從撥號上網到44Tb/秒:網速這東西,多快都不嫌快

2020年06月22日 来源:新浪新聞

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  來源:科學加

  澳大利亞科學家在單根光纖上實現了打破世界紀錄的44.2Tb/秒數據傳輸速度。網速的進化史上有哪些裏程碑?我們用得著這麽快的網速嗎?

  在線辦公,在線社交,在線娛樂已經成了今天的常態——人們似乎忘了,如果按照撥號上網時代的網速,這一切都是難以想象的。那時的音樂需要在“下載”後欣賞,能夠在線流暢收聽的,唯有調製解調器那嘰嘰咕咕的嘶鳴聲。

  但今天的網速就夠快了嗎?真實的情況是:十多年前人們在嫌棄網絡卡頓,今天的我們還在嫌棄網絡卡頓……在我們可預見的未來,隨著雲計算、物聯網等技術的發展成熟,網絡的壓力隻會越來越大。寬帶漸寬,但總是不太夠用。

  新冠肺炎席卷全球期間,大量人口被迫宅在家,對各地的網絡服務商造成了的一次巨大考驗。正是在這個節骨眼上,澳大利亞科學家宣布開發出了一種指甲蓋大小的芯片,將它接入現有的商用光纖時,單根光纖每秒可以傳輸44.2Tb(1Tb大約相當於1000Gb)數據。這是目前該國運營商類似網路設施速度的大約100倍。

改寫網速紀錄的芯片,尺寸比硬幣還小(來源:dailymail.co.uk)改寫網速紀錄的芯片,尺寸比硬幣還小(來源:dailymail.co.uk)

  我們是如何從撥號上網加速到如今以Tb為單位計算的網速的?我們如何應對日漸膨脹的帶寬需求?

  消費者互聯網的萌芽時代

  雖然互聯網的雛形最早可以追溯到上世紀60年代,但直到80年代末90年代初,隨著各種因特網協議和技術被標準化,才有越來越多的用戶連接到了網絡中。當時,網絡的使用仍然有技術門檻和可能性上的局限,而萬維網的發明和投入應用,讓因特網真正實現了所有人的互聯。到了上世紀90年代中期,網絡服務變得更加廉價親民了。

  不過,早期的消費者互聯網沒有自己的專用線路,隻能在發展了一個世紀的電話網絡上,打了一塊“補丁”——互聯網數據借助普通電話線進行傳播,但需要先將數字信號調變到模擬信號進行傳輸,再在終端“解調”收到的模擬信號,以獲得最初的數字信號。

  盡管第一台電話調製解調器在1958年就在貝爾實驗室被發明出來,但一直用於該機構內部的設備互聯。第一部被設計用於個人電腦(PC)的調製解調器發明於1977年,但是速度更快的56k調製解調器,到了1996年才問世。以這種設備的速度,下載1Gb的文件需要三天半以上。撥號上網的另一個缺點是占用了電話線。當你用“貓”上網時,電話就無法接通了。

  21世紀初接入千家萬戶的ADSL(非對稱用戶數字線,“非對稱”主要體現在上行速率和下行速率的非對稱性上)服務讓網速有了可感知的提升。ADSL利用數字編碼技術從銅質電話線上獲取最大數據傳輸容量,同時又不幹擾在同一條線上進行的常規話音服務(原因是它用電話話音傳輸以外的頻率傳輸數據)。

  可以說,銅導線曾經是互聯網傳輸的“脊梁”。但是銅導線的瓶頸在於:線路中能夠傳輸的信號波形是有限的,即便是傳輸能力更強的同軸電纜也是如此。另一方麵,銅線通過電子的移動來傳輸信號,傳輸過程中信號的衰減較為嚴重,這讓信號傳輸的距離受到了限製。

消費者常用的網線屬於雙絞線結構,相關的技術標準仍在不斷“提速”(來源於網絡)消費者常用的網線屬於雙絞線結構,相關的技術標準仍在不斷“提速”(來源於網絡)

  隨著寬帶網用戶數量的增多,其成本也逐漸下降,於是更多的人放棄了撥號上網。根據皮尤研究中心的數據,2004年時,美國寬帶上網的人數首次與撥號上網持平。寬帶的普及伴隨著無線局域網(WLAN)的出現,也徹底改變了人們網上衝浪的方式。沒有這種速度,互聯網就不會有今天的廣泛應用。也正是網速的上升,讓各種視頻網站紛紛崛起,網上購物和即時交流也變得沒有障礙。

  但是,“寬帶”的定義其實並不很明確。比如在本世紀初,美國聯邦通信委員會(FCC)對寬帶的定義是:上傳或者下載的傳輸速度大於200kb/秒。這種速度相當於老式56k撥號調製解調器的4倍以上。到了2010年,FCC對寬帶的定義改為:至少4Mb/秒下載速度,1Mb/秒上傳速度。2015年,這一標準又改為至少25Mb/秒下載速度,3Mb/秒上傳速度。網民的增加和網絡科技的升級,讓“寬帶”被不斷重新定義。

