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裝滿硬盤的卡車,“網(wǎng)速”比光纖更快?但時(shí)代變了!

發(fā)布時(shí)間:2024-08-14 08:00:06 來源:科普中國 字號(hào): [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

多年以后,面對(duì) 20MB/s 的網(wǎng)速,我又想到了發(fā)小向 U 盤上拷游戲的那個(gè)下午。

不知道你小時(shí)候有沒有和我一樣的經(jīng)歷——因?yàn)榧依锞W(wǎng)速很慢,下載一個(gè)游戲、一部電影速度很慢,需要掛機(jī)一整晚。有時(shí)候碰到網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況,甚至要分成多天下載。

其實(shí),我還有另一個(gè)選擇,如果鄰居/同學(xué)家電腦上恰好有這個(gè)游戲的安裝包,直接拿 U 盤去他家拷貝這個(gè)游戲,人肉搬運(yùn)數(shù)據(jù),速度可能比從互聯(lián)網(wǎng)上下載更快。

印象中,小時(shí)候家里的網(wǎng)速在 200kB/s 左右,下載一個(gè) 1GB 的游戲安裝包 2000 秒左右,也就是將近一個(gè)半小時(shí)。但如果鄰居家有這個(gè)安裝包,去現(xiàn)場拷貝游戲回來,全程可能用時(shí)還不到 10 分鐘。

從撥號(hào)上網(wǎng)、到寬帶、再到現(xiàn)在的光纖入戶,網(wǎng)速已經(jīng)加快了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。但今天,物理搬運(yùn)數(shù)據(jù)對(duì)比網(wǎng)線還有優(yōu)勢嗎?

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制圖:王昱;素材來源:pixabay

粗略分析一下或許是有的。以我自己為例,我每天都會(huì)騎自行車帶電腦上下班,單程大約 30 分鐘,而我的電腦里大約有 700GB 數(shù)據(jù),換算成數(shù)據(jù)傳輸速度就是 400MB/s 左右。作為對(duì)比,平時(shí)網(wǎng)速一般只有 20MB/s,也就是說,物理搬運(yùn)數(shù)據(jù)的速度是有線網(wǎng)絡(luò)的 20 倍。如果我上班時(shí)背包里多裝幾塊硬盤,或是騎車再快一些,數(shù)據(jù)傳輸速度還能更快。

你或許聽說過,一輛載滿硬盤,在高速上狂奔的卡車,是人類傳輸數(shù)據(jù)最快的方式之一。但光纖傳輸數(shù)據(jù)的速度也在不斷進(jìn)步,它今天傳輸數(shù)據(jù)的速度可能已經(jīng)超出了你的想象。所以,在傳輸數(shù)據(jù)這項(xiàng)競賽中,卡車和光纖,究竟誰更強(qiáng)?

超快光纖

今年 6 月,日本國家信息與通信技術(shù)研究所(NICT)宣布,他們成功在現(xiàn)有商用單模光纖上,實(shí)現(xiàn)了 402Tbps(1 字節(jié)=8 比特,也就是 50.25TB/s)的數(shù)據(jù)傳輸速度,這是有史以來用光纖達(dá)到的最快速度。這個(gè)紀(jì)錄比之前的單模光纖傳輸紀(jì)錄快了 35%。

他們是如何讓光纖傳輸速度這么快的?這就要請(qǐng)出信息論鼻祖克勞德·香農(nóng)(Claude Shannon)了,1948 年,他用一篇論文創(chuàng)造了一門名為信息論的學(xué)科。而在這篇論文中,香農(nóng)提出了一個(gè)信息傳輸速度的公式——C=B?log?(1+S/N)。其中,C 是信息傳輸?shù)睦碚撋舷匏俣?,B 是以赫茲為單位的信道頻寬,S/N 就是信號(hào)強(qiáng)度和噪音強(qiáng)度的比值。所以,想要加快信息傳輸速度,就要增大信道頻寬,同時(shí)增大信噪比。

為了理解這個(gè)公式,可以從我正在使用的 Wi-Fi 入手。

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我的網(wǎng)絡(luò)信息?????

