¿Cómo puede Internet transmitir datos tan rápido?

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No estoy seguro de si estoy en el lugar correcto o no, pero pensé que alguien aquí podría dar una buena respuesta. Quiero saber cómo la electricidad puede fluir tan rápido. Por ejemplo, los videojuegos de hoy en día, puedes dispararle a alguien en todo el mundo y mueren casi al instante. ¿Cómo puede la electricidad hacer esto? Estaba tratando de buscar en Google esta pregunta pero encontré malos resultados, por eso estoy aquí.

current electron

— Cam Jones
fuente

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La circunferencia de la tierra es de aproximadamente 40,000 km. Las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz, que es

3 \cdot 10^{9}

$3\cdot 10^9$ m / s. Eso significa que se necesita una señal electrónica de aproximadamente 13 ms para rodear la tierra. Puede agregar un factor de aproximadamente 1,5 porque las señales en fibra óptica viajan más lentamente que las señales en el aire, y otro aumento porque las señales no se enrutan en línea recta. Pero al final puede ver que la principal limitación no es qué tan rápido viajan las señales, sino cuánto procesamiento se debe hacer para colocar esas señales en los cables y volver a desactivarlas.

— The Photon

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Su cálculo está apagado por un factor de diez, es ~ 130 ms para un círculo completo.

— Turbo J

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Esta no es una respuesta directa a su pregunta, ya que se trata más de monitores, pero John Carmack deja de saber por qué un ping transatlántico es más rápido que enviar un píxel a la pantalla. superuser.com/q/419070/2940

— Dhaust

1

Además, tenga en cuenta que los programas con mucha red ( especialmente los videojuegos) implementan características que reducen la percepción de latencia. Un ejemplo trivial del juego es extrapolar la posición de una entidad en función de dónde se mueve.

— mikołak

1

@Bart, tienes razón, debo haber estado comentando antes del café ese día. Pero Turbo J ya lo señaló hace 3 años.

— The Photon

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Esto no es algo que pueda ser respondido en una sola publicación, por una sola persona. Sin embargo, espero que esta respuesta proporcione suficiente información y enlaces para ser útil.

Es importante comprender cómo se transmiten las señales a través de Internet. Sin embargo, tenga en cuenta que debido al ruido y al inmenso número de usuarios, la misma señal debe codificarse, descodificarse, retransmitirse, etc., por lo que el tiempo necesario para el procesamiento es mucho mayor que la señal eléctrica real que necesita viajar. También tenga en cuenta que en un milisegundo hay una gran cantidad de tiempo para una computadora; una tarjeta gráfica GeForce Quadro K6000 puede realizar 5.000.000.000+ operaciones de punto flotante en ese tiempo (5196 GFlops multiplicado por 1 ms).

Cables conductores:

Los electrones en sí no se mueven tan rápido porque rebotan dentro de los cables conductores. Sin embargo, la electricidad no viaja en función de los electrones que rebotan uno sobre el otro, sino que uno repele al otro a través de la interacción electromagnética:

Digamos que tiene 3 electrones en línea (suponga un espacio unidimensional). Mueve el primero un poco. La distancia del primero al segundo se vuelve un poco más pequeña. La fuerza electrostática sobre ellos se hace un poco más grande. De acuerdo con la Ley de Coulomb es: donde:es la magnitud de la fuerza, es la constante de Coulomb, y es la carga de cada una de las dos partículas y finalmente es la distancia entre ellas.

‖ F ‖ = k_{mi} \frac{q_{1} q_{2}}{r^{2}}

$\|F\|=k_e\frac{q_1 q_2}{r^2}$

‖ F ‖

$\|F\|$

k_{e}

$k_e$

q_{1}

$q_1$

q_{2}

$q_2$

r^{2}

$r^2$

A medida que la primera partícula se mueve hacia la segunda, la fuerza electrostática aumenta casi instantáneamente. Esto hace que la segunda partícula se mueva un poco hacia la tercera, etc.

