Internet VS Geomagnetic storm : Insert Coins or Game Over - Hacker style by I-Resilience

Mise en garde : Cet article est le second consacré à la vulnérabilité d’internet aux événements solaires extrêmes. Dans l’introduction de cette série d’articles nous avons évoqué le paradigme de recarénage du net mondial proposé par la Pr Jyothi qui vise à parer à une « apocalypse d’internet » ; paradigme dont ce serait bien passé les investisseurs privés, aux positions scientifiques qui ne sont évidemment pas neutres sur cette question. Même si les questions de la résilience seront vues dans la partie 3 (si nous y arrivons), nous pensons ici qu’une régulation des pouvoirs publics, inexistante actuellement en ce qui concerne les risques de tempêtes géomagnétiques, est impérative, d’intérêt général et plus économique en diminution du montant des dommages que le laissé-faire actuel.

Ici, sera introduite la problématique complexe de la vulnérabilité des infrastructures des câbles optiques sous-marins, même si tous les aspects de la vulnérabilité d’internet au regard des Courants induits géomagnétiquement (CIG) n’ont pas été encore identifiés par les scientifiques : par exemple, nous soulèverons brièvement la possibilité de réflexes massifs de mise à l’arrêt des centres de données en cas de tempête géomagnétique forte à extrême, dont les conséquences ne sont pas du tout anticipées.

Contenus masquer

De nos jours, il y a environ 1,2 millions de km de câbles optiques sous-marins par lesquels passent plus de 99% du trafic intercontinental de données si bien que leur robustesse est un enjeu économique majeur et global.

Les câbles optiques sous-marins : un domaine non régulé au regard des risques de tempête géomagnétique

Carte du réseau mondial de câbles sous-marins au 28 décembre 2023. Source : Telegeography

Les GAFAM prennent le contrôle des câbles optiques sous-marins

Le réseau mondial de câbles optiques sous-marins est actuellement le produit d’investissements largement privés d’entreprises des télécoms et d’internet, en ordre très disparate (Plus de 500 entreprises commerciales privées individuelles ou en consortiums). Cependant, la tendance structurelle est fortement marquée par l’arrivée des fournisseurs de contenu (comme les GAFAM) qui souhaitent posséder à eux seuls les câbles sous-marins (par exemple le câble transatlantique Dunant de Google dédie aux jeux vidéos, premier en technologie SDM avec 250 Tb/s). Selon Telegeography, en 2019, les fournisseurs de contenus représentaient 50% des investissements dans les routes transatlantiques et 33% dans les routes transpacifiques si bien que petit à petit, au fur et à mesure du renouvellement des câbles sous-marins, les GAFAM, prennent le contrôle de la structure même du net international (et non plus seulement de ce qu’il nous ait donné à voir).

Les quelques multinationales responsables de la confection à l’entretien des câbles optiques sous-marins

Si la propriété des câbles optiques sous-marins se concentre de plus en plus autour des GAFAM, la confection des systèmes de câbles sous-marins repose sur seulement quelques grandes multinationales, surtout françaises et américaines (ASN, HMN Technologies, NEC, Nexans, Hengton, Zhongtian, Prysmian et SubCom) tout comme la pose et l’entretien de ces câbles optiques (Orange Marine, Global Marine Systems, SubCom et ASN). Un câble optique sous-marin a une durée de vie moyenne de 25 ans. Il met 2 à 3 ans à être confectionné et des semaines minimum à être réparé, à des prix prohibitifs, si bien qu’un événement à vaste échelle d’endommagement des câbles optiques sous-marins mettrait des années à être relevé.

L’absence de régulations étatiques

Tous les investisseurs privés des câbles optiques sous-marins sont soumis aux seules autorités de régulation des télécommunications des pays dans lesquels atterrissent leurs câbles (par exemple l’ARCEP en France, la FCC aux Etats-Unis, l’ARTP au Sénégal…). Les normes de sûreté de ces câbles sous-marins, sont donc régies dans des contrats de droit privé à géométrie variable, plus ou moins négociés par les états ; états qui ne veulent pas trop freiner leur arrivée sur leur sol, surtout s’ils manquent de ces infrastructures.

Les câbles sous-marins sont exposés à beaucoup de risques physiques pouvant les endommager (par exemple : la pêche commerciale et les traînées d’ancres et dans une moindre mesure les séismes, les cyclones, les mouvements de terrain sous-marins, les forages sous-marins, les énergies renouvelables off-shore, les sabotages…) si bien qu’il suffit de regarder les mesures de prises par chacune des autorités nationales de régulation au regard de chacun des risques recensés pour voir si les risques géomagnétiques y sont intégrés.

