Резильентность подводных Интернет-сетей: исторический анализ повреждений, последствия, стратегии предотвращения и адаптивная топология для максимальной устойчивости

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕЗИЛЬЕНТНОСТЬ ПОДВОДНЫХ ИНТЕРНЕТ-СЕТЕЙ: ИСТОРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОВРЕЖДЕНИЙ, ПОСЛЕДСТВИЯ, СТРАТЕГИИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ И АДАПТИВНАЯ ТОПОЛОГИЯ ДЛЯ МАКСИМАЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

Лукашев Алексей Олегович Студент

Багаудинов Данияр Ринатович Студент

Круглов Анатолий Михайлович

Ассистент кафедры телекоммуникаций

Аннотация

кабель коммуникационный интернет связь

В настоящей статье описывается эволюция подводных коммуникационных кабелей и потенциальные последствия их повреждения, начиная от первого коммерческого кабеля между Англией и Францией в 1850 году до современных волоконно-оптических технологий. Представлена история значительных повреждений подводных кабелей, подчеркивающая угрозы для глобальной интернет-связи и телекоммуникационных услуг.

Была предложена устойчивая топология сети с акцентом на ключевую роль подводных волоконно-оптических кабелей для обеспечения надежности глобальных телекоммуникаций. Также рассматривается устройство и методы сохранения целостности глобальной волоконно-оптической сети, включая защиту кабелей от физических повреждений и стратегии ремонта.

Ключевые слова: Подводные коммуникационные кабели, Защита инфраструктуры, Геополитическая устойчивость, Технологические инновации, Международное сотрудничество, Устойчивая топология сетей, Правовое регулирование, Антропогенные угрозы, Природные катастрофы, Международные инвестиционные соглашения, Цифровые атаки, Физическая безопасность инвестиций, Оптоволоконная технология, Мониторинг и меры предосторожности, Межконтинентальная телекоммуникационная сеть.

Abstract

Lukashev Aleksey Olegovich Student

Bagaudinov Daniiar Rinatovich

Kruglov Anatoly Mikhailovich

RESILIENCE OF SUBMARINE INTERNET NETWORKS: HISTORICAL DAMAGE ANALYSIS, CONSEQUENCES, PREVENTION STRATEGIES, AND ADAPTIVE TOPOLOGY TO MAXIMIZE RESILIENCE

This paper describes the evolution of submarine communications cables and the potential consequences of their damage, from the first commercial cable between England and France in 1850 to modern fiber optic technology. A history of significant submarine cable damage is presented, highlighting the threats to global internet connectivity and telecommunications services.

A resilient network topology has been proposed, emphasizing the key role of submarine fiber optic cables to ensure the reliability of global telecommunications. The design and methods for preserving the integrity of the global fiber optic network, including protection of cables from physical damage and repair strategies, are also discussed.

Keywords: Submarine communication cables, Infrastructure protection, Geopolitical resilience, Technological innovation, International cooperation, Resilient network topology, Legal regulation, Anthropogenic threats, Natural disasters, International investment agreements, Digital attacks, Physical security of investments, Fiber optic technology, Monitoring and precautions, Intercontinental telecommunication network.

Введение

Исследование способов предотвращения и уменьшения случаев повреждения коммуникационных кабелей особенно актуальна в условиях современной геополитической ситуации. Помимо традиционных случаев повреждения подводный коммуникационный кабелей, связанных с природными катаклизмами, а также преднамеренными и непреднамеренными случаями повреждения кабелей людьми, уничтожение трубопровода Nord Stream, а также повреждение кабелей в Красном море усилило опасения по поводу повреждения подводных коммуникаций государственным структурами или организованными частными группами.

Основная часть

Раздел 1. Эволюция подводных коммуникационных кабелей и потенциальные последствия их повреждений

Глобальная сеть Интернет стала неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, однако мало кто задумывается о том, что ее инфраструктура все еще в значительной степени зависит от прокладки подводных кабелей на огромные расстояния. Подводные интернет -кабели, простирающиеся на дне океана, образуют густую сеть. Независимо от местоположения, будь то мыс Доброй Надежды или северное побережье России с «Полярным экспрессом» - канатной дорогой, первый коммерческий подводный кабель был проложен в 1850 году, соединив Англию и Францию для телеграфной связи.

