На волоске: как работает огромная сеть подводных кабелей, которая обеспечивает мир интернетом
95% международного интернет-трафика проходит по волоконно-оптическим кабелям, которые лежат на дне морей и океанов, они соединяют почти все центры обработки данных на территории разных стран. До недавнего времени большая часть оптоволоконных линий использовалась и контролировалась государствами и телекоммуникационными компаниями, но в начале 2022 года The Wall Street Journal сообщило, что Alphabet, Meta, Amazon и Microsoft стали крупнейшими пользователями их мощностей: доля этой четвёрки составляет 66%.
Отраслевые аналитики обеспокоены, что главные поставщики интернет-услуг завладевают инфраструктурой для обеспечения своих поставок. Автор статьи в WSJ объясняет переживания специалистов: «Представьте, если Amazon владела бы дорогами, по которым доставляет посылки». Однако участие технических гигантов в индустрии снизило стоимость и к тому же увеличило пропускную способность для международной передачи данных на 41%.
Кабель MARE, совместный проект Meta, Microsoft и Telxius, проложенный между Вирджиния-Бич (США) и Бильбао (Испания), способен передавать 224 терабит в секунду. Такой показатель далёк от того, с чем работали изобретатели в середине 19 века: для передачи одной буквы азбукой Морзе требовалось более двух минут.
От конопли до смолы: как защитить провод на дне океана
Идея трансатлантического коммуникационного кабеля появилась в 1839 году, когда Уильям Кук и Чарльз Уитстон представили свой телеграф. Одним из визионеров стал американский изобретатель и художник Сэмюэл Морзе, известный как основатель азбуки Морзе. В 1842 году он успешно проложил кабель в гавани Нью-Йорка, но искатели морских сокровищ разрезали его, приняв за ценную добычу.
Люди, однако, не были главной проблемой в развитии подводных систем, ею стала нехватка долговечности и прочности кабелей. Морзе использовал для изоляции проводов просмолённую коноплю и каучук. В 1842 году шотландский хирург Уильям Монтгомери привёз в Европу смолу дерева Palaquium gutta, именуемую гуттаперчей. Врач видел в ней потенциал для создания хирургических инструментов, тогда как английский учёный Майкл Фарадей начал использовать гуттаперчу в качестве изолятора.
В 1850 году компания John Watkins Brett’s English Channel Submarine Telegraph Company проложила подводный кабель через Ла-Манш, соединив Великобританию и Францию.
В том же году началось строительство телеграфной линии вдоль северо-восточного побережья Северной Америки: от Новой Шотландии до Ньюфаундленда. Проектом руководил инженер и основатель одной из канадских телеграфных компаний — Фредерик Гисборн. Линия не приносила прибыли, и в 1853 году компания инженера разорилась, после чего он приехал в Нью-Йорк, чтобы найти новых инвесторов.
В 1854 году Гисборн познакомился с финансистом и состоятельным продавцом бумаги Сайрусом Филдом. Бизнесмен вдохновился возможностью проложить коммуникационный кабель между США и Великобританией по дну Атлантики, его консультантами стали Сэмюэль Морзе и океанограф Мэтью Мори.
Британское правительство помогло Филду субсидией в 1400 фунтов в год, а Конгресс США — в 70 тысяч долларов. Некоторые американские политики назвали финансирование Филда неконституционным расходованием бюджетных средств, а идею прокладки трансатлантического кабеля — бессмысленной и провальной.
Важнейшая победа для всего человечества
Первая попытка соединить США и Европу прошла в 1857 году. Кабель состоял из семи медных проводов, был покрыт латексом из гуттаперчи, обмотан просмоленной коноплей и окружен спиралевидной оболочкой из железной проволоки. Попытка сорвалась, потому что трос оборвался и пришёл в негодность. Вторая попытка прошла неудачно по той же причине.
Наконец, 29 июля 1858 года корабли «Агамемнон» и «Ниагара» встретились посреди Атлантического океана и успешно соединили два конца кабеля длиной четыре тысячи километров и шириной полтора сантиметра.
Примерно через две недели королева Великобритании Виктория направила поздравление президенту США Джеймсу Бьюкенену. Виктория приветствовала «большую международную работу» двух стран, а Бьюкенен восхвалял «победу, более полезную для человечества, чем когда-либо одержанную завоевателем на поле боя».
Из чего сделаны современные подводные кабели
На конец 2021 года в мире используется около 436 подводных кабелей, а их совокупная длина составляет более 1,3 миллиона километров. Ближе к берегу они закапываются под океанское или морское дно, а на основном пути лежат на его поверхности. Некоторые линии довольно короткие, как 131-километровый CeltixConnect между Ирландией и Великобританией, а некоторые невероятно длинные, как 20 000-километровый кабель Asia America Gateway.
В основном кабели не шире садового шланга, но их сердцевина — это нити, передающие информацию, чрезвычайно тонкие, примерно как человеческий волос. В каждом кабеле находится от четырёх до двенадцати таких «нитей». Их покрывают вазелином и закрывают в медной или алюминиевой трубке, которая проводит электричество, необходимое для питания усилителей сигнала, установленных каждые 40-80 километров. Далее идёт поликарбонат и алюминиевый барьер для воды, а в завершение стальные многожильные провода, майларовая лента и полиэтилен.
Ближе к берегу кабели нуждаются в дополнительной защите от случайных повреждений и намеренных действий людей. Их покрывают слоем пластика, нержавеющей сталью и кевларовой бронёй.
Как прокладывают подводные линии
Прокладка линии — это долгий и дорогостоящий процесс, который начинается с изучения военно-морских карт для определения наиболее безопасного маршрута. Кабели необходимо размещать глубоко под водой на относительно плоском дне, где они не будут соприкасаться с камнями и подвергаться другим помехам. Также, изучая местность, специалисты избегают подводных течений и вулканических районов.
Как только маршрут проложен, корабли-кабелеукладчики начинают погрузку необходимого оборудования на борт, иногда этот процесс занимает месяц, а иногда год и больше. Например, длина совместного Facebook, Microsoft и Telxius кабеля MAREA почти семь тысяч километров, а вес более 4,6 миллиона килограммов. На его укладку ушло более двух лет.
