Khi bạn xem một video lưu trên máy chủ ở nước ngoài, dữ liệu gần như chắc chắn đã đi qua đáy biển, dưới dạng những xung ánh sáng chạy trong sợi thuỷ tinh mảnh như sợi tóc nằm trong một sợi cáp dài hàng nghìn ki-lô-mét. Vệ tinh chỉ chở một phần rất nhỏ lưu lượng Internet quốc tế; phần chính đi bằng cáp quang biển.
Người dùng Internet ở Việt Nam đã quen với những tin “cáp quang biển gặp sự cố, truy cập quốc tế chậm”. Bài này giải thích vì sao ánh sáng đi được trong sợi thuỷ tinh hàng nghìn ki-lô-mét, cấu tạo sợi cáp nằm dưới biển, vì sao cáp hay đứt, sửa cáp khó tới đâu, và vì sao khi một tuyến gặp sự cố, mạng chậm chứ không mất hẳn. Phần cuối có cách hỏi AI về chủ đề này cho đúng.
Ánh sáng đi trong sợi thuỷ tinh nhờ phản xạ toàn phần
Sợi quang gồm một lõi thuỷ tinh rất tinh khiết, bao quanh bởi một lớp vỏ thuỷ tinh có chiết suất thấp hơn một chút. Khi ánh sáng đi trong lõi gặp ranh giới với lớp vỏ ở góc đủ xiên, nó không thoát ra ngoài mà bật ngược lại hoàn toàn. Hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần, cùng nguyên lý với việc bạn nhìn thấy mặt nước như tấm gương khi lặn dưới bể bơi và nhìn lên theo góc xiên.
Nhờ phản xạ liên tục, ánh sáng bị “giam” trong lõi và đi theo sợi dù sợi cong. Thuỷ tinh dùng làm sợi quang trong tới mức ánh sáng đi được hàng chục ki-lô-mét mới yếu đi đáng kể. Dữ liệu được mã hoá bằng cách thay đổi ánh sáng la-de rất nhanh, hàng tỉ lần mỗi giây.
Để chở được nhiều hơn, người ta gửi cùng lúc nhiều màu ánh sáng, tức nhiều bước sóng, trên cùng một sợi, mỗi màu là một kênh riêng. Kỹ thuật này gọi là ghép kênh theo bước sóng. Một sợi cáp biển lại chứa nhiều cặp sợi quang. Nhân tất cả lên, dung lượng của một tuyến cáp hiện đại rất lớn, phục vụ được lưu lượng của nhiều quốc gia cùng lúc.
Bên trong một sợi cáp nằm dưới đáy biển
Lõi là vài cặp sợi quang. Phần chở dữ liệu thật ra rất nhỏ, chỉ vài cặp sợi thuỷ tinh nằm trong ống bảo vệ ở giữa cáp.
Lớp dây thép và đồng. Bao quanh là các sợi thép chịu lực giúp cáp không đứt khi thả xuống biển, và một lớp đồng dẫn điện để cấp nguồn cho các bộ khuếch đại dọc đường.
Vỏ nhựa cách điện và chống nước. Bảo vệ toàn bộ khỏi nước biển. Ở vùng nước sâu, cáp chỉ cỡ một cái vòi tưới cây, vì ở đó ít bị tác động.
Thêm lớp giáp ở vùng nước nông. Gần bờ, nơi có tàu thuyền neo đậu và đánh bắt, cáp được bọc thêm một hoặc hai lớp dây thép giáp, to và nặng hơn nhiều, và thường được chôn xuống đáy biển.
Bộ khuếch đại dọc tuyến. Cứ vài chục ki-lô-mét lại có một bộ khuếch đại làm mạnh lại tín hiệu ánh sáng. Chúng được cấp điện qua lớp đồng trong cáp từ trạm trên bờ.
Trạm cập bờ. Đầu cáp lên bờ tại các trạm đặt ở tỉnh ven biển, từ đó nối vào mạng trong nước. Mỗi tuyến cáp thường nối nhiều quốc gia, có nhánh rẽ vào từng nước.
Vì sao cáp quang biển hay gặp sự cố
Cáp nằm dưới biển hàng chục năm, chịu nhiều loại tác động. Có thể chia thành vài nhóm nguyên nhân:
| Nguyên nhân | Diễn ra thế nào | Ghi chú |
|---|---|---|
| Neo tàu và lưới kéo đáy | Tàu thả neo hoặc kéo lưới sát đáy móc vào cáp ở vùng nước nông | Được nhiều tổ chức chuyên ngành coi là nhóm nguyên nhân phổ biến |
| Thiên tai dưới đáy biển | Động đất, sạt lở đáy biển, dòng bùn cát làm đứt hoặc chôn vùi cáp | Có thể làm đứt nhiều tuyến cùng lúc ở một khu vực |
| Lỗi thiết bị, hao mòn | Bộ khuếch đại, mối nối hỏng theo thời gian | Cáp có tuổi thọ thiết kế nhiều năm nhưng không vĩnh viễn |
| Sự cố nguồn điện | Lỗi cấp nguồn làm một đoạn cáp ngừng khuếch đại | Thường xử lý ở trạm cập bờ |
| Sinh vật biển | Thỉnh thoảng được nhắc tới nhưng hiếm | Không phải nguyên nhân chính ngày nay |
Nguyên nhân của từng sự cố cụ thể do đơn vị vận hành công bố; đọc tin nên dựa vào thông báo chính thức thay vì suy đoán trên mạng xã hội.
