Podvodni internet

Ko v brskalniku vtipkate naslov japonske spletne strani, se ta čez slabo sekundo odpre. V tem času so podatkovni paketki prepotovali večji del celinske Evrope, dno Sredozemskega morja, Rdeče morje in pod Indijskim oceanom do Pacifika na Japonsko. In nazaj. Ali pa so ubrali pot v nasprotno smer, prek Atlantika, čez ZDA in Pacifik. Povezljivost vseh naseljenih kontinentov zagotavlja zapleten sistem slabih 300 podmorskih kablov v skupni dolžini prek 800.000 kilometrov.

Naključni uporabniki interneta bi pomislili, da podatki med celinami potujejo prek satelitov, a v resnici več kot 95 odstotkov vsega prometa potuje po množici podmorskih kablov, ki so položeni po vseh oceanih in morjih. Poglavitna razloga sta dva: tak prenos podatkov je bistveno hitrejši, saj je zmogljivost satelitske povezave v najboljšem primeru nekaj deset megabitov na sekundo, eno samo optično vlakno pa lahko prenese tisočkratnike te količine. Drugi razlog je višina orbite geostacionarnih satelitov (36.000 km) in nestabilnost spodnje atmosfere. To po eni strani povzroča nestabilnost povezave in nihanje prenosa, po drugi strani pa je ta razdalja tako velika, da prinaša opazne in moteče zamike (latence).

Rešitev teh tegob se vsiljuje kar sama – oceane je treba prepresti s podmorskimi kabli, tako kot počnemo že 150 let. Zgodba je pravzaprav podobna kot pri mobilnih telefonih, ko so ob njihovem prihodu nepoznavalci govorili o satelitski telefoniji, a je resnica veliko bolj zemeljska, saj brez baznih postaj in kabelskih povezav med njimi tudi mobilne telefonije ni. Kako nezanesljive so satelitske povezave, ve vsakdo, ki je že kdaj poizkusil telefonirati prek Iridiuma. Zatika se, hrešči, zamik je, pa še nesramno drago je vse skupaj.

Zelo kratka zgodovina

Prve podmorske kable so začeli polagati že kmalu po izumu telegrafa, čeprav je bilo tedanje znanje o elektriki skromno. Leta 1850 so položili prvi podmorski bakreni kabel med Anglijo in Francijo, pičlih osem let zatem pa so Evropo z Ameriko povezali prek Atlantika (ta kabel je sicer deloval le nekaj tednov, a so ga kmalu nadomestili novejši). Čeprav je bil zaradi nizke prepustnosti teh kablov prenos črk po njih zelo drag, je bil čezoceanski telegraf velika uspešnica in Britanci so kmalu postali vodilna sila pri polaganju podmorskih kablov. Njihova Eastern Telegraph Company je do začetka 20. stoletja povezala vse naseljene celine in zemljevid telegrafskih kablov tistega časa je neverjetno podoben današnji mreži hitrih optičnih podmorskih kablov. Podobnost je razumljiva, saj so moderne kable zaradi enostavnosti polagali kar po istih trasah.

Podmorski kabli, ki so leta 1901 sestavljali britansko telegrafsko omrežje.

Prvi transatlantski kabel za prenos telefonskega pogovora so položili šele leta 1956, ko je tehnologija ojačevalnikov tako napredovala, da so jih lahko vgradili v kabel vsakih 30 kilometrov. Naslednji korak je bil prvi optični kabel, ki je Stari in Novi svet povezal leta 1988. Razvoj do danes je bil silovit, a v osnovi se podmorski kabli niso bistveno spremenili. Sestavljajo jih vodnik, izolacija in opora, vmes pa še kakšen ojačevalnik. Zanimive pa so podrobnosti.

Polaganje podmorskega kabla 6. avgusta 1906 v vasici Porthcurno v Cornwallu v Angliji.

Tako pa podmorske kable na obali polagajo danes.

