На волоске: как работает огромная сеть подводных кабелей, которая обеспечивает мир интернетом и смогут ли спутники её заменить

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%.

Скриншот 3D-карты кабелей, проложенных по дну океана. Автор работы: Tyler Morgan-Wall

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.

Изображение машин, покрывающих провод гуттаперчей на заводе компании Gutta Percha в Лондоне. Фото с сайта atlantic-cable.com

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.

Карта с первым телеграфным кабелем, который проложен между США и Великобританией по дну Атлантики. Фото Бостонской публичной библиотеки

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».

Оформленная телеграмма между королевой Викторией и президентом США. Фото Бостонской публичной библиотеки

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.

Структура трансатлантического кабеля. Изображение TJ

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.

Часть кабеля MAREA. Фото Microsoft

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.

Надпись на табличке с логотипом Google «Внимание. Подводный кабель»

«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.

Корабль-кабелеукладчик, используемый для строительства сети «Сахалин-Курилы». Фото с сайта Ростелекома

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».

Изображение группы галактик, перекрытые диагональными линиями — следами от спутников Starlink. Фото обсерватории Лоуэлла

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.

Терминал Starlink. Фото с сайта Starlink

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.

Источник