Первый трансатлантический кабель был установлен в 1858 году, хотя скорость передачи данных была крайне низкой. С развитием понимания электричества на больших расстояниях, появление медных коаксиальных кабелей позволило осуществлять голосовые вызовы под водой к 1950-м годам. Однако для удовлетворения растущего интернет -трафика потребовалось внедрение волоконно-оптической технологии. Волоконная оптика преобразует данные в световые сигналы, требуя периодического усиления через ретрансляторы для сохранения сигнала на больших расстояниях.

Хотя использование оптоволокна в домашних сетях было изначально редкостью, подводные кабели начали использовать его в конце 1980 -х годов. С развитием материалов и технологий, скорость передачи данных через подводные кабели выросла в миллионы раз. Например, сравнивая скорость оригинального кабеля TAT 8 (280 мегабит/с) с новым кабелем Grace Hopper (352 терабит/с), можно заметить огромный технологический скачок [13].

Необходимость обеспечения надежности подводных кабелей становится ключевой задачей. Кабели защищены от физических повреждений и внешних воздействий, таких как атаки акул. В случае повреждений кабеля, данные могут быть перенаправлены по другим маршрутам до восстановления связи.

Раздел 2. История повреждений подводных кабелей

Известные случаи повреждения подводных кабелей представляют собой серьезную угрозу для непрерывности интернет-связи и телекоммуникационных услуг в различных регионах мира. Один из значительных инцидентов произошел в 2008 году, когда авария привела к отключению интернета для приблизительно 75 миллионов жителей Среднего Востока и Индии. Предполагается, что корабельный якорь, скользящий по дну, привел к разрыву кабеля, что в свою очередь вызвало перегрузку сетей и дополнительные отключения интернета.

В 2006 году землетрясение в Азии привело к выходу из строя 80% подводных кабелей, соединяющих Тайвань с остальным миром, что существенно повлияло на интернет-емкость Гонконга, Китая и других стран региона. Еще один инцидент был зафиксирован в 2013 году в Египте, где трое аквалангистов были арестованы за попытку перерезать кабель SMW -4, обеспечивающий интернет-соединение для всей страны.

Повреждение подводных кабелей в Красном море также привело к нарушению работы телекоммуникационных сетей, вынудив перенаправить до четверти трафика между Азией, Европой и Ближним Востоком. Этот инцидент затронул 25% трафика, принадлежащего четырем основным телекоммуникационным сетям. Считается, что йеменские повстанцы -хуситы могли быть причастны к повреждению этих кабелей [1].

В ответ на угрозы, ставшие все более актуальными для подводной инфраструктуры, НАТО учредило Центр защиты подводных трубопроводов и кабелей, подчеркивающий важность обеспечения защиты этих критически важных объектов от диверсий и других рисков.

Раздел 3. Разработка устойчивой топологии сети: ключевая роль подводных волоконно-оптических кабелей

В настоящее время более 95 процентов международных и межконтинентальных телекоммуникаций осуществляется с помощью подводных волоконно-оптических кабелей. Это связано с относительно низкой стоимостью одного переданного бита в сравнении с другими способами передачи данных. Однако, учитывая важность сохранности современной сети, а также потенциальные последствия ее повреждения отсутствие защиты у большинства подводных коммуникационных кабелей вызывает обеспокоенность. Помимо непредсказуемых природных катаклизмов, они могут быть повреждены рыболовными сетями или якорями судов, которые скребут дно океана. Более того, большинство проложенных региональных подводных кабелей проходят вдоль сейсмоопасных географических зон [4]. Для сферы финансов исправная работа подводных кабелей обеспечивает передачу финансовых трансфертов на сумму около 10 триллионов долларов ежедневно. При этом, по мере роста спроса на передачу данных, особенно из-за перехода на облачные сервисы и распространения сетей 5G, ожидается, что потребность в пропускной способности будет удваиваться каждые два года [5]. Помимо физических угроз, подводные кабели также подвергаются цифровым атакам, которые могут нарушить поток данных, передаваемых через эти кабели.

Актуальность разработки эффективных мер по обеспечению устойчивости подводных кабелей подтверждается исследованиями Bill Moran Hindustan University и Moshe Zukerman University of Reading. Авторы предложили принципиально новый подход к созданию топологии подводных кабельных сетей, основываясь на прямоугольной структуре. Формулируется задача оптимизации на плоскости с учетом минимизации общей стоимости при ограничениях на сохранение работоспособности сети. Авторы предлагают прямоугольную схему расположения кабелей, направленную на предотвращение одновременного повреждения всех кабельных соединений. Такая конфигурация направлена на минимизацию риска одновременного повреждения всех кабельных линий, что, по их мнению, может значительно повысить надежность межконтинентальной телекоммуникационной инфраструктуры. Эта концепция включает прокладку двух или более кабельных линий между городами, расположенными на разных островах или континентах, с целью максимизации расстояния между кабелями для избежания их одновременного разрыва в случае катастрофы. Эффективность топологии оценивается по вероятности выживаемости, которая должна соответствовать определенному порогу.

