מכיוון שכבלים נושאים חשמל שזז במהירות האור, מדוע רשתות מחשבים אינן מהירות הרבה יותר?

אולי אוכל לטפל בבלבולך בשאלה רטורית:

מכיוון שאוויר נושא צלילים הנעים במהירות הצליל, מדוע אני לא יכול לדבר איתך הרבה יותר מהר?

מהירות הקול הרבה יותר איטית מאור אבל עם 340 מ 'לשנייה באוויר, זה עדיין די מהיר. עם זאת, זה לא ה מהירות של הערוץ, זה ה חביון . כלומר, אם אתה נמצא במרחק של 340 מטרים, אתה תשמע אותי 1 אחרי שאשמיע צליל. זה לא אומר שום דבר על כמה מהר אני יכול לתקשר איתך, וזה מוגבל על ידי כמה אני יכול לדבר בצורה יעילה וכמה טוב אתה יכול לשמוע אותי.

אם אנחנו בחדר שקט, אני כנראה יכול לדבר מאוד במהירות ואתה עדיין יכול לשמוע אותי. אם אנחנו רחוקים זה מזה או שהסביבה רועשת, אצטרך לדבר לאט וברור יותר.

עם תקשורת חשמלית המצב זהה. הגבלת המהירות אינה נובעת מהשהיה, אלא כמה מהר קצה אחד יכול לשדר כאשר הקצה השני עדיין יכול לקבל אמין. זה מוגבל על ידי רעש שנאסף מהסביבה ועיוותים שהכבל הביא.

כפי שמתברר, במיוחד למרחקים ארוכים, קל יותר (וחסכוני יותר) לייצר כבל סיב אופטי שאינו מאפשר הפרעה חיצונית ומביא מעט מאוד עיוותים, ולכן כבלים סיביים מועדפים על רשת מהירה ארוכה ומהירה.

הסיבות לתכונות המעולות של הסיבים האופטיים הן רבות, אך התפתחות משמעותית היא סיבים במצב יחיד. אלה סיבים אשר באמצעות גאומטריה מבוקרת בקפידה ומחקר חכם מספיק כדי לזכות בפרס נובל, תומכים בהפצה אלקטרומגנטית במצב אחד בלבד. זה מפחית באופן משמעותי את פיזור המודלים, שיש לו השפעה לא רצויה של "מריחה" או "התפשטות" של פולסים המקודדים מידע. זהו סוג של עיוות שאם הוא מוגזם הופך את האות שהתקבל לבלתי מובן, ובכך מגביל את הקצב המרבי שבו ניתן להעביר מידע.

יתרון נוסף הוא שתקשורת סיבים אופטיים פועלת בתדירות גבוהה במיוחד, מה שמפחית את הפיזור הכרומטי, עיוות בגלל תדרים שונים שמתפשטים במהירויות שונות. אורכי גל אופייניים המשמשים בסיבים הם בסביבות 1550 ננומטר, או תדר של סביב 193000 ג'יגה הרץ. לשם השוואה, כבל קטגוריה 6a מוגדר רק עד 0.5 GHz. כעת, על מנת להעביר מידע עלינו לווסת היבט כלשהו של האות. אפנון פשוט מאוד יהיה הפעלה וכיבוי של המשדר. עם זאת, המעברים הללו פירושם שהאות לא יכול להיות מורכב מתדר אור אחד בלבד ( רכיבי פורייה), ולכן רכיבי התדר השונים של הדופק יהיו נתונים לפיזור כרומטי. כשאנחנו מגדילים את תדר הספק אך מחזיקים את אותו קצב הסיביות, רוחב הפס השבר יורד. כלומר, המעברים מהאפנון הופכים איטיים יותר יחסית לתדר הספק. לפיכך, התפזרות הכרומטית פוחתת, מכיוון שהאות הופך להיות יותר מתדירות אור אחת בלבד.

סיבים מודרניים במצב יחיד כל כך טובים שקצב המידע מוגבל בדרך כלל על ידי הטכנולוגיה שלנו לייצור המקלטים והמשדרים בקצוות, ולא באמצעות הכבל. כדוגמה, ריבוב חלוקת אורכי גל פותח (ומשופר כל הזמן גם כיום) כדי לאפשר למספר ערוצים להתקיים יחד על אותו סיב. מספר פעמים שודרגו רשתות על ידי שדרוג המקלטים המקצבים והשאירו את הכבל ללא שינוי. בהתחשב בעלות שדרוג כבל חוצה יבשות, היתרון הכלכלי צריך להיות ברור.

כפי שבוודאי ניחשתם מהירות האור אינה המגבלה. פוטונים בוואקום נעים במהירות האור ($ c_o $). פוטונים בכל דבר אחר נעים לאט יותר, כמו בכבל שלך ($ 0.64c_o $). הסכום בו מופחתת המהירות תלוי בחומר על ידי היתרי.