После погрузки один конец кабеля доставляют к посадочной станции, устанавливая на него буи — так он держится на воде, чтобы предотвратить возможные поломки.
На глубине до тысячи метров линии закапывают под землю: с корабля спускают специальную машину-плуг, которая роет траншею и укладывает туда кабель. По мере отдаления корабля от берега буи отсоединяют от кабеля, а когда глубина становится безопасной, плуг поднимают и корабль продолжает путь. Большая часть линии, как правило, просто лежит на дне океана.
В зависимости от длины кабеля его протягивают цельным от берега до берега или соединяют посреди океана со второй частью, которая проделала такой же путь от посадочной станции на другой стороне.
Что будет, если кабель сломается посреди океана
Подводные кабели регулярно ломаются и требуют починки, но чаще всего пользователи этого не замечают, потому что большинство компаний распределяют пропускную способность своих сетей по нескольким линиям.
Чтобы определить точное место разрыва, специалисты посылают световой сигнал по оптоволокну и замеряют «длину его путешествия». Затем к месту обрыва отправляется ремонтный корабль и приступает к починке повреждённого участка.
Починить кабель можно под водой, используя дистанционно управляемый аппарат, а можно над поверхностью океана — в таком случае, обычный крюк поднимает повреждённую часть линии со дна и специалисты вручную исправляют дефект. Процесс занимает от пяти до семи дней, больше времени уходит на передвижение судна к месту аварии.
Например, 19 января 2022 года островное государство Тонга осталось без интернета из-за извержения подводного вулкана: он разрушил единственный оптоволоконный кабель, обеспечивающий страну стабильной связью. Ближайшее к Тонга судно, способное его отремонтировать, находилось на расстоянии 4700 километров. Перед отправкой корабля эксперты должны были убедиться, что район безопасен для экипажа: в частности, что извержение вулкана не повторится.
Вулкан в Тонга — это исключение. Обычно, две трети всех повреждений приходится на якоря, которые случайно цепляются за кабели. Среди других факторов: землетрясения и выход из строя подводных компонентов. Несколько лет назад на YouTube появилось видео, в котором акула атакует один из подводных кабелей, но несмотря на это, подводные жители не приносят ощутимого вреда.
Что происходит с кабелями, которые больше не работают
Подводные кабели проектируются с минимальным сроком службы в 25 лет, но их часто выводят из эксплуатации раньше, потому что они устаревают и не могут обеспечить такую же пропускную способность, как новые линии.
После вывода из эксплуатации они продолжают лежать на дне океана или выкупаются специальными компаниями, которые используют их в качестве сырья. Некоторые из «списанных» линий могут перенаправить в другие страны, для которых нет больших требований к пропускной способности.
«Полярный экспресс» и Ростелеком
По данным TeleGeography, в России проложено 9 подводных кабелей:
- BCS North — Phase 2. Соединяет Финляндию и Россию (Логи, Ленинградская область). Принадлежит: Arelion;
- Kaliningrad Cable. Соединяет Кингисепп, Ленинградская область с Калининградом. Принадлежит Ростелекому;
- Georgia-Russia. Соединяет Грузию и Россию (Сочи, Новороссийск). Принадлежит DanTelco, FOPTNET и Ростелекому;
- Russia-Japan Cable Network (RJCN). Соединяет Японию и Россию (Находка). Принадлежит: KDDI и Ростелекому;
- Hokkaido-Sakhalin Cable System (HSCS). Соединяет Японию и Россию (Невельск). Принадлежит NTT и ТТК;
- Sakhalin-Kuril Islands Cable. Соединяет Сахалин с Курильскими островами в четырёх местах: село Крабозаводское, Курильск, Южно-Курильск и Южно-Сахалинск. Принадлежит Ростелекому;
- Far East Submarine Cable System. Соединяет Камчатку (Усть-Большерецк), Сахалин (Оха) и Магадан (Ола). Принадлежит Ростелекому;
- Kerch Strait Cable. Соединяет Россию и Керчь. Принадлежит «Миранда-медиа», дочерней компании Ростелекома;
- Polar Express. Кабель вдоль северного побережья: от Мурманска до Южно-Сахалинска. Принадлежит правительству России.
Шесть из девяти линий принадлежит Ростелекому: единолично или в партнёрстве с другими компаниями. Последний проект, реализованный оператором в 2019 году, связал Сахалин с Курильскими островами. Протяжённость линии составила 831 километр, а пропускная способность сети — 40 Гбит/с.
Главным подрядчиком по строительству ветки «Сахалин-Курилы» стала китайская телекоммуникационная компания Huawei. Стоимость работ и услуг обошлась в 3,3 миллиарда рублей.
Другой, более масштабный проект, — подводный кабель «Полярный экспресс» протяжённостью 12 650 километров. Он простирается вдоль северного побережья России и, по плану, должен обеспечить пропускную способность в 104 Тбит/с. для стабильного интернета в арктических портовых городах, на Камчатке и Сахалине. Планируемый бюджет: 65 миллиардов рублей.
Линия на сто процентов разрабатывается государством. В её создании участвует Министерство транспорта, Федеральное агенство морского и речного транспорта и Федеральное государственное унитарное предприятие «Росморпорт». Эксплуатировать сеть будет Федеральное государственное унитарное предприятие «Морсвязьспутник», которое предоставляет услуги мобильной спутниковой связи.
Проект планируют закончить в 2026 году.
Могут ли спутники заменить оптоволоконные кабели
C 2015 года SpaceX Илона Маска создаёт глобальную систему орбитальных спутников Starlink для предоставления доступа к интернету — особенно для регионов, где нет высокоскоростного подключения. На данный момент услуга доступна в 36 странах, включая США, Канаду и некоторые страны Европы. Связь обеспечивают более двух тысяч низкоорбитальных спутников, а количество подписчиков интернет-сервиса составляет 400 тысяч человек.
Быстрорастущее направление SpaceX вызывает критику научного сообщества. Международный астрономический союз обеспокоен влиянием низкоорбитальных спутников на видимость ночного неба. Организация придерживается «принципа тёмного неба» без радиосигналов и светового загрязнения. Учёные заявляют, что «большие спутниковые группировки могут иметь непредвиденные последствия для продвижения в понимании вселенной и защиты ночной природы».
