[2651] Air Gap

Title Text:You can still do powerline networking, but the bitrate does drop a little depending on the lightbulb warmup and cooldown delay.

Origin:https://xkcd.com/2651/

https://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/2651:_Air_Gap

物理隔离

你仍然可以接入电网,但由于灯泡的预热和冷却延迟,网速会略微降低。

http://xkcd.in/comic?lg=cn&id=2651

这是兰德尔的另一个 秘诀,这次是能量秘诀。

漫画将计算机网络安全和电力安全的概念混为一谈,产生了滑稽的效果,导致提出的解决方案非常不切实际和无效。计算机安全中,气隙是一种用于保护敏感计算机或计算机网络的措施,将它们与更广泛的互联网隔离开来,因为计算机经常通过互联网被入侵。同时,在电气工程中,电流隔离是一种防止电流在两个电路之间流动的措施,相反,信号和能量通过间接方法交换,例如磁、光或无线。这用于将危险的高压电路与设备的其余部分隔离,确保设备和人身安全,还用于将敏感的测量仪器与外部噪声、干扰和浪涌隔离开来。

Randall建议通过气隙来提高家庭电源的安全性,使用通电灯泡的光为太阳能电池板供电,然后为家庭供电,这样你的房子和公众之间就没有物理有线连接电力网络。为了信息安全,它通过监视电力线上的电气活动来防止攻击者学习任何信息(侧信道攻击)。为了电气安全,它将保护太阳能电池板后面的设备免受雷击等电涌的影响(在不正确接地的家庭中,这可能会炸毁灯泡,但不会轻易冒着将光伏电池及其逆变器之外的设备炸毁的风险)。

这是一个大而低效的光隔离器版本。由于效率低下,这种方法会浪费大量能源。由于这个问题,现实世界中的光隔离器仅用于传输信号,几乎没有用于传输功率。

标题文字提到,计算机仍然可以通过电力线网络通过电源连接到互联网,但是带宽会因灯泡的预热和冷却延迟而减少,这会将灯泡可以完成的信号速率降低到没有对于白炽灯泡,每秒超过数百比特。然而,由于太阳能电池板不能发出信号,单向链路只允许信息向一个方向传播。它在专门的高安全性计算环境中被称为数据二极管,以避免信息泄露。但它对传统网络毫无用处,因为基本的请求和确认无法从太阳能电池板后面传送到灯泡。早期的用于数据网络的通信卫星系统使用高带宽单向下行链路与低带宽地面电话线配对以进行出站传输,但这种网络配置仍然非常少见。[需要引用]

兰德尔的解决方案当然是个笑话。但实际上,他本可以使用隔离变压器,它可以通过变化的磁通量实现电力传输,而无需导电路径。大多数变压器,包括“壁式”电源适配器,都提供这种形式的隔离,并使用保险丝和其他电路保护设备免受噪声、电压瞬变、大多数浪涌和电击危险。它们还通过滤除高频来限制电力线网络带宽。

这部漫画的外观和主题让人想起被诅咒的连接器系列。但是如果没有漫画中编号的诅咒连接器,这不是那些连接器之一。

为什么这将是低效和不切实际的

  • 即使是节能的 LED 灯泡,将电能转化为光的效率也只有 35% 左右,其余的则以热量的形式散发。
  • 气隙在将光从灯泡传递到电池板方面效率低下,导致来自灯泡的一些光丢失到太阳能电池板以外的地方,例如观察者的眼睛。粗略的猜测可能是,在所示配置中,只有不到 60% 的光会到达面板,即使假设是完美的反射器。
  • 太阳能电池板在将光转化为电能方面的效率通常约为 20%,据世界纪录称,单一光源的效率约为 40%。

所有这些降低效率的因素,以及其他因素,加在一起。因此,只有一小部分能量会在气隙的两端之间传输,从而使电路需要更多的电力并且成本效率更低。例如,上述慷慨的假设导致 96% 的功率丢失。