Par exemple, aux Etats-Unis, dont la sûreté des câbles sous-marins est définie comme un enjeu majeur de la sécurité nationale, tous les risques sont listés dans les documents émis par le CSRIC (conseil de l’interopérabilité, de la fiabilité et de la sécurité des communications de la FCC), et le risque de tempête géomagnétique n’y figure à aucun moment. Idem dans le très récent rapport de 2023 des services de recherches du congrès américain sur la protection des câbles sous-marins : aucune mention des risques liés aux tempêtes géomagnétiques. Comme la majeure partie du trafic internet passe par les câbles optiqurs sous-marins reliés aux Etats-Unis, les défauts réglementaires de ce seul pays donnent déjà un aperçu de la non anticipation mondiale du risque géomagnétique sur internet. Et ce n’est même pas la peine d’évoquer l’Arcep en France ou l’ARTP au Sénégal, peut-être plus encore dans les fraises sur ce sujet de la sécurité et la résilience des câbles optiques sous-marins.

L’absence de régulations internationales

A l’échelle internationale, c’est l’ICPC qui oeuvre dans le domaine de la sécurité des câbles sous-marins (Comité international de protection des câbles). Cette organisation regroupe les représentants des gouvernements et des sociétés commerciales autour de la sécurité des câbles sous-marins. Dans son document de bonnes pratiques des gouvernements dans la sécurité des câbles sous-marins, mis à jour le 4 octobre 2023, il n’est fait aucune mention des risques liés aux tempêtes géomagnétiques. Vu l’avalanche d’articles autour de l' »internet apocalypse« , on aurait aimé trouver une quelconque documentation à ce sujet sur leur site, même nous expliquant pourquoi les câbles optiques sous-marins sont résilients aux tempêtes géomagnétiques extrêmes, mais rien : « Circulez, y a rien à voir ici aussi« .

En fait, le sujet de la sécurité des câbles sous-marins monte en puissance ces dernières années mais tant de préventions restent à mettre en place sur des typologies d’aléas récurrents et face aux risques de sabotages ennemis, que la prise en compte d’un aléa de retour de 200 ans comme un événement de Carrington n’est pas une priorité, alors que cet aléa pourrait affecter beaucoup de câbles en même temps. Mais au final, peut-être n’y a t’il pas de risques liés aux tempêtes géomagnétiques extrêmes, ce qui expliquerait l’absence de mesures spécifiques dans cette typologie de risques ? Pour le savoir, nous allons donc plonger dans les articles scientifiques parus à ce sujet, et le système technologique derrière les câbles optiques sous-marins, bien plus compliqué que celui du télégraphe électrique vu dans l’article précédent.

Visite d’une Station d’atterrissage des câbles – SAC

Toutes les photos en SAC ci-dessous sont à mettre au crédit de Bob Dormon, d’Ars Technica. Nous sommes ici dans de la SAC haut de gamme, sur les câbles optiques TGN-A et TGN-WER reliant l’Europe aux Etats-Unis, présentée idéalement. Il faut imaginer les SAC dans d’autres lieux de la planète avec bien moins de moyens, plus fragiles.

Le point d’atterrissement des câbles

L’arrivée des câbles sous-marin à terre est enterrée dans la plage pour une meilleure sécurité. Ici, le câble sous-marin sort de terre sous la Station d’atterrissage des câbles, donc sous contrôle. A ce point d’entrée dans la SAC arrivent aussi les câbles à très haute tension des centrales électriques qui viennent alimenter la salle des puissances.

Les salles des puissances

La salle des puissances a pour but d’alimenter sans interruption les répéteurs/amplificateurs des signaux optiques le long des câbles sous-marins et le reste de la SAC. Elles ont de multiples redondances et protections leur permettant une haute disponibilité, notamment en cas de panne générale d’électricité.

L’équipement d’alimentation à distance

Les équipements d’alimentation des câbles sous-marins (EA ici – PFE en anglais) sont des convertisseurs en courant continu DC-DC à très haute tension pour le transport d’électricité sur de longues distances, de 10000V pour les plus anciens à environ 1A (électricité envoyée dans le câble car nécessaire au fonctionnement des répéteurs de signaux optiques). Sur les grandes distances transocéaniques, un 15 000V devrait devenir un standard minimum pour assurer l’alimentation du câble jusqu’à son extrémité (chaque extrémité du câble est, idéalement, dotée de cet équipement donc si l’un des deux tombe complètement en panne, l’autre peut alimenter seul le câble de bout en bout, s’il a assez de puissance, ce qui n’est pas toujours le cas sur les anciens câblages, qui se renouvellent néanmoins progressivement).

Principe de fonctionnement des équipements d’alimentation (EA) électrique des répéteurs de bout en bout d’un câble optique transocéanique. NB : Voltage total =X=I.Rcable+n.Vrepaters=VEA1-VEA2-VterreEA1-VterreEA2

Ces équipements d’alimentation devraient néanmoins monter puissance vers 20000V, notamment avec la demande croissante de transport de données qui va nécessiter des Pb/s dans les années à venir.