На этой же волне выступают конкуренты Starlink, вроде Viasat, которая попросила Федеральную комиссию США по связи запретить SpaceX запускать новые спутники и провести тщательную экологическую экспертизу их деятельности.
После заявлений Международного астрономического союза Starlink протестировала множество конструкций для уменьшения яркости своих спутников. В начале 2020 года компания испытала спутник DarkSat с антибликовым покрытием, а в июне 2020 года запустила спутник VisorSat со специальным солнцезащитным козырьком, после чего отправила на орбиту целую партию таких спутников.
Несмотря на развитие Starlink, спутниковый интернет значительно уступает системе оптоволоконных кабелей. Исследование консалтинговой фирмы в сфере космоса и спутников Euroconsult показало: в 2020 году всего 43 миллиона человек были подключены к интернету через спутник, что составляет примерно один процент всех пользователей интернета.
Один из ощутимых недостатков спутникового интернета — стоимость. Starlink обойдётся клиенту в 599 долларов за антенну и маршрутизатор и 110 долларов абонентской платы в месяц. Это дорого для подключения с меньшей скоростью, чем у оптоволокна. Viasat, конкурент Starlink, может подключить 100 Мбит/с за 200 долларов в месяц, тогда как «классический» интернет от американского оператора Xfinity обойдётся в 55 долларов в месяц за 150 Мбит/с. За те же 50 долларов Viasat подключит только 12 Мбит/сек.
Из-за большого расстояния между спутником и антенной, соединение может иметь задержку в несколько десятков миллисекунд. Такая особенность болезненна для тех, кто играет в динамичные игры. Также на спутниковый интернет могут влиять погодные условия: сильный дождь или ветер способны привести к снижению скорости или временным перебоям.
Подключить спутниковый интернет сложнее, чем кабельный. Как минимум, человеку необходимо установить антенну, что требует специальных навыков. К тому же надо определить наиболее подходящее место, чтобы оборудование гармонично вписалось в экстерьер дома. Чтобы упростить задачу, Starlink разработала приложение для iOS и Android: используя дополненную реальность, клиент может самостоятельно установить спутниковый терминал.
Спутниковый интернет решает важную проблему — недоступность кабельной сети для сельской местности и малоразвитых стран. Телекоммуникационные компании не способны проложить кабель в каждый уголок планеты по экономическим, а иногда политическим и географическим причинам.
Часть одной системы
По словам отраслевых экспертов, спутниковый интернет не приведёт к исчезновению сети подводных кабелей, потому что «они не предназначены для конкуренции». Специалисты сравнивают подводные линии со скоростными трассами между городами, а спутники — с небольшими дорогами.
Подводные кабели обеспечили развитые страны стабильным высокоскоростным интернетом, спутники, вероятно, подключат к интернету оставшийся мир.
Подводные кабели: экскурс в историю и перспективные проекты
Сотни лет назад для передачи сообщения между материками необходимо было физически перевезти письмо на корабле. Уже к XIX веку этот процесс был довольно быстрым: из Европы в Японию письмо шло 30-35 дней – для достижения такой скорости нужно было согласовать время прихода пароходов, переходящих через Атлантический океан, с поездами Тихоокеанской железной дороги. А из США в Европу письма доставляли всего за 20 дней.
Но если личную переписку с такой скоростью вести можно, то для бизнеса этого было бы явно недостаточно. Для банковских операций, биржевых сделок, заключения международных договоров нужен был более быстрый инструмент. Сначала для этих задач стали использовать телеграф, затем телефон и интернет.
Расскажем об истории подводных кабелей, начиная с экспериментов Сэмюэля Морзе и Бориса Якоби.
Телеграф
Прокладкой трансатлантического кабеля мы обязаны изобретению телеграфа. В конце XVIII века швейцарский физик Жорж Луи Лессаж собрал модель электрического телеграфа и начал передавать информацию между двумя комнатами его дома. Тогда для каждой из 26 букв алфавита был сделан отдельный провод.
В течение следующих 20 лет другой изобретатель, Ломон, смог передавать информацию по одному проводу.
«Париж, 16 октября 1787 года. Вечером я был у месье Ломона, весьма остроумного и изобретательного механика, который улучшил хлопкопрядильную машину… В электроэнергии он сделал замечательное открытие. Вы пишете два или три слова на бумаге, он берет лист в комнату и включает машину. Запертый в цилиндрический корпус, на вершине которого находится электрометр — маленький пробковый шарик, провод соединяется с цилиндром и электрометром в другой комнате, и жена Ломона, заметив соответствующие движения шара, записывает слова. Из этого следует, что изобретатель сформировал алфавит движений. Поскольку длина провода не влияет на эффект, переписка может осуществляться на любом расстоянии в пределах города или за его стенами, или в целях более достойных. Как бы эту машину ни использовали, это прекрасное изобретение».
История помнит имена разработчиков этой технологии, и среди них был Пауль Шиллинг, русский дипломат и историк, участник Отечественной войны. Он собрал электромагнитный телеграф в 1832 году. А после смерти Шиллинга, в 1837 году, телеграфная связь была настроена между Зимним дворцом и генеральным штабом. Дело Пауля Шиллинга продолжил Борис Семёнович Якоби.
Телеграфы имели разную конструкцию, разное количество клавиш. В них использовали множество подходов к отправке и получению сообщений. Но все эти системы объединяло использование электричества и соединение с помощью провода.
Телеграф значительно ускорил передачу сообщений. Например, письма от Западного к Восточному побережью США шли в течение 10 дней, и не всегда доходили до адресата из-за нападений бандитов. Везли такие письма верхом отчаянные люди. А в 1861 году Westerm Union соединила телеграфной линией побережья, и телеграммы стали доходить практически мгновенно.
Подводные кабели
Если связь внутри континента можно наладить с помощью столбов или же прокладки кабеля под землёй, то как ускорить передачу сообщений между континентами, которые разделяет океан?
Сэмюэл Морзе, один из тех, кто коммерциализировал телеграф и заработал на нём, предположил, что можно провести провод по дну Атлантического океана. Идею поддержал английский учёный-физик Чарльз Уитсон.
Но начинать нужно было с менее масштабных проектов. Морзе проложил телеграфную линию в 1842 году по дну Нью-Йоркской бухты. Он защитил медную проволоку с помощью каучуковой изоляции и пеньковой обмотки. Каучук начал использовать ещё раньше Борис Якоби – в качестве изолятора для подземных телеграфных линий.
