Ein Deep Dive zu den Unterwasser-Datenautobahnen

Der erste Meilenstein der transatlantischen Datenübertragung wurde bereits 1858 gelegt [1]. Es dauerte vier Jahre, bis das erste Telegramm durch ein Unterseekabel, das die Verbindung von Irland nach Neufundland durch den Atlantik herstellte, von Queen Victoria an Präsident James Buchanan gesendet werden konnte. Allerdings war diese Verbindung weder schnell noch stabil. Das Senden der 98 Wörter vom Vereinigten Königreich nach Amerika dauerte 67 Minuten, aber es brauchte ganze 16 Stunden, bis die Bestätigungskopie der Übertragung wieder in Irland ankam.

Innerhalb sehr kurzer Zeit ging die Signalqualität weiter rapide in den Keller. Uneinigkeiten über die Art des Endgerätes führten dazu, dass auf jeder Seite unterschiedliche Gerätschaften zum Einsatz kamen. Bei mehreren Versuchen, durch höhere Spannungen von bis zu 2.000 V ein schnelleres Signal zu übermitteln, wurde die Isolierung des Kupferkabels stark beschädigt. Das Kabel der Atlantic Telegraph Company war nach nur drei Wochen im Betrieb zerstört. Wie heute solche Kabelschäden lokalisiert und repariert werden, hat mein Kollege Dr. Joachim Wetzlar in einem Artikel des Netzwerk Insiders beschrieben.

Seit diesen ersten Versuchen hat sich jedoch viel getan. Statt isolierter Kupferkabel ist seit den späten 80er Jahren die Übertragung per Glasfaser das Mittel der Wahl. Wie in Abbildung 1 gezeigt, verfügt ein modernes Kabel über eine gewisse Zahl an Lichtwellenleitern (LWL), die durch mehrere Schichten aus Plastik und Metallhüllen vor äußeren Einflüssen geschützt werden.

Dieses Prinzip lässt sich auch gut skalieren; je mehr LWL im Kern des Kabels verstaut werden, desto höher kann auch die Bitrate ausfallen. So erreicht z.B. das im September 2022 von Google in Betrieb genommene Unterseekabel Grace Hopper – übrigens, wie der Superchip von NVIDIA, benannt nach der US-Computer-Science-Pionierin Grace Brewster Murray Hopper – eine Bitrate von 352 Tbit/s durch insgesamt 16 LWL-Paare [3]. Allerdings ist diese Verbindung durch den Atlantik nur eine von vielen, die heute im Betrieb sind, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Technologische Aspekte von Glasfaserleitungen

Große zu überbrückende Distanzen, geringe Latenzen und hohe Bitraten sind also Gründe, auf LWL zu setzen. Technologisch basiert das auf einigen wenigen Grundprinzipien. Jeder LWL besteht aus einem Kern und einem Mantel, die jeweils aus Glas unterschiedlicher Brechungsindizes bestehen, was durch Dotierung erreicht wird. Solche Fasern haben einen Kern, der deutlich dünner als ein menschliches Haar ist. Am Übergang vom Kern zum Mantel wird das Licht reflektiert, verbleibt somit im Kern des LWL und breitet sich deshalb nur entlang der optischen Achse aus. Weil der innere Kern so dünn ist, wird nur eine einzelne Mode (ein einziger Strahl) durch diese sogenannten Single-Mode-Fasern übertragen. Das reduziert die Möglichkeit, dass Signale unterschiedlicher Moden unterschiedlich lange für die Übertragung brauchen und nicht mehr zu einem Datenstrom dekodiert werden können. Das Prinzip Single-Mode kommt so der Reichweite der Übertragung zugute.

Die heute eingesetzten Komponenten bei der Glasfaserübertragung sind sehr leistungsfähig, sodass die Latenz im Wesentlichen von zwei Faktoren vorgegeben ist: der Entfernung, die das Licht im LWL zurücklegen muss, und der Lichtgeschwindigkeit in Glas. Auch wenn die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, wo Licht bekanntlich mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s unterwegs ist, eine fundamentale Naturkonstante ist, verlangsamt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Glas auf etwa 200.000 km/s. Zwar ist das für unsere menschliche Wahrnehmung immer noch unvorstellbar schnell, dennoch ist der Aspekt der Latenz bei Datenübertragungen ein wichtiges Thema, das insbesondere auch bei der Planung von betriebs- oder georedundanter Auslegung von Rechenzentren an Land nicht zu unterschätzen ist [5].

