De snelheid van licht bedraagt tot 299 792 458 meter per seconde. Op zich een indrukwekkend getal, maar toch gaat niet alles even vlot. In verbinding treden met tegenvoeters bijvoorbeeld: de vertraging op onze communicatie is zo groot, dat sommige activiteiten simpelweg onmogelijk zijn. En blijven. 

Ongeveer 300 000 kilometer per seconde, zo snel gaat licht. Als kind waren we behoorlijk onder de indruk van dit getal, dat zelfs op de snelheidsmeter van een Ferrari niet voorkwam. En ook bij nader inzien lijkt licht ontzettend snel. Al is het maar omdat geluid zo ontzettend traag is. We hoeven maar te kijken hoe de buurman in de verte een paaltje in de grond klopt (eerst beeld, dan geluid), of hoe bliksem inslaat (eerst bliksem, pas seconden later donder). Er werd ons ook verteld dat de lichtsnelheid in sommige gevallen traag kon zijn, als de afstand maar groot genoeg is. Het zonlicht doet er immers niet minder dan 8 minuten en 19 seconden over, om van de zon naar de aarde af te dalen — een vreemde gedachte, die we maar liever van ons afschudden. En dat was niet moeilijk, want astronomische bedragen spelen zich per definitie ver van ons bed af, zodat we er op aarde nooit iets van merken … of toch?

Traag geluid, snel licht
Licht kan reizen zonder middenstof, geluid kan dat niet. Geluid wordt immers doorgegeven als trilling van een middenstof, en kan om die reden wel door lucht reizen (en luchtdeeltjes doen trillen), maar niet door vacuüm (want daar is niets om te trillen). Licht is van een compleet andere aard; het volgt de wetten van elektromagnetische golven, waaraan ook elektriciteit, UV, infrarood en radiogolven onderhorig zijn. Dit trekt dan ook een duidelijke scheidingslijn, met aan de ene zijde geluid, aan de andere licht en consorten.

De snelheid van het geluid is letterlijk variabel als de wind: geluid in een vlakte plant zich sneller voort in de richting van de wind, omdat de dragers van het geluid, de luchtdeeltjes, in de goede richting gaan. Aangezien geluid voortplant als trilling van de middenstof, is deze bepalend voor de geluidssnelheid: 343 m/s in droge lucht van 20°C, tegenover 5120 m/s in ijzer. Deze variabiliteit staat in schril contrast met licht (en consorten), dat veel standvastiger is. Het snelst gaat licht in vacuüm, en dit met volmaakt constante snelheid, aangeduid met de letter c. Deze volmaaktheid leverde c in 1983 dan ook het statuut van absolute referentie op, toen men besloot om de eenheid “meter” te herdefiniëren, als een 299 792 458e deel van de afstand die licht in een seconde aflegt in vacuüm. Die beslissing plakte meteen ook een getal op de lichtsnelheid zelf, namelijk 299 792 458 m/s. Licht gaat dus ontzettend snel, maar kan tegelijk niet sneller dan dit getal. En Einstein leert ons dat dit geen toeval is: geen enkel voorwerp of signaal in dit universum kan ooit sneller dan de lichtsnelheid in vacuüm.

Daarenboven is licht onderhevig aan vertragingen door de middenstof. De snelheid van licht in lucht (bij kamertemperatuur) valt immers 0,3 promille lager uit dan in vacuüm. Grotere verschillen worden gemaakt in glas en glasvezel, waar het licht (afhankelijk van het type glas) ongeveer een derde van haar snelheid verliest. Dat snelheidsverlies heeft echter niets te maken met de trilling van de middenstof, het is eerder een soort van lokale snelheidsbeperking, die we kunnen uitdrukken in een brekingsindex (1,0003 voor lucht; ongeveer 1,5 voor glas). Anders dan bij geluid, is de variatie tussen verschillende middenstoffen beperkt: met zijn brekingsindex van 2,419 is diamant bijvoorbeeld al een heuse uitschieter, met ultrahoge brekingsindex. 
Overigens treedt ook voor elektriciteit, als familie van licht, een materiaalafhankelijke vertraging op, maar die valt nogal mee: in een onverpakte koperdraad op kamertemperatuur reist elektriciteit ongeveer 3 percent trager dan licht in vacuüm. Maar zowel voor licht (brekingsindex) als voor elektriciteit (geleider) treedt er dus extra vertraging op, die toevoegt aan de traagheid die licht in vacuüm heeft.