"Casi instantáneamente" en realidad significa "a la velocidad de la luz " ( ). $c=299,792,458m/s$

Hay un número extremo de electrones dentro de un cable conductor y la física es un poco más complicada, pero lo esencial es que una señal atraviesa un conductor "casi al instante" pero más lento que . $c$

Fibra óptica:

Los cables de fibra óptica transmiten señales por fotones en lugar de electrones. Sin embargo, incluso en este caso, los fotones no viajan en línea recta. Sin embargo, el tiempo necesario para que el fotón viaje a través de la línea todavía es muy pequeño en comparación con el tiempo de procesamiento para codificar y decodificar las señales, así como las retransmisiones de paquetes.

Inalámbrico:

Finalmente, los satélites de comunicación , así como numerosos tipos de enlaces inalámbricos, se utilizan para transmitir señales, bueno, de forma inalámbrica, utilizando una gran cantidad de protocolos de transmisión, modulaciones y frecuencias. En este caso, las señales se transmiten mediante radiación electromagnética . Este es un tema muy complejo y no puedo abarcarlo todo.

Formas inteligentes de codificar información en señales eléctricas:

No es suficiente que un pulso de voltaje llegue al otro extremo de un cable; ese voltaje está ahí para transmitir alguna información. El acto de codificar información modificando una señal portadora basada en la información a transmitir (transportada, de ahí el nombre portadora), se denomina modulación .

Formas inteligentes de compartir los mismos canales:

Todos estos canales de comunicación deben estar conectados y la información debe viajar a través de esta vasta red de manera confiable. Inicialmente, para que dos nodos se comuniquen entre sí, reservarían una cantidad de cables que forman una ruta desde el nodo A al nodo B. Ningún otro nodo podría usar esta misma ruta. Esto se llama conmutación de circuitos . El avance que hizo posible una red tan vasta como Internet fue la capacidad de numerosos nodos para compartir un canal de comunicación en particular. Este intercambio fue habilitado por el cambio de paquetes. En lugar de reservar un circuito solo para dos nodos, cada nodo solo comprueba si el bus está libre, luego transmite un paquete que contiene datos e información de destino (y algunas otras cosas) y luego libera el canal. Los paquetes necesitan encontrar su destino y esto se denomina enrutamiento de paquetes , que es otro tema importante. El enrutamiento y la necesidad de modulación es la razón principal por la que un paquete tarda "tanto" en llegar a su destino en comparación con la rapidez con la que viajan las ondas electromagnéticas. El enrutamiento también es necesario para que todos esos usuarios coexistan en la misma red.

La Internet:

Todas estas cosas, junto con muchas otras tecnologías, se usan juntas para formar Internet .

Compensación de retraso:

En muchas aplicaciones, incluidos los videojuegos competitivos, unos pocos milisegundos de retraso serían inaceptables, especialmente cuando un servidor necesita registrar un "éxito". Ahí es donde entra en juego la compensación por retraso . Uno de los métodos utilizados implica que el servidor mantenga un breve historial de cada posición de entidad y estado de animación. Luego, realice una serie de pruebas y simulaciones físicas para ver si se produciría un "golpe" cuando un jugador "dispara" sus armas, en función del retraso, la velocidad y el estado de animación de cada entidad más la geometría mundial.

— Evan
fuente

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Entonces, ¿supongo que la electricidad que fluye a través de cables conductores podría compararse con la cuna de Newton? Porque la energía se transfiere a través de todas las bolas muy rápido al otro lado. Ah, y muchas gracias por la aclaración detallada.

— Cam Jones

2

@Skateguy, esa no es una mala analogía en el sentido de que la energía electromagnética se propaga a lo largo del conductor mucho más rápido que los electrones individuales.

— Alfred Centauri

44

La mejor analogía que he visto, si vives en una gran ciudad, es que la electricidad viaja como espacios entre automóviles en un atasco de tráfico, mientras que los electrones viajan como autos en un atasco de tráfico. La próxima vez que esté atrapado en un atasco, observe cómo la brecha se desplaza por la línea en una onda, en la dirección opuesta al viaje en automóvil, mucho más rápido de lo que se mueve su automóvil.