Для упрощения сложности проектирования такой сети авторы сформулировали задачу оптимизации на плоскости, упрощая сферическую геометрию Земли. Этот подход направлен на минимизацию общей стоимости установки, соблюдая при этом ограничения по выживаемости. Анализ включает различные сценарии, основанные на отношении между половиной ширины прямоугольной сети и радиусом островов или континентов. Ограничение по выживаемости рассчитывается на основе плотности вероятности наступления катастрофы в любой точке и радиуса её воздействия.

Исследование разделяет плоскость на квадранты для оценки вероятности подключения сети в случае катастроф, учитывая случаи, когда половина ширины сети больше или меньше половины расстояния между двумя городами. Показано, что вероятность выживаемости является неубывающей функцией половины ширины сети, что направляет процесс оптимизации.

Для сетей, требующих более двух кабелей, авторы представляют расширенное решение с прямоугольной топологией, корректируя расчёты стоимости и выживаемости соответственно. Они также касаются вопроса дальнейшей оптимизации за счёт разрешения прокладки кабелей по изогнутым линиям или принятия других топологий, таких как овальные формы, для снижения затрат при сохранении выживаемости [6].

Раздел 4. Устройство и сохранение целостности глобальной волоконно-оптической сети

Мы рассматриваем волоконно-оптический кабель, заключенный в слои материала (например, пластика, стали, алюминия) для защиты от повреждения водой и изоляции [8]. Как показано на рисунке 1, кабель проложен по дну океана и соединяет две или более наземных кабельных установки. Наземная кабельная установка обычно содержит оборудование для передачи, приема, электропитания и управления сетью. В силу того, что большинство подводных телекоммуникационных кабелей принадлежит отдельным частным компаниям и консорциумам компаний, владеющих и эксплуатирующих сеть из более чем 500 коммерческих подводных кабелей, на практике материалы оборудование, а также наличие или отсутствие мониторинговых систем может быть различным от компании к компании. "Также, помимо частных" на рынке существуют и государственный компании - так, некоторые правительства вложили средства в производство кабелей. Например, подводная кабельная система Тонга -Фиджи принадлежит и управляется компанией TCL, которая разработала кабель и управляет им при финансовой поддержке Азиатского банка развития и Всемирного банка. TCL является государственным предприятием, на 80% принадлежащим правительству. В Китае три государственные компании -- China Mobile, China Telecom и China Unicom -- инвестировали в подводные кабели. В Соединенных Штатах военно-морской флот США владеет более чем 40 000 морскими милями различных подводных кабелей.

Рисунок 1 Подводная кабельная система связи и ее компоненты

Источник: Congressional Research Service, Undersea Telecommunication Cables: Technology Overview and Issues for Congress

На рисунке 1 показана подводная телекоммуникационная кабельная система, идущая от пляжного люка к пляжному люку; и волоконно - оптические линии от наземной кабельной установки до POP, где POP -- это точка присутствия (например, центра обработки данных), который подключается по волоконно-оптическим линиям к внутренним наземным сетям. POP = точка присутствия.

Повреждение кабеля обычно происходит преднамеренно или в результате случайности в местах посадки кабеля. Для предотвращения возможных повреждений кабель вблизи берега закапывают, обеспечивая “слой защиты” от повреждений, а кабели, лежащие на морском дне защищены за счет их глубоководного расположения, а также отсутствия публичных данных об их точном расположении [11].

В зависимости от удаленности, наличия или отсутствия судна по близости, а также погодных условий и глубины залегания стоимость ремонта обрыва или повреждения кабеля может стоить более одного миллиона долларов США. Если подобные происшествия примут систематический характер, то такое положение вещей может вылиться на рынке в кризис передачи межконтинентальных данных.

В рамках изложенного для защиты посадочных станций как наиболее доступных, уязвимых и наименее защищенных от преднамеренного повреждения элементов кабельной системы предлагается установка по периметру ограждений, камер видеонаблюдения и датчиков движения, а также физического контроля доступа или охраны может усилить безопасность.

Анализ существующих угроз

В исследовании, проведенном TeleGeography в среднем в мире происходит 100 обрывов кабеля в год, из них около 75% вызваны деятельностью человека, в основном рыбной ловлей, постановкой на якорь и другими видами деятельности. Около 14% обрывов кабелей вызваны опасными природными явлениями (например, землетрясениями), а 6% -- отказом оборудования [9].

