способности отличается от значения, принятого в обработке сигналов, беспроводных коммуникациях, передаче данных модемами, цифровых коммуникациях и электронике, где под пропускной способностью понимают полосу сигнала, измеряемую в герцах, как разность между минимальной и максимальной достижимой частотой при заданном уровне искажений сигнала. Фактическая скорость передачи данных определяется не только полосой сигнала, но и уровнем шума в канале связи.

Вместимость сети

Термин пропускная способность иногда используют для обозначения чистой скорости передачи бит, пикового битрейта, информационной скорости, полезной скорости передачи на физическом уровне, ёмкости канала или максимальной производительности логического или физического канала связи в цифровых коммуникационных системах. Например, тест пропускной способности позволяет измерить максимальную производительность компьютерной сети. Максимальная достигаемая скорость передачи для такого канала ограничивается формулой Шеннона — Хартли для ёмкости канала, которая, в свою очередь, зависит от полосы пропускания в герцах и уровня шума в канале. Применение классической формулы Шеннона — Хартли для современных сверхширокополосных оптических систем требует учёта нелинейных помех. Для оценки их пропускной способности применяется базовая модель гауссова шума (GN-модель), которая рассматривает нелинейные искажения как аддитивный гауссов шум. С учётом этих факторов формируется «нелинейный предел Шеннона», при котором после достижения оптимальной мощности сигнала пропускная способность начинает падать из-за роста нелинейных помех[5].[6].

Использование пропускной способности сети

Использованная пропускная способность (в бит/с) соответствует достигнутой пропускной способности или goodput — средней скорости успешной передачи данных через рассматриваемый коммуникационный канал. На потреблённую пропускную способность могут влиять такие технологии, как управление пропускной способностью, мониторинг пропускной способности, ограничение пропускной способности, лимит пропускной способности, распределение пропускной способности (например, протокол распределения пропускной способности и динамическое распределение пропускной способности). Пропускная способность битового потока пропорциональна средней потреблённой полосе сигнала в герцах (средней спектральной ширине аналогового сигнала, представляющего битовый поток) за исследуемый временной интервал.

Пропускная способность канала может путаться с полезной производительностью (goodput). Например, канал со скоростью x бит/с не обязательно обеспечивает передачу данных с такой же эффективной скоростью, поскольку протоколы, шифрование и другие факторы добавляют служебные накладные расходы. Например, большая часть интернет-трафика передаётся с использованием протокола управления передачей (TCP), который требует трёхстороннего рукопожатия для каждой транзакции. Хотя современные реализации TCP достаточно эффективны, протокол создает значительные издержки по сравнению с более простыми протоколами. Кроме того, возможна потеря пакетов данных, что ещё больше снижает полезную производительность. В общем случае для любой эффективной цифровой связи требуется протокол кадрирования; издержки и эффективность реализации зависят от конкретного протокола. Полезная производительность всегда меньше или равна реальной пропускной способности канала за вычетом издержек на реализацию.

В то же время протоколы QUIC и HTTP/3 значительно повышают полезную производительность (goodput) и снижают задержки по сравнению с TCP. Это достигается, в частности, за счёт механизма 0-RTT при повторном подключении, который позволяет отправлять данные без дополнительных циклов обмена, устраняя необходимость в полноценном рукопожатии[7].

Максимальная производительность

Асимптотическая пропускная способность (формально — асимптотическая производительность) для сети — это характеристика максимальной производительности при передаче данных от жадного источника, например, когда размер сообщения (количество пакетов в секунду от источника) близок к максимально возможному значению[8].

Асимптотическую пропускную способность обычно оценивают путём передачи большого количества сообщений через сеть с измерением сквозной производительности. Как и в других случаях, асимптотическая пропускная способность выражается в битах в секунду (и их производных). Поскольку всплески пропускной способности способны исказить измерения, операторы часто используют метод 95-го процентиля. Этот метод предполагает непрерывное измерение использования пропускной способности и отбрасывает верхние 5 %[9].

При измерении сквозной производительности в оптических сетях на базе полых волокон (Hollow-Core Fiber) стандартные односторонние измерения оптическим рефлектометром (OTDR) могут искажать данные из-за слабого обратного рассеяния. Для точного определения характеристик таких линий применяется двунаправленный OTDR-анализ[10].

Мультимедиа

Цифровая пропускная способность может также обозначать битовую скорость мультимедиа или средняя битовая скорость после сжатия мультимедийных данных (исходное кодирование), определяемую как общее количество данных, делённое на длительность воспроизведения.

