Вспомните, каким был интернет каких-то 15 лет назад. Ни инстаграма, ни контакта, ни YouTube, было всего по сути 2 способа выйти в сеть - это интернет-кафе и модем на скорости 56 килобит в секунду. Фильмы скачивались всю ночь, а в браузере отключали картинки для ускорения загрузки, ну а быстрый интернет с мобилки, это вообще была слишком наглая мечта.
И что сейчас, скорости увеличились в сотни раз и практически во всём они нас уже устраивают: фильмы, игры, музыка, книги, всё скачивается без проблем, но развитие продолжается, скорости растут, и кто знает, что нас ожидает еще через 15 лет а через 30 - 50?
Будет-ли скорость интернета расти бесконечно, или все-таки есть какой-то теоретический предел?
Может какие-то законы физики накладывают ограничения на скорость передачи информации?
Давайте в этом разберемся.
Но сначала обсудим чего уже удалось достичь. На данный момент самой быстрой линией считается 11 километровое оптоволокно в одном японском исследовательском центре.
В 2017 году ученым удалось достичь скорости более 10 Петабит в секунду, величина огромная, чтобы вы понимали, если весь этот трафик равномерно распределить между всеми людьми на земле, то каждый сможет включить YouTube и смотреть ролики в Full HD качестве. На такой скорости терабайтный винчестер можно скачать менее, чем за одну сотую секунды.
Вот только представьте, всё это через оптоволокно толщиной с человеческий волос.
Но это только лабораторное достижение, на практике самый высокоскоростной линией считается трансатлантический кабель Marea, в нём 16 волокон обеспечивают суммарную скорость 200 Тбит в секунду, и это на расстоянии в 6600 км.
Понятное дело, что чем дальше, тем сигнал передавать сложнее и в плане расстояния рекорд принадлежит угадайте кому, Войджеру-1, до которого более 21 миллиарда километров, это в 144 раза больше чем от Земли до Солнца.
Сигнал туда идёт больше 20 часов и пожалуй да, это самый длинный пинг всех возможных. Скорость передачи невысокая, не больше 2 килобит в секунду, но за то какое расстояние.
Но давайте перейдем к главному вопросу, сможем ли мы бесконечно поднимать скорость интернета?
Тут нужно разобраться, а как её вообще увеличивают? Чередование нулей и единиц кодируется разным уровнем сигнала в линии, каждый импульс мы будем называть тактом и можно выделить три основных способа, как поднимают скорость.
- Во-первых: можно уменьшать длительность каждого такта, тогда за одну секунду мы сможем передать большее их число, и больше информации, это называют изменением тактовой частоты.
- Во-вторых: можно увеличить количество уровней сигнала, и за один такт предавать не один бит, а 2, 3 и больше, это изменение физической кодировки сигнала.
- И в-третьих: можно просто увеличивать количество каналов передачи данных, это красиво называют мультипликсированием.
Можно сравнить все эти методы с автомобилем, если скорость передачи данных - это скорость движения по дороге, то тогда рост тактовой частоты - это увеличение оборотов двигателя а смена кодировки - это переключение передач. А мультиплексирование - это когда в вашей машине не один двигатель, а несколько, главное чтоб бензина хватило.
Остается понять, с чем мы столкнемся наращивая каждый параметр в этой статье, мы не будем рассматривать WiFi, LTE и прочие беспроводные технологии. Пока нет никаких предпосылок, что они обгонят по скорости передачу данных по выделенным каналам.
И начнём мы с обычных медных проводов.
Постоянно изменяющийся сигнал - это ничто иное, как переменный ток. А чем выше частота переменного тока, тем соответственно больше потери на излучение, тепло и так далее, ну и соответственно больше затухание сигнала с расстоянием. И например, если взять кабель седьмой категории, а это самый топовый на данный момент, то на стометровой дистанции будет следующее: мощность сигнала на частоте в 100 МГц будет уменьшаться примерно в 70 раз, это много, но приемлемо. А вот на частоте в 600 МГц будет уменьшаться в 50000 раз, так что при увеличении частоты всё сложнее и сложнее будет выделять полезный сигнал на фоне шумов.
К тому же, если повышать частоту ещё дальше, то провода превращаются в волноводы. Из-за скин эффекта высокочастотный ток вытесняется на поверхность проводника и протекает даже больше не по нему, а по диэлектрику вокруг, ну то есть по изолятору, в котором затухание ещё сильнее.
Ну конечно, можно соорудить грамотные волноводы, но они будут толстыми, не гибкими, неудобными и вообще дорогими. Многократно увеличивать число уровней тоже не поможет, ведь это только на входе сигнал такой ровный и красивенький, на другом конце линии его принимают уже таким, как после войны, и всё это из-за наводок и шумов. Если их было не очень много, то его достаточно легко восстановить, особенно если уровней было всего 2. Но чем их больше, тем сложнее это сделать, например, спецификация 10 гигабитного интернета использует 16 уровней, и чтобы они не смазались и не месились в какую-то кашу, необходимо использовать самые крутые кабели, которые защищены от помех и экранированы по самые помидоры. Все эти сложности конечно же стоят денежек. А про увеличение числа каналов я вообще молчу, стандартные кабели и так состоят из 4 витых пар, в каждой из которых идет сигнал, увеличивать их число не разумно, мы же не хотим, чтобы в квартиру заходил провод чуть ли не с руку толщиной.