На другом конце Атлантики инженер Джон Бретт решил соединить Францию и Великобританию с помощью подводного кабеля. В качестве изоляции использовалась гуттаперчевая оболочка. Этот материал был найден в 1842 году, и также был опробован для прокладки подводных кабелей, в том числе знаменитым учёным Майклом Фарадеем. Кабель был лёгким – чтобы он оставался на дне, к нему крепили грузила из свинца.
Первая телеграмма по кабелю прошла, но вскоре он перестал работать. Рыбак вырвал кусок кабеля неводом. Стало очевидно, что проволока в оболочке слишком уязвима. Поэтому для второй попытки взяли четыре проволоки, каждую защитили шестимиллиметровой гуттаперчевой оболочкой, скрутили их с пеньковыми шнурами в один кабель и обвили ещё одним пеньковым просмоленным шнуром.
В России в 1891 году проложили кабель «Одесса – Константинополь» и «Севастополь – Варна», в 1900 году продолжили кабель через Москва-реку, а в 1914 году подводным кабелем были соединены Гельсингфорс, ныне Хельсинки, и Петербург.
Кабель через Атлантику
Таким образом, к середине 1850-х годов уже было проведено достаточное количество экспериментов с подводными кабелями. Кабели связывали Великобританию с Францией, Бельгию и Нидерланды, пересекали проливы.
Прокладка трансатлантического кабеля оставалась делом времени. И в 1856 году англичане Джон Бретт и Чарльз Брайт объединились с американцем Сайрусом Филдом и открыли Atlantic Telegraph Company на привлечённые от инвесторов деньги. Вскоре первые корабли отправились от берегов Ирландии в сторону США. Кабель, каждый километр которого весил 550 килограммов, состоял из семи медных проводов, покрытых тремя слоями гуттаперчи и оболочкой из железных каналов. Первая попытка была неудачной – кабель оборвался.
Следующую попытку предприняли летом 1858 года. Для этого даже организовали дочернее предприятие – Telegraph Construction and Maintenance Company. Деньги вновь каким-то образом удалось привлечь. На этот раз корабля выходили не из одного порта, а с разных континентов, и должны были встретиться в Атлантическом океане, соединить концы и спустить кабель в воду.
Однако, снова кабель несколько раз разрывался, и корабли возвращались, чтобы начать прокладку заново. Но в итоге связь была налажена – и 16 августа 1858 года королева Виктория отправила поздравление из 103 слов президенту США Джеймсу Бьюкенену. Однако, в 1858 году связь была нарушена, так как кабель был разрушен коррозией.
Сайрус и товарищи не сдались, и начали готовить третью попытку. Началось с неудачи: в 1865 году на пароходе Great Eastern оборвался кабель, и его не удалось выловить якорем. В 1866 году же долговременная телеграфная связь между Европой и Америкой была налажена.
Зазвучал голос
В 1927 году количество телефонных разговоров между Европой и Америкой составляло 2 000. Каждая минута обходилась в 9 фунтов стерлингов – это 9 недель работы уличного продавца горячего кофе или разнорабочего, то есть удовольствие не из дешёвых. Использовалась для этого длинноволновая радиосвязь.
К середине XX века пришло время проложить и телефонную линию. Хотя речь о ней шла с 1920-х годов, проект реализовали только в 1955. Тогда трансатлантический кабель проложили между шотландским Обаном и канадским Кларенвиллем. Кабель TAT-1 поработал до 1978 года.
На фото ниже президент AT&T Фредерик Каппел и президент AT&T Bell Telephone Laboratories Оливер Бакли готовятся к разговору с Великобританией на открытии первого трансатлантического телефонного кабеля в 1956 году.
Менее, чем через пять лет после прокладки TAT-1 провели TAT-2. Для этой линии использовали технологию мультиплексирования каналов: клиенту выделялся канал только в те моменты, когда он действительно говорил. Так удалось довести число каналов до 87. Линия работала до 1982 года.
TAT-3 соединил Великобританию и Нью-Джерси, США. Здесь уже было 138 голосовых каналов, поддерживающих 276 одновременных соединений. Линию проложили в 1963 году, а проработала она до 1986.
Таким образом, около 100 лет прошло между прокладкой первого трансатлантического телеграфного кабеля и первого телефонного кабеля. Когда же появился интернет?
Пошёл интернет
В 1969 году DARPA, Агентство Министерства обороны США по перспективным исследованиям, создало ARPANET – Advanced Research Projects Agency Network. Сеть была необходима на случай войны с СССР – как надёжная система передачи информации.
В октябре 1969 года информацию передали между двумя терминалами, расстояние между которыми составляет 600 километров: один находился в Калифорнийском университете, второй в Стэнфордском. Суть теста была в том, что первый оператор вводил слово «login», а второй подтверждал, что видит его на экране.
К 1971 году количество терминалов достигло 19, а в 1973 году к сети стали подключать иностранные организации – они находились в Великобритании и Норвегии.
И чтобы подключить Европу, понадобились всё те же телефонные кабели, которые проложили ещё в 1950-х. По сути, на суше всё работало так же – DARPA арендовало линии у телефонной компании AT&T.
В 1980-е годы были разработаны оптоволоконные кабели. Они обладали большей пропускной способностью, были тоньше и легче медных кабелей. И уже к 1988 году по дну Атлантического океана проложили первый оптоволоконный кабель.
Это был TAT-8. Система, спроектированная консорциумом из американской AT&T, французской France Telecom и британской British Telecom проработала до 2002 года.
По подводным кабелям передаётся более 95% всей информации. От кабелей зависит не только то, будем ли мы сидеть на Хабре, в социальных сетях и мессенджерах, а то, будут ли передаваться данные между банками и организациями. Так что особенно важна сохранность линий связи, даже если идущая между ними информация дублируется.
Кто может повредить кабель?
Так в 2019 году островное государство Тонга, состоящее из 170 островов, осталось без интернета. Спасением стал спутниковый интернет, хотя он и сильно медленнее. В течение нескольких дней кабель отремонтировали. А в 2008 году без связи остались 75 млн жителей Среднего Востока и Индии: коммуникационный трафик упал на 65%. В процессе расследования выяснили, что кабель был разорван якорем массой от 5 до 6 тонн.