Trage centimeters
Wanneer we bovenstaande cijfers naar toepassingen vertalen, valt de lichtsnelheid voor hardwarespecialisten eerder traag uit. Traag, en dit niet alleen voor lange afstanden (zonlicht dat van de zon naar de aarde reist), maar ook voor korte. Elektriciteit bijvoorbeeld, een elektromagnetische golf die in onze computerbehuizing nog niet eens een meter ver moet—en toch blijken zelfs die verplaatsingen soms te lang. In een computer gebeurt alles immers aan het tempo van de processorklok, en die tikt behoorlijk snel. Hedendaagse processoren zijn geklokt op ruim een GHz (GHz = Gigahertz), wat overeenstemt met een miljard klokcycli per seconde. Elke klokcyclus duurt dus minder dan een nanoseconde, wat elektriciteit toelaat om amper 30 cm af te leggen.

Gegevensoverdracht in een computer bestaat dus niet alleen uit zenden en ontvangen, het bestaat ook uit wachten: geduld, om de elektriciteit de tijd te geven om te propageren. Om dit wachten in te perken, worden processors dan ook steeds compacter uitgewerkt, en besteedt men ook meer en meer zorg aan de interne schikking van de computermodules in de behuizing. Dit gaat in het bijzonder op voor grafische kaarten. Omdat een grafische kaart typisch onder heel korte deadlines werkt, en tegelijk grote datadebieten versast, plaatsen ontwerpers ze zo dicht mogelijk bij de processor. Al is het maar opdat wij als gebruiker  niet zouden moeten wachten tot ons beeld beweegt.

Haperende tegenspelers
Ook voor netwerkingenieurs valt de lichtsnelheid traag uit. Zo traag zelfs, dat de vertraging niet kan verborgen worden voor de eindgebruiker. In het bijzonder gamers staan er oog in oog mee, al zijn ze zich daar niet noodzakelijk van bewust. Ook muzikanten die deelnemen aan online jamsessies (improvisaties) blijven er niet van gespaard.


Door de traagheid van het licht worden online multiplayer games als Counter-Strike ernstig verstoord, telkens als tegenvoeters het tegen mekaar opnemen.

Nemen we eerst het voorbeeld van een online game. We denken hierbij aan games als Counter-Strike (en zijn opvolgers, zoals “Counter Strike: Source” (2004)), razend populair in de gaming scene. Het spel is een first-person shooter, een genre waar ook Wolfenstein 3D (1992) en Doom (1994) toe behoren.  In deze games, gekenmerkt door  het perspectief van een eerste persoon (de “ik”) komt het er op aan om tegenspelers af te knallen alvorens zij op hetzelfde idee komen. In Counterstrike gebeurt dit online, in een multiplayer omgeving, met tegenspelers die van over de hele wereld toetreden. Ondanks dit globale karakter, worden tornooien lokaal georganiseerd, en  kunnen spelers alleen toetreden indien hun verbinding een lage ping vertoont. (Ping of latency, begrippen die verband houden met de vertraging.) Een te hoge vertraging is immers nefast voor de spelervaring: in schietpartijen is de reactietijd van de speler in de grootteorde van 100 ms. Om die reden moet de vertraging op de verbinding bij voorkeur veel kleiner zijn dan deze reactietijd, en al zeker niet groter, om geen aanleiding te geven tot oneerlijke concurrentie. Te grote vertraging zorgt immers voor misrekeningen, waardoor het beeld van de bewuste speler verkeerd wordt weergegeven bij de tegenspelers. Spelers met een te hoge ping worden dus onverbiddelijk geweigerd, omdat het haperen van het beeld van de tegenspeler het spelplezier bederft.

