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真实的互联网世界,从来不是「无线」的
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真实的互联网世界,从来不是「无线」的

2020-09-01 17:33:01 来源:36氪

【大比特导读】互联网世界从来就不是「无线」的,而是靠遍布深海中的无数海底光缆连接起来。本文主要介绍了海底光缆是如何实现全球互联网连接,以及如何在海底安装的。

科技互联网的发展,是一部从有线到无线的变迁史。

八九十年代,我们只能通过电话线拨号上网。现在蜂窝网络、WiFi 让每个人随时随地与数字世界连接。

在手机这个最常用的上网设备上,我们开始习惯无线传输和耳机孔的消失,现在无线充电又试图将一根根充电线砍掉。

互联网让全球都无线连接起来,让千里之外的人们也能面对面交谈,事实真的是这样的吗?

实际上,互联网世界从来就不是「无线」的,而是靠遍布深海中的无数海底光缆连接起来。如果哪一条断了,你可能连微信都发不出去。

海底光缆如何连接全球互联网

我们印象中的互联网,往往是看不见摸不着的虚拟世界。而真实的互联网世界,大概长这样:

海缆

这是分布在全球的约 380 条海底光缆,总长度超过 120 万公里,可以绕地球 30 圈。除了南极洲,海底光缆连接起地球上所有大陆的互联网。

这些海底光缆承担着全球超过 95% 的国际数据传输,就像是互联网的毛细血管。

我们能在异国他乡和国内的家人视频通话,能在手机上看英超、NBA 等国际体育赛事的直播,全赖这些深埋海底的光缆。

当你我在上海用手机发送一段视频给纽约的朋友,这段视频的数据被附近的基站接受后,要先后经过机房、数据中心,接着在海底光缆中跨越太平洋,最后才会被纽约的朋友接收。

海缆

图片来自:TE Connectivity

整个路程长达 1.5 万公里,可耗时只需 1 秒,海底光缆就是互联网世界中传输数据的高速公路。

目前传输速度最快的海底光缆是横跨大西洋 6600 公里的 Marea,由微软、Facebook 和电信基础设施公司 Telxius 联合开发,理论上每秒最高可传输 160 TB 的数据。

160Tbps 是什么概念?这个数据传输速度是一般家庭宽带的 1600 万倍,相当于同时传输 7100 万部高清电影。

由于海底光缆要连接几个大洲的不同国家,长度起步一般都在数千公里以上。其中最长的一条是最长的是亚欧三号海底光缆(SeaMeWe-3),西起德国诺尔登,东至日本冲绳,跨越 3.9 万公里,连接起四个大洲。

海缆

亚欧三号海底光缆共有 39 个登陆点.

你可能会说,为什么不能像过去电视一样用卫星传输数据,而且马斯克的 SpaceX 不是还在打造覆盖全球的卫星互联网吗?

可实际上,卫星传输还远远不能取代海底光缆。

且不说通过近地轨道的卫星传输距离要比海底光缆要长,更无法承载互联网庞大的容量,海底光缆通信容量是卫星的 1000 倍以上,而且卫星还更容易受到天气情况影响。

因此综合传输效率和成本考量,海底光缆是目互联网通信最优的选择。

据信息产业部传输规划部门专家刘战霞介绍,在所有的光缆通信中,互联网通信占用的带宽占到 90% 以上。只有小部分通过卫星传输。

正因为海底光缆几乎承担整个全球互联网的通信,一旦出现故障,后果可能不堪设想。

比如 2006 年台湾地震造成该海域的 13 条海底光缆断裂,让中国网民一个多月都无法完全正常上网,当时中国的网民数量才 1.3 亿。

而在 2013 年,一群无聊的人潜入海底切断了东南亚-中东-西欧 4 号光缆,导致埃及的网速瞬间下降了60%。

这样的事情如果发生在今天,无法想象我们的生活会受到怎样的影响。

人类第一条越洋电缆,意义比肩哥伦布发现新大陆

虽然互联网诞生才 50 年,其实早在 100 多年前,在电话还没诞生的年代,人类就开始通过铺设海底电缆进行远距离通信。

人类史上第一条海底电缆在 1850 年铺设完成,由盎格鲁-法国电报公司开发,跨越英吉利海峡连接英法两国,只能用于发送摩斯电报密码,由于没有任何保护措施,还曾被渔民当做大鱼打捞上来。

海缆

早年的海底电缆采用是铜线材质.

海底电缆在欧洲铺设成功后,英国人很快就将目光放到了

大西洋彼岸的北美大陆。然而两者的难度却天差地别,轮船光是要跨越大西洋就要花三周多的时间。更重要的是,连接欧洲和北美所需电缆的重量,远远超过当时任何一艘船只。

1854 年,从纽约到纽芬兰的海底电缆遭遇资金问题,负责这项工程一位英国工程师到纽约寻求投资,认识了美国企业家塞勒斯·韦斯特·菲尔德(Cyrus West Field)。

海缆

塞勒斯·韦斯特·菲尔德.

两人一拍即合,一个将载入人类史册的海底电缆工程开始了。

在斯蒂芬·茨威格经典的历史传记文集《人类群星闪耀时》中,就专门用了一个章节来讲述菲尔德如何铺设第一条越洋电缆。

1858 年 8 月,第一个单词通过细细的铜线传到了美国,首条跨洋海底电缆铺设完成。

消息一出美国举国欢庆,菲尔德一夜之间成为和哥伦布相提并论的国家英雄。当时英国《泰晤士报》在社论中给出了这样的评价:

自哥伦布发现新大陆以来,还没有哪一种方式在极大的扩展人类活动进程中,可以与此事相提并论。

海缆

英女王和美国总统互致贺电.

