Ars Technica (США): подводное волокно, мозги в банках и коаксиальные кабели
13.06.2020 г.
Боб Дормон (Bob Dormon)
ЧАСТЬ 1
Ars Technica, США
Всего лишь щелчок мыши или нажатие на экран и, если у вас соединение 21 века, вы мгновенно оказались на этой странице. Но как это работает? Думали ли вы когда-нибудь о том, как картинка с котиком попадает на ваш компьютер в Лондоне с сервера в Орегоне? Как удается стабильно передавать вам в дом сто миллионов байтов данных каждую секунду, круглые сутки, каждый день? Автор открывает читателям невидимую обыденному взгляду инфраструктуру глобальной Сети
© РИА Новости, Максим Богодвид
О,а вот и вы. Быстро получилось, не так ли? Всего лишь щелчок мыши или нажатие на экран и, если у вас соединение 21 века, вы мгновенно оказались на этой странице.
Но как это работает? Думали ли вы когда-нибудь о том, как картинка с котиком попадает на ваш компьютер в Лондоне с сервера в Орегоне? Мы говорим не просто о чудесах протокола TCP/IP или вездесущих точках доступа Wi-Fi, хотя это все тоже важно. Нет, мы говорим о большой инфраструктуре: огромных подводных кабелях, обширных дата-центрах со всем их излишеством энергосистем и о гигантских, лабиринтоподобных сетях, непосредственно подключающих миллиарды людей к Интернету.
А вот что, вероятно, еще важнее: поскольку мы все больше полагаемся на повсеместную связь с Интернетом, число подключенных устройств все растет, а наша жажда трафика не знает границ. Как мы обеспечиваем работу Интернета? Как Verizon и Virgin (крупнейшие интернет-провайдеры в США, - прим. ред.) удается стабильно передавать вам в дом сто миллионов байтов данных каждую секунду, круглые сутки, каждый день?
Что ж, прочитав следующие семь тысяч слов, вы об этом узнаете.
Тайные места выхода кабелей на сушу
British Telecom (BT) может заманивать клиентов, обещая провести «оптоволокно в каждый дом» (FTTH) для повышения скорости, и у Virgin Media качество услуг неплохое - скорости до 200 Мбит/с для физических лиц благодаря гибридной волоконно-коаксильной (ГВК) сети. Но, как видно из названия, всемирная паутина - это действительно мировая сеть. Обеспечить работу Интернета не под силу одному отдельному провайдеру на нашем острове, да и вообще где-либо в мире.
В первую очередь мы в кои-то веки посмотрим на один из самых необычных и интересных кабелей, по которым передаются данные, и на то, как он достигает британских берегов. Мы говорим не о каких-нибудь обычных проводах между наземными дата-центрами в сотне километров друг от друга, а о контактной станции в загадочном месте на западном берегу Англии, где после пути в 6500 километров из американского Нью-Джерси заканчивается атлантический подводный кабель Tata.
Связь с США необходима для любой серьезной международной коммуникационной компании, и Tata's Global Network (TGN) - это единственная опоясывающая всю планету оптоволоконная сеть с одним владельцем. Это 700 тысяч километров подводных и наземных кабелей с более чем 400 узлами связи по всему миру.
Tata, однако, готова делиться. Она существует не просто для того, чтобы дети директора могли без задержек играть в Call of Duty, а группа избранных могла без задержек смотреть «Игру престолов» онлайн. Ежесекундно на сеть Tata первого уровня приходится 24% мирового интернет-трафика, так что шанс поближе познакомиться с TGN-A (Атлантика), TGN-WER (Западная Европа) и их кабельными друзьями упускать нельзя.
Сама станция - вполне себе классический дата-центр на вид, серый и невзрачный - может вообще показаться местом, где, например, выращивают капусту. А внутри все иначе: для перемещения по зданию нужны RFID-карточки, для входа в помещения дата-центра - дать считать свой отпечаток пальца, но для начала - чашка чая и беседа в конференц-зале. Это не привычный дата-центр, и некоторые вещи надо объяснять. В частности, для подводных кабельных систем нужно очень много энергии, которую предоставляют многочисленные резервные агрегаты.
