Verwenden von Schallwellen in Schicht 1

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Ist es theoretisch möglich, Schallwellen als physikalisches Medium für die Datenübertragung über ein Netzwerk zu verwenden?

Mit anderen Worten, könnten Sie Schicht 1 des OSI-Netzwerkmodells mithilfe von Schallwellen implementieren, oder verstehe ich die Physik- / Netzwerkkonzepte völlig falsch?

layer1  osi 
— ggreiner
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Nun, Modems verwendeten akustische Koppler, die Schallwellen zur Datenübertragung verwendeten.
— Ron Maupin
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Passiert das nicht jedes Mal, wenn Sie Worte sprechen?
— user1686
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Nun, Sie können Tauben als Schicht 1 verwenden, daher sollten Schallwellen durchaus machbar sein.
— Dim verlorenes Vertrauen in SE
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Abgesehen davon spielte der ursprüngliche Hack, der den ursprünglichen iPod / iPhone jailbroke, die ausführbare Datei des Betriebssystems als Audio über den Kopfhörer ab und modulierte sie rückwärts, um herauszufinden / zu erraten, was der private Schlüssel für die Datenverschlüsselung war. Das System wurde digital gesperrt und jeder Versuch, Daten (einschließlich MP3-Dateien) zu übertragen, erhielt nur verschlüsselte Daten. Aber das Audio-Subsystem (aufgrund der Notwendigkeit, eine Schnittstelle zum unverschlüsselten menschlichen Ohr
— herzustellen
Für Layer 1 können viele Dinge verwendet werden. Haben Sie einen Grund zu der Annahme, dass dies nicht möglich ist?
— Mast

Antworten:

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Es ist sehr gut möglich. Selbst ohne die alten akustisch gekoppelten Modems, die sich schließlich zu einer direkten Verbindung mit einer Telefonleitung entwickelten, gibt es auch Programme, mit denen Sie eine Soundkarte als Modem verwenden können (ich habe einige zuvor für die Out-of-Band-Kommunikation beim Debuggen verwendet ein Ethernet-Treiber, obwohl ich direkte Audiokabel anstelle der eigentlichen akustischen Signalisierung verwendet habe), und das allgemeine Konzept wird bei IoT-Geräten für das Pairing mit einer Steuerungs-App auf einem Smartphone während des Setups immer beliebter (obwohl dies eher einem RFID-Tag-Ansatz entspricht ).

Dieser Ansatz hat jedoch eine Reihe ziemlich bedeutender Nachteile:

  • Für moderne Verhältnisse ist die Bandbreite sehr gering. Selbst mit Ultraschallfrequenzen sehen Sie unter guten Bedingungen immer noch nicht mehr als ein paar hundert Kilobit pro Sekunde. Dies macht es erheblich weniger als nützlich, außer für die Übergabe sehr kleiner Datenmengen (wie bei der oben erwähnten IoT-Nutzung, bei der normalerweise nur eine 802.11-Hardwareadresse und einige Authentifizierungsinformationen übergeben werden, damit eine Wi-Fi Direct-Verbindung hergestellt werden kann). .
  • Außerhalb sehr begrenzter Situationen ist es sogar abgesehen von der Signalfrequenz sehr langsam. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt ungefähr 340 m / s (geben oder nehmen Sie ein paar Dutzend m / s, basierend auf Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit und Luftqualität), was im Vergleich zu elektrischen Signalen oder elektromagnetischen Wellen (die sich mit ausbreiten) wahnsinnig langsam ist ungefähr die Lichtgeschwindigkeit), was bedeutet, dass die Signallatenz im Vergleich zu Wi-Fi oder Ethernet ziemlich hoch ist. Dies ist für die Kommunikation über sehr kurze Entfernungen nicht besonders wichtig. Sobald Sie jedoch einige Meter überschritten haben, wird die Latenz spürbar (stellen Sie sich vor, die Verbindung zwischen Ihrem Computer und Ihrem Router hätte eine längere RTT als der gesamte Rest des Netzwerks Pfad zu dieser Website kombiniert). Selbst die besten Schallleiter können höchstens das 35- bis 40-fache der Schallgeschwindigkeit in Luft erreichen, die immer noch wahnsinnig langsam ist.
  • Es ist äußerst empfindlich gegenüber der Umwelt. Ethernet ist solide genug, dass es nicht einmal abgeschirmt werden muss, wenn Sie über eine anständige Verkabelung verfügen. Wi-Fi kann manchmal schlecht werden, kann aber dennoch zuverlässig und zuverlässig nach bestimmten Frequenzbändern suchen, und EMI ist normalerweise ziemlich leicht zu finden und zu stoppen. Vibrationen und Geräusche sind jedoch überall . Auch dies ist eher ein Problem für die Kommunikation mit größerer Reichweite, aber es ist immer noch ein größeres Problem als für Wi-Fi, teilweise aufgrund des nächsten Punktes.
  • Schallsender mit hoher Sendeleistung sind sowohl für die Umwelt als auch für Menschen ziemlich gefährlich. Um eine Reichweite von mehr als ein paar Metern zuverlässig zu erreichen, bevor das SNR so hoch wird, dass Sie kein wiederherstellbares Signal haben, müssen Sie mit einem Schalldruck arbeiten, der hoch genug ist, um einen dauerhaften Hörverlust zu verursachen. So viel Energie kann auch empfindliche Gegenstände leicht beschädigen.
— Austin Hemmelgarn
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"ein paar Meter" im letzten Absatz scheint übertrieben. Ich kann ein paar Meter entfernt mit jemandem sprechen, ohne so laut schreien zu müssen, dass ich mein eigenes Gehör schädige.
— user253751
@immibis, mit jemandem in ein paar Metern Entfernung zu sprechen, hat eine sehr niedrige Datenrate und enorme Fehlerkorrekturen.
— Mark
@ Mark ja, aber es ist „erhält zuverlässig jede Art von Reichweite über etwa ein paar Meter vor dem SNR wird so hoch , dass Sie kein erzielbarer Signal haben“ ohne „bei ausreichend hohen Schalldruck Betrieb bleibende Hörschäden zu verursachen“.
— user253751
@immibis Sie müssen für diese Art von Dingen so ziemlich Ultraschallfrequenzen verwenden, um Störungen durch Personen zu minimieren, die sprechen, sich bewegen und nur in der Nähe existieren. Die Frequenz beeinflusst die Schallausbreitung, und höhere benötigen einen höheren Schalldruck an der Quelle, um einen Tonabnehmer in einer bestimmten Entfernung zuverlässig anzuregen. Wenn Sie versuchen, die akustische Kopplung auf einem IoT-Gerät aus einer Entfernung von mehr als einigen Metern zu verwenden, werden Sie feststellen, dass sie nicht zuverlässig funktioniert und dass die Bandbreite gering ist.
— Austin Hemmelgarn
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Alles, was Informationen transportieren kann, kann als physische Schicht verwendet werden - Schallwellen sowie Tauben .

Einige Luftspaltangriffe verwenden (Ultra-) Sound, um über den Luftspalt zu kommunizieren.

Da jedoch die Frequenzen selbst für Ultraschall ziemlich niedrig sind (einige kHz), wäre auch die Datenrate niedrig (einige kbit / s). Auch die Reichweite von Schallwellen beschränkt die Nutzung auf einen einzelnen Raum.