Так что сейчас, мы и правда подошли к пределу возможностей медных проводов, из них ещё можно выжать 10 Гбит в секунду на расстоянии в 100 метров, и даже 100 Гбит в секунду на 10 метрах.
Но вот большей скорости может обеспечить только оптоволокно. В нем используется обалденный физический принцип: если пустить лазерный луч из воздуха в стекло, то всегда часть луча отразится, а часть пройдет внутрь, соотношение между лучами зависит от угла падения. Почти тоже самое будет, если наоборот пустить луч из стекла в воздух: часть пройдёт дальше, а часть отразится в воздух, но начиная с определенного угла отражается 100% света и наружу ничего не выходит. Это называют полным внутренним отражением, то-есть поверхность стекла изнутри может быть идеальным зеркалом, и если сделать длиннющий световод, можно даже гибкий, то пучок света пущенный с одной стороны многократно отражаясь, выходит с другой практически без потерь. Так вот, в самых лучших категориях оптоволокна, сигнал ослабевает всего на 5-10% на расстоянии в километр. По сравнению с медью, это вообще ничто. И получается, что в оптоволокне можно развить просто безумные скорости. Вроде как да, но не всё так просто. Разные части светового импульса могут идти под разными углами, испытывать разное количество отражений и соответственно пройти разный путь и достичь цели не одновременно, из-за этого импульса как бы расплывается, но а соседние сигналы могут вообще перекрываться. Это называют межмодовой дисперсией, и именно из-за неё тактовая частота ограничена несколькими тысячами мегагерц, это конечно же больше, чем в медных проводах и для конечного пользователя хватает с запасом, но всё равно не запредельно много. Да, мода это не только расфуфыренные модели на подиуме, а ещё и вариант пути, по которому идёт свет. Но существуют так называемые одномодовые волокна, которые намного тоньше, и свет в них только по одному пути, поэтому такого размазывания импульсов просто нет. Частота следования сигналов в них может быть очень большой, и соответственно скорость передачи информации безумно огромной. Единственное, что стоимость оборудования для таких волокон достаточно большая, поэтому пока что, они используются только на магистральных каналах связи. Согласитесь, необычно оказывается, чем тоньше оптоволокно, тем больше информации оно может пропускать. Есть и другие виды дисперсии: хроматическая, поляризационная, но с ними успешно можно бороться.
И на самом деле, уже сейчас получены образцы оптоволокна, которые достигли определенного ограничения, так называемого предела Шеннона, он устанавливает теоретическую максимальную пропускную способность канала при заданных мощностях источника и шумов. И для оптоволокна, это примерно 1 Тбит в секунду, но погодите, а как получаются большие скорости? Уперлись в один предел, значит будем идти в другом направлении, в оптоволокно можно пустить свет на разных длинах волн, и они практически никак не будут друг другу мешать, уже сейчас в одном волокне можно выделить несколько сотен длин волн и каждая из них является отдельным каналом передачи данных. Плюс, можно в одной нити поместить несколько десятков волокон, ведь они довольно-таки тонкие. Добавьте к этому использование различных поляризаций, различных видов мод и тогда скорости могут расти чуть-ли не в геометрической прогрессии. Конечно, мы не сможем так мультиплицировать все параметры бесконечно, например, чем больше длин волн, тем меньше интервал между ними и соответственно в какой-то момент они просто начнут перекрываться. Но всё равно, предела пока не видно, и если он вообще существует, то находится где-то далеко за экзабитами в секунду - это единица с 18 нулями. На такой скорости можно стримить 13 млн 8к не сжатых видеопотоков и еще останется скорости, чтобы парочку сериалов качнуть. Поэтому страшно представить, как будет выглядеть интернет в будущем.
Мы уже отказываемся от флешек всё больше, используя облачные хранилища, а что дальше?
В наших устройствах пропадёт жёсткий диск, операционная система и память вообще?
Скоростного барьера между девайсами по сути не будет, и это сулит не только передачей голограмм как в Звёздных войнах и мгновенную скачку чего угодно.
Возможно, объединение всех вычислительных устройств от компьютеров до умных часов в единую огромную систему, и ещё раз, заострю внимание, это не просто сеть, а единое огромное устройство размером в Землю.
Только представьте, мы сможем обрабатывать данные сложнейших экспериментов практически мгновенно, моделировать что угодно и ускорить развитие науки в миллионы раз. Самое главное, что бы эта система не вышла из-под контроля.
Понравилась статья? Напиши свое мнение в комментариях!) Большое спасибо что дочитал до конца!