Когда интернет станет сверхбыстрым и как после этого изменится мир? Простые ответы на 9 технических вопросов

Как можно превратить видео в единицы и нули и сколько знаков получится из пятиминутного ролика?

Вся информация в современном мире: видео, софт, игры, музыка, чертежи, таблицы и прочее — передается в двоичном коде, с помощью единиц и нулей.

Видео состоит из множества кадров, каждый кадр — из множества пикселей. Чтобы передать картинку, нужно с помощью двоичного кода описать свойства каждого ее пикселя (цвет и яркость). При этом на каждый пиксель уходит примерно 3 байта информации, что равно 24 битам — или 24 единицам и нулям.

Посчитаем, на сколько знаков раскладывается видео

В видео с разрешением 768×1024 первая цифра (А) — это количество пикселей по вертикали, вторая (В) — по горизонтали. Перемножим их и получим количество пикселей на одной картинке — 768 432, то есть меньше одного мегапикселя. Умножаем это число на 24 — это количество знаков, необходимых для описания одного пикселя. Получается, чтобы передать информацию об одном кадре, нужно отправить почти 19 млн знаков. Умножаем это значение на 25 (кадров в секунду) и на 300 (количество секунд в пятиминутном ролике).

А × В × 24 × 25 × 60 = число знаков, описывающих все пиксели в 1 минуте видео

Итак, чтобы полностью передать пятиминутный ролик в посредственном качестве, нужно отправить 141,5 млрд единиц и нулей.

Но если бы всё так работало, то пятиминутное видео весило бы около 18 гигабайт! Многовато: чтобы загрузить такое даже с неплохим домашним интернетом, понадобится не меньше 20 минут.

Эту проблему решают специальные кодеки — программы, которые сжимают видео при передаче: они описывают не все пиксели без разбора, а, где можно, экономят знаки. Например, сообщают, что следующие десять пикселей одинаковые или что все пиксели на этом кадре черные или белые.

С помощью кодеков можно сжать объем передаваемой информации в сотни раз — с некоторыми потерями изначального качества или без них. В итоге размер пятиминутного видеоролика в таком разрешении вместе со служебной информацией составит примерно 100 Мб (это 800 Мбит или 800 млн единиц и нулей).

Испытания самых быстрых беспроводных сетей обмена данных показывают, что сегодня возможно передавать сотни миллиардов таких знаков в секунду.

Как видео передается в другую часть света?

Всё дело в радиоволнах — примерно тех же, что использовались больше ста лет назад в первом радио. Для обмена информацией в современных компьютерах (смартфонах, планшетах, ноутбуках, ПК и пр.) есть два устройства: передатчик для отправки данных и приемник для их получения.

Обмен данными устроен так. Допустим, вы со смартфона отправляете приятелю видео со вчерашней вечеринки. Оно хранится в памяти телефона в виде двоичного кода — гигантской последовательности единиц и нулей. Если добавить к этим знакам некоторую техническую информацию (например, с адресом доставки), то это и будет сообщением, которое нужно передать.

Устройство разбивает его на небольшие части (пакеты данных) и с помощью передатчика начинает отправлять в виде радиоволн. Определенному состоянию таких волн присваивается значение единицы, а другому — нуля; это называется модуляцией.

Радиоволна с закодированной информацией отправляется к ближайшей точке связи — Wi-Fi-роутеру или базовой станции мобильной связи. Оттуда пакеты данных, на которые разбито ваше сообщение, почти мгновенно разлетаются по миру через гигантскую систему связанных кабелей. По ним фрагменты сообщения добираются до ближайшей к вашему приятелю базовой станции (или роутеру) — а затем снова превращаются в радиоволну, которая отправляется ему на смартфон. Там единицы и нули снова превращаются в кадры видео, и ваш друг узнает, что он упустил вчерашним вечером. В современных сетях всё это происходит за доли секунды.

Передаваемой таким образом информации очень много, а становится всё больше и больше: компания Cisco сообщила, что в 2017 году только мобильного трафика в мире передавалось 11,5 эксабайта (млрд гигабайт) в месяц, а к 2022 году это число должно вырасти до 77,5 эксабайта.

Как сообщение путешествует по миру и точно находит адресата?

Все подключенные устройства постоянно и незаметно для пользователя «общаются» с ближайшими к ним точками доступа к интернету: в беспроводных локальных сетях — с Wi-Fi-роутерами, в сетях мобильной связи — с базовыми станциями.