— Zac67
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Über "Einzelzimmer". Nicht unbedingt wahr, da Schallwellen (wie fast alle anderen Wellen im Prinzip) verstärkt werden können - werfen Sie
— Agnius Vasiliauskas
@AgniusVasiliauskas Ja, natürlich - aber praktisch ist die Reichweite sehr begrenzt, ebenso wie die nutzbare Bandbreite. Sie können viel tun, um die Übertragungsqualität zu verbessern, aber warum nicht einfach HF, Kupfer oder Glasfaser verwenden?
— Zac67
Ich sage nicht , dass wir müssen Schallwellen für Informationen Verkehrsmittel benutzen. Natürlich kann nichts die Lichtgeschwindigkeit bei elektromagnetischer Strahlung übertreffen. Es kann jedoch vorkommen, dass andere Optionen schlecht passen - beispielsweise in starken externen EM-Feldern (Sonnenwind usw.), sodass die Abschirmung auch für den Betrieb der EM-Kommunikation unpraktisch sein kann . Vielleicht könnten wir in diesem Szenario versuchen, einen auf Schallwellen basierenden Informationstransport zu verwenden? (Denken Sie daran, Tauben auf einer unbewohnten Insel zu haben, wenn ein Schiff
— überquert
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Bestimmt. Einige Optionen, die in anderen Antworten nicht behandelt wurden, aber ich denke näher am Kern Ihrer Frage:

  • Ein Shotgun-Mikrofonempfänger und ein ähnlicher Sender. Verwendet Luft als Medium.
  • Ein Piezosensorempfänger und ein ähnlicher Summer. Verwendet einen Stab aus (sagen wir) Holz, Kohlefaser oder Beryllium als Medium.

In beiden Fällen erzeugt ein dem Sender zugeführter elektrischer Impuls einen mechanischen Impuls durch das vom Empfänger zu erfassende Medium, wo er wieder in einen elektrischen Impuls umgewandelt wird.

In diesen beiden Beispielen haben wir keine Elektrizität zur Darstellung von Schall verwendet, sondern tatsächlich Schallwellen verwendet, die sich durch verschiedene Medien bewegen.

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Einer der ersten Computer verwendete Schallwellen in einem Quecksilbermedium, um Daten zu speichern. Obwohl es sich nicht um ein Netzwerkmedium handelte, handelte es sich dennoch um eine Methode zur Datenaufbewahrung, und dasselbe Konzept konnte für die Übertragung und Vernetzung verwendet werden

— Phi
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Ich habe das schon einmal gemacht, nicht weil es Sinn machte, sondern weil ich Lust dazu hatte. Amateurfunk hat alle möglichen Dinge dafür, insbesondere AX.25. Alles, was Sie über ein nicht digitales Radio senden, ist Audio, das vom Empfänger in Radiowellen und zurück codiert wird. Nehmen Sie das Radio aus der Gleichung und Sie bekommen, wonach Sie suchen.

Schauen Sie sich AX.25 sowie andere digitale Modems wie MT63 und PSK an. fldigi ist zu vielen fähig, obwohl es für Text erstellt wurde. Sie müssten also alle binären Daten auf base64 setzen.

— Duncan X Simpson
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AX.25 sendet jedoch nicht mit Schallwellen, es sei denn, Sie verwenden irgendwo eine akustische Kopplung des Signals. Es handelt sich immer noch um eine EM-Übertragung (genauer gesagt, AX.25 ist ein Protokoll zum Codieren digitaler Informationen auf einem analogen Signal, ohne dass ein Ton benötigt oder beteiligt ist).
— Austin Hemmelgarn
@Austin Hemmelgarn Es ist so codiert, dass es als Audiogerät gesendet wird. Obwohl es oft nicht über Lautsprecher gesendet wird, ist es sinnvoll, es als Ton zu betrachten.
— Duncan X Simpson
Aber es ertönt immer noch nicht, bis es tatsächlich über Lautsprecher, ein Piezoelement, eine Tesla-Spule oder ein anderes Gerät abgespielt wird, das das elektronische Signal in Luftschwingungen umwandelt.
— Austin Hemmelgarn
@Austin Ja. Und das ist möglich. Und ich habe es geschafft. Was ist los mit meiner Antwort?
— Duncan X Simpson
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AX.25 ist keine physikalische Schicht und es sind keine Schallwellen. Das erzeugte Signal kann als physikalische Schicht in Schallwellen umgewandelt werden, aber Ihre Antwort macht dies nicht wirklich klar.
— Austin Hemmelgarn
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