- Стихия – причиной обрыва может быть землетрясение.
В 2006 году южнее Тайваня произошло землетрясение, из-за которого Китай остался без связи с внешним миром. Не открывались Google и Yahoo!, перестали работать программы MSN, с трудом открывались российские сайты. Оборвались одновременно несколько кабелей.
Периодически акулы решают перекусить кабелем. Им редко удаётся это сделать, а их зубы иногда остаются в защитной оболочке кабелей.
- Люди – например, искатели сокровищ.
В 2013 годах аквалангисты, которые искали обломки кораблей, обнаружили на дне кабель и решили его украсть. Их вскоре задержали.
Перспективные проекты
Прокладка кабелей по морскому дну не останавливается. Есть ряд интересных перспективных проектов в разных странах, включая Россию.
«Полярный экспресс»
Кабель «Полярный экспресс» длиной в 12 650 километров соединит Мурманск и Владивосток. Он пройдёт по дну Северного Ледовитого и Тихого океанов.
Кабель станет альтернативой спутниковой связи и обеспечит наименьшую задержку сигнала. Проект планируют завершить к 2026 году.
JUNO Cable System
К 2024 году планируют завершить прокладку магистрали между Калифорнией, США, и префектурами Тиба и Миэ в Японии. Магистраль JUNO Cable System будет иметь протяжённость в 10 000 километров.
Линию строят американская NEC с японской Seren Juno Network Co, Ltd. Пропускная способность составит 350 Тбит/с.
Topaz
Google планирует к 2023 году соединить Азию и Канаду. Магистраль пройтёт от Ванкувера, Канада, до префектур Миэ и Ибараки в Японии.
Пропускная способность составит 240 Тбит/с.
Итог
По данным на 2022 год, всего в мире около 450 кабельных систем протяжённостью около 1,35 млн километров, что в три раза больше, чем расстояние от Земли до Луны. Осталось только провести канал в Антарктиду, ведь остальные материки уже соединены. Карту подводных кабелей можно рассмотреть по ссылке: Submarine Cable Map
И благодаря этим достижениям науки и технологий вы можете воспользоваться VPS в России по системе «Все включено!»
- кабель
- кабельные сети
- кабельный интернет
- кабельный модем
- кабельная система
- кабель-каналы
- интернет
- телеграф
- проводной интернет
- железо и технологии
- Блог компании AdminVPS
- Производство и разработка электроники
- История IT
- Научно-популярное
- Старое железо
Подводные интернет-кабели: как они устроены и чем грозит их повреждение
Сегодня континенты соединяются друг с другом при помощи подводных интернет-магистралей, которые позволяют передавать большие массивы данных буквально за секунды. Однако кабели требуют особой защиты, поскольку могут подвергаться внешним воздействиям, а лазейки в инфраструктуре позволяют перехватывать данные. «РБК Тренды» разобрались, как работают подводные кабели и чем грозит их повреждение.
Для чего нужны подводные кабели и как они работают
Современные подводные кабели — это пролегающие по дну океанов волоконно-оптические системы, которые передают данные в виде зашифрованных сигналов при помощи фотонов. В настоящее время они обеспечивают передачу более 95% всей информации в мире. Несмотря на развитие спутниковой связи, инфраструктура кабелей продолжает развиваться, так как они имеют гораздо более высокую пропускную способность. На Земле насчитывается более 550 подводных интернет-кабелей протяженностью более 1,3 млн км. Современные кабели позволяют, к примеру, за секунды переместить эквивалент всей коллекции Библиотеки конгресса США в Австралию. Первый трансатлантический кабель телеграфа, соединивший США с Великобританией, проложили в 1858 году. Тогда королева Виктория отправила телеграмму президенту США Джеймсу Бьюкенену — на ее доставку ушло 17 часов. Первый межконтинентальный оптоволоконный кабель проложили по дну Атлантического океана в 1988 году. Этот кабель, TAT-8, принадлежит операторам AT&T, France Telecom и British Telecom.
Интерактивная карта развития инфраструктуры подводных кабелей
(Видео: YouTube)
Слабые места подводных кабелей
- Уязвимость к механическим повреждениям. Обычный оптоволоконный кабель состоит из внутреннего оптического ядра, заключенного в оболочку из стали и медного проводника. Для изоляции используется полиэтилен. Диаметр такого кабеля составляет всего 17–21 мм. Кабели прокладывают специальные суда, а при прокладке используется подводный плуг, который закапывает их на небольшую глубину для лучшего доступа. Все это делает сети уязвимыми к повреждениям со стороны человека или животного. Также на целостность инфраструктуры сильно влияют природные катаклизмы. Ежегодно происходит более 100 инцидентов, связанных с повреждением кабелей.
- Уязвимость к прослушке. Во времена холодной войны в начале 1970-х годов американские военные успешно перехватывали данные, которые передавались по советскому подводному кабелю в Охотском море. Даже в наши дни, когда данные начали шифровать, спецслужбы могут получить контроль над кабелями. В 2013 году экс-сотрудник АНБ США Эдвард Сноуден рассказал, как британские и американские спецслужбы «прослушивали» более 200 кабелей в рамках сделки с американским телекоммуникационным гигантом AT&T.
- Сосредоточенность кабелей в отдельных регионах. Большая их часть по-прежнему проходит через США, хотя некоторые страны уже объединились для прокладки новых маршрутов в свете шпионского скандала с АНБ. Еще 17% мирового интернет-трафика проходит через Египет. Telecom Egypt, главный интернет-провайдер страны, берет плату с владельцев кабелей за их прокладку по стране. Отдельные инициативы направлены против обхода монополии китайского технологического гиганта Huawei, которого заподозрили во встраивании в кабели лазеек для шпионов. При этом Huawei Marine проложила или отремонтировала около 100 кабелей по всему миру.
- Недостаточная развитость инфраструктуры для ремонта. Всего в мире насчитывается около 60 ремонтных судов, а в эксплуатацию они вводятся крайне редко. При этом большинство судов старше 20 лет.