המידע עצמו עדיין איטי יותר. פוטון אחד אינו נושא מידע רב. מידע מקודד בדרך כלל בשינוי מצבי האנרגיה. ושינויים אלה במדינות ניתנים להפצה רק בקצב נמוך יותר ממהירות השידור הבסיסית.

איתור האנרגיה וגם קצב השינוי מחייב חומרים פיזיים להמיר את הפוטונים למשהו שמיש יותר. הסיבה לכך היא שהתעלה המשמשת להעברה בדרך כלל מוליכה אנרגיה בקצב מרבי הנקרא רוחב פס. רוחב הפס של הערוץ הוא המגבלה הראשונה במהירויות הרשת. סיבים אופטיים יכולים להעביר אותות עם רוחב פס גבוה עם פחות אובדן מחוטי נחושת.

שנית, לאותות המקודדים יש תקורה רבה. יש הרבה נתונים נוספים המועברים עם תיקון שגיאות, מידע ניתוב, הצפנה ונתוני פרוטוקול אחרים בנוסף לנתונים הגולמיים. תקורה זו מאטה גם את תפוקת הנתונים.

לבסוף כמות התעבורה ברשת יכולה להאט את מהירות המערכת הכוללת עם ירידת הנתונים, התנגשויות ונתונים כדי להתרעם.

עריכה: אני רואה ששינית את שאלתך קצת ....

ב במילים אחרות אני שואל, מה יש בכבל סיבים אופטיים שהופך אותו למהיר יותר מכבל אתרנט?

לסיבים אופטיים יש יכולת להוביל מטעי אנרגיה גבוהים יותר. פוטונים עם אנרגיות גבוהות יותר, בהגדרה הם בתדרים גבוהים יותר.

$ E_ {פוטון} = hf $ כאשר $ h $ הוא קבוע הקרש (h = 6.63 * 10 ^ -34 Js) ו- $ f $ הוא תדירות הפוטון.

מדוע תדר חשוב? בגלל איך מערכות תקשורת עובדות. בדרך כלל אנו מקימים אות חזק המתנודד בתדר היעיל ביותר לערוץ השידור כדי להוביל אותו. אם התדר נמוך מדי ואנחנו מאבדים את כוח האות שלנו וכמו כן גבוה מדי ואנחנו מאבדים כוח. זאת בשל האופן שבו המדיום מגיב לרמות שונות של אנרגיית מטען. אז יש $ F_ {max} $ ו- $ F_ {min} $.

ואז אנו מוסיפים מידע לתנודה על ידי שינוי זה בקצב מסוים. ישנן דרכים רבות להוסיף מידע אך באופן כללי כמות המידע שתוכל להוסיף היא פרופורציונאלית לקצב שהערוץ יכול להגיב אליו או לרוחב הפס של המערכת. בעיקרון אתה צריך להישאר בין $ F_ {max} $ ל- $ F_ {min} $.

בדיוק כך קורה שככל שתדירות ההפעלה גבוהה יותר כך קל יותר לקבל רוחב פס רחב ורחב יותר. לדוגמא רדיו ב 1 GHz עם 10% רוחב ערוץ מאפשר רק קצב מיתוג מקסימלי של 100 מגה הרץ. אבל אות סיבים אופטיים ב 500THz ברוחב ערוץ של 10% פירושו קצב מיתוג מקסימלי של 50THz. הבדל גדול!

ייתכן שאתה תוהה מדוע לערוצים יש מגבלות תדרים ומדוע 10%. פשוט בחרתי 10% כדוגמה טיפוסית. אך לערוצי שידור מכל הסוגים יש מגבלות לסוג רמות האנרגיה שהם סופגים, משקפים ומתנהלים. לדוגמא צילומי רנטגן בתדירות גבוהה או טעינות אנרגיה גבוהות, הם עוברים נכון הרבה חומרים, ואילו חום שהוא תדר נמוך מאור אופטי לא מעביר טוב דרך נייר, אך הוא יכול דרך זכוכית. כך שיש תדרים שבהם ניתן להשתמש בפוטונים לנשיאת אנרגיה ותדרים שבהם הם לא יכולים.

כן הם כולם נוסעים במחיר של $ c_o $ במרחב פנוי ואיטיים יותר במדיה אחרת, אבל הם לא יכולים לשאת מידע באותו שיעור ומעלה. אולי אתה מעוניין לקרוא את המשפט של שאנון-הרטלי.

