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解读颠覆慢速互联网的三种技术的论文
宽带互联网为商业、远程学习、公民参与和知识共享带来了几乎无限可能。但我们只看到了未来的表面。
或者在不久的将来几种新技术，包括DOCSIS 3.1G.fast 和5G LTE，为世界上大部分地区提供数百兆、低于100 毫秒延迟的宽带互联网。
据Akamai 的2016 年第三季度互联网报告，全球互联网平均连接速度为6.3Mbps。这好像不错，但如果您要下载高清视频和流音乐，同时还要上网和Skype 通话的话，您就不会这么认为了。
换句话说，任何地方联网家庭典型的日常上网活动都有可能超过平均连接速度。韩国等高速地区，互联网平均连接速度为26.4Mbps，这抬高了Akamai 的平均指标。在美国，平均速度大约是15Mbps。世界上大多数人以大约4Mbps 的速度访问互联网。这对于入门级电子商务活动和知识共享没有问题，但满足不了大多数人上网的需求。相比我们所需要的，互联网仍然停留在“黑暗时代”。
但不会太长了。思科服务提供商业务部SP 基础设施市场管理经理Greg Smith 说:“在三到五年内，您将看到能够为家庭提供千兆服务。事实上，有线运营商都开始进行他们计划中的升级工作。Verizon FIOS、AT&T，他们有很多光纤到户。在一些农村地区，5G 开始承诺要覆盖这些地区，但这可能时间有点长。”
瓶颈在哪里?互联网的“核心”——骨干网提供商网络和许多ISP 网络的速度已经很快了，核心路由器使用100Gbps 互连来传送内容。而且，Mellanox 即将提供200Gbps InfiniBand 交换机，数据中心网络容量能够达到16Tbps，单个机箱的延时只有90 纳秒。思科有超过100 个ISP 使用其CBR-8200Gbps 宽带路由器，使服务提供商能够以每秒太比特的速度把数据传输给客户。据FCC 的2016 年宽带美国固网宽带评测报告，2015 年，使用光纤、电缆或者数字用户线(DSL)的美国宽带用户的中位数速度(不是平均速度)为39Mbps。这比2014 年提高了22%。大多数电缆和光纤提供商在大部分时间达到甚至超过了他们所宣称的速度。DSL 提供商也努力这样做，但很快就会有所改变了。
当然，“互联网”不是一个单一的实体。它是网络中的网络，每个网络的带宽和延迟都与其对应网络有关。因此，即使海底光缆可以向首端站提供高达40Tbps 的容量(其中80%仍然大部分未被使用)，并且地面骨干网提供商(例如，Level 3、Verizon、AT&T)，以每秒太比特的速度通过其网络传输数据，如果您本地ISP 的核心路由器性能达不到这种水平，那么您的路由器也不能很快的通过它连接您的设备。因此，您的互联网仍然很“慢”。
价格合理的802.11ac 千兆Wi-Fi 路由器目前应用已经很广泛了，如果家庭用户愿意投入，能够在很大程度上解决上述问题。
这一切都和地区密切相关。如果您住在美国田纳西州查塔努加，您可以通过光纤到户(FTTH)以10Gbps 速度上网，但是隔壁一个地区，您可能使用DSL，速度慢到只有几个Mbps，带宽有限的农村地区速度会更慢。
但是随着大约五年前4G LTE 无线网络的广泛推广，这些低速地区越来越少了。OpenSignal公司为移动网络提供商提供数据众包服务，据该公司，美国4G 用户81%的时间能够以LTE 的速度上网。固网宽带——DOCSIS，G.fast 和多播FTTH 的安装成本很高，这就是为什么一些供应商已经不再推出这类服务的原因。虽然有全国范围的光缆，但还只是星星点点的覆盖，只延伸到街道。这种情况不会太长了。两个数据通信标准在快速最后一英里覆盖上向光纤发起了挑战:全双工DOCSIS 3.1 和G.fast。这些技术中的每一种都使用光纤到分布点(FTTdp)用于回程，但服务提供商不必把光纤敷设到每一用户家里。全双工DOCSIS 3.1 是Cablelab“电缆承载数据服务接口规范”标准的最新版本。虽然DOCSIS3.1 已经提供了10Gbps 下行和1gbps 上行的峰值速度，而全双工DOCSIS 允许在HFC(混合光纤同轴)网络上以吉比特的速度上传和下载。