Рисунок 2 Причины ущерба

Источник: Telegeography « What Happens When Submarine Cables Break»

Что могут сделать владельцы коммерческих подводных кабелей

Одним из способов защиты подводных телекоммуникационных кабелей является использование защитных труб, состоящих из двух идентичных половин, формирующих самоблокирующуюся гофрированную конструкцию. Эта система защиты может быть установлена быстро без использования болтов, хотя болты могут применяться для дополнительного усиления конструкции [10].

Что может сделать государство

В рамках предотвращения повреждений (как целенаправленных, так и случайных) предлагается создание программы обмена аналитическими данными между государственными и частными структурами. Первые попытки в создании подобной системы наблюдаются в США, однако до финального завершения программа далека [11].

У многих рыночных игроков уже есть системы мониторинга, однако такая система существует далеко не у каждой компании, а также систематизация и обмен данными между компаниями без создания государственной структуры мониторинга представляется маловероятной задачей.

Также стоит рассмотреть возможность введения универсальной государственной стандартизация требований и правил для монтажа и эксплуатации кабельных линий. Например, стоит зафиксировать в нормативных документах, что кабели должны быть уложены с запасом по длине, достаточным для компенсации возможных смещений почвы и температурных деформаций, а также должны быть жестко закреплены в определенных точках, чтобы избежать опасных механических напряжений и повреждений. Кабели, находящиеся в местах, где возможны механические повреждения, должны быть защищены специальными конструкциями. Также должна предусматриваться защита кабельных линий от блуждающих токов и почвенной коррозии. Все эти меры должны применяться только в условиях экономической целесообразности.

Штрафы за ущерб

Даже в случае отсутствия государственных штрафов частный собственник может обратиться в суд с требованием о возмещении ущерба, нанесенного его имуществу, для получения компенсационных выплат со стороны ответчика. Однако в условиях современного мира субъект нанесший вред компании, располагающейся в другой юрисдикции, может избежать ответственности. Вследствие чего необходима работа по улучшению международного законодательства в этой области.

Существуют случаи применения штрафов в отдельных юрисдикциях, так, например в США в соответствии с Конвенцией 1884 года о защите подводных телеграфных кабелей, правительство США приняло законы, согласно которым повреждение кабелей является уголовно наказуемым преступлением.

Умышленное повреждение кабелей является мелким правонарушением. Правонарушители могут быть приговорены к тюремному заключению на срок до двух лет или к штрафу в размере не более 5000 долларов, или и к тому, и к другому (47 U.S.C., глава 2, §21). Повреждение кабеля по неосторожности также является мелким правонарушением. Нарушители могут быть наказаны тюремным заключением на три месяца или штрафом в размере не более 500 долларов США или и тем, и другим (глава 2 47 U.S.C., § 22). Законы США о штрафах за повреждение кабеля были приняты в 1888 году. Многие группы, включая Международный комитет по защите кабелей (ICPC), CSRIC, команду AEP и Европейский парламент, рекомендовали странам пересмотреть штрафы, чтобы убедиться, что они достаточно существенны для предотвращения ущерба.

Международное право

В рамках межгосударственного взаимодействия уже есть решения, каким образом, и кто должен защищать собственность инвесторов, вложивших деньги в прокладку подобных кабелей. Защита собственности инвесторов, вложивших деньги в прокладку подводных кабелей, должна осуществляться в рамках международного инвестиционного права. Автор подчеркивает, что международное инвестиционное право предоставляет кабельным инвесторам возможность требовать защиты физической безопасности своих инвестиций от физического повреждения со стороны государства, на территории которого осуществляется инвестирование. Это включает в себя обязательство принимающего государства активно защищать физическую безопасность подводных кабелей от повреждений, осуществляемых частными лицами, в рамках стандарта полной защиты и безопасности (FPS).

Принимающее государство обязано предпринимать все разумные меры для защиты инвестиций, включая административные и судебные меры, для предотвращения атак на подводные кабели. Если такие меры оказываются неэффективными и повреждение все же происходит, государство должно стремиться к минимизации ущерба, восстановлению ситуации и предоставлению компенсации.

Кроме того, документ указывает на ограниченную юрисдикцию прибрежных государств в их исключительных экономических зонах (ИЭЗ) и на континентальном шельфе по отношению к защите подводных кабелей в соответствии с международным правом моря. Однако подчеркивается, что прибрежные государства могут и должны использовать все доступные им средства в рамках своих прав и обязанностей для защиты таких инвестиций, включая возможность создания зон защиты подводных кабелей, где регулируются конкурирующие виды использования моря.

