Dado que los cables transportan electricidad moviéndose a la velocidad de la luz, ¿por qué las redes informáticas no son mucho más rápidas?

Dado que los cables transportan electricidad moviéndose a la velocidad de la luz, ¿por qué las redes informáticas no son mucho más rápidas?

Tal vez pueda abordar su confusión con una pregunta retórica:

Dado que el aire transporta el sonido moviéndose a la velocidad del sonido, ¿por qué no puedo hablarte mucho más rápido?

La velocidad del sonido es mucho más lenta que la de la luz, pero a 340 m/s en el aire, sigue siendo bastante rápida. Sin embargo, esta no es la velocidad del canal, es su latencia . Es decir, si estás a 340 metros de distancia, me escucharás 1s después de que emita un sonido. Eso no dice nada sobre qué tan rápido puedo comunicarme contigo, lo cual está limitado por la eficacia con la que puedo hablar y qué tan bien puedes escucharme.

Si estamos en una habitación tranquila, probablemente pueda hablar muy rápido y todavía me puedes escuchar. Si estamos lejos o el ambiente es ruidoso, tendré que hablar más lento y claro.

Con las comunicaciones eléctricas la situación es muy parecida. El límite de velocidad no se debe a la latencia, sino a la rapidez con la que un extremo puede transmitir y el otro aún puede recibir de manera confiable. Esto está limitado por el ruido captado del entorno y las distorsiones introducidas por el cable.

Resulta que, especialmente para largas distancias, es más fácil (y más económico) fabricar un cable de fibra óptica que no permita interferencias externas e introduzca muy poca distorsión, y es por eso que se prefieren los cables de fibra óptica para largas distancias, altas red de velocidad.

Las razones de las propiedades superiores de la fibra óptica son muchas, pero un avance significativo es la fibra monomodo . Estas son fibras que, a través de una geometría cuidadosamente controlada y una investigación lo suficientemente inteligente como para ganar un premio Nobel , admiten la propagación electromagnética en un solo modo. Esto reduce significativamente la dispersión modal , que tiene el efecto indeseable de "difuminar" o "difundir" los pulsos que codifican la información. Este es un tipo de distorsión que, si es excesiva, hace que la señal recibida sea ininteligible, lo que limita la velocidad máxima a la que se puede transmitir la información.

Otra ventaja es que las comunicaciones de fibra óptica funcionan a una frecuencia extremadamente alta, lo que reduce la dispersión cromática , una distorsión debida a diferentes frecuencias que se propagan a diferentes velocidades. Las longitudes de onda típicas utilizadas en la fibra se encuentran en torno a los 1550 nm, o una frecuencia de alrededor de 193000 GHz. En comparación, el cable de categoría 6a se especifica solo hasta 0,5 GHz. Ahora bien, para transmitir información debemos modular algún aspecto de la señal. Una modulación muy simple sería encender y apagar el transmisor. Sin embargo, estas transiciones significan que la señal no puede consistir en una sola frecuencia de luz ( componentes de Fourier), por lo que las diferentes componentes de frecuencia del pulso estarán sujetas a dispersión cromática. A medida que aumentamos la frecuencia de la portadora pero mantenemos la tasa de bits igual, el ancho de banda fraccional disminuye. Es decir, las transiciones de la modulación se vuelven más lentas en relación con la frecuencia portadora. Por lo tanto, la dispersión cromática se reduce, ya que la señal se vuelve más como una sola frecuencia de luz.

La fibra monomodo moderna es tan buena que la tasa de información suele estar limitada por nuestra tecnología para fabricar los receptores y transmisores en los extremos, no por el cable. Como ejemplo, se desarrolló la multiplexación por división de longitud de onda (y se mejora constantemente incluso hoy en día) para permitir que múltiples canales coexistan en la misma fibra. Varias veces, las redes se han actualizado actualizando los transceptores en los extremos, dejando el cable sin cambios. Teniendo en cuenta el costo de actualizar un cable transcontinental, la ventaja económica debería ser obvia.