Um die Bitrate der Übertragung in LWL zu erhöhen, wird die Technik des Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) genutzt. Wie bei einem Prisma wird weißes Licht in unterschiedliche Farben – das heißt unterschiedliche Frequenzen bzw. Wellenlängen – aufgespalten. Dieser Prozess funktioniert in beide Richtungen, wodurch unterschiedliche Kanäle, also Frequenzbereiche, beim Multiplexing (Mux) zusammengeführt werden. Dann wird das „gemischte“ optische Signal über den Single-Mode-LWL übertragen und kann auf umgekehrtem Wege schließlich beim Demultiplexing (Demux) wieder getrennt werden. Hierbei wird typischerweise das sogenannte C-Band – C steht für conventional – mit einem Wellenlängenspektrum von 1530-1565 nm und einigen 100 Kanälen eingesetzt. Diese Wellenlänge liegt im Infrarotbereich und ist daher mit menschlichem Auge nicht wahrnehmbar.

Das C-Band wird gewählt, weil dort die optischen Verluste, die zu einer Dämpfung der zu übertragenden Signale aufgrund der Leitungslänge führen, am geringsten sind. Anders als in den Anfängen führt die hohe technische Reife der optischen Übertragung heute zu einer sehr kleinen Dämpfung von nur etwa 0,2 dB/km [6]. Bei sehr langen Leitungen, wie bei der Verbindung durch den Atlantik, summiert sich die Dämpfung dennoch schnell auf. So muss alle 70-100 km das Signal mit optischen Verstärkern wieder aufgefrischt werden. Hierzu werden üblicherweise Erbium-dotierte Faserverstärker oder Raman-Verstärker eingesetzt. Wie bei einem LASER wird damit auf stimulierte Emission gesetzt, wodurch ein ankommendes Photon – also ein Lichtteilchen – die Aussendung eines zweiten Photons der gleichen Frequenz auslöst. Dadurch verstärkt sich das übertragene Signal, und längere Distanzen können überbrückt werden. Solche Verstärker kommen ohne elektrische Energieversorgung aus.

Informationssicherheit in Glasfaserleitungen

Stand 2025 laufen etwa 95 % des täglichen interkontinentalen Datenverkehrs und ein geschätzter Umfang von $10 Billionen Dollar in täglichen Finanztransaktionen über Unterseekabel [8]. Diese Zahlen machen die Relevanz von Unterseekabeln für unser alltägliches Leben deutlich. Da stellt sich zwangsläufig die Frage nach der Datensicherheit in LWL. Wie überall im Internet gibt es beim Transport über LWL prinzipiell die Möglichkeit, dass ein Kabel angezapft werden kann.

Bei physischem Zugriff auf einen LWL kann z.B. über einen Biegeko

ppler die totale interne Reflektion im LWL-Kern ausgehebelt werden. Das Licht wird nicht mehr vollständig in den Kern zurückreflektiert, sondern kann – zumindest zum Teil – nach außen dringen und dort abgefangen werden. Dadurch ist dann ein Lauschangriff als Man-in-the-Middle-Angriff möglich. Selbst wenn dieser Fall für ein Unterseekabel in mehreren km Tiefe ein schwieriges Unterfangen ist, muss eine Verschlüsselung der Datenübertragung auch in LWL ein essentieller Bestandteil sein.

Wie in Abbildung 4 dargestellt gibt es prinzipiell verschiedene Möglichkeiten, eine Verschlüsselung zu implementieren. Je nach Schicht im OSI-Modell führt die Verschlüsselung dabei zu unterschiedlichem Overhead. Bei LWL-Übertragung kann auch schon eine performante Verschlüsselung auf Layer 1, also der physischen Übertragungsschicht, durch OTNsec erreicht werden. Dies ist direkt in der Hardware optischer Multiplexer implementiert, was einen größtmöglichen Datendurchsatz sicherstellt.