然而这条电缆只工作了一个月就罢工了,菲尔德也成英雄变成了「骗子」。之后几年美国内战爆发、世界经济萧条接踵而至,菲尔德的公司也快到倒闭了,他却始终没有放弃那条大西洋深处的电缆。

终于在 1866 年 7月 13 日,历经十多年、数次失败后,菲尔德终于成功了,菲尔德也成了公认的「电缆之父」,给今天的全球互联网埋下了重要的伏笔。

在菲尔德的越洋海底电缆铺设铺设成功 22 年后,中国的首条海底电缆也开始投入使用。全长 117 海里,耗资 22 万银元,用于清朝朝廷与台湾的通信。

这条电缆一直工作到 1931 年,因为福建电信职工不满南京政府迫于日本压力签下的不平等条约,才主动切断。

直到 1988 年,光纤材料的发展让海底电缆升级为海底光缆,逐渐成为全球互联网重要的基础设施。

除了电信运营商,为了满足越来越大的带宽需求以及减少数据传输成本,各大互联网巨头也纷纷花费巨资投入到海底光缆的建设。

Google 高级工程副总裁曾在 2018 年在官方博客中表示,过去 3 年 Google 在网络基础设施上的投入已经超过 300 亿美元,正在筹建的三条的海底光缆的花费也将破亿。

海缆

Google 云等服务就是通过遍布全球的海底光缆连接起来.

不久前 Google 又宣布建造一条新的海底光缆 Grace Hopper,用于连接美国,英国和西班牙。据悉该光缆具有 16 对光纤,将会刷新光缆的带宽记录,目前的海底光缆使用的光纤一般只有 6-8 对。

届时,广大网民的上网速度又将提升一个量级。

怎么将光缆放入数千米深的海底

海底光缆的特点除了长,还有深。最深的海底光缆铺设在 8000 多米下的深海,深度相当于一座珠穆朗玛峰。

那么怎么将这些长达数千到数万公里的光缆,铺设到几千米深的海底呢?

这是被公认为世界上最复杂且困难的大型工程之一,除了要将重达数千吨的光缆运上船,铺设过程中还要在几万公里的航线上避开暗礁岩石,这在波涛汹涌的海中并不是一件容易的事。

光缆的铺设任务由铺缆船来执行,但在出海之前的准备功夫不少。除了对铺设路线进行调查,规划适合的路线,光是将上千吨的光缆卷到船上的储缆盘就要几周时间。

铺缆船的铺设过程主要分为浅海区域和深海区域两个阶段。

在浅海区域,铺缆船载着光缆开到距离登陆点数公里外的海上,再由小型的接驳船将光缆绑在浮标上牵引至岸边,然后拆除浮标,让光缆沉入海底,最后由潜水员或遥控机器人将光缆掩埋。

海缆

更大的挑战则在深海区域,这十分考验铺缆船的驾驶技术。因为要控制好航行速度、光缆释放速度,以保证光缆的入水角度、敷设张力适宜,才能避免损害光缆中的光纤,顺利完成铺设。

要将光缆铺设到海底,还离不开埋设犁,其外形和功能和耕田所用的犁没什么不同,只不过它是在几千米深的海床「耕作」。

当埋设犁带着光缆被下放到海底后,首先通过喷注工具喷出高压水流,在海底冲出一条深约 2 -3 米的沟槽,再通过导缆孔将光缆放入沟槽,最后用泥土覆盖在光缆上。

海缆

图片来自:YouTube

铺设完成之后也并非一劳永逸,故障后的维修难度一点不亚于铺设。

还记得菲尔德那条越洋电缆吗?故障后用了 7 年多才维修成功,尽管今天光缆技术已经大大进步,维修过程依然不简单。

其实为了保证光缆不被海水腐蚀、鱼类撕咬,光缆本身就装备了几层由聚乙烯、沥青、钢线、铜管等材料组成的「铠甲」,它们要保护的是只有一根头发丝大小的光纤。

海缆

跟很多人的直觉相反的是,越是在浅海区域,光缆的保护层越多,也更粗大。在深海的光缆则无需这么多保护,因为在浅海反而更容易因为捕鱼、船只等人类活动遭到破坏。

海缆

图片来自:nec

海底光缆因为天灾人祸而损坏每年都会发生一两百次,故障发生后,要在数万公里的光缆中定位损坏的那个位置,是第一个难点。

光缆定位故障一般会先采用光时域反射仪(OTDR)在光缆中发射一段激光信号,就可以根据断裂位置的信号反弹估算出大概位置。

接着技术人员再给光缆发射特定的电压和低频声波信号两个信号,被维修船上的传感器定位后,可以进一步确认光缆的故障位置。

接下来维修船会驶到故障位置上方,如果在光缆位于 2000 米以内的海底,就会派出水下机器人,挖出海底的光缆,切断故障部分,将剩余两端带回船上修复。

海缆

图片来自:Wired

如果在 2000 以下的深海,就要出动一个巨型的抓斗,将光缆勾回海面,整个操作过程就像在玩一个超大的娃娃机。

接着就是在船上,用光纤熔接机将光缆切断的部分与替代光缆拼接到起来,因为光纤比一根头发更细,拼接工作就像一场精细的外科手术。测试没问题后,就会再次将光缆埋入海底。

修复光缆不仅耗时耗力,还烧钱。修复一根光缆的费用从数十万美元到数百万欧元不等,但在今天,相比起网络瘫痪造成的损失,这点维修费不算什么。

这一条条海底光缆连接了我们的互联网世界,你在对话框收到的一个单词、一张图片或一段视频、在 Netflix、YouTube 上看到的每一帧画面,都可能在深邃的海底跨越万里才出现在你的屏幕上。

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