— slebetman

Buena analogía Sin embargo, una pequeña cosa. c = 3e8m / s no c = 3e8km / s

— magu_

1

Me registré para aprobar esta respuesta. Buen trabajo, disfruté leyéndolo.

— Gintas_

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Quizás esto sería mejor como comentario, pero es demasiado largo. Quería abordar el hecho de que sus declaraciones indican que percibe que los datos se transmiten casi instantáneamente, pero ninguna de las observaciones que presenta realmente demuestra que se transmite rápidamente.

Mencionas los videojuegos. Los desarrolladores de juegos están BIEN conscientes del hecho de que hay una latencia significativa entre los jugadores, por lo que realizan varios trucos. Una de ellas es que hacen que el cliente adivine sobre cierta información que aún no ha recibido del servidor / otros jugadores. Por ejemplo, su cliente conoce la posición y velocidad de su oponente, por ejemplo, hace 50 ms. Entonces extrapola y dice, "si su movimiento es así, probablemente esté aquí ahora", y usted ve esta posición predicha. La mayoría de las veces, es bastante preciso (probablemente debido al esfuerzo que los programadores ponen en esto), y en realidad parece que no hay latencia. Otras veces es inexacto, y para ti, parece que el jugador recibió un disparo, cuando realmente estaba en una posición diferente a la que predijo tu consola.

En una nota relacionada, la mayoría de las pantallas se ejecutan alrededor de 60Hz, y algunas hacen algo llamado doble búfer. No voy a entrar en detalles aquí, pero esto introduce hasta 33 ms de latencia entre cuando el procesador renderiza un marco y cuando se muestra realmente. La mayoría de las personas no se dan cuenta de esto, por lo que creo que es razonable sugerir que incluso si la latencia de la red fuera equivalente a 33 ms, podría percibir que es instantánea, incluso sin ningún truco de programación.

En resumen, internet no es necesariamente "rápido". Pero las personas inteligentes hacen cosas inteligentes para que parezca que es más rápido de lo que realmente es. Si desea más información, puede considerar preguntarle a la gente en gamedev.stackexchange.com .

— Ponkadoodle
fuente

2

Esto definitivamente me ayuda a pensarlo de una manera diferente ahora, gracias, creo que estaba haciendo dos preguntas en una.

— Cam Jones

1

Este es el verdadero punto. No es que la información vaya "instantáneamente", es solo que mientras el escenario se desarrolle consistentemente en todas las computadoras conectadas, las percibirá como instantáneas. Un gran ejemplo de esto son los juegos RTS: si bien la entrada del usuario simplemente no puede ser más rápida que la latencia de la conexión (de hecho, es incluso más lenta que eso), los jugadores no pueden darse cuenta, porque las entradas se aplican al mismo tiempo relativo para todos ellos. Entonces, si una entrada resulta en la muerte de una unidad en mi computadora, también se mostrará de la misma manera en la computadora de mi amigo.

— Luaan

1

+1, como algunos que han trabajado en varios proyectos de desarrollo de juegos multijugador, lidiar con problemas de latencia (para que la conexión con tus oponentes parezca instantánea) es probablemente al menos el 70% del trabajo en el código de conexión. Cosas similares ocurren en los juegos de ritmo para combatir la latencia con su controlador. En resumen: los desarrolladores de juegos engañan para brindarte una (generalmente) mejor experiencia.

— Brian S

Si pudiera elegir 2 respuestas, lo haría, pero como esta respuesta no menciona la parte eléctrica, debo elegir la otra.