In der Praxis spielt die Layer-1-Verschlüsselung natürlich nur so lange eine Rolle, wie eine eigene Leitung mit voller Kontrolle und Zugriff auf die entsprechende Hardware an den Ein- und Auskopplungspunkten zur Verfügung steht. Bei der Übertragung durch öffentliche Leitungen ist man weiterhin auf Verschlüsselung in den höheren Schichten im OSI-Modell mit evtl. softwareseitiger Verschlüsselung angewiesen, um selbst Kontrolle über die eigenen Daten zu haben.

Unterseekabel als Teil der kritischen Infrastruktur

Untersee-Datenkabel gehören heute zweifelsfrei zu den tragenden Säulen unserer Kommunikationsinfrastruktur. In der aktuellen geopolitischen Lage ist die Gefahr für eine solche kritische Infrastruktur nicht zu unterschätzen. Eine durchtrennte Datenleitung kann schnell einen immensen Schaden verursachen und die Kommunikationsfähigkeit ganzer Regionen einschränken. Die größten Gefahren gehen nicht etwa von Haien oder anderen Meeresbewohnern aus, die ein Kabel anbeißen könnten. Vielmehr ist der Mensch, ob mutwillig oder nicht, oftmals für Beschädigungen verantwortlich [8]. Fischerei mit Schleppnetzen, doch auch gezieltes Schleppen eines Ankers über den Meeresgrund, um ein Kabel durchzureißen, sind ganz reale Gefahren. Daher liegen heutige Unterseekabel in der Regel nicht mehr lose auf dem Meeresboden herum, sondern werden schon seit Jahrzehnten zum besseren Schutz vor Beschädigung oder Zerstörungen eingegraben, was die Gefahren jedoch allenfalls reduzieren kann und den Investitionsaufwand in die Höhe treibt.

Im Rahmen des Project HEIST setzt die NATO darüber hinaus auf die Verfügbarkeit eines alternativen Kommunikationswegs, den Schiffe oder U-Boote nicht erreichen können [9]. Über Satelliten soll im Falle eines kritischen Ausfalls eine Verbindung aufrechterhalten werden können. Auch wenn Satellitensysteme in niedrigen Umlaufbahnen von etwa 600 km, wie die Netze von Starlink, SpaceSail oder Project Kuiper, eine niedrige Latenz versprechen, ist der Einsatz aus Kosten-, Bitraten- und allgemeinen Verfügbarkeitsgründen keine direkte Alternative zu Unterseekabeln. Auf der einen Seite kann dann zwar die Datenübertragung durch die Luft bzw. den nahen Orbit mit Lichtgeschwindigkeit anstelle der um ein Drittel reduzierten Geschwindigkeit in Glas vonstattengehen. Abhängig von der Latenz in eingesetzten Komponenten in den Satelliten und der Distanz zwischen Start- und Endpunkt kann dies auch zu einer niedrigeren Latenz führen. Auf der anderen Seite kann allerdings die Satellitenübertragung bei weitem noch nicht mit der Bitrate von Glasfaserleitungen mithalten.

Trends und Weiterentwicklungen

Der weltweite Ausbau der Glasfaserleitungen ist somit auch heute noch lange kein Auslaufmodell. Seit 2020 sind etwa 100.000 km neuer LWL-Unterseeverbindungen in Betrieb genommen worden [10]. Beeindruckend ist dabei auch das 2Africa-Projekt, das mit einer Länge von 45.000 km Europa mit Afrika verbindet und 33 Länder anbindet.

Die marktbeherrschende Rolle US-amerikanischer Cloud-Anbieter wie Amazon, Google, Meta und Microsoft spiegelt sich auch in den Betreibern der Untersee-Datenautobahnen wider. Neben den traditionellen Betreibern wie Netzwerk- und Telekommunikationsunternehmen finden sich zunehmend auch die Hyperscaler prominent in der Liste großer Betreiber von Unterseedatenkabeln wieder.

Eine geringe Latenz und hoher Datendurchsatz sind ebenfalls essenziell, um in der Entwicklung von KI wie Large-Language-Modellen am Puls der Zeit zu bleiben. Der KI-Hype [11] lässt somit auch die Nachfrage nach optischen Transceivern und anderen optischen Bauelementen, mit denen z.B. bis zu 800 Gbit/s zu einzelnen Servern in Rechenzentren realisiert werden können, in die Höhe schnellen [12].