Защищенные подводные кабели
Карл Осборн, вице-президент Tata по международному сетевому развитию, присоединился к нам на время экскурсии, чтобы изложить свои мысли. До Tata Осборн работал на самом корабле, прокладывающем кабель, и следил за процессом. Он показал нам образцы подводных кабелей, демонстрируя то, как меняется их конструкция в зависимости от глубины. Чем ближе вы к поверхности, тем больше нужно защитной оболочки, чтобы выдержать потенциальные повреждения от судоходства. На мелководье выкапываются траншеи, куда кладут кабели. Впрочем, на большей глубине, как в Западно-Европейской котловине глубиной почти в пять с половиной километров, защита не требуется - коммерческое судоходство никак не угрожает кабелям на дне.
На этой глубине диаметр кабеля - всего 17 мм, он словно фломастер в толстой изолирующей полиэтиленовой оболочке. Медный проводник окружает множество стальных проволочек, защищающих оптоволоконную сердцевину, находящуюся в стальной трубке диаметром менее трех миллиметров в мягком тиксотропном желе. Защищенные кабели внутри устроены так же, но вдобавок одеты в еще один или несколько слоев гальванизированной стальной проводки, обернутой вокруг всего кабеля.
Без медного проводника не было бы никакого подводного кабеля. Оптоволоконная технология обладает высокой скоростью и может пропускать чуть ли не безграничное количество данных, но оптоволокно не может работать на длинных дистанциях без небольшой помощи. Для усиления светопередачи по всей длине оптоволоконного кабеля нужны устройства-повторители - по сути, усилители сигнала. На суше это легко осуществляется за счет местной электроэнергии, но на дне океана усилители получают постоянный ток от медного проводника кабеля. А откуда берется этот ток? Со станций на обоих концах кабеля.
Хотя потребители этого не знают, TGN-A - это, на самом деле, два кабеля, идущие через океан разными путями. Если один будет поврежден, другой обеспечит непрерывность связи. Альтернативный TGN-A выходит на сушу на расстоянии в 110 километров (и три наземных усилителя) от основного и получает свою энергию оттуда же. У одного из этих трансатлантических кабелей 148 усилителей, а у другого, более длинного - 149.
Руководители станции стараются избегать известности, так что я назову нашего гида по станции Джоном. Джон объясняет устройство системы:
«Для питания кабеля с нашего конца идет положительное напряжение, а в Нью-Джерси оно отрицательное. Мы стараемся поддерживать ток: напряжение легко может наткнуться на сопротивление на кабеле. Напряжение примерно в 9 тысяч вольт поделено между двумя концами. Это называется двуполярным питанием. Так что с каждого конца примерно 4 500 вольт. В нормальных условиях мы могли бы обеспечивать работу всего кабеля без всякой помощи со стороны США»
Стоит ли говорить, что усилители сделаны с расчетом на бесперебойную работу в течение 25 лет, поскольку никто не будет посылать на дно водолазов, чтобы поменять контакт. Но глядя на сам образец кабеля, внутри которого всего восемь оптических волокон, невозможно не подумать, что при всех этих усилиях тут должно быть что-то большее.
«Все ограничивается размерами усилителей. На восемь волоконных пар нужны усилители вдвое большего размера», - поясняет Джон. А чем больше усилители, тем больше нужно энергии.
На станции восемь проводов, составляющих TGN-A, образуют четыре пары, каждая из которых содержит волокно приема и волокно передачи. Каждый проводок окрашен в свой цвет, чтобы в случае поломки и необходимости ремонта в море техники могли понять, как собрать все в изначальное состояние. Аналогично, работники на суше могут понять, что куда вставлять при подключении к подводному линейному терминалу (SLTE).
Ремонт кабелей в море
После экскурсии по станции я поговорил с Питером Джеймисоном, специалистом техподдержки оптоволоконных сетей в Virgin Media, чтобы побольше узнать об обеспечении работы подводных кабелей.
«Как только кабель нашли и доставили на корабль для починки, устанавливается новый отрезок неповрежденного кабеля. Затем устройство с дистанционным управлением возвращается на дно, находит другой конец кабеля и совершает соединение. Затем кабель закапывается в дно максимум на полтора метра с помощью водяной струи высокого давления», - рассказывает он
«Обычно ремонт занимает где-то десять дней с момента отправления ремонтного судна, из которых четыре-пять дней - работы непосредственно на месте поломки. К счастью, такие случаи редки: за последние семь лет Virgin Media сталкивалась лишь с двумя».