Ремонт кабеля на судне Pierre de Fermat
(Видео: YouTube)
Крупнейшие аварии и их последствия
Государство без интернета
Тихоокеанское островное государство Тонга с населением около 100 тыс. человек оставалось без интернета дважды — в 2019 и 2022 годах. Оба раза причиной стал разрыв подводного кабеля Tonga Cable, соединяющего Тонга и другое океанское государство — Фиджи. В первом случае разрыв произошел из-за того, что судно бросило якорь слишком близко от магистрали, тот зацепился за кабель и порвал его. В итоге Тонга пришлось перейти на спутниковый интернет, а через несколько дней проблему удалось локализовать и начать устранять. Во втором случае причиной повреждения кабеля стало извержение вулкана. Тогда королевство потеряло связь с внешним миром на несколько недель, так как ближайшее ремонтное судно находилось в 4700 км.
Авария на крупнейшем кабеле
В июне 2022 года произошел разрыв интернет-кабеля Азия — Африка — Европа-1 (ААЕ-1) протяженностью 25 тыс. км, который соединяет Гонконг с Францией. Кабель обеспечивает интернетом более 20 стран — от Индии до Греции и Италии. Из-за аварии без связи остались более 100 млн человек. В Эфиопии интернет-охват упал на 90%. Облачные сервисы Google, Amazon и Microsoft не работали.
Разрыв на AAE-1 произошел в том месте, где кабель проходит по суше через Египет. Вероятной причиной обрыва назвали диверсию. Подключение восстановили через несколько часов. Европарламент в своем отчете подчеркнул, что в этом районе высок риск широкомасштабных сбоев в работе интернета, в том числе и из-за морского терроризма. В настоящее время через Египет проходит 16 кабелей, которые несут 17% мирового трафика.
Расположение кабелей в районе Египта (Фото: Telegeography)
Примечательно, что в 2013 году власти Египта уже арестовывали трех аквалангистов, которые перерезали другой кабель, SMW-4, обеспечивающий интернетом всю страну. Они заявили, что хотели украсть участок кабеля.
Авария на Востоке
В 2008 году при повреждении подводного кабеля без интернета остались 75 млн жителей Среднего Востока и Индии. Причиной аварии стал неудачно брошенный кораблем якорь. Она же вызвала еще серию инцидентов с перегрузкой сетевой инфраструктуры, так как слишком много трафика пустили в обход. В итоге не работали многие сайты и сервисы.
Коллапс компаний
В 2006 году из-за сильного землетрясения в 6,7 балла в Азии остались без интернета Тайвань и Гонконг. Стихия стала причиной выхода из строя 80% подводных кабелей, в том числе Азиатско-Тихоокеанской кабельной сети, которая связывает Северную и Юго-Восточную Азию, и линии SEA-ME-WE-2, которая тянется от Южной Кореи вокруг Евразии до Нидерландов. Из-за обрыва пострадало множество коммерческих компаний. Многие торговцы ценными бумагами в Гонконге и Сингапуре не смогли получить котировки и выполнить заказы, а дилеры заявили, что у них возникли трудности с доступом к международным поставщикам для получения информации.
Пути решения проблем
Новые магистрали
Развитие спутникового интернета пока не способно полностью заменить кабели. В связи с этим государства и компании принимают меры для того, чтобы создать более разветвленную кабельную сеть, которая будет охватывать новые регионы, чтобы центров сосредоточения инфраструктуры стало больше.
Осенью 2022 года Google запустила подводный кабель Equiano, который соединил Западную Европу с Южной Африкой. Кабель длиной 15 тыс. км имеет самую высокую пропускную способность из всех, что протянуты до Африканского континента (150 Тбит/с). Он тянется из Португалии вдоль западного побережья Африки и заканчивается в южноафриканском Мелкбосстранде. Equiano получил несколько ответвлений, которые соединяют его с другими странами, включая Намибию и Того. В дальнейшем к кабелю планируется подключить Нигерию, Демократическую Республику Конго и остров Святой Елены. Таким образом, это первый кабель в регионе, который идет в обход Египта. Также Google объявила о строительстве кабелей Blue и Raman, которые соединят Индию с Францией, пройдя через Красное море, Израиль и Средиземное море.
Схема кабеля Google (Фото: google.com)
Осенью 2022 года Google также запустила кабель Grace Hopper, который объединил сетевую инфраструктуру США, Великобритании и Испании. Кабель идет от Нью-Йорка до британского города Бьюд в графстве Корнуолл, а его ответвление направляется в испанский Бильбао.
Наконец, Google проложит первый подводный кабель Topaz от канадского Ванкувера до городов Миэ и Ибараки в Японии. Ожидается, что проект завершится в 2023 году.
Проект Topaz
(Видео: YouTube)
Meta (признана экстремистской организацией и запрещена в России) также реализует проект кабеля 2Africa Pearls, который соединит Европу, Азию и Африку. Общая протяженность кабеля составит свыше 45 тыс. км, что близко к мировому рекорду. Точки доступа кабеля будут располагаться в Омане, ОАЭ, Катаре, Бахрейне, Кувейте, Ираке, Пакистане, Индии и Саудовской Аравии, а страны Африки будут соединены между собой перекрестным подключением.
Схема кабеля 2Africa (Фото: engineering.fb.com)
Телекоммуникационные компании AzerTelecom и «Казахтелеком» подписали соглашение о прокладке Транскаспийского оптоволоконного кабеля по дну Каспийского моря в рамках проекта Digital Silk Way («Цифровой шелковый путь»). Его целью станет создание надежного цифрового канала между Европой и Азией.
Схема Digital Silk Way (Фото: servernews.ru)
А консорциум Far North Fiber уже получил первые инвестиции для прокладки первого в мире арктического кабеля протяженностью почти 17 тыс. км. В Far North Fiber участвуют американская Far North Digital, японская Arteria Networks и финская Cinia. Новая линия соединит Европу, Азию и Северную Америку. Кабель протянется от Европы до Японии через Гренландию, Канаду и Аляску, охватит Норвегию, Финляндию и Ирландию. Завершить проект планируется к концу 2026 года.
Схема первого арктического кабеля (Фото: submarinenetworks.com)
Системы предотвращения аварий и ремонта
Для того чтобы снизить число аварий с участием судов, на них устанавливают сенсоры, которые подают сигнал тревоги, если корабли подходят слишком близко к кабелям. А ремонтные суда оснащают новейшим оборудованием. Обслуживающая кабели французская компания Optic Marine в 2022 году ввела в эксплуатацию судно CS Cable Vigilance, которое имеет на борту подводный беспилотник.
