Ein LKW voller Festplatten mit einer „Internetgeschwindigkeit“, die schneller ist als Glasfaser? Aber die Zeiten haben sich geändert!

Viele Jahre später, als ich mit einer Netzwerkgeschwindigkeit von 20 MB/s konfrontiert war, dachte ich an den Nachmittag zurück, als mein Freund aus Kindertagen das Spiel auf einen USB-Stick kopierte.

Ich weiß nicht, ob Sie als Kind die gleichen Erfahrungen gemacht haben wie ich – weil die Internetgeschwindigkeit zu Hause sehr langsam war, das Herunterladen eines Spiels oder eines Films sehr langsam war und Sie eine ganze Nacht online bleiben mussten. Manchmal muss der Download bei instabilem Netzwerk auf mehrere Tage aufgeteilt werden.

Tatsächlich habe ich eine andere Option. Wenn mein Nachbar/Klassenkamerad zufällig das Installationspaket dieses Spiels auf seinem Computer hat, kann ich einfach einen USB-Stick zu ihm nach Hause bringen, um das Spiel zu kopieren. Das manuelle Verschieben der Daten ist möglicherweise schneller als das Herunterladen aus dem Internet.

Ich erinnere mich, dass die Internetgeschwindigkeit zu Hause, als ich ein Kind war, bei etwa 200 kB/s lag und es etwa 2000 Sekunden oder fast anderthalb Stunden dauerte, ein 1 GB großes Spielinstallationspaket herunterzuladen. Wenn Ihr Nachbar jedoch über dieses Installationspaket verfügt, können Sie dorthin gehen und das Spiel zurückkopieren. Der gesamte Vorgang dauert möglicherweise weniger als 10 Minuten.

Von Einwahlverbindungen über Breitband bis hin zu Glasfaser bis ins Haus haben sich die Internetgeschwindigkeiten um ein Vielfaches erhöht. Aber bietet die physische Datenübertragung heute noch Vorteile gegenüber Netzwerkkabeln?

Karte: Wang Yu; Quelle: pixabay

Eine grobe Analyse lässt darauf schließen, dass dies möglicherweise der Fall ist. Nehmen Sie mich als Beispiel. Ich fahre jeden Tag mit dem Fahrrad zur Arbeit und wieder nach Hause, während ich an meinem Computer sitze. Die einfache Fahrt dauert etwa 30 Minuten. Auf meinem Computer befinden sich etwa 700 GB Daten, was bedeutet, dass die Datenübertragungsgeschwindigkeit etwa 400 MB/s beträgt. Im Vergleich dazu beträgt die normale Internetgeschwindigkeit im Allgemeinen nur 20 MB/s, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit der physischen Datenübertragung 20-mal so hoch ist wie die eines kabelgebundenen Netzwerks. Wenn ich auf dem Weg zur Arbeit ein paar Festplatten mehr im Rucksack mitnehme oder schneller mit dem Fahrrad fahre, ist die Datenübertragungsgeschwindigkeit noch höher.

Sie haben vielleicht gehört, dass ein mit Festplatten beladener LKW, der über die Autobahn rast, für den Menschen eine der schnellsten Möglichkeiten zur Datenübertragung ist. Allerdings verbessert sich auch die Geschwindigkeit, mit der Glasfaser Daten überträgt, ständig, und die Geschwindigkeit, mit der Daten heute übertragen werden, übersteigt möglicherweise Ihre Vorstellungskraft. Wer ist also im Wettlauf um die Datenübertragung besser: Lkw oder Glasfaser?

Ultraschnelle Glasfaser

Im Juni dieses Jahres gab das japanische National Institute of Information and Communications Technology (NICT) bekannt, dass es mit bestehenden kommerziellen Singlemode-Glasfasern eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von 402 Tbit/s (1 Byte = 8 Bit oder 50,25 TB/s) erreicht habe. Dies sei die höchste jemals mit Glasfasern erreichte Geschwindigkeit. Dieser Rekord ist 35 % schneller als der vorherige Rekord für die Singlemode-Glasfaserübertragung.

Wie wird die Glasfaserübertragung so schnell? Dies bringt uns zu Claude Shannon, dem Begründer der Informationstheorie. Im Jahr 1948 begründete er mit einer Arbeit die Disziplin der Informationstheorie. In diesem Artikel schlug Shannon eine Formel für die Geschwindigkeit der Informationsübertragung vor: C=B∙log₂(1+S/N) . Dabei ist C die theoretische Obergrenze der Informationsübertragungsgeschwindigkeit, B die Kanalbandbreite in Hertz und S/N das Verhältnis von Signalstärke zu Rauschstärke. Wenn Sie die Informationsübertragung beschleunigen möchten, müssen Sie daher die Kanalbandbreite erhöhen und gleichzeitig das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern.