QAM, DWDM, QPSK…
Когда кабели и усилители установлены - скорее всего, на десятилетия - больше в океане ничего отрегулировать нельзя. Ширина полосы, задержка и все, что касается качества услуг, регулируется на станциях.
«Чтобы понять отправляемый сигнал, используется прямая коррекция ошибок, и техники модуляции менялись по мере того, как количество трафика, передаваемого сигналом, увеличилось», - говорит Осборн. «QPSK (квадратурная фазовая манипуляция) и BPSK (двоичная фазовая манипуляция), иногда называемая PRK (двукратная относительная фазовая манипуляция), или 2PSK- это техники модуляции на больших дистанциях. 16QAM (квадратурная амплитудная модуляция) использовалась бы в более коротких подводных кабельных системах, а сейчас разрабатывается технология 8QAM, промежуточная между 16QAM и BPSK».
Технология DWDM (плотное мультиплексирование с разделением по длине волны) используется для совмещения различных каналов данных и для передачи этих сигналов на разных частотах - через свет в определенном цветовом спектре - по оптоволоконному кабелю. По факту, она образует множество виртуальных оптоволоконных каналов. Благодаря этому пропускная способность волокна резко повышается.
На сегодняшний день каждая из четырех пар обладает пропускной способностью в 10 Тбит/с и может достигать 40 Тбит/с в TGN-A кабеле. В то время цифра в 8 Тбит/с была максимальным существующим потенциалом на этом кабеле сети Tata. По мере того, как новые пользователи начинают пользоваться системой, они используют резервные мощности, однако мы от этого не обеднеем: в системе по-прежнему остается 80% потенциала, и в последующие годы с помощью очередной новой кодировки или усиления мультиплексирования почти наверняка можно будет повысить пропускную способность.
Одна из основных проблем, оказывающих воздействие на применение фотонных коммуникационных линий - дисперсия в оптоволокне. Так называется то, что разработчики включают в расчет при создании кабеля, поскольку некоторые секции оптоволкна обладают положительной дисперсией, а некоторые - отрицательной. И если вам понадобится произвести ремонт, нужно быть уверенным в том, что под рукой кабель с подходящим типом дисперсии. На суше электронная компенсация дисперсии - задача, которая постоянно оптимизируется, чтобы допускать возможность передачи самых слабых сигналов.
«Раньше мы использовали катушки оптоволокна, чтобы вызвать компенсацию дисперсии, - говорит Джон, - но теперь это все делается с помощью электроники. Так намного точнее удается повышать пропускную способность».
Так что теперь, вместо того, чтобы изначально предлагать пользователям 1-, 10- или 40-гигабитное оптоволокно, благодаря усовершенствованным за последние годы технологиям, можно готовить «сбросы» в 100 гигабит.
Кабельная маскировка
Несмотря на то, что благодаря ярко-желтому желобу их сложно не заметить, на первый взгляд, в здании и атлантический, и восточно-европейский подводные кабели можно легко принять за какие-нибудь элементы системы распределения электроэнергии. Они установлены на стене и возиться с ними не нужно, хотя в случае, если потребуется новая прокладка оптического кабеля, они будут напрямую соединены посредством подводного оптоволокна из щитка. На торчащих из пола в месте закладки красном и черном стикерах написано «TGN Atlantic Fiber»; справа - кабель TGN-WER, оснащенный другим устройством, в котором пары оптоволокна находятся отдельно друг от друга в распределительной коробке.
Слева от обоих коробок располагаются заключенные в металлические трубы силовые кабели. Два наиболее прочных из них предназначены для TGN-A, те два, что потоньше - для TGN-WER. У последнего также имеются два подводных кабельных маршрута, один из которых завершается в испанском городе Бильбао, а другой - в столице Португалии, Лиссабоне. Поскольку расстояние от этих двух стран до Великобритании короче, в этом случае требуется намного меньше энергии, и поэтому используются более тонкие кабели.
Говоря об устройстве места закладки кабелей, Осборн рассказывает:
«У тех кабелей, которые тянутся с пляжа, есть три основные части: оптоволокно, по которому идет трафик, силовая линия и заземление. Оптоволокно, по которому идет трафик - то, что вытянуто над вон той коробкой. Силовая линия ответвляется на другом отрезке в пределах территории этого объекта»
Желтый желоб для оптоволокна, расположенный над головой, ползет к распределительным панелям, которые будут выполнять разнообразные задачи, включая демультиплексирование входящих сигналов, благодаря чему можно будет разделить разные частотные диапазоны. Они представляют собой место потенциальных «потерь», где отдельные каналы могут обрываться, не попадая в наземную сеть.