Одновременно модернизируют системы оповещения о разрывах. Например, австралийская компания Telstra использует систему Always On для почти мгновенного перенаправления интернет-трафика с одного кабеля на другой в случае возникновения проблемы. Это позволяет сократить время восстановления доступа в интернет с восьми часов до менее чем 30 минут.
А Великобритания объявила, что разрабатывает многоцелевой разведывательный корабль, который будет помогать ВМФ и Министерству обороны обеспечивать безопасность подводной телекоммуникационной инфраструктуры. Судно оснастят передовыми датчиками и группировкой дистанционно управляемых и автономных подводных дронов. Его спустят на воду в 2024 году.
Изменения в законодательстве
Из-за опасений шпионажа со стороны других стран некоторые государства уже вводят новые правила контроля кабелей. В 2020 году Федеральная комиссия по связи США призвала провести проверку наиболее значимых интернет-кабелей со станциями обслуживания в конкурирующих странах. Это четыре кабеля, которые соединяют США и Китай. По мнению регулятора, проверки позволят гарантировать, что другие страны не смогут блокировать или перехватывать трафик.
В 2021 году Австралия, Великобритания и США также создали трехсторонний оборонный альянс AUKUS, который направлен на противодействие влиянию Китая в спорной акватории Южно-Китайского моря и на защиту подводной инфраструктуры в регионе. Теперь страны сотрудничают в области «кибервозможностей, искусственного интеллекта, квантовых технологий и дополнительных подводных возможностей».
Трансокеанические подводные кабели связи
Вчера мной был опубликован материал касательно прокладки компанией Google собственного оптоволоконного кабеля связи по дну Тихого океана, который свяжет дата-центры компании в штате Орегон, США, с Японией. Казалось бы, это огромный проект стоимостью $ 300 млн и длинной в 10 000 км. Однако, если копнуть немного глубже станет ясно, что данный проект является выдающимся только потому, что это будет делать один медийный гигант для личного использования. Вся планета уже плотно опутана кабелями связи и под водой их намного больше, чем кажется на первый взгляд. Заинтересовавшись этой темой я подготовил общеобразовательный материал для любопытствующих.
Истоки межконтинентальной связи
Практика прокладывания кабеля через океан берет начало еще с XIX века. Как сообщает википедия, первые попытки соединить два континента проводной связью были предприняты еще в 1847 году. Успешно связать Великобританию и США трансатлантическим телеграфным кабелем удалось только к 5 августа 1858 года, однако уже в сентябре связь была утеряна. Предполагается, что причиной стали нарушение гидроизоляции кабеля и последующая его коррозия и обрыв. Стабильная связь между Старым и Новым светом была установлена только в 1866 году. В 1870 году был проложен кабель в Индию, что позволило связать напрямую Лондон и Бомбей. В эти проекты были вовлечены одни из лучших умов и промышленников того времени: Уильям Томсон (будущий великий лорд Кельвин), Чарльз Уитстон, братья Сименсы. Как видно, почти 150 лет назад люди активно занимались созданием по протяженности в тысячи километров линий связи. И на этом прогресс, понятное дело, не остановился. Однако, телефонная связь с Америкой была установлена только в 1956 году, а работы длились почти 10 лет. Подробно об укладке первого трансатлантического телеграфного и телефонного кабеля можно прочитать в книге Артура Кларка «Голос через океан».
Устройство кабеля
Несомненный интерес представляет непосредственное устройство кабеля, который будет работать на глубине в 5-8 километров включительно.
Стоит понимать, что глубоководный кабель должен иметь следующий ряд базовых характеристик:
- Долговечность
- Быть водонепроницаемым (внезапно!)
- Выдерживать огромное давление водных масс над собой
- Обладать достаточной прочностью для укладки и эксплуатации
- Материалы кабеля должны быть подобраны так, чтобы при механических изменениях (растяжении кабеля в ходе эксплуатации/укладки, например) не изменялись его рабочие характеристики
Рабочая часть рассматриваемого нами кабеля, по большому случаю, ни чем особым от обычной оптики не отличается. Вся суть глубоководных кабелей заключена в защите этой самой рабочей части и максимального увеличения срока его эксплуатации, что видно из схематического рисунка справа. Давайте по порядку разберем назначение всех элементов конструкции.
Полиэтилен — внешний традиционный изоляционный слой кабеля. Данный материал является отличным выбором для прямого контакта с водой, так как обладает следующими свойствами:
Устойчив к действию воды, не реагирует со щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими и неорганическими кислотами, даже с концентрированной серной кислотой.
Мировой океан содержит в себе, фактически, все элементы таблицы Менделеева, а вода является универсальным растворителем. Использование такого распространенного в хим. промышленности материала как полиэтилен является логичным и оправданным, так как в первую очередь инженерам было необходимо исключить реакцию кабеля и воды, тем самым избежать его разрушения под воздействием окружающей среды. Полиэтилен использовался в качестве изолирующего материала в ходе прокладки первых межконтинентальных линий телефонной связи в середине XX века.
Однако, в силу своей пористой структуры полиэтилен не может обеспечить полной гидроизоляции кабеля, поэтому мы переходим к следующему слою.
Майларовая пленка — синтетический материал на основе полиэтилентерефталата. Имеет следующие свойства:
Не имеет запаха, вкуса. Прозрачный, химически неактивный, с высокими барьерными свойствами (в том числе и ко многим агрессивным средам), устойчивый к разрыву (в 10 раз прочнее полиэтилена), износу, удару. Майлар (или в СССР Лавсан) широко используется в промышленности, упаковке, текстиле, космической промышленности. Из него даже шьют палатки. Однако, использование данного материала ограничено многослойными пленками из-за усадки при термосваривании.