Priprava kablov

V sredici kabla potrebujemo medij za prenos signala, ki je bil pri telegrafskih in telefonskih kablih baker, pri današnjih optičnih pa je steklo. V 19. stoletju so bili naivno prepričani, da bo za uspešen prenos zadostovala zgolj dovolj visoka napetost, ki bo premagala upornost več tisoč kilometrov bakra. V resnici se zaradi kapacitance in induktance vodnika, ki ju tedaj niso poznali, signal tako popači, da je bila hitrost telegrafa omejena na nekaj besed na minuto. Nekaj kablov jim je uspelo celo kratko skleniti z Atlantskim oceanom, ker so skoznje poizkusili poslati signal pri tako visoki napetosti, da je prebilo izolator. Zvočne signale je bilo zato mogoče prenašati šele pozneje, ko jim je uspelo vgraditi ojačevalnike v kabel, da so lahko delovali pri nižjih napetostih in z manj popačenja.

Današnji optični kabli so zelo podobni starim bakrenim, le da imajo v sredini steklo. Optično vlakno ni nič drugega kakor zelo čisto steklo, skozi katero potuje svetloba. Optično vlakno sestavljajo sredica, po kateri potuje svetloba, plašč z nižjim lomnim količnikom, ki s totalnim odbojem prepreči uhajanje svetlobe iz sredice, ter zaščitna plast. V podmorskem kablu je združenih več takšnih optičnih vlaken, ki so izolirana s polietilenom in imajo dodatno ogrodje za fizično zaščito in bakreni vodnik pod napetostjo za napajanje ojačevalnikov.

Prerez sodobnega podmorskega kabla. Pobarvana vlakna v sredini so optična vlakna, okrog pa je več vrst svetlobne, električne in mehanske zaščite.

Optična vlakna so zelo tanka, saj sredica meri 8–10 mikrometrov v enorodovnih ali 50–100 mikrometrov v večrodovnih vlaknih, celotno vlakno pa ne več kot nekaj milimetrov. Enorodovna vlakna so dražja in terjajo natančnejšo opremo za pošiljanje in prejemanje signala, a omogočajo prenos podatkov na daljše razdalje. Večrodovna vlakna so cenejša, a z večjimi izgubami signala, zato se uporabljajo zlasti kot omrežne hrbtenice v stavbah.

Tudi celotni podmorski kabli so presenetljivo ozki, saj navadno merijo v premeru 7 centimetrov in tehtajo od 0,5 do 10 kg na meter. Globokomorski kabli so navadno tanjši, lažji in z manj zaščite, da jih ne zmečka visok pritisk in ker tam spodaj ni veliko nevarnosti. Kabli v plitvejših in prometnejših morjih so dodatno utrjeni in ojačani, včasih pa kar vkopani, saj jih lahko poškodujejo alge, morski psi, ladijska sidra, ribiške mreže, potresi in celo teroristi.

Čeprav danes uporabljamo optična vlakna namesto bakra in polietilensko izolacijo namesto gutaperče (gutta-percha, naravni polimer poliizopren), je prerez kablov iz let 1858 (levo) in 2008 (desno) presenetljivo podoben.

Uporabljajo polni dupleks, kar pomeni, da se podatki prenašajo v obe smeri hkrati. Komunikacija v obe smeri seveda ne poteka prek istega optičnega vlakna, temveč v vsako smer po svojem.

Prisluškovanje

Ker so podmorski kabli položeni po nikogaršnjem dnu, so zamisli o prisluškovanju že zelo stare. Leta 1970 so Američani ugotovili, da skozi Ohotsko morje poteka podmorski kabel med sedežem ruske pacifiške flote v Vladivostoku in oporiščem Petropavlovsk na Kamčatki. Leto pozneje so ameriški potapljači v operaciji Ivy Bells kabel našli in nanj pritrdili napravo za prisluškovanje, ki je promet snemala na trakove, ki so jih menjavali vsak mesec. Operacija se je končala leta 1981, ko je uslužbenec NSA Ronald Pelton podatke o operaciji prodal Rusom in si prislužil dosmrtno ječo.

Do danes so se spremenile metode, ker so kabli iz optičnih vlaken, zamisel pa ostaja enaka. Britanska obveščevalna agencija GCHQ ima program Tempora, ameriška NSA ima program Quantum Insert, Avstralija in Singapur pa svoje, pa verjetno še katera država. Sama tehnika prisluškovanja signalu na optičnih vlaknih ostaja tajna, a prisluškovanje je mogoče.