Ваш смартфон обменивается с базовыми станциями технической информацией. Благодаря этому устройства «понимают», что работают в одном диапазоне частот и, когда понадобится, смогут обменяться данными. Когда вы отправляете другу видео, телефон посылает сообщение на ту точку доступа, с которой они работают в одном частотном диапазоне, — в первую очередь, вашего оператора связи.

Оборудование на станции принимает сообщение, обрабатывает техническую информацию с адресом получателя, преобразует ее и отправляет в виде света по системе оптоволоконных кабелей, связывающих даже самые далекие населенные пункты на всех материках. К Wi-Fi-роутеру, который стоит дома у вашего друга, подключен оптоволоконный кабель: для работы с ноутбуков и смартфонов мы больше используем беспроводной сигнал, но на большие расстояния сообщения передаются по проводным сетям. Скорость такой передачи данных, как правило, в разы выше и надежнее, чем беспроводной.

Правда ли, что радиоволны с закодированной информацией повсюду, и опасно ли это?

В больших городах высокочастотные радиоволны, которые используются в мобильной связи или сетях Wi-Fi, окружают нас постоянно.

Нет доказательств, что радиоволны (электромагнитное излучение) вредны для людей.

На сайте Всемирной организации здравоохранения говорится следующее:

«ВОЗ пришла к выводу, что имеющиеся фактические данные не указывают на то, что электромагнитные поля низких уровней вредят здоровью. Однако в знаниях о биологических эффектах есть пробелы, поэтому необходимо проводить дальнейшие научные исследования».

Доказано, что электромагнитные поля, которые исходят от мобильных устройств при передаче данных, способны нагревать ткани тела. Но из-за низкой мощности мобильных устройств этот нагрев очень слаб.

Некоторые исследователи опасаются, что даже такие слабые электромагнитные поля повышают вероятность возникновения различных опухолей. Чтобы минимизировать риски (существование которых не доказано), эксперты Американского онкологического общества даже рекомендуют разговаривать по телефону не более получаса в день и не держать устройство возле головы. Они советуют выбирать мобильные телефоны, у которых удельный коэффициент поглощения (Specific Absorption Rate, SAR) электромагнитной энергии не выше 0,6 ватта на килограмм.

Проверить SAR своего телефона можно здесь.

Может ли кто-то ли перехватить видео, которое я отправляю, и посмотреть его?

Теоретически — да, перехватить чужое сообщение несложно. Чтобы в этом не было смысла, при передаче данных используется шифрование. Отправляя информацию, программы и приложения, данные шифруют, а чтобы при получении сделать их понятными, используют специальный ключ.

То есть поймать радиоволну с сообщением можно, но без ключа особого смысла в этом нет — расшифровать данные будет очень сложно. Именно такие ключи шифрования отказывается передавать российским властям мессенджер Telegram.

Другой способ сохранения приватности используется в даркнете. Для работы в этой части интернета необходимо специальное программное обеспечение: оно многократно шифрует данные и использует для их передачи особую инфраструктуру, помогая сохранять анонимность.

Например, браузер Tor оборачивает сообщение в множество криптографических слоев, после чего отправляет его по случайной цепочке маршрутизаторов (доверенных промежуточных узлов сети). На каждом узле можно дешифровать только один слой и открыть инструкции по дальнейшей пересылке — но не само сообщение. При этом в передаче данных участвуют не меньше трех узлов маршрутизации.

За счет этого в промежуточных точках нет информации об отправителе, адресате и содержания сообщения. Такой принцип передачи шифрованных данных называют «луковая маршрутизация» — по аналогии со снятием многочисленных слоев лука.

Обмен сообщениями в даркнете с помощью Tor считается самым защищенным от прослушивания и фиксации цифрового следа пользователя. Поэтому даркнет широко применяют в самых разных целях: для выхода в интернет в странах, где это ограничивает государство (Китай), для анонимного общения журналистов с информаторами или для незаконной деятельности — продажи наркотиков и распространения детской порнографии.

Правда ли, что скорость передачи данных постоянно растет?

Да, причем быстро, в среднем на 50% каждый год. На начало января 2020 года средняя скорость мобильного интернета в мире составляла 31,95 Мбит/с (делим на 8 и получаем мегабайты в секунду), при кабельном соединении — 74,32 Мбит/с.