— Cam Jones

1

Algunos juegos también muestran deliberadamente las posiciones de otros jugadores de hace ~ 200 ms. Es posible que su cliente conozca su posición desde hace solo 50 ms, pero si hay una interrupción de menos de 150 ms, entonces parecerá que se mueven sin problemas. (Los juegos de Source Engine hacen esto, aunque no sé el retraso exacto)

— user253751

5

Me sorprende que la gente solo mencione la modulación (el proceso que modifica un "portador" de mayor energía que puede irradiarse fácilmente a largas distancias en función de la señal) como un factor adicional en lugar de un elemento clave para aumentar la velocidad de datos de los enlaces de comunicaciones. ¿Recuerdas esos módems de 54 kbps al comienzo de internet? Cuando los módems ADSL se activaron, hubo un aumento inmediato de más de veinte veces en la velocidad de datos, principalmente debido a la modulación utilizada: con QAM, la velocidad de bits se volvió más alta que la velocidad del símbolo (reloj) (al usar varias amplitudes y fases), como ajustar más cosas en el mismo cubo que viaja a la misma velocidad, solo descubriendo una forma más inteligente de organizarlos. Y aún no hemos terminado, ya existen muchos otros o están siendo investigados ...

ingrese la descripción de la imagen aquí

a) Mapa de estados de la modulación QAM , una de las modulaciones de RF b) Cómo la tasa de símbolos puede ser diferente de la velocidad de datos, por ejemplo, con la modulación de amplitud multinivel (el ancestro de FM), uno de los componentes de QAM (el otro es la fase, muy relacionado con FM).

Para su problema en particular, además de tratar de predecir lo que están haciendo los jugadores, los juegos generalmente son representados por su máquina; solo se transporta una pequeña cantidad de información vital, como coordenadas, velocidades, etc. Una sola página web probablemente tenga mucha más información que eso, pero el verdadero problema es la latencia (especialmente para los jugadores hardcore), y se acumula con la cantidad de concentradores de señales. están llegando a través de demoras de propagación, entre muchas otras cosas (la distancia también es un problema ya que la velocidad de datos máxima confiable disminuye con las pérdidas, que aumentan con la distancia).

— Señor Mystère
fuente

Para ser sincero, lo ignoré porque mi respuesta solo se refería a la velocidad (como en la latencia), no al ancho de banda. Sé que hoy en día, los dos son intercambiables (velocidad y ancho de banda), aunque técnicamente son dos dimensiones de la transmisión de datos. Debido a que la latencia no es realmente algo sobre lo que pueda hacer algo como usuario final y solo en un grado muy limitado como proveedor de servicios, generalmente es ignorado por todos menos los jugadores en línea que necesitan comentarios en tiempo real sobre su juego y instituciones financieras que necesitan tiempos de respuesta de milisegundos para el comercio de derivados.

— RJR

Sí, de eso se trata mi último párrafo, pero el autor de la pregunta hizo primero una pregunta general antes de proporcionar un ejemplo, no nos centremos demasiado en el ejemplo.

— Señor Mystère

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Internet es una red de enrutadores interconectados que reenvían el tráfico de Internet (paquetes) entre ellos utilizando un protocolo de enrutamiento que, generalmente, intenta tomar la ruta más corta / más rápida.
La mayoría de los enrutadores están conectados hoy en día a través de fibra óptica, especialmente cuando la distancia entre los enrutadores es mayor a unos 10 o más metros, o cuando las velocidades entre los enrutadores son altas (1, 10 o incluso 40 Gb / s), esto hoy en día incluye casi todos los enrutadores que forman parte de Internet. La notable excepción es probablemente su enrutador / módem doméstico, etc.
De cualquier manera, la velocidad de propagación de las señales a través de la fibra o el calbe eléctrico está cerca de la velocidad de la luz. Como tal, en teoría, puede obtener un paquete de Melbourne, Australia a Angra de Heroismo, Azores (estas son casi antípodas) en aproximadamente 70 ms. Ahora echemos un vistazo a un ejemplo del mundo real. Hay una utilidad llamada 'traceroute' que rastrea sus paquetes de enrutador a enrutador y genera convenientemente el retraso aproximado entre cada 'salto'. (Tenga en cuenta que el tiempo im ms es 'ida y vuelta', por lo que unidireccional es la mitad en teoría):

  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]

(He omitido los saltos que pasan por la intranet de mi empresa).
Notarás que los retrasos son mucho más largos de lo que esperarías solo de la 'velocidad de la luz'. Este es el retraso introducido por los enrutadores que reenvían sus paquetes. A veces son rápidos, a veces son lentos, especialmente cuando están bajo carga.