Um diese Formel zu verstehen, beginnen wir mit dem WLAN, das ich verwende.

Meine Netzwerkinformationen

Die WLAN-Signalfrequenz, die ich derzeit verwende, beträgt 5 GHz und die Bandbreite 80 MHz, was bedeutet, dass B in der Formel 80 × 10⁶s⁻¹ beträgt. Die vom Router an den Computer gesendete Signalstärke (RSSI) beträgt -55 dBm und die Rauschintensität beträgt -90 dBm. (dBm ist eine logarithmische Leistungseinheit, die den Signalstärkepegel relativ zu 1 mW darstellt. Bei jeder Erhöhung des Signals um 10 dBm erhöht sich die Signalleistung um das Zehnfache des Originals. Beispielsweise entsprechen 0 dBm einer Leistungsstärke von 1 mW, 10 dBm einer Leistung von 10 mW und -10 dBm einer Leistung von 0,1 mW.) Auf diese Weise kann das Signal-Rausch-Verhältnis S/N=10^(3,5) berechnet werden.

Dann können wir berechnen, dass die Obergrenze C der Informationsübertragungsgeschwindigkeit zwischen dem Computer und dem Router theoretisch 924 Mbit/s beträgt . Die tatsächliche Situation ist jedoch durch viele Bedingungen wie den Wi-Fi-Codierungsmodus, die Computerleistung, die Routerleistung usw. eingeschränkt, und die Kommunikation zwischen dem Computer und dem Router kann diese Geschwindigkeit nicht erreichen.

Natürlich handelt es sich hierbei nur um die Kommunikation zwischen Computer und Router. Die größte Einschränkung der Internetgeschwindigkeit ist der Betrag, den das Firmenbüro dem Netzbetreiber zahlt …

Ergebnisse des Internet-Geschwindigkeitstests im Büro. ‍‍‍

Zurück zu den neuesten Forschungsergebnissen des Nationalen Instituts für Informations- und Kommunikationstechnologie Japans: Um die Fähigkeit von Glasfasernetzen zur Informationsübertragung zu verbessern, gingen sie von den Kommunikationsprinzipien aus, erhöhten die Kommunikationsbandbreite und verbesserten die Signalstärke.

Die Glasfaser weist für Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedliche Übertragungseffizienzen auf. Glasfasern können optische Signale nur bei Wellenlängen mit höherer Übertragungseffizienz besser übertragen. Beim Licht entspricht einem bestimmten Wellenlängenbereich ein bestimmter Frequenzbereich, also die Bandbreite. Das Forschungsteam sagte, dass sie die gesamte verlustarme Übertragungsbandbreite der Glasfaser genutzt hätten, insgesamt 37,6 THz – eine Bandbreite, die einer Glasfaser würdig ist und viel größer ist als die 80 MHz von Funksignalen.

Gleichzeitig entwickelten sie sechs Glasfaser-Signalverstärker in unterschiedlichen Bändern, um die Signalstärke zu erhöhen und die Signalübertragungskapazitäten zu verbessern, wodurch letztendlich eine Übertragungsgeschwindigkeit von 402 Tbit/s oder 50 TB pro Sekunde erreicht wurde.

Schematische Darstellung des Übertragungssystems. Bildquelle: NICT

Was bedeutet diese Geschwindigkeit? Die Kapazität der größten einzelnen Festplatte auf dem Markt beträgt etwa 20 TB, und die schnellste Glasfaser entspricht der Fähigkeit, die Kapazität von 2,5 Festplatten mit großer Kapazität pro Sekunde zu übertragen.

Wenn ein LKW Daten schneller transportieren möchte als über Glasfaser, muss er in der gleichen Zeit mehr Festplatten transportieren. Darüber hinaus transportieren LKWs Festplatten im Allgemeinen nicht sehr schnell. Bei einer allgemeinen Aufgabe beträgt die Gesamtzeit, die zum Auseinanderbauen und Zusammenbauen der Festplatten und zum Fahren des LKWs auf der Straße erforderlich ist, mindestens einen Tag oder 86.400 Sekunden.

Während dieser 86.400 Sekunden kann die Glasfaser theoretisch kontinuierlich Daten mit einer Geschwindigkeit von 2,5 Festplatten pro Sekunde übertragen, und die Gesamtmenge der übertragenen Daten entspricht 216.000 Festplatten. Daher kann die Informationsübertragungsgeschwindigkeit nur dann höher sein als bei Glasfaser, wenn die Zahl der gleichzeitig mit dem LKW transportierten Festplatten 216.000 übersteigt.

