網路延遲與光速
在這篇短文中，我要向你介紹一個事實，那就是目前互聯網的延遲狀況基本不會再有很大改善了。因為在現有已知的物理理論中，目前的網速已經非常接近於極限值了 --- 如果要讓網路延遲下降到一半 --- 恐怕需要等待一些驚人的理論突破，並投入大量資金構建新的基礎設施才可能做到。而這些，短期來看是不太可能了。
這番言論我已經在不同的場合、跟不同的人闡述過很多次了。去年我以這個主題寫了一封郵件，現在我要改善下我當時寫的內容，並把最終結果整理到這裡，以便下次再有人讓我講這個話題的時候，我就直接丟給他這個鏈接就好了。
我2017年10月寫那封郵件的時候，我以ping csail.mit.edu開始我的行文。csail.mit.edu這個域名對應的伺服器據我所知是在麻省理工大學內，也就是在馬薩諸塞州。而我當時在西雅圖，坐在我的Windows工作機前。運行這個命令我得到這樣的結果：
ping返回的時間是一個來回的時間：包括數據包從我的機器發送到麻省理工伺服器的時間，伺服器處理這個請求並準備好返回內容的時間，將響應從麻省理工發回給我的機器的時間，以及我的機器把這個響應分配給請求的進程的時間。對於單程耗時的估算，我們可以簡單地把往返時間除2。所以我預估一個數據包從西雅圖發送到波士頓大概要35ms。
Google地圖告訴我從我的辦公室到麻省理工大概是4000km（約2500英里）。目前我們傳輸信號的介質基本上都是光纖或者銅質電纜。我們在大學裡就學到過，這兩種介質傳播信號的速度基本上都是真空中光速的2/3。這個2/3叫速率因素：這裡有一些具體的數字，Cat-6A雙絞線的速率因素是0.65（一般10G帶寬用的介質），Cat-5e的速率因素是0.64（一般1G帶寬用的介質），光纖是0.67。這些介質在速率因素上的差別很小，基本上都約等於2/3，所以下面文章中我也不會再區分介質進行介紹了。
用2500英里的距離除以2/3的光速，我們得到結果是20ms。這是從西雅圖到馬薩諸塞直線信號傳輸的最小延遲。我忽略了高度因素，並且認為地球是個完美的球形，所以結果會略有誤差。值得注意的是，這個20ms的結果已經高於實際情況35ms的一半了。所以前面我提到網路延遲下降到一半，似乎更加不可能實現了。
如果你想要構建一個網路（不僅僅是點對點的一根線），那麼你一定不會在每個兩點之間都拉一條直線。我們以公路為例，在Google地圖上，從西雅圖到馬薩諸塞的行車路線為4800km（約3000英里）。相比於直線距離，這要多出20%的路程。對於互聯網來說，同樣的估算也是基本合理的。所以，在一個更加真實的網路環境中，信號傳輸的最小延遲也相應地會有所增加，在我們的例子中，大概在24ms。
這意味著我們實測目前兩地的信號延遲是35ms，而理論上的最小值是24ms。剩下的11ms花在數據包在各個路由器中排隊，以及網路堆棧對數據包的處理上。這11ms是目前技術上可以優化的部分，但即便這11ms優化到0，也無法帶來1.5倍的提速。這就是為什麼我認為主幹網的網速已經沒有很大提升空間的原因。
如果你願意出錢構建一條網路專線，效果會怎麼樣呢？但是你用的技術和主幹網技術並沒有什麼不同，這只是減少了花在路由器排隊上的時間和繞路的時間，你的RTT可以提速到45ms~50ms的程度，不過也沒法再提高了。
建立專線，我們還是假設了你使用雙絞線或者銅線作為介質，並且線路是鋪設在地球表面的。如果我們假設你有錢任性到「有錢能使鬼推磨」的程度，我們以某種介質使得信號速度真的以光速傳遞，我們在兩地之間打一個真正的直線隧道，隧道內保證為真空，這樣建立一條「高能微波連接」。由於光存在一個發散角，所以這個設備的長度恐怕要幾里長。即便條件如此苛刻，這個設備還是會有人感興趣的，比如這個設備對於對延遲高度敏感的場景，如高頻交易，還是有用的。不過據我所知（我可能說的不準確），這種專線一般每一段都只有幾里長，而不是幾十里，更別說幾百里了。更長的鏈接往往是把多個專線串聯在一起，每一個連接點都會增加一點點延遲。所以實際傳輸速度一定是低於光速的，雖然我沒有具體的數據。當然了，這樣的系統需要光線毫無遮擋，這基本意味著它的容量不會很大，或者天氣及能見度會影響系統的性能。
無論如果，如果你真的能構建出這樣的系統，你的單程延遲應該可以降到12ms，往返延遲可以達到24ms。這比現有系統快了3倍，幾乎是理論上的極限了。而且這樣的系統太過昂貴，而且不穩定，還有很多未知的問題。
所以，總結一下：
1、如果你的網路連接質量很不錯，你的RTT應該差不多是理論最佳值的三倍。除非你能突破相對論，否則數據傳輸的速度不會快於直線光速。
2、如果你有錢任性到可以做任何事情，你有能力將你的延遲縮減到兩倍光速的程度，這樣相比於現有的主幹網，就可以獲得1.5倍的性能提升。
英文原文：https://www.ltechnologygroup.com/2018/01/20/network-latencies-and-speed-of-light/
譯者：詩書塞外
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