  光纖的逐漸普及

  從上世紀80年代開始,光纖就成為了通訊係統的一大支柱。光纖中的光信號攜帶信息更多,且周期性地被光放大器增強,可以進行遠距離傳輸。另一方麵,光纖的優勢是不會像導線那樣產生電磁場,因此同一根線纜中可以包裹許多獨立的光纖。

  如今,一根頭發粗細的光纖就能以10Tb/秒的速度,將數據傳輸到大洋彼端。其傳輸能力,是人們在1988年鋪設第一條跨洋光纖時的3萬倍。讓這種速度飛躍得以實現的最大突破,是工程師們研究出了如何在單條光纖中同時傳輸100個不同頻段的信號。

  即便如此,由於跨洋光纖數千公裏的長度,光傳輸過程中再小的信號扭曲和噪聲信號也會積少成多、造成麻煩。因此,在同時傳輸的波段中,每個頻道最大的傳輸速度也幾乎不可能超過100Gb/秒。

  為了打破這一瓶頸,製造商又開發出一種新型的光纖。標準光纖的超純度玻璃核心直徑隻有9毫米,而新型光纖增加了這一直徑,並使用更低的信號傳輸強度,減少了噪聲。不過,尺寸更大的玻璃纖維,意味著光纖對拉扯和彎折更加敏感。

  幸而海底的環境更加穩定,不會對新型光纖造成過多外力幹擾。世界上最高速的光纖之一,連接美國西海岸和日本的FASTER係統用的就是上述新型光纖,該係統的6對光纖,每對可傳輸100個波段,單個波段速度100Gb/秒,總速度達60Tb/秒。2017年,微軟和臉書共同出資架設的 MAREA大西洋海底電纜鋪設完成,它的8對光纖可實現總計160Tb/秒的傳輸速度。

各種海底纜線的橫截麵(來源:boingboing)各種海底纜線的橫截麵(來源:boingboing)

  光纖雖然能夠實現更快的網速,但成本比銅導線更高,而鋪設新的光纖線纜也需要額外的支出。因此除了互聯網巨頭之外,並不是所有社區都願意馬上升級光纖網絡,至少不是“光纖入戶”。在人口稠密的城市地帶,對線纜進行更新換代的收益大於成本,因此光纖網絡較為常見。但在人煙稀少的農村地區,線纜更新換代的頻率就要低一些。

  即便光纖網絡從十年前開始就陸續在人口稠密的地區投入使用,但連通光纖網絡的地區,“最後一公裏”的信息如何傳輸,可能決定了網絡的速度瓶頸。

  以英國為例:一些地區的用戶還在使用傳統ADSL寬帶——利用銅導線連接到街道級別的中繼點,再通過銅導線連接到用戶家庭。一些社區則應用了FTTC(光纖到街邊)接入方式——用高速光纖將數據傳輸至社區中繼點,但每家每戶仍通過銅導線連接入網,這種接入方式的最快速度可達66Mb/秒。而全程沒有銅線,隻用光纖的FTTP接入(光纖到駐地)方式,傳輸速度理論上可以遠超過1Gb/秒,未來還可能超過1Tb/秒。

光纖在“最後一公裏”進入社區的方式不同(來源:維基百科)光纖在“最後一公裏”進入社區的方式不同(來源:維基百科)

  無線網絡或許是為農村地區的消費者提升網速更好的一種方式。通訊供應商無需重新鋪設線纜,隻需啟動覆蓋整片區域的新天線基站即可。按照5G網絡的預計傳輸能力(如20Gb/秒),有些家庭甚至不必通過線纜接入寬帶,因為無線入網的速度,已經能夠匹敵最快的有線連接方式。

  但有些通訊專家也謹慎地提醒:無線網絡可能有信號不夠穩定的缺點。再者說,無線基站本身也需要有線網絡的支撐——用戶是“移動”的,但信號基站是位置固定、需要通過光纖聯網的。

  另一個方案是提升傳輸信號的頻率範圍。英國正在開發的G.Fast技術仍基於傳統的銅導線傳輸數據,但頻率擴展後數據的傳輸速度可以超過300Mb/秒。同樣,未來光纖中的信號如果能超越紅外頻段,也可能帶來更快的傳輸速度。

  現有光纖網絡仍需提速

  隨著光纖廣泛投入應用,大型數據中心之間的數據傳輸速度已經以Tb/秒為單位計算。但是一旦到了地區和用戶級別,網絡速度又變得不夠用。每逢網絡使用的高峰期,一些節點還會形成“交通堵塞”,比如在人流密集的商超嚐試上網,或者在高峰時段觀看視頻。