Die Masse einer großen Festplatte mit hoher Kapazität beträgt etwa 700 Gramm. Da Vibrationen während des Transports die Festplatte jedoch beschädigen können, muss die Festplatte während des Transports stoßfest verpackt werden. Nach einer groben Schätzung wiegt jede Festplatte nach dem Verpacken in einer stoßfesten Verpackung 1 kg. Dann beträgt die Gesamtmasse der 216.000 Festplatten 216 Tonnen. Die zulässige Gesamtmasse eines LKW beträgt in unserem Land 49 Tonnen. Natürlich ist ein LKW mit einer Nutzlast von 216 Tonnen in der Regel nicht für den Straßenverkehr zugelassen.

Mit anderen Worten: Der schnellste Weg zur Datenübertragung auf der Welt ist heute die Glasfaser und nicht ein LKW voller Festplatten.

Wirtschaftliche Vorteile

Aus praktischer Anwendungsperspektive besteht jedoch auch heute noch viel Raum für die physische Übertragung von Informationen.

Die maximale Geschwindigkeit von Glasfaser kann nur in Labors oder in den Backbone-Knoten von Betreibernetzwerken erreicht werden. Die Datenübertragung über diese Glasfasern ist sehr teuer. Darüber hinaus ist es in vielen Fällen nicht kosteneffizient, eine einzelne Glasfaser zur Datenübertragung zu verwenden. Genau wie meine Internetgeschwindigkeit spiegelt sie bei weitem nicht die physikalische Grenze wider, sondern lediglich die begrenzten finanziellen Mittel.

Das typischste Beispiel ist das Foto eines Schwarzen Lochs. Im Jahr 2019 veröffentlichte das Event Horizon Telescope (EHT) das weltweit erste Foto eines Schwarzen Lochs, das mit acht weltweit verteilten Millimeter-/Submillimeter-Radioteleskopen aufgenommen wurde. Die Menge der Rohbeobachtungsdaten beträgt bis zu 4 PB (1 PB = 1024 TB). Die Daten müssen gemeinsam verarbeitet werden, aber die Netzwerkgeschwindigkeit zwischen dem Teleskop und dem Rechenzentrum ist nicht schnell genug. Um die Daten gemeinsam zu verarbeiten, ist es am schnellsten, die Festplatte voller Daten direkt an das Rechenzentrum zu übermitteln . Würden sich Astronomen nicht wünschen, dass ihr Internet schneller wäre? Natürlich möchten sie das, aber die Kosten für den Aufbau eines Backbone-Netzwerks sind für sie zu hoch.

Mit der Weiterentwicklung der Technologie steigt jedoch auch die Kosteneffizienz kabelgebundener Netzwerke. Im Jahr 2016 startete Amazon den Snowmobile-Dienst zur Datenübertragung per LKW. Dies ist ein Schwerlast-LKW mit 18 Rädern, der mit Festplatten beladen ist, wobei jeder LKW eine Kapazität von 100 PB hat. Doch im Jahr 2018 gaben einige Unternehmen an, dass die Kosten für die Nutzung des Lkw zu hoch seien und die Nutzung eines kabelgebundenen Netzwerks zur Datenübertragung möglicherweise eine günstigere Option sei. Im April dieses Jahres hat Amazon das Projekt abgebrochen.

Gleichzeitig hat Amazon jedoch eine weitere kleinere und flexiblere Datenübertragungslösung auf den Markt gebracht: Snowball EDGE, das etwa so groß wie ein Koffer ist, 22 Kilogramm wiegt und bis zu 210 TB Daten speichern kann. Western Digital hat außerdem einen Aktenkofferserver herausgebracht, der 368 TB Daten speichern kann. Es kann in der Hand getragen oder als Speicherserver in einem Computerraum installiert werden.

Der Kern des Problems besteht daher darin, welche Methode bei echten Benutzern beliebter ist. Derzeit scheint es, dass LKWs für den physischen Datentransport etwas zu groß sind. Für den temporären Datentransferbedarf von mehreren Hundert TB bis zu mehreren PB kann die direkte physische Übertragung jedoch auch heute noch eine kostengünstigere Option sein.

Der physische Datentransport und die Glasfasernetzübertragung haben jeweils eigene Anwendungsbereiche. Obwohl die Vorteile der Glasfaser zunehmen, stellt die physische Transportmethode noch immer ein eigenes Fachgebiet dar.

Verweise

[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

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (id: huanqiukexue)

Autor: Wang Yu

Herausgeber: Zhong Yanping

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin

Das Titelbild und die Bilder in diesem Artikel stammen aus der Copyright-Bibliothek

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