Скорость беспроводного интернета зависит от многих факторов:

• пропускная способность проводного соединения,
• свойства базовой станции,
• расстояние между устройством и точкой доступа к сети,
• возможность подключать множество устройств к одной базовой станции,
• степень надежности передачи данных и др.

Общее увеличение скорости — поступательный процесс, который в первую очередь зависит от того, как развита инфраструктура сетей передачи данных. Но главное — это повышение пропускной способности сети, то есть передачи большего объема данных за единицу времени в одном канале.

Показатель 50, 100 или 200 Мбит/с, который обещает провайдер домашнего интернета, — это как раз пропускная способность кабеля, который протянут к роутеру у вас на антресолях. Это верхняя планка — ваш интернет физически не может работать быстрее.

Но может медленнее. Например, часть сигнала теряется из-за затухания беспроводного сигнала; старые роутеры (вроде 802.11g) не могут поддерживать высокие скорости. В итоге реальная скорость домашнего интернета снижается до 30 или даже 10 Мбит/с.

Как увеличить скорость интернета?

Способ 1: увеличить ширину полосы, в которой передаются сигналы. Чем шире каналы, тем больше в них можно одновременно передавать сигналов, то есть данных. Например, новейшие точки доступа Wi-Fi используют в 8 раз более широкие каналы, чем устаревшие: 160 МГц вместо 20 МГц.

Самый перспективный для развития мобильной связи диапазон частот — 3,4–3,8 ГГц: он позволяет использовать особенно широкие каналы, а сигналы в нем хорошо проникают в помещение. В России его используют только военные и силовики, а государство пока не готово передать его операторам связи.

Способ 2: эффективнее использовать уже имеющийся спектр частот. Для этого применяют многоантенные системы — технологию MIMO (Multiple Input Multiple Output). За счет использования нескольких антенн (скорее всего, на вашем роутере их как минимум 2) MIMO выделяет на одном участке диапазона ряд каналов и отправляет сигналы внутри него по разным траекториям. Это позволяет «уплотнить» один радиочастотный диапазон и транслировать в нем сразу несколько непересекающихся потоков информации.

За счет технологии Wi-Fi 5 и Wi-Fi 6 сегодня на роутерах работает до 8 антенн, а Wi-Fi 7 увеличит это число до 16. На базовых же станциях мобильной сети смогут размещаться сотни антенн. И здесь очень важна работа умных алгоритмов, которые подбирают оптимальные маршруты для радиоволн, чтобы каналы от этих 8 (16, 100 и т. д.) антенн не пересекались.

Ожидается, что Wi-Fi 7 будет работать на скорости около 40 Гбит/с, но массово его будут внедрять только после 2025 года.

Способ 3: уменьшить размер соты, то есть сократить расстояние между абонентским оборудованием и базовой станцией. Для этого нужно существенно увеличить городскую сеть базовых станций — разместить промежуточные узлы на столбах, крышах, стенах зданий. Чем меньше расстояние между станциями, тем меньше затухает сигнал и тем больше информации он может передать. Малые соты массово устанавливают уже сейчас, в том числе в России.

Способ 4: использовать сверхвысокочастотные миллиметровые волны в развивающихся технологиях передачи данных, например 5G и новых поколениях Wi-Fi. Для них есть огромное незанятое пространство в соответствующих диапазонах, которое дает огромную пропускную способность.

При работе в таком диапазоне скорость может достигать 300 Гбит/с.

Основная сложность при использовании таких волн состоит в том, что они очень сильно затухают, встречая препятствия: закрытая дверь, человек, дождь или даже туман могут стать существенной преградой на их пути. Кроме того, чтобы перейти на работу с миллиметровыми волнами, придется обновить практически все устройства, участвующие в передаче данных. Пока непонятно, как решить этот вопрос, но в перспективе это станет прорывной технологией.

Что такое 5G?

5G — это очередное, пятое, поколение сотовой связи. Для сети 5G есть три класса требований:

• 1 — увеличение скоростей передачи данных в 100 раз по сравнению с мобильными сетями 4-го поколения;
• 2 — уменьшение задержки при передаче пакетов до 1 миллисекунды;
• 3 — увеличение эффективности работы множества автономных устройств интернета вещей.