קו העברה מורכב מצמד מוליכים בעלי התנגדות מסוימת, השראות, קיבוליות ומוליכות דליפה. אנו יכולים לקחת את כל אלה לכל אורך יחידה:

משוואת הגלים לאותות בקו זה, בגבול כבל ללא הפסד עם $ R = 0 $, $ G = 0 $, הוא $$ \ frac {\ partial ^ 2 V (x)} {\ partial x ^ 2} + \ omega ^ 2 LC \ cdot V (x) = 0 $$ אתה צריך להיות קצת נזהר בסימון ובמידות כאן. במעגל טיפוסי אתה משתמש ב- $ L $ ו- $ C $ עבור השראות וקיבול מוחלטים, ו- $ \ sqrt {LC} $ הוא התדר האופייני של המתנד. כאן, $ L $ ו- $ C $ הם ההשראות והקיבול ליחידת אורך , וכך ל- $ 1 / \ sqrt {LC} $ יש יחידות של מהירות .

למעשה הגזירה בוויקיפדיה ממשיכה להראות כי , בגבול כבל ללא הפסד, הפלט הוא $$ V_ \ text {out} (x, t) \ approx V_ \ text {in} (t- \ sqrt {LC} x) $$ העולה בקנה אחד עם האותות נסיעה לאורך הכבל במהירות $ v = 1 / \ sqrt {LC} $.

ברור שההשראות והקיבול ליחידת אורך עבור כבל תלויים בעיקר בגיאומטריה שלהם, ובמידה מסוימת בתכונות המגנטיות והדיאלקטריות של החלל סביב ובין הכבלים. יהיה מעניין להגיע לערכים של $ L $ ו- $ C $ שנותנים $ v = c $, או $ v>c $; לא עשיתי זאת בעצמי, אך אני חושד ששיקולים גיאומטריים בלבד לא יהפכו את זה לבלתי אפשרי עבור חוטים מקבילים המופרדים בוואקום, חוטים קואקסיאליים וגיאומטריות נפוצות אחרות מבלי להציג מטא-חומר קסום.

"אין ספק שזה צוואר בקבוק" - לא, זה ממש לא. כל חיבור רשת אמיתי אינו מוגבל במהירות על ידי מהירות התפשטות האות בכבל, אלא על ידי עיכובי העיבוד בנתבים, במתגים ובעיבוד ממשקי הרשת בכל קצה.

עד כמה אתה בטוח שחשמל נע במהירות האור? התפשטות החשמל אמנם נעה במהירות גל E / M ולא אלקטרונים, אך מהירותה תלויה בקבוע הדיאלקטרי של החומר. רק בחלל ריק, אני חושב, הוא היה נוסע במהירות האור.

מדוע רק 64% מה פירוש מהירות התפשטות? אני יודע שישנם משתנים אחרים המשפיעים על החביון והמהירות הנתפסת של חיבורי רשת מחשבים, אך אין ספק שמדובר בצוואר בקבוק.

מהירות התפשטות האות היא המרחק שהאות (חבילה) עובר באחד שְׁנִיָה. זה בדרך כלל נמוך מ $ c $ מכיוון שגלי EM הנושאים את המידע נעים במתכת או בכל מדיום חומרי במהירות נמוכה מ $ c $. ראו מהירות קבוצתית ותורת הפיזור.

מהירות האות קובעת זמן אחזור מינימלי, אך הגדלתו על ידי שינוי מדיום או שימוש בתדר תדרים שונה תשפיע מעט על קצב הנתונים המרבי של קו ההעברה (ביטים. / s הועברו). זה נקבע יותר על ידי הכוח החשמלי המשמש להעברה, עוצמת הרעש ורוחב הפס המשמשים כמו גם יכולות האלקטרוניקה בקצוות. כבלים אופטיים אינם משמשים למהירות התפשטות האות המהירה יותר, אלא ליתרונות האחרים שלהם, כמו רוחב פס שמיש הרבה יותר.

שתי סיבות:

1) מהירות האור ב"מדיום "היא (כמעט *) תמיד איטית יותר ממהירות האור בחלל ריק.

2) חשמל התפשטות בחוט כפופה לאפקטים אינדוקטיביים וקיבוליים המאיטים את התקדמותה.

וגם אם החוטים היו מהירים לאין ערוך, מעגלים משולבים אינם. שוב, השפעות אינדוקטיביות (מעט) וקיבולות (הרבה) מגבילות את המהירות של "שער" IC יכול "לעבור". (בערך 1976) "מחשב העל" של Cray 1 היה באותו אורך, בין אם התיל משתרע על פני סנטימטר ובין אם 30 ס"מ. זה הבטיח שיש להם אותו עיכוב התפשטות.

(*) אני זוכר במעומעם שבחורי המעבדה יצרו תרחישים מוזרים שבהם האור מתפשט דרך מדיה מיוחדת מסוימת "מהר יותר מאור".

מהירות האלקטרונים שזורמים בכבל, כלומר הזרם , היא רק כמה מ / ש. גל ה- EM מתפשט הרבה יותר מהר. בכל אופן, מהירות המחשב לא תלויה באופן מהותי במהירות האלקטרונים, אך מהירות העברת האנרגיה בין רכיבי אלקטרוניקה.