После слоя майларовой пленки можно встретить армирование кабеля различной мощности, в зависимости от заявленных характеристик изделия и его целевого назначения. В основном используется мощная стальная оплетка для придания кабелю достаточной жесткости и прочности, а так же для противодействия агрессивным механических воздействиям из вне. По некоторым данным, блуждающим в сети, ЭМИ исходящее от кабелей может приманивать акул, которые перегрызают кабели. Так же на больших глубинах кабель просто укладывается на дно, без копания траншеи и его могут зацепить рыболовецкие суда своими снастями. Для защиты от подобных воздействий кабель и армируется стальной оплеткой. Используемая в армировании стальная проволока предварительно оцинковывается. Усиление кабеля может происходить в несколько слоев. Основной задачей производителя в ходе этой операции является равномерность усилия в ходе намотки стальной проволоки. При двойном армировании намотка происходит в разных направлениях. При не соблюдении баланса в ходе данной операции кабель может самопроизвольно скручиваться в спираль, образуя петли.
В результате этих мероприятий масса погонного километра может достигать нескольких тонн. «Почему не легкий и прочный алюминий?» — спросят многие. Вся проблема в том, что на воздухе алюминий имеет стойкую пленку окисла, но при соприкосновении с морской водой данный металл может вступать в интенсивную химическую реакцию с вытеснением ионов водорода, которые оказывают губительное влияние на ту часть кабеля, ради которой все затевалось — оптоволокно. Поэтому используют сталь.
Алюминиевый водный барьер, или слой алюмополиэтилена используется как очередной слой гидроизоляции и экранирования кабеля. Алюмополиэтилен представляет собой комбинацию из фольги алюминиевой и полиэтиленовой пленки, соединенных между собой клеевым слоем. Проклейка может быть как односторонней, так и двухсторонней. В масштабах всей конструкции алюмополиэтилен выглядит почти незаметным. Толщина пленки может варьироваться от производителя к производителю, но, к примеру, у одного из производителей на территории РФ толщина конечного продукта составляет 0.15-0.2 мм при односторонней проклейке.
Слой поликарбоната вновь используется для усиления конструкции. Легкий, прочный и стойкий к давлению и ударам, материал широко используется в повседневных изделиях, например, в велосипедных и мотоциклетных шлемах, также применяется в качестве материала при изготовлении линз, компакт-дисков и светотехнических изделий, листовой вариант используется в строительстве как светопропускающий материал. Обладает высоким коэффициентом теплового расширения. Применение ему было найдено и в производстве кабелей.
Медная, или алюминиевая трубка входит в состав сердечника кабеля и служит для его экранирования. Непосредственно в эту конструкцию укладываются другие медные трубки с оптоволокном внутри. В зависимости от конструкции кабеля, трубок может быть несколько и они могут быть переплетены между собой различным образом. Ниже четыре примера организации сердечника кабеля:
Укладка оптоволокна в медные трубки которые заполнены гидрофобным тиксотропным гелем, а металлические элементы конструкции используются для организации дистанционного электропитания промежуточных регенераторов — устройств, осуществляющих восстановление формы оптического импульса, который, распространяясь по волокну, претерпевает искажения.
В разрезе получается что-то похожее на это:
Производство кабеля
Особенностью производства оптических глубоководных кабелей является то, что чаще всего оно располагается вблизи портов, как можно ближе к берегу моря. Одной из основных причин подобного размещения является то, что погонный километр кабеля может достигать массы в несколько тонн, а для сокращения необходимого кол-ва сращиваний в процессе укладки производитель стремиться сделать кабель как можно более длинным. Обычной нынче длинной для такого кабеля считается 4 км, что может вылиться в, примерно, 15 тонн массы. Как можно понять из вышеуказанного, транспортировка такой бухты глубоководного ОК не самая простая логистическая задача для сухопутного транспорта. Обычные для намотки кабелей деревянные барабаны не выдерживают описанной ранее массы и для транспортировки ОК на суше, к примеру, приходится выкладывать всю строительную длину «восьмеркой» на спаренных железнодорожных платформах, чтобы не повредить оптоволокно внутри конструкции.
Укладка кабеля
Казалось бы, имея такой мощный с виду продукт можно грузить его на корабли и сбрасывать в морскую пучину. Реальность же немного иная. Прокладка маршрута кабеля — это длительный и трудоемкий процесс. Маршрут должен быть, само собой, экономически выгодным и безопасным, так как использование различных способов защиты кабеля приводит к увеличению стоимости проекта и увеличивает срок его окупаемости. В случае прокладки кабеля между разными странами, необходимо получить разрешение на использование прибрежных вод той или иной страны, необходимо получить все необходимые разрешения и лицензии на проведение кабелеукладочных работ. После проводится геологическая разведка, оценка сейсмической активности в регионе, вулканизма, вероятность подводных оползней и других природных катаклизмов в регионе, где будут проводится работы и, в последующем, лежать кабель. Так же важную роль играют прогнозы метеорологов, дабы сроки работ не были сорваны. Во время геологической разведки маршрута учитывается широкий спектр параметров: глубина, топология дна, плотность грунта, наличие посторонних объектов, типа валунов, или затонувших кораблей. Так же оценивается возможное отклонение от первоначального маршрута, т.е. возможное удлинение кабеля и увеличение стоимости и продолжительности работ. Только после проведения всех необходимых подготовительных работ кабель можно загружать на корабли и начинать укладку.
Собственно, из гифки процесс укладки становится предельно ясным.
Прокладка оптоволоконного кабеля по морскому/океаническому дну проходит непрерывно из точки А в точку Б. Кабель укладывается в бухты на корабли и транспортируется к месту спуска на дно. Выглядят эти бухты, например, так:
Если Вам кажется, что она маловата, то обратите внимание на это фото:
После выхода корабля в море остается исключительно техническая сторона процесса. Команда укладчиков при помощи специальных машин разматывает кабель с определенной скоростью и, сохраняя необходимое натяжение кабеля за счет движения корабля продвигается по заранее проложенному маршруту.
Выглядит со стороны это так:
При каких-либо проблемах, обрывах, или повреждениях на кабеле предусмотрены специальные якоря, которые позволяют поднять его к поверхности и отремонтировать проблемный участок линии.
И, в итоге, благодаря всему этому мы можем с комфортом и на высокой скорости смотреть в интернете фото и видео с котиками со всего мира.
В комментариях к статье о проекте Google пользователь Lux_In_Tenebris предоставил список интересной по этой теме литературы, может быть, кому-то пригодится.
Так же пользователь YoMan предоставил ссылку на видео о корабле-кабелеукладчике «Tyco Resolute», спасибо.