當前位置: 華文問答 > 數碼

有哪些事實沒有一定電腦知識的人不會相信?

2018-10-12數碼

在電腦網絡中,不需要很大的網絡,就會碰到 光速極限 的限制。

光速是每秒30萬公裏。但是光在光纖(玻璃)中的速度大約是每秒20萬公裏。折合一毫秒200公裏,一微秒200米。

而現在的電腦內的高精度計時器(HPET)基本上都可以達到0.1微秒以上的計時精度。也就是說,只要兩台機的網線超過20米,它們之間的網絡訊號延遲就已經可以測量出來了。

如果說上述延遲的實際影響僅存於理論上的話,那大一點的網絡就會影響實際問題了。

如果是稍大一點的網絡,例如說廣州到北京,2000公裏,光是不可避免的訊號延遲就已經達到了10ms。這個延遲值已經可以顯著的影響實際套用了——例如說傳輸吞吐率,例如說高精度時間戳等。受這些影響,例如說分布式系統,或者數據同步/ 備份系統等,都需要有針對性的設計和考慮。

好幾個朋友在評論中指出了類似的問題:

光在光纖中是斜斜的走的。
……
在光纖裏,光是不斷折射傳播的, 實際距離比直線傳播遠多了
……
延時應該更高點,因為光在光纜中不是順著光纜線直線傳播的,而是透過不斷折射傳播的,所以20米的光纜線,光在裏面走了20*1.414=28米

因此,(計算延遲時)應該把這路程差異考慮進去。

應該說,你們確實考慮得很仔細。然而,你們是被半桶水的科普給誤導了。因為幾乎所有對光纖原理,以及全反射的科普裏,都是這樣的圖:

還有這樣的直觀效果:

當然,這確實也是光纖,也有一定的套用(因為便宜)。然而,這種簡單的光纖,會導致嚴重的色散。所以,在通訊領域,尤其是長距離幹線通訊領域,我們實際使用的,都是 自聚焦 的多模光纖或者(原理上)更復雜的單模光纖。

這種多模光纖的結構並不是上面說的那種簡單的內外兩層全反射,而是 折射率漸變 的:

直觀點的話,光在這種光纖中的實際路徑是這樣的:

因為內層的折射率大,而外層的折射率小,光在外層走時,雖然路程較長,但是因為折射率較低,所以速度也較快。所以,只要設計好每層的折射率 梯度 ,使得 光速差 剛好能補償其 光程差 ,就可以實作: 自聚焦 效果——也就是無論光實際走哪條路,總是能同時到達對端(當然,這是理論理想情況)。

所以,一般計算這種自聚焦光纖的延時,我們只需要直接計算沿子午線(中心)傳輸的路徑就可以了,不需要額外考慮光程差帶來的額外延時。

至於單模光纖,其實光在光纖裏面的執行方式已經不適合用大家所熟悉的幾何光學來描述了。所以,幾何光學裏的「折射」/「全反射」/「平行」等幾何光學裏的概念,都不太合適用於這個場合。需要用「非線性光學」才能去研究和描述裏面的行為,所以就不詳細展開了。

但是計算延時的話,也同樣只需要計算沿子午線的傳輸距離就行了。