Vì sao dùng ánh sáng trong thuỷ tinh chứ không dùng dây đồng hay sóng vô tuyến
Trước thời cáp quang, cáp điện thoại xuyên biển dùng dây đồng. Tín hiệu điện trong dây đồng suy yếu nhanh, nhất là tín hiệu tần số cao cần cho dữ liệu tốc độ lớn, và dễ bị nhiễu điện từ. Muốn đi xa phải khuếch đại dày đặc, mà dung lượng vẫn rất hạn chế so với nhu cầu ngày nay.
Ánh sáng la-de trong sợi quang có tần số cao hơn sóng vô tuyến rất nhiều lần, nên “làn đường” để chở dữ liệu rộng hơn hẳn. Thuỷ tinh tinh khiết hấp thụ rất ít ánh sáng ở các bước sóng hồng ngoại được chọn dùng, nên tín hiệu đi xa hơn nhiều trước khi cần khuếch đại. Ánh sáng trong sợi cũng không bị nhiễu bởi điện từ trường bên ngoài, một ưu điểm lớn khi cáp đi gần đường dây điện hay qua vùng có sét.
Còn sóng vô tuyến phát qua không khí thì không vượt được đại dương nếu không có vệ tinh làm trạm trung chuyển, mà vệ tinh thì dung lượng có hạn và tín hiệu phải đi một quãng rất dài lên quỹ đạo rồi xuống. Vì những lý do vật lý đó, sợi thuỷ tinh mảnh dưới đáy biển vẫn là con đường chính của Internet giữa các châu lục. Có một phát minh khoa học đáng nhớ ở đây: nghiên cứu về truyền ánh sáng trong sợi quang cho mục đích liên lạc đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2009 cho Charles Kao.
Sửa cáp dưới đáy biển: vì sao mất nhiều tuần
Khi cáp gặp sự cố, việc đầu tiên là xác định chỗ hỏng. Kỹ thuật viên ở trạm cập bờ gửi xung ánh sáng hoặc tín hiệu điện vào cáp và đo phản hồi, từ thời gian phản hồi suy ra khoảng cách tới điểm hỏng. Nguyên lý giống hệt cách đo khoảng cách bằng thời gian trong GPS hay sóng âm dội lại.
Sau đó cần một tàu sửa cáp chuyên dụng. Số tàu này trên thế giới không nhiều, mỗi tàu phụ trách một vùng biển rộng, nên có khi phải chờ tàu đang làm việc ở nơi khác. Tàu còn cần giấy phép hoạt động ở vùng biển liên quan và thời tiết thuận lợi; gió mùa, bão là lý do hay làm chậm việc sửa ở Biển Đông.
Tại chỗ, tàu dùng móc kéo hoặc robot lặn để nâng cáp lên. Ở vùng nước sâu, cáp thường phải cắt và kéo từng đầu lên riêng. Đoạn hỏng được thay bằng đoạn cáp mới, nối lại từng sợi quang bằng máy hàn chuyên dụng ngay trên boong, kiểm tra kỹ, rồi thả lại xuống biển. Mỗi bước đều chậm và cẩn thận, nên thời gian từ lúc hỏng tới lúc sửa xong thường tính bằng tuần.
Vì sao đứt cáp thì mạng chậm chứ không mất hẳn
Mạng Internet được thiết kế để có nhiều đường đi. Khi một tuyến cáp gặp sự cố, chuyện xảy ra là:
- Lưu lượng chuyển sang tuyến khác. Việt Nam kết nối quốc tế qua nhiều tuyến cáp biển và cả tuyến cáp đất liền qua nước láng giềng. Khi một tuyến hỏng, các nhà mạng chuyển lưu lượng sang tuyến còn lại.
- Đường còn lại bị quá tải. Giống như một cây cầu bị đóng, xe dồn sang cầu khác gây kẹt. Giờ cao điểm buổi tối thường chậm rõ nhất.
- Đường vòng xa hơn. Dữ liệu phải đi vòng qua nước khác, quãng đường dài hơn, độ trễ tăng. Trò chơi trực tuyến và cuộc gọi video với nước ngoài bị ảnh hưởng nhiều.