Из‑за крайне высоких требований к пропускной способности при работе с несжатым цифровым мультимедиа, необходимая пропускная способность может быть существенно уменьшена с помощью сжатия[11]. Наиболее часто используемый метод сжатия с целью уменьшения требований к полосе пропускания — это дискретное косинусное преобразование (ДКП), впервые предложенное Назиром Ахмедом в начале 1970-х годов. Сжатие ДКП существенно уменьшает необходимую объём памяти и полосу пропускания для передачи цифровых сигналов; коэффициент сжатия может достигать 100:1 по сравнению с несжатыми данными[12].

Современные видеокодеки, такие как VVC (H.266) и AV1, обеспечивают значительную экономию битрейта для 8K-видео по сравнению с HEVC. В частности, для трансляции видео в разрешении 8K при 60 кадрах в секунду VVC позволяет передавать контент при битрейте менее 60 Мбит/с, тогда как HEVC требует около 80 Мбит/с[13].

Для сценариев VR-стриминга и облачного гейминга требования к пропускной способности варьируются от 10 до 50 Мбит/с. При этом задержка сети должна оставаться ниже 75 мс для предотвращения заметных лагов, а рекомендуемым показателем считается задержка менее 30 мс[14].

Веб-хостинг

В услугах хостинга термин пропускная способность часто используют для обозначения объема данных, которые передаются на сайт или с сайта за определённый период времени, например, пропускная способность, потреблённая за месяц и измеряемая в гигабайтах в месяц[15]. Более корректный термин для этого значения — ежемесячный объём передачи данных.

Аналогичная ситуация наблюдается и для конечных пользователей интернет-провайдеров, особенно в условиях ограниченной ёмкости сетей (например, в регионах с недостаточно развитой интернет-инфраструктурой или в беспроводных сетях). Например, согласно регуляторным требованиям к мобильному интернету в Белоруссии на 2026 год, после исчерпания лимита в 30 ГБ в месяц скорость передачи данных снижается до 1 Мбит/с[16].

Подключение к интернету

Максимальная пропускная способность, реализуемая на физическом уровне различными технологиями доступа к интернету
Битовая скорость Тип соединения
56 кбит/с Модемное соединение
1,5 Мбит/с ADSL Lite
1,544 Мбит/с T1/DS1
2,048 Мбит/с E1 / E-carrier
4 Мбит/с ADSL1
10 Мбит/с Ethernet
11 Мбит/с Беспроводная связь 802.11b
24 Мбит/с ADSL2+
44,736 Мбит/с T3/DS3
54 Мбит/с Беспроводная связь 802.11g
100 Мбит/с Fast Ethernet
155 Мбит/с OC3
600 Мбит/с Беспроводная связь 802.11n
622 Мбит/с OC12
1 Гбит/с Gigabit Ethernet
1,3 Гбит/с Беспроводная связь 802.11ac
2,5 Гбит/с OC48
5 Гбит/с SuperSpeed USB
7 Гбит/с Беспроводная связь 802.11ad
9,6 Гбит/с OC192
10 Гбит/с 10 Gigabit Ethernet, SuperSpeed USB 10 Гбит/с
20 Гбит/с SuperSpeed USB 20 Гбит/с
40 Гбит/с Thunderbolt 3
100 Гбит/с 100 Gigabit Ethernet
9,6 Гбит/с Беспроводная связь 802.11ax (Wi-Fi 6/6E)[17]
46 Гбит/с Беспроводная связь 802.11be (Wi-Fi 7) и 802.11bn (Wi-Fi 8)[17][18]
200 Гбит/с 200GbE[19]
400 Гбит/с 400GbE[19]
800 Гбит/с 800GbE[19]
1600 Гбит/с 1.6TbE[19]

Рекорды пропускной способности

В 2024—2025 годах были установлены новые рекорды скорости передачи данных по оптоволокну. В 2024 году скорость достигла 301 Тбит/с на стандартном оптическом волокне, а позднее — 402 Тбит/с на коммерчески доступном оптоволокне с использованием шести диапазонов длин волн[20]. В 2025 году показатель вырос до 430 Тбит/с на стандартном волокне (ITU-T G.654)[21]. Абсолютный рекорд составил 1020 Тбит/с (1,02 Пбит/с), который был достигнут с использованием 19-жильного оптического волокна со стандартным внешним диаметром оболочки (0,125 мм)[22].

Рекордная скорость передачи данных на существующей городской инфраструктуре составила 450 Тбит/с. Результат был достигнут в Лондоне с применением многоволнового мультиплексирования (WDM) в диапазонах O, E, S, C и L, а также новых оптических усилителей на уже проложенном стандартном оптоволокне[23][24].