Včasih ni potrebno niti to, saj mesta, kjer kabli pridejo na kopno in se priključijo v zemeljsko omrežje, praktično niso zavarovana. Precej enostavno lahko agentje prisluškovalne naprave namestijo kar tam.

Brazilci so to težavo že pripoznali, zato pospešeno gradijo nove podmorske kable do Evrope in Afrike. Trenutno iz Brazilije do Evrope poteka le en podmorski kabel, vsi drugi pa gredo do ZDA, kjer NSA prisluškovanja sploh ni treba prikrivati, saj imajo kable skorajda na domačem dvorišču.

Polaganje kablov

Za polaganje kablov se uporabljajo specializirane ladje, ki imajo v podpalubju velikanske kolute, na katerih je lahko navitih več tisoč kilometrov kabla. Prvi korak je trasiranje, saj je treba poiskati traso na dnu, ki se izogiba globelim, previsom, prelazom, ognjenikom, agresivnim substancam na tleh in drugim nevarnostim, da se lahko kabel varno usede na dno. Ker nima smisla izumljati tople vode, se največ uporabljajo že stoletje preverjene in utečene trase, ki jih poznamo iz časov telegrafov.

Polaganje kabla se začne blizu obale, kjer je kabel povezan z obalno postajo. V tej fazi so na kabel pritrjene boje, da ne potone, ladja pa ga počasi odvija. Polaganje kabla poteka s hitrostjo okrog 15 kilometrov na uro. Ko je ladja dovolj daleč od obale, boje odstranijo in kabel potone na dno. Posebnega pritrjevanja ni, tako da kabel prosto počiva na oceanskem dnu. V plitvih morjih blizu obale se kabel zakoplje, da se zmanjša možnost poškodb, v oceanih pa ne. Tam tudi ni mogoče natančno ugotoviti, kam bo kabel padel, saj ga med padanjem morski tokovi zanašajo sem ter tja. Najboljša podjetja dosežejo natančnost 200 metrov pri polaganju glede na traso. Tudi zato in pa za kasnejše dvigovanje ob morebitnih popravilih je nujno, da kabel ni napet, temveč ima dovolj rezervne dolžine, da se lahko zvije in uleže na dno.

Ojačenje signala

Če posvetimo skozi optično vlakno na enem koncu, vidimo izstopno svetlobo na drugem koncu. A čeprav so optični vodniki zgrajeni iz najčistejšega stekla, svetloba ne more potovati skozi več tisoč kilometrov stekla. Kljub popolnemu odboju na meji med sredico in ovojem se zaradi nečistoč v steklu počasi absorbira, siplje in razbije. Približno 400 kilometrov je zgornja meja, kako daleč še lahko pošljemo svetlobo, da je ob prihodu prepoznavna. Predstavljajte si, da bi imeli tako debelo šipo, pa bi morali skoznjo jasno videti.

Pri daljših razdaljah je treba vsakih 70–80 kilometrov v kabel vgraditi ojačevalnik. Prvi ojačevalniki so svetlobo pretvorili v električni signal, ga s tranzistorjem ojačili in spet pretvorili v svetlobo. To je zamudno in drago početje, zato danes uporabljajo neposredne ojačevalnike. Izmed treh vrst (laserskih, polprevodniških in Ramanskih) pri prenosu signala po optičnih vlaknih največkrat uporabljajo laserske.

Najpogostejša različica se imenuje EDFA (erbium doped fibre amplifier), ker imajo del sredice »dopiran« (postopek, s katerim v čist material vnesemo nekaj »nečistoč« in mu s tem spremenimo lastnosti) s trivalentnimi erbijevimi kationi. Ojačevalnik je močan vir svetlobe drugačne valovne dolžine, kot se uporablja za prenos podatkov po njem. Ko ta svetloba sveti na dopirani del sredice, ta vzbudi erbijeve ione v višje energetsko stanje. Ti potem del energije oddajo v obliki fotonov, ki so enake valovne dolžine in v fazi s fotoni, ki prenašajo podatke.

Potapljač pregleduje optični kabel v plitvem morju.

Na ladjah je več tisoč kilometrov optičnega kabla zvitega v kolutu, ki ga počasi odvijajo, ko kabel previdno polagajo na morsko dno. Vir: ABB Group.