Для полноценного внедрения 5G недостаточно просто обновить смартфоны и оборудование на базовых станциях — необходимо комплексное развитие инфраструктуры сети передачи данных. И это довольно сложно.

Необходимые условия для запуска 5G примерно те же, что были описаны выше. Нужно:

• уменьшать расстояния между точками доступа к сети — развивать сети тех самых малых сот;
• использовать широкие полосы радиочастотного спектра (которые в России заняты военными);
• менять архитектуру мобильной сети, делая ее более гибкой — подстраивать под нужды конкретных сервисов;
• снижать задержку при передаче данных — время, которое пакет данных проводит в сети, пока не выйдет в интернет;
• использовать технологию Massive MIMO, при которой нужно до 256 антенн и более.

Много шума вокруг технологии 5G возникло не просто так. Ее распространение существенно повысит скорость мобильного интернета — до сотен мегабит или даже 1–2 Гбит в секунду.

Это даст возможности для развития сервисов нового типа — например, таких, когда очень сложные вычисления производятся в облаке, а пользователю отправляется только результат в виде огромного потока данных.

Тогда не нужно будет покупать мощные компьютеры для сложных вычислений, рендеринга визуализаций, обработки видео или гейминга.

К апрелю 2020 года в мире развернуто уже более 7,4 тысячи точек подключения к 5G, из них больше 5000 — в США. Правда, в реальности технология пока полноценно не работает: скорость интернета слишком сильно зависит от близости к источнику сигнала.

Внедрение 5G обходится недешево: ожидается, что мировые расходы на подготовку инфраструктуры к концу 2020 года составят 2,7 трлн долларов. В России полноценный запуск 5G планируется в 2022–2024 годах. Пока это единичные случаи — так, в августе 2019 года пилот 5G был запущен в Москве на Тверской. Как теории заговора, которые связывают распространение коронавируса с сетями 5G, повлияют на эти планы и прогнозы, сейчас оценить сложно.

Зачем увеличивать скорость интернета?

Евгений Хоров, кандидат технических наук, руководитель лаборатории беспроводных сетей ИППИ РАН, рассказывает:

«Развитие технологий беспроводных сетей сильно меняет мир. Для сотовых сетей самым значимым будет существенное уменьшение задержки при передаче данных. Сегодня она очень большая — десятки миллисекунд, и развитие огромного количества индустриальных приложений требует ее уменьшить.

Например, сверхнадежная связь с малой задержкой принципиально изменит беспилотный транспорт. Если у нас на улицах 2–3 беспилотника, то единственный плюс от этого — не нужен водитель. Если же у нас будет много таких машин, это может реформировать систему дорожного движения в городе. Например, можно будет строить перекрестки без светофоров.

Представьте: беспилотные автомобили едут по перпендикулярным дорогам без остановок — просто проскакивают в свободном месте, вписываясь в интервалы движения друг друга.

Для этого нужно, чтобы они могли обмениваться данными гораздо быстрее и надежнее, чем это возможно сейчас. Если пакет данных потерялся при загрузке веб-страницы, вы просто увидите ее на долю секунды позже, а в случае с автомобилями будет авария.

Другая сфера, в которой сверхнадежная связь сыграет важную роль, — телемедицина. Речь не о консультациях с врачами по видеосвязи — можно будет проводить операции на расстоянии. Первоклассный столичный врач сможет без ограничений оперировать нетранспортабельных больных и тех, кто живет в отдаленных деревнях.

Сверхнадежная связь с малой задержкой повлияет на автоматизацию производств. Небезопасные для человека процессы будут проходить без присутствия людей. Роботами можно будет эффективно управлять дистанционно.

Увеличение скорости передачи данных позволит запустить VR-приложения, уже есть несколько проектов по облачной виртуальной реальности. Смысл их в следующем: чтобы построить очень красивую и правдоподобную картинку в режиме реального времени, нужны мощные видеокарты. Они могут находиться в облаке, но очень близко от пользователя. На них производятся вычисления, а абонент получает только изображение.

Чтобы виртуальная реальность оставалась реальностью и не „тормозила“, картинка должна сжиматься незначительно и доставляться за очень короткое время. И вот здесь как раз потребуются высокие скорости передачи данных. За секунду нужно будет передавать гигабиты информации.

Важно, что в разговоре о таких технологиях речь идет не о каком-то далеком будущем — речь, условно, о завтрашнем дне».