Для снижения задержек передачи данных крупные IT-компании начали коммерческое внедрение технологии полого волокна (Hollow-Core Fiber, HCF). За счёт распространения света в заполненной воздухом сердцевине задержка сигнала снижается на 30—31 %[25]. Технологию для связи своих дата-центров используют Microsoft (в инфраструктуре Azure) и Amazon Web Services (AWS). Кроме того, линии из полого волокна прокладываются для нужд высокочастотного трейдинга и коммерческих телекоммуникационных сетей[26][25].

Глобальные показатели и инфраструктура

По данным за 2026 год, лидерами по медианной скорости фиксированного интернета в мире являются Сингапур (425,46 Мбит/с), ОАЭ (384,51 Мбит/с) и Гонконг (352,40 Мбит/с). Наивысшие показатели медианной скорости мобильного интернета зафиксированы в ОАЭ (644,7 Мбит/с), Катаре (576,1 Мбит/с) и Кувейте (372,8 Мбит/с)[27].[28]

В сфере развития сетевой инфраструктуры в России реализуются планы по увеличению мощности технических средств противодействия угрозам (ТСПУ) до 954 Тбит/с к 2030 году, с обеспечением обработки 100 % трафика к 2026 году[29].[30]

Закон Эдхолма

Подробнее
Закон Эдхолма

Закон Эдхолма, сформулированный и названный в честь Фила Эдхолма в 2004 году[31], утверждает, что пропускная способность телекоммуникационных сетей удваивается каждые 18 месяцев, что подтверждается с 1970‑х годов[31][32]. Эта тенденция прослеживается для интернета[31], сотовых (мобильных) сетей, беспроводных ЛВС и беспроводных персональных сетей[32].

Наиболее значительным фактором, обеспечившим столь быстрый рост пропускной способности, является МОП-транзистор (металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор)[33]. МОП-транзистор был изобретён Мохамедом Аталлой и Давоном Каном в Bell Labs в 1959 году[34][35],[36] и стал основным элементом современной технологии телекоммуникаций[37]. Последовательное уменьшение размеров МОП-транзисторов и развитие технологий МОП обеспечили исполнение закона Мура (удвоение числа транзисторов на кристалле интегральных схем каждые два года) и закона Эдхолма (удвоение пропускной способности коммуникаций каждые 18 месяцев)[33].

В связи с ограничениями традиционного масштабирования в рамках закона Мура новыми драйверами роста пропускной способности выступают архитектура транзисторов с круговым затвором (GAAFET), техпроцесс 2 нм с технологией цепей питания на обратной стороне кристалла (BPDN) и вертикально-сложенные транзисторы (CFET)[38].

