Медленный свет: почему интернет тормозит, хотя электричество «бежит со скоростью света»

Заблуждение, с которым мы сталкиваемся постоянно, звучит примерно так: электричество распространяется со скоростью света, а интернет по оптоволокну — заметно медленнее. Из этого делают вывод, что медь принципиально быстрее стекла, а вся задержка интернета — это «физика оптики». Вывод красивый, но неверный, и разбираться с ним интересно не ради спора, а ради того, чтобы понять, где на самом деле живут те самые пинги, которые нас бесят.

Начнём с главного тезиса, который ломает всю картину: электроэнергия не передаётся со скоростью света. Никогда не передавалась и передаваться не будет — во всяком случае в привычных нам линиях.

Кто на самом деле бежит по проводу

Скорость электронов в медном проводнике — величина почти оскорбительно маленькая. При типичных токах в бытовом проводе электроны дрейфуют со скоростью порядка долей миллиметра в секунду. Выключатель щёлкнул — а электроны, которые доберутся до лампы, могли бы догнать улитку, если бы бежали наперегонки.

Но лампа загорается мгновенно. Почему? Потому что переносит энергию не сам электрон, проталкивающийся сквозь кристаллическую решётку, а электромагнитное возмущение — волна поля, которая бежит вдоль проводника и «толкает» электроны по всей его длине почти одновременно. Электроны в проводе — это не поток, а очень медленно ползающая очередь, которую разом сдвигают.

Так вот, скорость этой волны — не скорость света в вакууме. Она равна

v = c / sqrt(εμ)

где c — скорость света в вакууме, ε — диэлектрическая проницаемость среды вокруг проводника, μ — её магнитная проницаемость. Звучит абстрактно, поэтому сразу к цифрам. Типичные скорости распространения сигнала в реальных линиях, в долях скорости света:

• витая пара (тот самый Ethernet) — 0,6–0,7 c

• коаксиальный кабель — 0,66–0,8 c

• дорожки на печатной плате — 0,5–0,7 c

• высоковольтная воздушная ЛЭП — 0,95–0,99 c

То есть сигнал в медном кабеле движется на две трети скорости света — ровно так же, как свет в оптоволокне. Медь и стекло в этом смысле не конкуренты, а соседи по школе. Ирония в том, что ближе всех к «истинной скорости света» подходит не витая пара, а голый провод, висящий на столбах: вокруг него воздух, ε почти единица.

Почему свет в стекле медленный, и почему это не проблема

Оптоволокно — это стеклянная нить с показателем преломления сердцевины около 1,45–1,5. Свет в ней движется со скоростью примерно 200 000 километров в секунду, то есть около 0,67 c. Это не инженерная недоработка, а фундаментальное свойство: фотоны в среде взаимодействуют с веществом, и полностью уйти от этого нельзя. Можно лишь снижать показатель преломления, что постепенно и делают, — но предел всё равно останется заметно ниже вакуума.

Теперь простая арифметика. Разница между 0,7 c в меди и 0,67 c в оптике — это несколько процентов. На магистрали длиной 5000 километров это разница порядка 100 миллисекунд против 105. Никто из нас этот надбавочный «штраф» никогда не заметил бы, если бы не реальная задержка интернета, которая измеряется десятками и сотнями миллисекунд. Значит, её причина — где-то в другом месте. И она там.

Где на самом деле тормозит интернет

География. Кабель редко идёт по прямой. Трасса от вашего роутера до сервера — это ломаная, огибающая города, морские проливы и чужие границы. Реальная длина пути легко превышает геометрическую прямую в полтора-два раза. Свет не может проложить траншею там, где не дали разрешения на прокладку.

Маршрутизаторы. На каждом узле пакет нужно принять, проверить, положить в очередь, пересчитать заголовок и отправить дальше. Единичная операция — микросекунды, но узлов десятки, и суммарно это уже заметный вклад.

Очереди и буферы. Когда канал занят, пакет ждёт. Вот где живёт самая болезненная часть задержки: ожидание в буфере коммутатора или роутера легко даёт миллисекунды, то есть на порядки больше, чем «медленное стекло» на всей длине кабеля.

Протоколы. TCP перед первым байтом полезных данных хочет handshake, TLS сверху добавляет ещё пару обменов. Каждый round trip умножается на задержку распространения. На канале с пингом 150 мс три рукопожатия — это почти полсекунды до первого байта, и ни один из них не тратится на то, чтобы свет бежал быстрее.

И главное — путаница понятий. «Скорость интернета» в мегабитах — это не скорость, а пропускная способность: сколько данных проходит в секунду. Оптоволокно выигрывает у меди не в беге, а в грузоподъёмности: по одному волокну можно пропустить терабиты, по витой паре — гигабиты. Мы купили оптику ради объёма трафика, а не ради того, чтобы фотоны бежали быстрее электронов.

Небольшая честность про энергосистему

То же самое, кстати, относится и к энергосетям. Когда горят заголовки «отключение в одном регионе моментально сказалось на другом, потому что электричество летит со скоростью света» — это художественное преувеличение. Распространение волны по энергосистеме занимает миллисекунды на тысячу километров, но переходные процессы, работа релейной защиты, синхронизация генераторов — всё это куда медленнее и сложнее, чем одна бегущая волна. Устойчивость энергосистем — отдельная инженерная дисциплина, а не следствие «мгновенной» скорости электричества.

Что осталось бы, если бы сигналы ходили со скоростью света

Допустим, завтра нам выдали магическую среду, где сигнал распространяется ровно со скоростью c — без всякого преломления. Сколько мы выиграем? Примерно треть задержки распространения. Пинг через океан упал бы с ~60 мс до ~40. Ощутимо? Наверное, для трейдеров и игроков — да. Для «почему YouTube грузится две секунды» — нет.

Остальные две трети останутся там, где и были: в ломаных трассах, очередях на маршрутизаторах, ожиданиях протоколов и в том факте, что данные физически лежат в другом полушарии. А значит, самый быстрый «кабель» — это тот, которого не нужно проводить: кэш, CDN и колокация серверов поближе к пользователю дают выигрыш в десятки раз, тогда как оптимизация среды распространения — в лучшем случае в полтора.

Вместо вывода

Так что честный ответ на вопрос из заголовка звучит скучнее, чем хочется: и медь, и стекло пропускают сигнал примерно с одинаковой скоростью — порядка двух третей скорости света, потому что и в том, и в другом случае сигнал движется в веществе, а не в вакууме. Электроэнергия «со скоростью света» — миф, и электронов, бегущих с фоторепортёрской скоростью, тоже не существует. А интернет тормозит не потому, что свет в стекле ленив, а потому, что по дороге он стоит в очередях.

Это, пожалуй, единственная интеллектуальная отмычка к интуиции о сетях, которую стоит унести из статьи: полоса — про объём, задержка — про путь. Всё остальное — инженерия вокруг этих двух величин.