我現(xiàn)在使用的 Wi-Fi 信號(hào)頻率是 5GHz,頻寬是 80MHz,相當(dāng)于公式中的 B 為 80×10?s?1。電腦接收到路由器的信號(hào)功率強(qiáng)度為(RSSI)-55dBm,噪音強(qiáng)度為-90dBm。(dBm 是一個(gè)對(duì)數(shù)功率單位,它代表信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)于 1mW 的強(qiáng)度等級(jí),信號(hào)每增大 10dBm,信號(hào)功率就變成原來的 10 倍。例如,0dBm 相當(dāng)于功率強(qiáng)度為 1mW,10dBm 相當(dāng)于功率為 10mW,-10dBm 相當(dāng)于功率為 0.1mW。)這樣可以計(jì)算出信號(hào)信噪比 S/N=10^(3.5)。

那么可以計(jì)算出,理論上,此時(shí)電腦和路由器之間傳輸信息速度上限 C 為 924Mbps。不過,實(shí)際情況要受到 Wi-Fi 編碼模式、電腦性能、路由器性能等諸多條件的限制,電腦和路由器之間的通信并不能達(dá)到這個(gè)速度。

當(dāng)然,這也只是電腦和路由器之間的溝通,網(wǎng)速最大的限制,是公司辦公室給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商交了多少錢……圖片

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辦公室網(wǎng)速測試結(jié)果。???

回到日本國家信息與通信技術(shù)研究所最新的研究成果上,他們?yōu)榱嗽鰪?qiáng)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的能力,就是從通信原理下手,增大通信頻寬,提升信號(hào)強(qiáng)度。

光纖對(duì)不同波長的光傳輸效率是不一樣的,只有在傳輸效率較高的波長上,光纖才能更好地傳輸光信號(hào)。而對(duì)于光來說,特定的波長范圍,就對(duì)應(yīng)著特定的頻率范圍,也就是頻寬。研究團(tuán)隊(duì)表示,他們使用了光纖中所有的低損耗傳輸頻寬,總計(jì) 37.6THz——不愧是光纖,頻寬比無線信號(hào)的 80MHz 大太多了。

同時(shí),他們還設(shè)計(jì)了 6 個(gè)不同波段的光纖信號(hào)放大器,來增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度,提升信號(hào)傳輸能力,最終實(shí)現(xiàn)了 402Tbps 的傳輸速度,也就是每秒 50TB。

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傳輸系統(tǒng)示意圖。圖片來源:NICT

這個(gè)速度是什么概念呢,目前市面上最大的單塊硬盤容量大約為 20TB,最快的光纖相當(dāng)于每秒能傳輸 2.5 塊大容量硬盤的容量。

如果卡車傳輸數(shù)據(jù)的速度想要超過光纖,那么它必須在相同的時(shí)間內(nèi),運(yùn)送更多硬盤才行。而且一般卡車運(yùn)送硬盤的速度并不快,一般的任務(wù),拆裝硬盤、卡車在路上行駛,總用時(shí)至少也需要 1 天,也就是 86 400 秒。

在這 86 400 秒里,光纖理論上可以接連不斷地以每秒 2.5 塊硬盤的速度傳輸數(shù)據(jù),總共傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相當(dāng)于 21.6 萬塊。因此,只有卡車一次性運(yùn)輸?shù)挠脖P數(shù)量超過 21.6 萬塊,它的信息傳輸速度才能比光纖更快。

大塊大容量硬盤的質(zhì)量大約是 700 克,但運(yùn)輸時(shí)的震動(dòng)可能會(huì)損壞硬盤,所以硬盤在運(yùn)輸時(shí)還需要防震包裝。粗略估算,帶上防震包裝后,每塊硬盤的質(zhì)量是 1 千克。那么 21.6 萬塊硬盤的總質(zhì)量就是 216 噸。我國卡車限重 49 噸,很明顯,載重 216 噸的卡車通常是不能合法上路的。