Como puede ver, la mayoría de los retrasos se deben al reenvío del enrutador, no a los retrasos de propagación. Si juegas un poco con la herramienta Traceroute (hay muchas basadas en la web que puedes encontrar en línea), encontrarás que la ruta no siempre es la misma e incluso donde está, los retrasos están por todas partes.
Las compañías de juegos en línea alojan sus servidores en lugares donde tienen una buena conexión a Internet y pueden tener acuerdos con proveedores de servicios para dar prioridad a sus paquetes sobre otros. Además, algunos proveedores de servicios de Internet pueden hacer lo mismo y dar prioridad a los jugadores (¡a un precio!). Esto es posible porque, como puede ver, los retrasos principales están en los enrutadores, no en la fibra. Para la transmisión de videos esto no importa, para los juegos es crítico. Como tal, los proveedores de servicios pueden priorizar los paquetes de Internet en función de su contenido: dar al video más ancho de banda pero un poco más de retraso, mientras que los juegos (que no necesitan mucho ancho de banda) pueden tener prioridad en la cola del enrutador para retrasos mínimos.

— RJR
fuente

Traceroute produce RTT (tiempo de ida y vuelta) que es aproximadamente 2 veces el retraso.

— generalnetworkerror

@generalnetworkerror buen punto, lo he agregado a la respuesta.

— RJR

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y mueren casi al instante

¿De acuerdo a qué? La velocidad más rápida con la que se puede propagar una influencia es millas por segundo. Los paquetes de datos viajan más lento que eso a través de la fibra y hay demoras dentro de los enrutadores, conmutadores, etc. $c \approx 186,000$

Para que un paquete de datos se propague a través de la infraestructura de Internet al otro lado de la Tierra, se necesitan probablemente unos 10 segundos de milisegundos, pero, de hecho, eso es una 'eternidad' en comparación con la instantánea .

Por ejemplo, algunas de las partículas creadas en el gran colisionador de hadrones se descomponen en aproximadamente . $10^{-23}s$

En otras palabras, toma alrededor de 100,000,000,000,000,000,000 más tiempo para 'matar' a tu 'enemigo' en todo el mundo del que tardan algunas partículas en descomponerse en el LHC.

¿Casi al instante? En comparación con las escalas de tiempo de algunas interacciones de partículas fundamentales, es mucho más largo que la edad calculada del cosmos en comparación con un año en la Tierra.

Pensé que querrías reflexionar sobre esto alguna vez.

— Alfred Centauri
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Según mis ojos y de acuerdo con la alimentación de matar. y nunca dije al instante, dije casi al instante, así que sí, ya estaba algo consciente de lo que hablas. ¿Y no es algo relativo y dependiente del tema en cuestión? Aunque aprecio mucho que hayas respondido. Lo siento, no estoy más educado en el tema, pero ¿le importaría explicar qué significan la C y el signo de igualdad funky? Aprendí en la escuela, pero hace mucho que olvidé que no tengo problemas para buscarlos, solo pensé que no podía hacer daño preguntar.

— Cam Jones

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No entiendo cómo esta discusión sobre semántica es una respuesta a la pregunta. Acaba de confirmar que, sí, los paquetes que viajan 'a través de Internet' solo toman solo 10's de ms. El OP preguntó cómo es eso. Creo que esto merece un poco de explicación de cómo los paquetes de datos se convierten de eléctricos a ópticos y viceversa, y cómo los enrutadores reenvían paquetes a altas velocidades.

— RJR

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Diste una respuesta con un tono subyacente de elitismo con respecto a su definición de "casi al instante". El tipo vino aquí para hacer una pregunta simple, clara y honesta sobre la electricidad. No hay razón para menospreciarlo por su percepción de que unos pocos milisegundos pueden describirse como "casi instantáneamente". Siempre me sorprende cómo puedo diseccionar algunos rastros en un osciloscopio y luego darme cuenta de que la interacción que estaba observando se produjo en un período de tiempo imperceptiblemente corto. Me alegra que alguien más pueda maravillarse de eso también.

