Лонгрид в формате катехизиса об истории передачи информации на большие расстояния.
Для школьников. изучающих технологии, историю, информатику, а также их родителей и учителей.
Исходный текст: На волоске: как работает огромная сеть подводных кабелей, которая обеспечивает мир интернетом — Жизнь на DTF
Как устроена современная дальняя связь
Вопрос: Какими способами передается информация в интернете на большие расстояния?
Ответ: 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. 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.
Вопрос: Кто владеет сетью оптоволоконных линий и спутников?
Ответ: 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%. (The Wall Street Journal — ежедневная американская деловая газета на английском языке. Издаётся в Нью-Йорке с 1889. «Уолл-стрит джорнэл» — одно из крупнейших и влиятельнейших американских изданий).
C 2015 года SpaceX Илона Маска создаёт глобальную систему орбитальных спутников Starlink для предоставления доступа к интернету.
В России на сегодняшний день проложено 9 подводных кабелей, в шести случаях владельцем является Ростелеком (единолично или в партнерстве с другими компаниями). В 2019 году был реализован проект Polar Express (кабель вдоль северного побережья: от Мурманска до Южно-Сахалинска), который принадлежит правительству России. В его создании участвует Министерство транспорта, Федеральное агентство морского и речного транспорта и Федеральное государственное унитарное предприятие «Росморпорт».
Технологии
Вопрос: Как прокладывают подводные линии?
Ответ: 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.
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.
Вопрос: Какие угрозы существуют для линий, проложенных по дну океана?
Ответ: вблизи берега возможны случайные повреждения и повреждения от намеренных действий людей. На более глубоких местах – обрывы из-за цепляния за якоря, камни. На глубине кабель может сломаться или оборваться. В сейсмоактивных местах обрывы могут произойти из-за подвижек грунта в результате землетрясений или извержений вулканов, 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.
Хотя зафиксированы нападения акул на оптоволоконные кабели, как правило, это не приводит к нарушениям работы, так как кабели имеют хорошую защиту.
Вопрос: как чинят кабели в случае разрыва?
Ответ: 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.
Вопрос: из чего изготавливают оптоволоконные кабели, которые укладывают на морское или океаническое дно?
Ответ: В основном кабели не шире садового шланга, но их сердцевина — это нити, передающие информацию, чрезвычайно тонкие. (Это обычное стекло, вытянутое до диаметра 250 мкм, что меньше толщины человеческого волоса). 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. (Майлар — плёнка на основе синтетического полиэфирного волокна- полиэтилентерефталата, известного в России как лавсан).
Ближе к берегу кабели нуждаются в дополнительной защите от случайных повреждений и намеренных действий людей. Их покрывают слоем пластика, нержавеющей сталью и кевларовой бронёй. (Кевлар – синтетическое волокно, из которого изготавливают одноименный сверхпрочный пластик. Применяется в промышленном производстве начиная с 1971 года. Кевлар применяется в бронежилетах и автомобильной промышленности, из него изготавливают тетивы для луков и лодки. часто описывают как материал «в пять раз прочнее стали при равном весе»).
Вопрос: Что происходит с кабелями, которые больше не работают?
Ответ: 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.
История
Вопрос: Какова история появления линий связи, проложенных по дну океана?
Ответ: Идея трансатлантического коммуникационного кабеля появилась в 1839 году, когда Уильям Кук и Чарльз Уитстон представили свой телеграф. Одним из тех, кто воплотил эту идею в жизнь, стал американский изобретатель и художник Сэмюэл Морзе, известный как основатель азбуки Морзе. В 1842 году он успешно проложил кабель в гавани Нью-Йорка Увы, искатели морских сокровищ разрезали его, приняв за ценную добычу.
Главной проблемой в развитии подводных систем 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. А Самюэль Морзе считал гуттаперчу удачным материалом для использования в кабелях связи. Примерно между 1847 и 1849 годами основатель компании Сименс Вернер Сименс изобрел пресс для наложения на кабели гуттаперчевой изоляции.
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 идею прокладки трансатлантического кабеля — бессмысленной и провальной.
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. Через кабель пошли электрические сигналы, при помощи кода Морзе переносящие телеграфные сообщения между двумя частями света.
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».