也就是說,目前世界上傳輸數(shù)據(jù)最快的方式,是光纖,而不是裝滿卡車的硬盤。

經(jīng)濟(jì)效益

但是從實(shí)際應(yīng)用上來說,用物理搬運(yùn)的方式傳輸信息,在今天仍有不少的應(yīng)用空間。

光纖極限的速度,只能存在于實(shí)驗(yàn)室里,或是運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的骨干節(jié)點(diǎn)中,使用這些光纖傳輸數(shù)據(jù),價(jià)格是十分高昂的。并且,很多時(shí)候單獨(dú)拉一條光纖來傳輸數(shù)據(jù)并不合算。就像我的網(wǎng)速,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能反映物理極限,反而只能反映經(jīng)費(fèi)有限。

最典型的例子就是黑洞照片。2019 年,事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)向世界公布了首張黑洞照片,這張照片是利用8臺(tái)分布在全球各地的毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡組成的。觀測原始數(shù)據(jù)高達(dá) 4PB(1PB=1024TB),數(shù)據(jù)需要集中到一起處理,但望遠(yuǎn)鏡、數(shù)據(jù)中心之間的網(wǎng)速不夠快,為了將數(shù)據(jù)集中到一起處理,直接將裝滿數(shù)據(jù)的硬盤快遞寄到數(shù)據(jù)中心,反而是最快的選擇。難道天文學(xué)家不想要他們的網(wǎng)速更快一些嗎?他們當(dāng)然想,但是建設(shè)骨干網(wǎng)絡(luò)的代價(jià)太昂貴了,他們無法承受。

不過技術(shù)的發(fā)展,有線網(wǎng)絡(luò)的性價(jià)比也在不斷上升。2016 年,亞馬遜曾推出了用卡車傳輸數(shù)據(jù)的 Snowmobile 服務(wù),這是一輛裝滿硬盤的 18 輪重型卡車,每輛卡車的容量為 100PB。但 2018 年,卻有公司表示使用這輛卡車的成本太高了,使用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)可能是更優(yōu)惠的選擇。今年 4 月,亞馬遜砍掉了這個(gè)項(xiàng)目。

但同時(shí),亞馬遜又推出了另一種更小,更靈活的數(shù)據(jù)傳輸方案,Snowball EDGE,大約是一個(gè)手提箱大小,重 22 千克,最多可以存儲(chǔ) 210TB 數(shù)據(jù)。西部數(shù)據(jù)也發(fā)布了一個(gè)能裝 368TB 數(shù)據(jù)的手提箱服務(wù)器,可以直接提在手中攜帶,也可以直接作為存儲(chǔ)服務(wù)器,安裝到機(jī)房里使用。

所以,問題的核心,還是哪種方式更受真實(shí)的用戶歡迎。目前看來,用物理搬運(yùn)的方式傳輸數(shù)據(jù),卡車或許有點(diǎn)太大了。但對(duì)于幾百 TB,到數(shù)個(gè) PB 的臨時(shí)數(shù)據(jù)傳輸需求,直接物理搬運(yùn),在今天或許仍是更加實(shí)惠的選擇。

物理搬運(yùn)數(shù)據(jù)和光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸,都有各自的適用范圍,雖然光纖的優(yōu)勢越來越大,但物理搬運(yùn)的方式,仍有自己的擅長區(qū)間。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.cnbc.com/2024/04/17/aws-stops-selling-snowmobile-truck-for-cloud-migrations.html

[2]https://www.nict.go.jp/en/press/2024/06/26-1.html

[3]https://interestingengineering.com/innovation/world-record-transmission-optical-fiber

策劃制作

來源丨環(huán)球科學(xué)(id:huanqiukexue)

作者丨王昱

責(zé)編丨鐘艷平

審校丨徐來 林林

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