— kjgregory

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Es bastante fácil interpretar la condescendencia aquí, en realidad, ya sea que esté allí o no, sea intencional o no. Tuve que entrecerrar los ojos para no ver esta publicación como una tontería inútil sobre la elección de palabras del OP. E incluso eso tomó un par de intentos.

— cHao

2

@Alfred: Principalmente para hacerle saber que la redacción de su publicación hace que sea fácil interpretar mal sus intenciones. Haz con esa información lo que quieras. Pero no pretendas sorprenderte cuando la gente no entiende.

— cHao

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La electricidad básicamente viaja a la velocidad de la luz. en Internet, lo único que va a ralentizar esto un poco es el hardware de red que enruta el tráfico de Internet entre su hogar y el de su oponente en todo el mundo: este hardware incluye cosas como enrutadores, conmutadores y cosas que convierten electricidad a la luz (fibra) y viceversa. Estas cosas se basan en una tecnología que también es muy rápida (transistores, chips de silicio y demás) y, por lo tanto, los efectos son mínimos. Entonces, lo que tiene es un ligero retraso en la información que se traduce a la velocidad de la luz. La luz del sol tarda 8 minutos en recorrer 93 millones de millas para llegar a la Tierra, por lo que cuando lo pones en esta perspectiva, tiene sentido que la información de tu consola de juegos "casi al instante"

— Michael Martinez
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Es principalmente relativo a la velocidad de la luz.

Límite teórico de Amsterdam Nueva York = 40
ms Límite de Internet de Amsterdam Nueva York = 82 ms

Límite teórico de Amsterdam Adelaide = 130ms
Límite de Internet de Amsterdam Adelaide = 320ms

Desde París a Nueva York en vuelo de pájaro, la luz tarda unos 20 ms. entonces un tiempo de ping perfecto sería de 40 ms. En fibra óptica de vidrio, la luz es más lenta en un 31%. Además, la luz en una fibra óptica rebota como esta \ / \ / \ /, lo que hace que la ruta sea más larga. Agregue a eso los tiempos del equipo de enrutamiento. El ping más rápido desde París a Nueva York es actualmente de unos 82 ms.

Amsterdam a Adelaida son 320 ms, en 100 años, tal vez se cerrará al límite teórico permitido por las leyes de la física, es decir, 130 ms, por 1550 km, ya está cerca del límite teórico.

Aquí hay una lista de velocidades de Internet: https://wondernetwork.com/pings

Agregue a eso, la noción de ancho de banda.

La latencia del equipo dentro de su computadora, pantalla, periféricos, sonido, teclado, normalmente es de aproximadamente 10 ms. Entonces, el tiempo de respuesta más rápido para un evento que ocurre en su PC, a su enrutador siempre es inferior a 20 ms por DirectX para cualquier transferencia de datos.

— comprensible
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La razón principal por la cual los videojuegos en línea tienen tiempos de respuesta tan rápidos es porque todo se hace en su computadora . Cuando disparas a alguien, tu computadora decide que mataste a tu oponente y te muestra instantáneamente la imagen correspondiente. También notifica a la computadora de tu oponente sobre este evento, pero no puedes ver que esto sucede con un retraso. Por lo general, los cálculos también se realizan en un servidor central por segunda vez, para evitar trampas. Si el servidor decide que en realidad no mataste a tu oponente, verás que vuelve a la vida después de medio segundo más o menos.

El tiempo de entrega de la red puede ser tan alto como más de 300 ms entre ubicaciones remotas, y los juegos de ritmo rápido no se pueden jugar si se incurre en tales retrasos en cada acción del jugador.

— Dmitry Grigoryev
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Mientras leo las declaraciones, hay dos preguntas (relacionadas), con la misma respuesta: 1) Internet puede transmitir datos "rápidamente" porque utiliza varias formas de transmisión de energía electromagnética (EM), y EM se propaga muy rápido ( aproximadamente 186,000 millas / s), 2) la electricidad puede "fluir rápido", porque es energía electromagnética, y EM se propaga muy rápido.

— Guill
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