Джон рассказывает:«Поступают каналы на 100 Гбит, и у вас есть 10-гигабитные клиенты: 10 на 10. Мы также предлагаем клиентам чистые 100 Гбит».
«Все зависит от пожеланий клиента», - добавляет Осборн. «Если им нужен одиночный канал на 100 Гбит, который поступает от одного из щитков, он может быть напрямую предоставлен потребителю. Если клиенту нужно что-то помедленнее, тогда да, придется поставлять трафик на другое оборудование, где его можно будет разделить на части с более низкой скоростью. У нас есть клиенты, которые покупают выделенную линию со скоростью 100 Гбит, но их не так уж много. Какой-нибудь мелкий провайдер, который захочет купить у нас возможность передачи, скорее выберет линию на 10 Гбит».
Подводные кабели предоставляют множество гигабит пропускной способности, что может быть использовано для выделенных линий между двумя офисами компании, чтобы, например, можно было проводить голосовые вызовы. Вся пропускная способность может быть расширена до сервисного уровня интернет-магистрали. И каждая из этих платформ оснащена различным отдельно контролируемым оборудованием.
«Основная часть пропускной способности, получаемой благодаря кабелю, либо используется для обеспечения работы нашего собственного интернета, либо продается как линии передач другим оптовым интернет-компаниям, вроде BT, Verizon и других международных операторов, у которых нет собственных кабелей на морском дне и поэтому они покупают доступ к передаче информации у нас».
Высокие распределительные щиты обеспечивают функционирование мешанины оптических кабелей, которые делятся 10-гигабитной связью с клиентами. Если вы желаете повысить пропускную способность, то это практически так же просто, как заказать дополнительные модули и распихать их по полкам - так в индустрии говорят, когда хотят описать, как устроены крупные стоечные массивы.
Джон указывает на существующую и используемую клиентом систему 560 Гбит/с (созданную на основе технологии 40G), которую недавно обновили дополнительными 1,6 Тбит/с. Дополнительная мощность была достигнута с помощью двух дополнительных модулей по 800 Гбит/с, которые работают на основе технологии 100G с трафиком более, чем в 2,1 Тбит/с. Когда он говорит о поставленной задаче, создается впечатление, что самая длительная фаза процесса - ожидание появления новых модулей.
У всех инфраструктурных объектов сети Tata есть копии, поэтому существует два помещения SLT1 и SLT2. Одна атлантическая система, получившая внутреннее название S1, находится слева от SLT1, а кабель Восточная Европа - Португалия называют C1, и располагается он справа. На другой стороне здания - SLT2 и Атлантическая S2, которые вместе с C2 соединены с Испанией.
В отдельном отсеке неподалеку располагается наземное помещение, в котором, помимо прочего, занимаются контролем над поступлением трафика в лондонский центр обработки данных Tata. Одна из трансатлантических пар оптоволокна на самом деле осуществляет сброс данных не в месте закладки. Это «лишняя пара», которая продолжает свой путь прямо до офиса Tata в Лондоне из Нью-Джерси, чтобы свести к минимуму задержку сигнала. Кстати, о ней: Джон проверил данные о задержке сигнала, идущего по двум атлантическим кабелям; самый короткий путь достигает скорости задержки пакета данных (PGD) в 66,5 мс, в то время как самый длинный - 66,9 мс. Так что ваша информация переносится на скорости около 703 759 397,7 км/ч. Ну как, достаточно быстро?
Он описывает основные проблемы, возникающие в связи с этим: «Каждый раз, когда мы переходим с оптического на слаботочный кабель, а затем опять на оптический, время задержки увеличивается. Сейчас, с помощью высококачественной оптики и более мощных усилителей необходимость воспроизводить сигнал сводится к минимуму. Другие факторы включают в себя ограничение на уровень мощности, которая может быть отправлена по подводным кабелям. Пересекая Атлантику, сигнал остается оптическим на протяжении всего пути».
ПРОДОЛЖЕНИЕ