- Dịch vụ có máy chủ trong nước ít bị ảnh hưởng. Nhiều dịch vụ lớn đặt máy chủ đệm ngay tại Việt Nam, nên video phổ biến vẫn xem được bình thường trong khi trang ít người dùng ở nước ngoài lại chậm.
- Vệ tinh không thay được cáp. Dung lượng vệ tinh nhỏ hơn rất nhiều so với cáp quang, chỉ có ích cho vùng xa, tàu biển hay trường hợp khẩn cấp.
Mức độ chậm cụ thể phụ thuộc vào số tuyến đang gặp sự cố cùng lúc và cách nhà mạng điều phối, nên thông tin chính xác nhất là thông báo của nhà mạng.
Hỏi AI về cáp quang biển và kiểm thông tin
Đây là chủ đề AI giải thích nguyên lý rất tốt, nhưng thông tin thời sự về tuyến cáp nào đang hỏng, bao giờ sửa xong thì AI thường không có hoặc đã cũ. Cách hỏi hợp lý:
- Hỏi nguyên lý theo trình độ: “Giải thích cho học sinh lớp 6 vì sao ánh sáng đi được trong sợi thuỷ tinh cong, dùng ví dụ bể bơi, kèm một thí nghiệm an toàn với cốc nước và đèn pin.”
- Hỏi để tính: “Ánh sáng trong sợi quang đi chậm hơn trong chân không khoảng một phần ba. Ước lượng thời gian tín hiệu đi một chiều qua tuyến cáp dài mười nghìn ki-lô-mét, trình bày từng bước.” Rồi tự bấm máy tính kiểm lại.
- Không hỏi AI về tình trạng cáp hôm nay. Thông tin sự cố và lịch sửa chữa nên đọc từ thông báo của nhà mạng hoặc cơ quan quản lý viễn thông.
- Khi dán kết quả đo tốc độ mạng để hỏi vì sao truy cập quốc tế chậm, xoá địa chỉ IP, mã thuê bao và vị trí nhà trước khi gửi.
- Hỏi phản biện tin đồn: “Có tin nói cá mập cắn đứt cáp làm mạng chậm. Hãy phân tích độ tin cậy, phân biệt điều đã có ghi nhận với điều bị phóng đại.”
Một thí nghiệm nhỏ cho cả nhà: chiếu đèn pin vào một dòng nước chảy từ lỗ thủng của chai nhựa trong phòng tối, ánh sáng sẽ đi theo dòng nước cong xuống. Đó chính là phản xạ toàn phần, nguyên lý của cáp quang, có thể thấy bằng mắt thường. Nhớ làm ở bồn rửa, xa ổ điện.
Câu hỏi thường gặp
Cáp quang biển là gì?
Đó là sợi cáp đặt dưới đáy biển, bên trong có các sợi quang chở dữ liệu bằng xung ánh sáng, nối Internet giữa các quốc gia. Phần lớn lưu lượng Internet quốc tế đi qua cáp quang biển, vệ tinh chỉ chở một phần rất nhỏ.
Vì sao đứt cáp quang biển mà mạng vẫn dùng được?
Internet có nhiều đường đi. Khi một tuyến cáp hỏng, nhà mạng chuyển lưu lượng sang tuyến khác, kể cả tuyến cáp đất liền. Mạng vẫn chạy nhưng đường còn lại bị quá tải và dữ liệu phải đi vòng xa hơn, nên truy cập quốc tế chậm đi.
Sửa cáp quang biển mất bao lâu?
Thường tính bằng tuần. Cần xác định chỗ hỏng, chờ tàu sửa cáp chuyên dụng, xin phép hoạt động và chờ thời tiết thuận lợi, rồi nâng cáp, thay đoạn hỏng, hàn nối từng sợi quang và thả lại. Thời gian cụ thể do đơn vị vận hành thông báo.
Ánh sáng đi trong sợi quang như thế nào?
Lõi thuỷ tinh có chiết suất cao hơn lớp vỏ bao quanh. Khi ánh sáng gặp ranh giới ở góc đủ xiên, nó phản xạ toàn phần và bị giữ trong lõi, đi theo sợi dù sợi cong. Bộ khuếch đại dọc tuyến làm mạnh lại tín hiệu sau mỗi chặng dài.
Vì sao một số trang vẫn nhanh khi cáp quang biển gặp sự cố?
Nhiều dịch vụ lớn đặt máy chủ đệm ngay trong nước, dữ liệu phổ biến không cần đi qua cáp quốc tế. Những trang có máy chủ ở nước ngoài và ít người dùng trong nước mới bị ảnh hưởng rõ khi đường quốc tế quá tải.
Internet vệ tinh có thay được cáp quang biển không?
Không. Dung lượng của vệ tinh nhỏ hơn rất nhiều so với cáp quang, nên chỉ phù hợp cho vùng xa, tàu biển, máy bay hay trường hợp khẩn cấp. Lưu lượng quốc tế của cả một quốc gia vẫn phải dựa chủ yếu vào cáp.