Однако, трансатлантический кабель, соединивший Европу и Америку, нормально проработал только 27 дней – связь становилась всё хуже и хуже, и, наконец, оборвалась. Сайрус Филд из национального героя превратился в изгоя. Но он не отступал: снова и снова предпринимал попытки восстановить связь, каждый раз делая «работу над ошибками». Последняя экспедиция 1866 года прошла буднично. За две недели в пути не случилось никаких происшествий. 3700 километров кабеля, как нож сквозь масло, прочертили океан. 27 июля 1866 года Сайрус Филд телеграфировал в Нью-Йорк из Ньюфаундленда: «Мы прибыли сюда сегодня в 9 утра. Благодарим Господа, все в порядке. Кабель проложен и работает отлично». Команды задействованных в экспедиции кораблей вернулись к месту предыдущего обрыва кабеля. После десятка попыток его все-таки удалось поднять, срастить и закончить прокладку. Таким образом, за один год Америка с Англией получили сразу два канала связи, Сайрус Филд был награжден золотой медалью Конгресса.
Немного чисел
- В середине 19 века для передачи одной буквы азбукой Морзе требовалось более двух минут.
- На конец 2021 года в мире использовалось около 436 подводных кабелей, а их совокупная длина составляла более 1,3 миллиона километров.
- Кабель MAREА, совместный проект Meta, Microsoft и Telxius, проложенный между Вирджиния-Бич (США) и Бильбао (Испания), способен передавать 224 терабит в секунду.
- 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.
- Длина кабельных линий может колебаться от 131-километрового CeltixConnect между Ирландией и Великобританией, до невероятно длинного 20 000-километровый кабель Asia America Gateway.
- Протяжённость линии «Сахалин-Курилы» составила 831 километр, а пропускная способность сети — 40 Гбит/с. Стоимость работ и услуг обошлась в 3,3 миллиарда рублей.
- Подводный кабель Polar Express («Полярный экспресс») протяжённостью 12 650 километров 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.
Альтернативы (другие технологии)
Вопрос: Всегда ли возможно использование кабелной связи?
Ответ: Кабельная сеть недоступна для сельской местности и малоразвитых стран. Телекоммуникационные компании не способны проложить кабель в каждый уголок планеты по экономическим, а иногда политическим и географическим причинам. Альтернативное решение — спутниковая связь.
Вопрос: Как развита спутниковая связь?
Ответ: 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.
В России есть спутниковая телефония, эту услугу предоставляет несколько операторов, минута связи стоит 300–400 рублей, и, по мнению экспертов, цена не снизится, пока не появится серьёзная конкуренция на этом рынке.
В России создано новое поколение спутников «Гонец». Их считают незаменимыми для связи с автотранспортом в удалённых регионах, работы в зонах стихийных бедствий, наблюдения за работой промышленных объектов. Среди абонентов этой системы — Министерство транспорта, Правительство Якутии, Росгидромет, Росрыболовство, Арктический и антарктический НИИ.
Сейчас в космосе работает более десятка аппаратов «Гонец-М». Полноценная группировка из 12 спутников кружит на высоте около 1400 километров (это втрое с лишним дальше МКС), каждый делает оборот вокруг Земли за 114 минут и покрывает сигналом участок поверхности планеты диаметром в пять тысяч километров. В средних широтах эти спутники обеспечивают почти непрерывную связь, на экваторе — с 15-минутными перерывами. При наличии 24 спутников бесперебойный сигнал был бы везде. Его принимают и передают наземные станции в Москве, Южно-Сахалинске, Железногорске, Мурманске, Ростове-на-Дону, Норильске и Анадыре.
Вопрос: Могут ли спутники заменить оптоволоконные кабели?
Ответ: Рассмотрим сложности с доступом к спутниковой связи на примере Starlink (компания Илона Маска). 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.
Вопрос: А какие еще есть недостатки у спутниковой связи, кроме высокой стоимости?
Ответ: 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».
Конкуренты компании Starlink попросили 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 и с начала 2020 года используют спутник DarkSat с антибликовым покрытием, и отправила на орбиту целую партию спутников VisorSat со специальным солнцезащитным козырьком.
Используемые дополнительные источники:
Самый грандиозный проект XIX века. Как телеграфный кабель связал Америку и Европу (onliner.by)
Что нужно знать о кевларе – материале, прочнее стали? — Hi-News.ru
Майлар — Википедия (wikipedia.org)
Сименс, Вернер фон — Википедия (wikipedia.org)
Не заслать ли нам «Гонца»: Как будет работать российская спутниковая система (life.ru)