Doch auch aufseiten der LWL-Kabel gibt es technologische Weiterentwicklungen, die in Zukunft ihren Weg in die Unterwasserdatenautobahnen finden könnten. In neuartigen Hollow-Core-LWL besteht der Kern, durch den das Licht geleitet wird, nicht mehr aus Glas, sondern ist mit Luft gefüllt [13]. Dadurch kommt es nicht mehr zur Verlangsamung der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf 200.000 km/s, sondern die Übertragung kann quasi ungehindert in Lichtgeschwindigkeit ablaufen. Anstatt zwei Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex zu kombinieren, machen sich diese Hollow-Core-LWL spezielle Mikrostrukturierungen wie Kagomé-Gitter oder photonische Kristalle zur Kontrolle der optischen Bandlücke zunutze. Durch den leeren Kern und die größere optische Bandlücke können – zumindest in der Theorie – höhere Bandbreiten und Spitzenleistungen kombiniert mit geringeren Latenzen und weniger Dämpfung erzielt werden.

Bisher ist die Hollow-Core-Technologie allerdings noch sehr teuer und ein Nischenprodukt. Nach vielen kleineren Verbesserungen bei „normalen“ LWL in den vergangenen Jahrzehnten scheinen Hollow-Core-LWL aber ein Schritt zu sein, der eher nach Revolution als Evolution aussieht. Erste Anwendungen im Bereich des High-Frequency Trading, bei dem es auf jeden Bruchteil einer ms der Latenz ankommt, doch auch auf dem KI-Markt, auf dem eine skalierbare und sehr leistungsfähige Infrastruktur den Unterschied macht, werden da vermutlich aufgrund des verfügbaren Kapitals den Anfang machen [13,14]. Früher oder später jedoch wird das ganze Internet von diesen Entwicklungen profitieren können.

Fazit

Unterseekabel für die Datenübertragung bilden das Rückgrat des Internets und damit unserer vernetzten Welt. Die Technologie der Wahl ist und bleibt dabei die Übertragung per Glasfaser. Aber nicht nur unter Wasser bei transatlantischen Verbindungen spielt dies eine entscheidende Rolle, sondern auch bei der Vernetzung und Anbindung von Unternehmen an das Internet, die Cloud oder ein eigenes entferntes Rechenzentrum im WAN.

Quellen

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Transatlantic_telegraph_cable (abgerufen am 03.03.2025)

[2] https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2540275 (abgerufen am 03.03.2025)

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Grace_Hopper_(submarine_communications_cable) (abgerufen am 03.03.2025)

[4] https://www.submarinecablemap.com (abgerufen am 03.03.2025)

[5] besuchen Sie doch hierzu unser Seminar „Georedundanz und Betriebsredundanz: Lösungen für RZ-Resilienz“: https://www.comconsult.com/rz-georedundanz-betriebsredundanz/

[6] https://www.kentik.com/blog/diving-deep-into-submarine-cables-undersea-lifelines-of-internet-connectivity/ (abgerufen am 04.03.2025)

[7] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Prism-rainbow-black.svg (abgerufen am 04.03.2025)

[8] https://www.csis.org/analysis/safeguarding-subsea-cables-protecting-cyber-infrastructure-amid-great-power-competition (abgerufen am 04.03.2025)

[9] https://www.networkcomputing.com/enterprise-connectivity/amazon-meta-google-plan-subsea-cable-expansion (abgerufen am 04.03.2025)

[10] https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_von_Telekommunikations-Seekabeln (abgerufen am 04.03.2025)

[11] https://www.comconsult.com/rekordinvestitionen-in-rechenzentren-durch-den-ki-hype (abgerufen am 04.03.2025)

[12] https://www.lightwaveonline.com/home/article/55265639/ai-fuels-optical-transceiver-and-lpo-cpo-demand (abgerufen am 04.03.2025)

[13] rüdiger Paschotta, Hollow-core Fibers, RP Photonics AG, https://doi.org/10.61835/x34 , https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1068520024000956 (abgerufen am 04.03.2025)

[14] https://azure.microsoft.com/en-us/blog/how-hollow-core-fiber-is-accelerating-ai (abgerufen am 04.03.2025)