如图所示的解决方案显示了一个明显正常的灯泡,通常消耗的功率不超过 250 瓦,而且功率通常要小得多。鉴于上述效率问题,它将提供不到十分之一的功率。

这怎么能有理论上的好处

隔离变压器有几个固有的局限性,必须与其他滤波和浪涌保护设备一起使用。第一个问题是额定电压,很难找到额定电压超过几千伏的电源电压隔离变压器。其次,变压器在稳态直流和低频 50/60 Hz 交流故障中提供强大的保护,但对差模瞬变和浪涌的保护有限。如果电涌的大量能量恰好与变压器的工作频率重叠(对于开关模式电源,这大约是几千赫兹),则电涌可以部分绕过变压器并进入所谓的隔离敏感设备。寄生电容是另一个问题。每当两个导体被绝缘体隔开时,就会形成电容器,变压器内部的绝缘绕组也不例外。在 100 MHz 时,即使是 20 pF 的微小电容的阻抗也是 79.5 jΩ。结果,即使变压器两端的直流阻抗为几兆欧,但它在高频下会迅速恶化,从而使噪声和干扰绕过变压器并进入敏感的测量仪器。更糟糕的是,变压器的初级和次级会辐射强烈的电磁干扰,因为一个偶极天线是由两个不同电位的金属板组成的。辐射被抑制 允许噪声和干扰绕过变压器并进入敏感的测量仪器。更糟糕的是,变压器的初级和次级会辐射强烈的电磁干扰,因为一个偶极天线是由两个不同电位的金属板组成的。辐射被抑制 允许噪声和干扰绕过变压器并进入敏感的测量仪器。更糟糕的是,变压器的初级和次级会辐射强烈的电磁干扰,因为一个偶极天线是由两个不同电位的金属板组成的。辐射被抑制用电容器桥接变压器,使高频时两侧电位相同。缺点是电容会进一步增加,并且可能会降低隔离电压额定值,因为电容器通常是屏障中最薄弱的部分。

因此,当安全或电磁干扰问题至关重要时,无论其效率如何,都必须不惜一切代价避免电气连接。已开发出光纤供电 (PoF)技术来满足这些需求。使用激光器、光伏电池和介于两者之间的光纤,可以将隔离负载放置在很远的距离,从而实现高电压额定值和极低的寄生电容。一个例子是公用电网规模的高压隔离,此时电压可以达到 10 kV 或更高。《电子设计》杂志报道了 2006 年初的一款产品,发射器中的激光器消耗约 48 瓦或功率,以便在接收器上提供约 720 毫瓦的功率——效率为 1.5%。最近,Avago(现为 Broadcom)也将这项技术商业化,接收器的售价为 710 美元。“在 1.5 W 的激光入射 […] 下,可以在 5.0 V 的工作电压和 600 mW 的总功率输出下提取高达 120 mA 的电流。” 典型应用包括“高压电流传感器和换能器”、“E 场和 H 场探头”以及“MRI/RF 成像线圈和患者监测设备”。

说到计算机安全,由于功率要求高,这种极端措施是不切实际的。但考虑到现有的小众行业应用,它仍然不是 100% 超出想象的范围。在绝密安装中,计算机上的敏感信息不应该能够传输到外界,无论是恶意软件故意还是通过旁通道监视信息泄漏。电力线上的电气活动和数字噪声是一种易于使用的侧信道,这种装置会使它变得不那么实用。

理解混淆笑话的上下文

这部漫画有趣的一种相对晦涩的方式涉及将两个概念混为一谈的关系。计算机安全中的功率分析是一种旁道攻击形式,攻击者出于某种原因观察和/或操纵设备的功率使用情况——例如,为了深入了解受保护的进程,或者在不必泄露信息的情况下泄露信息。使用受监控的网络连接。消防安全中的功率分析意味着测量电路的功率因数、瓦特、电阻、电感、电容、伏特和安培。

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