  更高的帶寬固然重要,信號的即時性同樣不可忽視。人類對語音的中斷十分敏感,因此電話或視頻會議的音頻或視頻質量不高尚能繼續,但“掉幀”卻是難以容忍的。此外,雲計算、遠程手術、交互遊戲等新興技術,不僅要求高帶寬,同時也要求低延遲的網絡響應速度。自動駕駛汽車和遠程手術的信號延遲會造成危險,而3D交互遊戲的延遲掉幀,則會造成玩家的眩暈感,影響遊戲體驗。

  兩個網絡終端之間的交互延遲,主要的影響因素是二者的距離。光纖中的光信號曲折前進,直線方向的傳播速度為20萬公裏/秒,因此從倫敦發出的信號沿著光纖傳播,最快也要86毫秒後才能從8600公裏外的舊金山獲得反饋,這種延遲對於雲計算等應用是難以承受的。

  由於這種物理學層麵的限製難以克服,穀歌、微軟、亞馬遜等互聯網巨頭將他們的數據在世界各地的服務器中心進行備份,以便就近、更快地讀取數據。但越來越多的數據中心,對帶寬造成了更大的壓力。這些大公司的數據同步中心消耗的帶寬,如今甚至超過了公眾使用的互聯網。

  所以,如果網速不能提上去,那麽遠程手術,自動駕駛等革命性技術都無從談起。和計算機處理芯片需要不斷升級一樣,網絡速度也有不斷擴容的需求。

  其實,在鋪設之初,許多光纖的容量其實遠遠超過了用戶的需求,但線纜鋪設過程的成本不菲,因此服務商就在線纜中預留了未使用的“暗光纖”。所以對帶寬的提升,最初隻要不斷啟用新的暗光纖即可。

  但是隨著流媒體等服務的興起,近年來,互聯網每年的流量增幅達到25%——用戶對於帶寬需求的增加,正在加速超越供應商的硬件升級能力。那麽,未來的網速該如何升級呢?

  用諾獎技術改造現有光纖

  前文提到的打破網速紀錄的光纖芯片,利用了“光頻梳”結構,能夠創造出一係列紅外光,讓數據得以同時通過各種波段的光傳輸。

  光頻梳是激光技術領域的重大革新,2005年,兩位科學家就因為對光頻梳技術的開創性工作,獲得當年的諾貝爾物理學獎。就像普通的梳子能把頭發分成綹一樣,光頻梳能將單色的輸入激光轉化為波長間隔相等的一係列光線。

光頻梳技術(來源:ieee.org)光頻梳技術(來源:ieee.org)

  為了充分利用光纖線路上光增大器的輸出光譜,不同類型的數據會被分配到不同的紅外線波段——就像白色的可見光可以被棱鏡分為不同顏色(波長)的單色光那樣,紅外波段也可分為不同的“色彩”,各自傳輸不同的數據。不同波長的紅外信號可以在同一根光纖中傳輸,到了終端再予分離——現有的裝置需要在光纖中分別產生各個波長的激光,而光頻梳利用一束激光,一塊溫控芯片和一個環形光諧振器,就能發射大量不同波長的光信號。這些微型設備中最關鍵的結構是環形的光諧振器,在單種波長的激光打到諧振器上時,它能精準地將單色的激光分解為多個頻道。

  將光頻梳技術應用於光纖,這並不是第一次。加州大學聖地亞哥分校的研究團隊2015年發表在《科學》上的研究中,就通過光頻梳技術減少了信號噪聲、增加了傳輸效率。當時研究者表示:通過進一步的發展,該方案能讓光纖係統的傳輸速率翻倍。

  本次破紀錄的芯片,采用了全新類型的“光孤子晶體(soliton crystals)”光頻梳。研究者將這種芯片在墨爾本已有的光纖網路上進行測試,並實現44.2Tb/秒的高速傳輸,這證明了現有的光纖隻要更換芯片,就能夠大幅提升速度。

研究者在墨爾本已有的光纖網路上測試了光頻梳芯片研究者在墨爾本已有的光纖網路上測試了光頻梳芯片

  另一方麵,由於這類光頻梳的製備技術正是目前商業化量產計算機芯片的技術,研究者認為,大規模生產這種光學芯片是能夠很快實現的。

  這一技術突破,並不意味著家家戶戶很快能用上Tb/秒級別的網速。今天普通消費者能夠購買到的最高網速,是1Gb/秒的“穀歌光纖”項目,但使用者並不算多。美國能源部專用的科學網絡ESnet,速度達到了400Gb/秒,但隻留給了NASA之類的機構使用。由於成本等原因,Gb/秒級別的網速還是沒能平民化。本次打破網速紀錄的研究者也表示,他們的技術將首先利用於連接大型的數據中心。

  數十年間,網速的提升帶來了翻天覆地的變化,但另一方麵,全球仍有43%的人口沒有連上互聯網。也許網速紀錄的打破,隻是為人們展示了一種可能性,而網速提升的便利最終惠及普羅大眾,仍有很長的路要走。

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