Tak ojačevalnik potrebuje energijo in dobi jo iz bakrenega vodnika, ki teče poleg optičnih vlaken in po katerem teče tok 1 A. Upornost tega vodnika je približno en ohm na kilometer, upad napetosti na vsakem ojačevalniku pa je dodatnih 20 V.

Za tipičen podmorski kabel dolžine 7500 km potrebujemo 100 ojačevalnikov, napajalno napetost okrog 10 kV in nekaj sto milijonov dolarjev za izgradnjo, položitev in obratovanje. Tipičen podmorski kabel je zasnovan za življenjsko dobo 25 let. Prvi optični kabli se bodo torej upokojevali v prihodnjih letih.

Čigavi so kabli

Ker stane polaganje podmorskega kabla tudi več sto milijonov dolarjev, se tega podjetja lotevajo v konzorcijih. Navadno so solastniki kabla oziroma podjetja, ki ga upravlja, telekomunikacijski operaterji iz držav, ki jih povezuje. Na primer kabel SEA-ME-WE 4 v dolžini 18.000 km, ki povezuje Francijo s Singapurom z razvejišči v vrsti arabskih in azijskih držav s hitrostjo 1,28 terabita na sekundo, je financiral konzorcij šestnajstih operaterjev. Kabel so polagali leta 2005, stal pa je pol milijarde dolarjev.

SEA-ME-WE 3 iz leta 2000 je dolg celo 39.000 km, saj teče od Nemčije prek Gibraltarske ožine po Sredozemlju in Rdečem morju čez Indijski ocean in ob kitajski obali do Japonske, ter povezuje 39 mest v več državah. Pri gradnji je sodelovalo 16 operaterjev.

V novejšem času pri polaganju sodelujejo tudi podjetja, kot sta Google in Facebook, ki v gradnjo podmorskih kablov vlagajo več milijonov. Ker imajo podjetja podatkovne strežnike na več celinah, potrebujemo med njimi hitre in zanesljive povezave, to pa najlaže dosežejo prav z lastnimi podmorskimi kabli.

Popravljanje kablov

Kabli se trgajo. Včasih je razlog višja sila, kot je bil potres leta 2006 v bližini Tajvana, ki sicer ni terjal veliko smrtnih žrtev in ni povzročil veliko gmotne škode na stavbah, a je potrgal pet pomembnih podmorskih kablov, ki so Tajvan povezovali s svetom. Mnogokrat so razlog malomarni kapitani, zaradi katerih ladijska sidra ali pa ribiške mreže pretrgajo kable, čeprav so ti jasno in natančno vrisani na kartah in tam plovba ni dovoljena. To je zlasti pogosto v plitvih in prometnih vodah Sredozemlja, Rdečega morja in na zahodni afriški obali. Tako je vsako leto poškodovan kakšen kabel, končni uporabniki pa to opazijo le tedaj, ko je prerezanih več povezav (leta 2008 na Bližnji vzhod, leta 2012 pa v Afriko). Med ZDA in Evropo jih je toliko, da težav ni (internetni promet se pač preusmeri na delujoče), povezave afriških in bližnjevzhodnih držav pa so bistveno bolj občutljive. Tudi namerne poškodbe se dogajajo, čeprav je rezanje kablov že zaradi visoke napetosti nevarno početje. Lani so egiptovske oblasti aretirale tri ljudi, ki so poškodovali podmorske kable blizu Aleksandrije in za 60 odstotkov upočasnili egiptovske mednarodne povezave.

Popravilo kabla je zapleten in drag podvig. Najprej je treba ugotoviti, kje se je kabel sploh pretrgal, to pa ni trivialno. V ta namen se uporablja optični reflektometer v časovnem prostoru (OTDR), ki skozi kabel pošlje več pulzov svetlobe in meri odbito in sipano svetlobo. Iz časa potovanja signala in njegove oblike lahko približno izračunamo, kje je kabel poškodovan. Natančnost izračuna je omejena, ker ne poznamo točne dolžine optične poti (ta ni enaka kot dolžina kabla) niti natančne hitrosti svetlobe v steklu (lomni količnik je znan le na dve decimalki). Če povemo po domače – čas izmeriš na nanosekunde, hitrost pa poznaš bolj kilavo, zdaj pa ugibaj, kakšna je natančna razdalja in kje je napaka.