Если государство, на территории которого осуществляется инвестирование, не исполняет свои обязательства по защите инвестиций, в том числе подводных кабелей, международное инвестиционное право предоставляет инвесторам ряд мер, которые они могут предпринять:

Международный арбитраж: Инвесторы могут обратиться к международному арбитражу для разрешения спора с государством. Многие международные инвестиционные соглашения и договоры предусматривают механизмы защиты инвестиций и разрешения споров, такие как Арбитражный суд Всемирного банка (ICSID) или Арбитраж под эгидой Постоянной палаты Третейского Суда (PCA).

Дипломатическая защита: Инвесторы могут обратиться к своему правительству за дипломатической поддержкой в разрешении спора. Правительство инвестора может вести переговоры напрямую с государством - хозяином или использовать другие формы дипломатического давления.

Прямые переговоры: Инвесторы могут попытаться решить спор напрямую с государством через переговоры. Это может быть более быстрым и менее затратным способом разрешения конфликта по сравнению с арбитражем.

Использование национальных судов: в некоторых случаях инвесторы могут обратиться к национальным судам государства, на территории которого были совершены инвестиции, для получения компенсации ущерба или восстановления своих прав [12].

Заключение

Исследование подчеркивает критическую важность подводных телекоммуникационных кабелей для поддержания глобальной связности и экономической стабильности. Учитывая растущую угрозу целенаправленных и случайных повреждений, а также природных катастроф, обеспечение надежности подводных кабелей выходит на передний план как для частного, так и для государственного секторов. Инновации в технологии кабелей, разработка устойчивой топологии сетей, улучшенные меры защиты и международное сотрудничество в области стандартизации и правового регулирования могут значительно снизить риски повреждения кабелей.

Разработка новых технологий и методов защиты, таких как использование защитных труб и мониторинговых систем, а также стратегии оптимизации расположения кабелей, направленные на минимизацию воздействия природных и антропогенных угроз, являются ключевыми элементами защиты инфраструктуры. Кроме того, важность правовых мер и штрафных санкций за повреждение кабелей, как на национальном, так и на международном уровне, не может быть недооценена. Они служат не только средством наказания, но и важным инструментом предупреждения потенциальных правонарушителей.

В этой связи, международное сотрудничество и обмен информацией между странами и организациями играют критическую роль в предотвращении и быстром реагировании на инциденты, повреждающие подводные кабели. Создание международных платформ для обмена данными, опытом и лучшими практиками может способствовать разработке эффективных стратегий защиты подводной инфраструктуры.

Литература:

1. Хабр URL: https://habr.com/ru/companies/selectel/articles/565384/

2. Submarine cable networks URL: https://www.submarinenetworks.com/ en/ systems/trans-atlantic/ grace-hopper/

3. Online resources Taiwan quake shakes confidence in undersea links URL: http://www.enn.com/technology/article/5740

4. Online resources CSIS. URL: https://www.csis.org/analysis/invisibleand-vital-undersea-cables-and-transatlantic-security

5. Topology Design of Undersea Cables Considering Survivability Under Major Disasters URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/5136807

6. Security threats to undersea communications cables and infrastructure - consequences for the EU URL: https://www.europarl.europa.eu /thinktank/en/document/EXPO_IDA(2022)702557

7. Protecting Submarine Cables From Physical Damage Under Investment Law URL: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/00908320.2020.1869446

8. Gallagher, J. K. Underwater Telecommunication Cables A Technology Overview and Issues for Congress. CRS Report R47237. URL: https://crsreports.congress.gov/product/details?prodcode=R47237

9. TeleGeography. «What Happens When Submarine Cables Break». URL: https://blog.telegeography.com/what-happens-when-submarine-cables-break

10. W&C Casting. URL: https://www.waycasting.com/productinfo/707080.html

11. Threats to Undersea Cable Communications. AEP Program Exchange of Analytical Data Between the Public and Private Sectors, Report, p. 6. URL: https://www.hsdl.org/?abstract&did=870379

12. Informit. «Protecting submarine cables from physical damage under investment law» URL: https://search.informit.org/doi/abs/10.3316/agispt.20210610048073

13. R. L. Easton «TAT-8 The First Transatlantic Optical System», URL: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/1174/1/TAT-8The-First-Transatlantic-Optical-System/10.1117/12.963235.short

Размещено на Allbest.ru