In het gamersmilieu wordt een hoge (en dus slechte) ping dikwijls gezien als onvolmaaktheid van het netwerk: de betreffende verbinding wordt te traag geschakeld, biedt te weinig bandbreedte of vertoont te veel dataverlies. In het perspectief van de lichtsnelheid komen we echter tot andere conclusies: zelfs wanneer we in de toekomst over een eindeloos breedbandig en eindeloos snel schakelend netwerk beschikken, hebben we nog steeds te maken met trage kilometers. In het extreme geval van gamende tegenvoeters (Europeaan versus Australiër), zit er 20 000 km tussen beide spelers in. In een realistisch (en dus bochtig) netwerk loopt dit al gauw op tot 30 000 km. Voor licht in glasvezel, het standaardmedium voor lange-afstandsverbindingen, betekent dit een vertraging van 150 ms, wat voor gaming onaanvaardbaar is. In de toekomst zullen de belangrijke tornooien dus gepaard gaan met een fysieke samenkomst, zodat er kan gespeeld op hetzelfde lokale netwerk. Net als nu, want enkel zo ontsnappen we aan de traagheid van het licht.

Jammen in virtuele tijd
Minder bekend dan Counter-Strike is het recente fenomeen van online jammen. Muzikanten van over de hele wereld bedienen zich van mechanismen als NINJAM (Novel Intervallic Network Jamming Architecture for Music) om een live jamsessie over het internet op te zetten, waarin ze samen (al dan niet improviserend) muziek spelen. Door de traagheid van het licht hoort een muzikant elk van de andere muzikanten evenwel met een andere vertraging, wat een behoorlijke kakofonie oplevert. De vondst van NINJAM is om hiervoor op muzikaal verantwoorde manier te compenseren: elke muzikant hoort alle andere muzikanten met een gelijke vertraging, die groter is dan elke individuele vertraging, maar die wel samenvalt met een geheel aantal tellen in de muziek.  Op die manier is de vertraging prominent aanwezig, maar blijft het gevoel van ritme en metrum, zo belangrijk voor een muzikant, gevrijwaard. Dit resulteert in heel genietbare jamsessies, die zich evenwel niet in ware maar in virtuele tijd afspelen. Een grote troef van dit NINJAM-mechanisme is dat het een fundamenteel probleem oplost: hoe snel ook het netwerk, altijd zal er nood zijn aan een dergelijke compensatie.

Paardenmiddel
Beide voorgaande voorbeelden illustreren dat sommigen onder ons nu al oog in oog staan met de traagheid van het licht, ingebakken in het DNA van moeder natuur. Toegegeven, voor vele toepassingen hoeft deze vertraging ons weinig zorgen te baren,  en blijft deze vertraging beperkt tot een schoonheidsfoutje. Maar in de toekomst komen er ongetwijfeld toepassingen bij waarin vertraging een cruciale rol speelt. Wat dacht u bijvoorbeeld van chirurgie op afstand? Naarmate de vertragingsgevoelige toepassingen aan belang winnen, zal er ook vlijtiger naar oplossingen gezocht worden. Zoals men ooit gestart is met het leggen van kabels op de bodem van de Atlantische Oceaan, zo besluit men misschien ooit om een kabel dwars door de aardbol te trekken. Geologen schreeuwen moord en brand, netwerkingenieurs argumenteren dat het toch meteen goed zou zijn voor 36% minder vertraging. Een paardenmiddel, maar het scheelt toch wel een slok op de borrel.



Wie met tegenvoeters communiceert, ondervindt onvermijdelijk een vertraging van 150 ms. Een kabel dwars door de aarde? Goed voor 36% reductie.

Met dank aan Thomas Demoor, voor de waardevolle discussies over de inhoud van deze bijdrage.

Geschreven in Netwerken  Permalink 

Reacties :
• (2)
• Reacties
• Print dit artikel