Como probablemente habrás adivinado, la velocidad de la luz no es la limitación. Los fotones en el vacío viajan a la velocidad de la luz ($c_o$). Los fotones en cualquier otra cosa viajan más lento, como en su cable ($0.64c_o$). La cantidad en la que se reduce la velocidad depende del material por la permitividad .

La información en sí es aún más lenta. Un fotón no lleva mucha información. La información se codifica típicamente en el cambio de estados de la energía. Y estos cambios de estado solo pueden propagarse a velocidades más bajas que la velocidad de transmisión fundamental.

Detectar tanto la energía como las tasas de cambio requieren materiales físicos para convertir los fotones en algo más utilizable. Esto se debe a que el canal utilizado para la transmisión suele conducir energía a una tasa máxima denominada ancho de banda. El ancho de banda del canal es el primer límite en las velocidades de la red. La fibra óptica puede transmitir señales con grandes anchos de banda con menos pérdidas que los cables de cobre.

En segundo lugar, las señales codificadas tienen mucha sobrecarga. Hay una gran cantidad de datos adicionales transmitidos con corrección de errores, información de enrutamiento, encriptación y otros datos de protocolo además de los datos sin procesar. Esta sobrecarga también ralentiza el rendimiento de datos.

Por último, la cantidad de tráfico en una red puede ralentizar la velocidad general del sistema a medida que se pierden datos, se producen colisiones y hay que volver a enviar los datos.

EDITAR: Veo que has cambiado tu pregunta un poco....

En otras palabras, estoy preguntando, ¿qué tiene un cable de fibra óptica que lo hace más rápido que un cable Ethernet?

La fibra óptica tiene la capacidad de conducir cargas de energía más altas. Los fotones con energías más altas, por definición, están en frecuencias más altas.

$E_{photon}=hf$dónde$h$es la constante del tablón (h=6.63*10^-34 Js) y$f$es la frecuencia del fotón.

¿Por qué importa la frecuencia? Por cómo funcionan los sistemas de comunicación. Por lo general, configuramos una señal fuerte que oscila en la frecuencia más eficiente para que el canal de transmisión la conduzca. Si la frecuencia es demasiado baja y perdemos la potencia de nuestra señal, y si es demasiado alta, perdemos potencia. Esto se debe a cómo responde el medio a diferentes niveles de energía de carga. Entonces hay un$F_{max}$y un$F_{min}$.

Luego agregamos información a la oscilación cambiándola a algún ritmo. Hay muchas formas de agregar información pero, en general, la cantidad de información que puede agregar es proporcional a la velocidad a la que el canal puede responder o al ancho de banda del sistema. Básicamente tienes que quedarte en el medio$F_{max}$y$F_{min}$.

Da la casualidad de que cuanto mayor sea la frecuencia operativa, más fácil será obtener anchos de banda cada vez más amplios. Por ejemplo, una radio a 1 GHz con un ancho de canal del 10 % solo permite velocidades de conmutación máximas de 100 MHz. Pero una señal de fibra óptica a 500 THz con un ancho de canal del 10 % significa una tasa de conmutación máxima de 50 THz. ¡Gran diferencia!

Quizás se pregunte por qué los canales tienen límites de frecuencia y por qué 10%. Acabo de elegir el 10% como un ejemplo típico. Pero los canales de transmisión de todo tipo tienen límites en cuanto al tipo de niveles de energía que absorben, reflejan y conducen. Para un ejemplo aproximado, los rayos X que son cargas de alta frecuencia o alta energía, atraviesan muchos materiales, mientras que el calor, que tiene una frecuencia más baja que la luz óptica, no se transmite bien a través del papel, pero sí a través del vidrio. Entonces, hay frecuencias donde los fotones pueden usarse para transportar energía y frecuencias donde no pueden.

Sí, todos viajan en$c_o$en el espacio libre y más lento en otros medios, pero no pueden transportar información a la misma velocidad o superior. Quizás te interese leer el Teorema de Shannon-Hartley .