目前，电缆运营商使用DOCSIS 3.1，速度能够达到每秒数百兆比特。这已经接近光纤的速度了，而且有数百万美国家庭已经敷设了电缆，这使得电缆运营商比其竞争对手有明显的优势。Jeff Heynen 是SNLKagan 媒体与通信咨询总监，也是“2016 年第三季度电缆宽带增长数据报告”的作者，他说:“电缆运营商对未来几年中扩大其宽带普及率充满信心，主要是因为他们能够快速、低成本地推出DOCSIS 3.1。DOCSIS 3.1 支持电缆运营商提供千兆服务——和电信公司以及其他ISP 的光纤到户(FTTH)产品差不多。”
也许更重要的是G.fast，它在2011 年被国际电联批准为一个标准，现在终于开始由ISP 在全球推广。G.fast 也是用于同轴电缆。但受影响最大的将是DSL 用户，因为DSL 比电缆应用的更广泛，特别是在农村地区。G.fast 承诺在100 米双绞铜线电话线路上的速度达到500Mbps，距离较短时，速度会更快。这有助于大幅度降低运行FTTH 最后一英里的成本。全世界有超过十亿的人已经安装了铜链路，随时可以使用这一技术。
据DSL 设备制造商诺基亚，全球有5900 万用户已经使用G.fast 的前一代技术VDSL2 获得了100Mbps 的宽带。G.fast 是VDSL2 的下一代。而G.fast 的下一代是Xg-fast，现在正在开发中，在DSL 上可以实现千兆的速度。
移动宽带——5GLTE移动领域不但和固网宽带一样要求提高带宽，而且还迫切需要提高速度和降低延迟。据思科，移动IP 流量预计将比固网IP 流量增长速度快三倍，到2020 年，总计将占有所有IP 流量的16%。Akamai 的数据显示，语音手机流量在过去五年中仅增长了46%，而数据流量增长了1，600%。这是全球发展趋势。在非洲，到2020 年将有7 亿部智能手机在用——这一数字是目前北美的两倍。据国际电联/教科文组织“2016 年宽带状况报告”，截至2015 年底，全球移动用户约为47 亿，相当于全球人口的63%。
现在，移动带宽的平均速度是4Mbps，而许多国家(美国不在其中之一)达到了十几兆。英国远远高于所有其他地区，移动宽带连接的平均速度为27Mbps。
虽然4G LTE 网络在今天很普遍，但仍然不够快，延迟也不够低，难以满足大多数用户的需求。从技术上讲，4G LTE 标准要求以100Mbps 的峰值速度传输数据，但实际达不到。例如，Verizon宣称在美国家庭LTE 互联网速度下行为5M 到12Mbps，上行是2M 到5Mbps。他们还支持每月30GB 的数据使用量。令人惊讶的是，移动4G LTE 的平均下载速度更高——介于8M 和12Mbps之间，具体取决于您的提供商。但对于任何依赖LTE 进行宽带上网的人来说，这种体验还满足不了需求。
较新的智能手机用户(例如，iPhone 6)可以利用LTE Advanced 的优势，这是功能更强的LTE版本，把多个频带捆绑在一起，以提高吞吐量——如果运营商支持的话。Verizon 和AT&T 宣称LTEAdvanced 峰值速度在225M 到300Mbps 之间。LTEAdvanced 主要部署在美国城市，但据OpenSignal，经济和政治因素减缓了其推广应用。
现在对WiMAX 的讨论已经不那么热了，它是另一种移动宽带标准，类似于一些服务提供商销售的LTE，通过空中宽带向用户提供服务。它的速度和4G LTE 差不多，但它被许多运营商淘汰了，他们倾向于采用LTE。