Nato se na mesto napake odpravi ladja za popravilo. Ta v morje spusti poseben kavelj s petimi zobmi, ki ga vleče pravokotno na traso kabla. Da ga je kavelj zgrabil, zazna dinamometer na ladji kot monotono naraščajočo silo, ki se upira vleki kavlja. Tedaj ladjo ustavijo in ga začno dvigovati. Ko kabel dvignejo na palubo, ga prerežejo in z diagnostiko preverijo, od katerega konca kabla naprej je poškodba. Na nepoškodovano polovico namestijo označevalno bojo in ga vržejo v morje, ladje pa nadaljuje pot vzdolž kabla in ga navija na krov, dokler ne najde mesta poškodbe.

Ko ga najde, kabel za poškodbo odreže in nanj pričvrsti rezervni kabel, ki je na ladji. Potem začno odvijati rezervni kabel v morje in pluti proti prvemu koncu, ki je označen z bojo, in  ga povežejo s kablom. Če diagnostika pokaže, da je povezava dobra, kabel previdno spustijo nazaj na dno.

Vse skupaj se sliši precej zapleteno in zamudno, a ni tako črno. Popravila so res zamudna in draga, a so v oceanih k sreči redka. Več kot 80 odstotkov vseh popravil je treba opraviti v morjih na globini manj kot 1000 metrov, kjer poškodbe kablov največkrat povzročijo zunanji dejavniki (mreže in sidra). V povprečju morajo v celotni življenjski dobi kabla (25 let) le enkrat popravljati zaradi defektov v kablih, vsa druga popravila pa so posledica človekovega vpliva ali naravnih sil (potresi, podori, močne plime itn.). V povprečju je treba kabel v Atlantiku zaradi poškodb popravljati vsaka tri leta, v prometnem, plitvem in ribiško intenzivnem Severnem morju pa nekajkrat na leto.

Osamela Antarktika

Edina celina brez podmorskih kablov je Antarktika, zato poteka ves telekomunikacijski promet prek satelitskih povezav. Te so v primerjavi s kabelskimi bistveno počasnejše, obenem pa imajo zaradi velike oddaljenosti satelitov velik zamik. To je težava, kadar potrebujemo hitro dvosmerno interakcijo, recimo pri pogovorih z ljudmi, za samo brskanje po internetu pa  ni prevelika ovira.

Geostacionarni sateliti, ki se največkrat uporabljajo za internetno povezljivost, krožijo po orbitah v bližini ekvatorja, zato so, gledano z Antarktike, nizko na nebu in niso uporabni v notranjosti celine blizu pola. Zato Antarktika potrebuje več satelitov v drugih orbitah, to pa ni poceni. Leta 2008 je bila skupna hitrost internetne povezave do Antarktike 50 Mb/s, delijo pa si jo vsi znanstveniki na celini.

Približno tak bi bil naš svet, če ne bi imeli podmorskih kablov.

Podmorsko omrežje

Pogled na zemljevid podmorskih kablov razkrije dvoje. Poleg že znanega dejstva, da pri njihovem trasiranju v zadnjem stoletju ni bilo kakšnega napredka, vidimo tudi predvsem njihovo neenakomerno razporejenost. Med Ameriko in Evropo je bogato razvejeno omrežje kablov, ki lahko ob poškodbah drug drugega nadomeščajo in skrbijo za hiter prenos podatkov. Velika gneča vlada tudi v Sredozemlju, Rdečem morju in Indijskem oceanu, kjer na majhnem območju leži veliko kablov. Plovba je v priobalnih delih, kjer tečejo kabli, prepovedana, a to ne prepreči vseh poškodb. Ker je redundanca teh povezav manjša, imajo države, ki jih povezujejo ti kabli, lahko precejšnje težave s povezljivostjo ob poškodbah. Tudi med Azijo in Ameriko je povezav veliko, presenetljivo malo pa jih poteka do Avstralije in Nove Zelandije. To je razlog, da je ta del sveta internetno podhranjen. To se pozna v visokih cenah dostopa do interneta, nizkih hitrostih in praktično popolnem pomanjkanju paketov z neomejeno mesečno količino prenesenih podatkov. Zanimivo težavo imajo tudi v Južni Ameriki, kjer vse povezave razen ene potujejo do Amerike, to pa jim zaradi prisluškovanja NSA ni več všeč.