Примечания

  1. ↑ Дуглас Комер, Computer Networks and Internets : [англ.]. — Prentice Hall, 2008. — P. 99.
  2. ↑ Фред Халсалл, to data+communications and computer networks Introduction to Data Communications and Computer Networks : [англ.]. — Addison-Wesley, 1985. — P. 108.
  3. ↑ Cisco Networking Academy Program: CCNA 1 and 2 companion guide, Vol. 1–2 : [англ.]. — Cisco Academy, 2003.
  4. ↑ Бехруз А. Форузан, Data communications and networking, McGraw-Hill, 2007
  5. ↑ Shannon's Limits for Fiber Optics. Map Your Tech. Дата обращения: 27 августа 2026.
  6. ↑ Challenges and Breakthroughs in Modelling and Designing Ultrawideband Optical Fibre Communication Systems and Networks. UCL Discovery. Дата обращения: 27 августа 2026.
  7. ↑ QUIC and Cloud CDN Performance Tests: HTTP/3 Workloads. BlazingCDN Blog. Дата обращения: 27 августа 2026.
  8. ↑ Chou, C. Y. Modeling Message Passing Overhead // Advances in Grid and Pervasive Computing: First International Conference, GPC 2006 : [англ.]. — Springer, 2006. — P. 299–307. — ISBN 3540338098.
  9. ↑ What is Bandwidth? — Definition and Details (англ.). www.paessler.com. Дата обращения: 27 августа 2026. Архивировано 15 августа 2025 года.
  10. ↑ Testing and Certifying Hollow-Core Fiber: From Novel Physics to Network-Ready Infrastructure. blog.viavisolutions.com (12 мая 2026). Дата обращения: 27 августа 2026.
  11. ↑ Lee, Jack. Scalable Continuous Media Streaming Systems: Architecture, Design, Analysis and Implementation : [англ.]. — John Wiley & Sons, 2005. — P. 25. — ISBN 9780470857649.
  12. ↑ Lea, William. Video on demand: Research Paper 94/68 : [англ.]. — House of Commons Library, 1994.
  13. ↑ H.266 VVC Explained. Forasoft. Дата обращения: 27 августа 2026.
  14. ↑ The Ultimate Guide to VR Cloud Gaming with Xbox and Beyond. Avanti3. Дата обращения: 27 августа 2026.
  15. ↑ Low, Jerry How Much Hosting Bandwidth Do I Need For My Website? (англ.). WHSR (27 марта 2022). Дата обращения: 27 августа 2026. Архивировано 9 сентября 2025 года.
  16. ↑ 30 ГБ и 1 Мбит/с: в Минсвязи объяснили новые правила мобильного интернета в Беларуси. Родная Нива (1 февраля 2026). Дата обращения: 27 августа 2026.
  17. ↑ 1 2 Wi-Fi 7: What is it and why do you need it? TP-Link. Дата обращения: 27 августа 2026.
  18. ↑ Wi-Fi 8 (IEEE 802.11bn): Everything Known So Far About the Ultra-High Reliability Standard. Referently. Дата обращения: 27 августа 2026.
  19. ↑ 1 2 3 4 Optical Transceivers: 200G, 400G, 800G. IPTP Networks. Дата обращения: 27 августа 2026.
  20. ↑ Мировой рекорд скорости передачи данных. Kapital-rus. Дата обращения: 27 августа 2026.
  21. ↑ Рекорд передачи данных по оптоволокну. Наука Mail.ru. Дата обращения: 27 августа 2026.
  22. ↑ Sumitomo Electric Achieves World's Highest Transmission Capacity of 1.02 Petabits per Second. Sumitomo Electric (май 2025). Дата обращения: 27 августа 2026.
  23. ↑ World's Fastest Data Transmission Rate of 450 Tb/s Achieved in London. NICT (1 июня 2026). Дата обращения: 27 августа 2026.
  24. ↑ World's Fastest Data Transmission Rate of 450 Tb/s Achieved in London. EurekAlert!. Дата обращения: 27 августа 2026.
  25. ↑ 1 2 Is Hollow Core Fiber Ready for Practical Deployment? Map Your Tech. Дата обращения: 27 августа 2026.
  26. ↑ Positioning Hollow Core Fiber in 2026. Azura Consultancy. Дата обращения: 27 августа 2026.
  27. ↑ Лидеры по скорости интернета в 2026 году (Speedtest). GoGov.ru. Дата обращения: 27 августа 2026.
  28. ↑ Самый быстрый интернет в мире 2026. Flatters.ru. Дата обращения: 27 августа 2026.
  29. ↑ Минцифры ускорит фильтрацию Рунета. Коммерсантъ. Дата обращения: 27 августа 2026.
  30. ↑ Минцифры увеличит мощность механизмов блокировки почти втрое. iGuides. Дата обращения: 27 августа 2026.
  31. ↑ 1 2 3 Cherry, Steven (2004). “Edholm's law of bandwidth”. IEEE Spectrum. 41 (7): 58—60. DOI:10.1109/MSPEC.2004.1309810. S2CID 27580722.
  32. ↑ 1 2 Deng, Wei. Time Multiplexed Beam-Forming with Space-Frequency Transformation : [англ.] / Wei Deng, Reza Mahmoudi, Arthur van Roermund. — New York : Springer, 2012. — P. 1. — ISBN 9781461450450.
  33. ↑ 1 2 Jindal, Renuka P. From millibits to terabits per second and beyond — over 60 years of innovation // 2009 2nd International Workshop on Electron Devices and Semiconductor Technology : [англ.]. — 2009. — P. 1–6. — ISBN 978-1-4244-3831-0. — doi:10.1109/EDST.2009.5166093.
  34. ↑ “1960 — Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated”. The Silicon Engine [англ.]. Computer History Museum. Дата обращения 2026-08-27.
  35. ↑ Lojek, Bo. History of Semiconductor Engineering : [англ.]. — Springer Science & Business Media, 2007. — P. 321–3. — ISBN 9783540342588.
  36. ↑ Who Invented the Transistor? (англ.). Computer History Museum (4 декабря 2013). Дата обращения: 27 августа 2026. Архивировано 13 декабря 2013 года.
  37. ↑ Raymer, Michael G. The Silicon Web: Physics for the Internet Age : [англ.]. — CRC Press, 2009. — P. 365. — ISBN 9781439803127.
  38. ↑ Новые архитектурные решения для масштабирования. LastMile.su. Дата обращения: 27 августа 2026.

Категории