未来十年最终会推出5G 网络，无线宽带有望在速度和延迟方面与地面铜缆和光纤相竞争。5G 预计能够向95%的终端用户提供100Mbps 的平均速度，而延时为1ms。峰值速度将在10Gbps范围。这样的吞吐量和延迟将允许成千上万的用户同时播放4K 视频。
5G 的承诺意味着生活在农村地区的人们终于可以轻松使用真正的高速宽带。手机运营商将不得不更新其前端来处理流量，但5G 避免了地面铜缆覆盖最后一英里的需求，为许多地区带来真正的高速宽带。
思科的Smith 说:“5G 的瓶颈的确是在从蜂窝塔传送回网络的回程网络中。我想这只是取决于您现在地面上有什么。这是最大的问题所在。”在这方面，一家名为Starry 的公司目前正在波士顿开展一个示范项目，该公司使用类似于5G的毫米波技术，通过塔和在窗户附近布设的Wi-Fi 路由器向用户“辐射”千兆互联网服务。OrionX.net 的合作伙伴Dan Olds 说:“它大概有一个汽水罐那么大，里面含有天线。他们在建筑物顶上安装了一个塔，可以服务于600 到900 名用户。这是真正的颠覆，要达到同样的上网速度，该项目一个用户的成本只有25 美元，而光纤每个用户的安装成本大约是2500 美元。”其他考虑在影响宽带行业发展的众多因素中，经济是提高互联网整体速度和容量的关键因素，而不是技术。今天，ISP 和多服务运营商(MSO)知道人们愿意为什么付费。但是一旦达到了基本质量要求，即30Mbps 和低于10 毫秒的延迟，那么应该继续向哪里投资呢?
Akamai 互联网状况报告的作者Dave Belson 说:“我们可以让每个人都获得千兆速度，但作为个人或家庭用户很难占用这么宽的带宽。”
毫无疑问，当Netflix 只需要25Mbps 就可以使用其4K 超高清服务时，几百兆或者千兆的互联网服务对于今天大多数家庭用户来说有些浪费了。但是，到2020 年，思科预计全球互联网流量是“2005 年全球互联网总量的95 倍”(每个用户比现在的7GB 增加了14GB)，对内容和服务的需求也将增加，要求能够通过IP 网络传送内容和这些服务。
对于Smith 来说，全IP 是关键。一旦所有流量都是IP 流量，物理网络层就不重要了。他说:“一旦一切都变成全IP，那么您大大简化了网络，因为您不再需要多层网络来提供服务。一切都是IP 包流。所以，网络应该如何发展真的是挑战，绝不会是简单的切换一下。”
今天的电缆、电话、光纤和蜂窝网络以数字/模拟混合的方式传送视频和语音数据流。这包括光纤骨干网。Smith 表示，光纤的目标应该是实现端到端以太网连接。
他说:“对于运营商来说，这是一个巨大的进步，最终，他们在最后一英里将只使用电缆DOCSIS。”电缆运营商提出了HFC plant/CMTS(电缆调制解调器终端系统)网络架构，“对于其它的，过渡到称为RemotePHY 的这种技术，他们将在光纤以太网中提供巨大的容量。”
最后，没有一种技术可以“统治所有一切”。硬件、软件、固件、协议、芯片组、应用、网络架构、设备、路由器、电缆、交换机、标准设置机构、政治等等，考虑到这些因素，让互联网“更快”似乎已经让人有些麻木了。
讨论的这些技术大部分已经存在很多年了，但只是现在向最终用户延伸。商业领袖、投资者、设计师、工程师、监管者和政治家们需要花费多年的时间一起来商定最佳方法。即使那样，MSO和骨干网提供商也必须确定哪些技术最好、最安全、利润最高。
Akamai 的执行副总裁、企业和运营商部平台兼总经理Robert Blumofe 说:“这不是一个单一的技术问题，不是下一代路由器能解决的问题，也不是下一代光能解决的问题。没有灵丹妙药。它是各种技术的集合。”
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