Kako hitro gre in kako še hitreje

Zmogljivosti podmorskih kablov ne povedo dosti o hitrosti prenosa po optičnem vlaknu, ker jih imajo več. V sodobnih omrežjih se uporablja sinhroni način (SONET ali SDH), v katerem je vsa oprema sinhronizirana z atomskimi urami. Hitrost prenosa podatkov definirajo standardi OC-x, kjer OC-1 pomeni 51,84 Mb/s, x pa je celoštevilski večkratnik. Najhitrejši prenos podatkov je trenutno OC-768 z bruto hitrostjo 39,8 Gb/s, najbolj priljubljen po podmorskih kablih pa OC-48 (znan tudi kot  STM-16).

Nadgrajevanje opreme za višanje hitrosti prenosa je drago, polaganje dodatnih kablov pa še dražje. Zato za dodatne pospešitve uporabljajo zvijačo z imenom multipleksiranje valovnih dolžin (WDM), ki so jo prvikrat uspešno uporabili leta 1994. Tako kot je belo sončno svetlobo mogoče s prizmo razkloniti na sestavne dele, lahko svetlobo več valovnih dolžin v pasu C (1530–1565 nm) z multiplekserjem združimo v en žarek, ki potuje po optičnem vlaknu.

Komercialno multipleksiranje že združuje 32 kanalov, prototipi pa vse do 128. Tak način je zelo uporaben in poceni, ker je treba zamenjati le multiplekser in demultiplekser na koncih kabla, sam optični vodnik in ojačevalniki pa ostanejo nespremenjeni, saj imajo erbijevi ojačevalniki lepo lastnost, da v pasu C ojačijo vse, kar dobijo z nespremenjeno valovno dolžino in fazo.

Prihodnost

Optični kabli bodo še zelo dolgo ostali glavna pot prenosa velikih količin podatkov po svetu. Četudi jih bo morda kdaj nadomestila kakšna druga tehnologija, to gotovo ne bodo sateliti, ker so predaleč in jih omejuje sama fizika in ne naša tehnologija. Zato bomo še lep čas odvisni od podmorskih kablov, ki niti niso slaba rešitev. Tam spodaj ni veliko vremenskega in političnega dogajanja. Res so Britanci pred prvo svetovno vojno Nemčijo praktično odrezali od svetovnega telegrafa s presekanjem podmorskih kablov v Severnem morju, a je do danes  redundanca sistemov bistveno večja. Ustroj interneta je k sreči tak, da se ob prekinitvi ene povezave paketki samodejno preusmerijo na druge povezave, če so na voljo.

Poglavitna težava dandanes so žal finance. Podmorske kable so na veliko gradili do leta 2000, ko je internetni balonček razneslo, potem pa silno počasi. Šele v zadnjih letih se je   zadosti povečalo povpraševanje po hitrih medcelinskih povezavah, da se gradnja spet splača. Na eni stran hitre povezave zahteva finančna industrija zaradi visokofrekvenčnega trgovanja (Ko trgujejo računalniki, Monitor 12/12), po drugi strani pa je postala televizija na zahtevo dovolj velik trg, ki golta internetne povezave kot za stavo. Netflix in YouTube po grobih ocenah proizvedeta polovico vsega internetnega prometa na svetu. To so razlogi, da se v zadnjih letih gradnja spet pospešuje.

V prihodnosti se obeta tudi internet stvari (internet of things), ko naj bi bila vsaka elektronska naprava neposredno povezana v internet. To bo še povečalo potrebe po hitrih telekomunikacijskih linijah.

Po kablih teče infrardeča svetloba

Po optičnem vlaknu se podatki prenašajo v obliki svetlobe, ki je elektromagnetno valovanje. Pri tem ne moremo uporabiti kar poljubne valovne dolžine, ker sredica nekatere valovne dolžine absorbira, pri drugih pa so slabenje, sipanje in disperzija svetlobe preveliki. V modernih optičnih kablih je uporabna svetloba valovnih dolžin 1260–1675 nanometrov in se razdeli v več pasov:

Velika večina podmorskih kablov uporablja pas C, ker ga lahko enostavno ojačimo z erbijevimi ojačevalniki.