Una línea de transmisión está formada por un par de conductores que tienen cierta resistencia, inductancia, capacitancia y conductancia de fuga. Podemos tomar todos estos por unidad de longitud:

La ecuación de onda para señales en esta línea, en el límite de un cable sin pérdidas con$R=0$,$G=0$, es

De hecho, la derivación en wikipedia continúa mostrando que, en el límite de un cable sin pérdidas, la salida es

Claramente, la inductancia y la capacitancia por unidad de longitud de un cable dependen principalmente de su geometría y, en cierta medida, de las propiedades magnéticas y dieléctricas del espacio alrededor y entre los cables. Sería interesante encontrar valores de$L$y$C$que dan$v=c$, o$v>c$; No lo he hecho yo mismo, pero sospecho que las consideraciones geométricas por sí solas harán que esto sea imposible para cables paralelos separados por vacío, cables coaxiales y otras geometrías comunes sin introducir algún metamaterial mágico.

"Seguramente esto es un cuello de botella" - No, realmente no lo es. Cualquier conexión de red de la vida real no está limitada por la velocidad de propagación de la señal en el cable, sino por los retrasos de procesamiento en los diversos enrutadores, conmutadores y el procesamiento de la interfaz de red en cada extremo.

¿Qué tan seguro estás de que la electricidad viaja a la velocidad de la luz? Aunque la propagación de la electricidad se mueve a la velocidad de una onda E/M, y no de electrones, su velocidad depende de la constante dieléctrica del material. Solo en el vacío, creo, viajaría a la velocidad de la luz.

¿Por qué sólo el 64%? ¿Qué significa velocidad de propagación? Sé que hay otras variables que afectan la latencia y la velocidad percibida de las conexiones de red de computadoras, pero seguramente esto es un cuello de botella.

La velocidad de propagación de la señal es la distancia que recorre la señal (paquete) en un segundo. Suele ser inferior a$c$porque las ondas EM que transportan la información viajan en metal o cualquier medio material con menor velocidad que$c$. Ver velocidad de grupo y teoría de la dispersión.

La velocidad de la señal determina la latencia mínima, pero aumentarla cambiando el medio o usando una banda de frecuencia diferente tendría poco efecto en la velocidad máxima de datos de la línea de transmisión (bits/s transferidos). Esto está determinado más por la energía eléctrica utilizada para la transferencia, la intensidad del ruido y el ancho de banda utilizado, así como las capacidades de la electrónica en los extremos. Los cables ópticos no se utilizan por su velocidad de propagación de señal más rápida, sino por sus otros beneficios, como un ancho de banda utilizable mucho más amplio.

Dos razones:

1) La velocidad de la luz en un "medio" es (casi*) siempre más lenta que la velocidad de la luz en el vacío.

2) La electricidad que se propaga en un hilo está sujeta a efectos inductivos y capacitivos que ralentizan su avance.

E incluso si los cables fueran infinitamente rápidos, los circuitos integrados no lo son. Una vez más, los efectos inductivos (un poco) y capacitivos (mucho) limitan la rapidez con la que una "puerta" IC puede "cambiar".

Curiosidad interesante: los cables que conectan los puntos del "backplane" de la "supercomputadora" Cray 1 (ca. 1976) tenían todos la misma longitud, ya sea que el cable se extendiera una pulgada o 30 pulgadas. Esto aseguró que tuvieran el mismo retraso de propagación.

(*) Recuerdo vagamente que los chicos del laboratorio han creado escenarios extraños donde la luz se propaga a través de ciertos medios especiales "más rápido que la luz".

La velocidad de los electrones que circulan por el cable, es decir, la corriente , es de unos pocos m/s. La onda EM se propaga mucho más rápido. De todos modos, la velocidad de una computadora no depende intrínsecamente de la velocidad de los electrones, sino de la velocidad de transferencia de energía entre los componentes electrónicos.