Pour maintenir une intensité constante autour d’1 A, les équipements d’alimentation des câbles ont l’habitude de réagir aux variations de tension générées par le milieu externe en rééquilibrant instantanément la tension envoyée dans le câble. Par exemple, les marées semi-diurnes génèrent en temps normal des CIG de l’ordre de quelques volts que les équipements d’alimentation compensent ; ces CIG pouvant être bien plus élevés lors d’un cyclone majeur.

Ces équipements d’alimentation sont non seulement souvent redondants d’un bout à l’autre du câble sous-marin mais aussi en interne, avec deux convertisseurs DC séparés dans l’équipement d’alimentation. Donc, si jamais un convertisseur DC venait à lâcher, il en reste un en backup dans le même équipement d’alimentation.

Mais la mise en défaut du fonctionnement normal des équipements d’alimentation des câbles optiques sous-marins peut être liée à des coupures d’acheminement d’électricité, ce qui peut être le cas en situation de tempête géomagnétique extrême. Là aussi, batteries de secours et groupes électrogènes gigantesques (2MVA), redondants eux aussi, sont prévus pour y parer, tant que l’acheminement en diesel est assuré.

Les batteries de secours

Les groupes électrogènes diesel

En cas de défaillance de l’acheminement externe d’électricité vers la SAC, un des deux générateurs diesels prend le relais pour alimenter la salle des puissances. Ces 2 générateurs diesels ne sont pas prévus pour fonctionner en même temps mais en redondance (si l’un tombe en panne, l’autre prend alors le relais). Le fait qu’il soit prévu de tenir la salle des puissances avec 2MVA est un indicateur de la puissance maximale disponible dans la salle des puissances en temps normal.

La salles des terminaux

Pour les techos et admin réseaux, quelques photos de la salle de l’équipement des terminaux qui va distribuer le signal optique aux centres de données.

Les DataCenters en SAC

Cette SAC héberge un Datacenter, ce qui est de plus en plus recherché par les centres de données afin de diminuer les temps de latence dans la transmission des données. A ce sujet, notons qu’il est communément admis par les experts du secteur que les centres de données peuvent être protégés des tempêtes géomagnétiques extrêmes à l’aide de dispositifs de suppression des surtensions transitoires (TVSS) ; relativement peu coûteux (quelques milliers d’euros au plus).

Le fonctionnement du câble optique sous-marin

Le premier câble optique sous-marin a été posé en 1988 entre la France, l’Angleterre et les Etats-Unis.

Structure du câble optique

Le câble optique sous-marin est coûteux, fragile et difficile à installer ; un câble transocéanique coûte des centaines de millions d’euros. Il repose le plus souvent sur de la fibre optique monomode, conçue pour transmettre la lumière à des vitesses très élevées et sur de longues distances avec une faible perte de signal. De plus, le câble optique sous-marin est conçu pour isoler le signal optique des interférences électromagnétiques et autres conditions difficiles.

Il faudrait rentrer dans le détail mais, brièvement, le câble sous-marin transportant le signal optique est constitué en son coeur des filaments de fibre optique, enrobés dans de la vaseline. Il est structuré en alternances d’isolants (ex polyethylène) et d’armatures pour protéger le câble des variations de pressions, de températures et des agressions sous-marines. Ce qu’il est important de noter est qu’il existe une couche en cuivre (ou bientôt en aluminium) servant à transporter l’électricité de la SAC vers les répéteurs et amplificateurs des signaux optiques. Il convient donc de pondérer un argument assez souvent entendu sur le fait que la fibre optique ne serait pas conductive de Courants induits géomagnétiquement. C’est vrai mais la gaine en cuivre l’entourant dans le câble optique sous-marin est bien conductrice, elle.

Les câbles classiques ont 4 à 8 paires de fibres mais la nouvelle technologie SDM permet d’en intégrer 12 à 16. Néanmoins, le signal optique s’atténue avec la distance et augmente en bruit. Il est donc nécessaire de régénérer ce signal avec des répéteurs et amplificateurs, tous les 50 à 150 km de câbles sous-marins.

Le multiplexage du signal optique

Le multiplexage a été inventé avec le télégraphe et permettait déjà à cette époque d’envoyer plusieurs messages simultanément sur le même câble. C’est une technologie essentielle qui permet de multiplier la quantité d’informations dans un câble sans changer sa structure, par exemple en combinant des fréquences dans un même signal. Les câbles sous-marins actuels fonctionnent en deux types de multiplexage : WDM (jusqu’à 8 paires de fibre) et SDM (12 paires et plus).

La technologie WDM (Multiplexage en longueur d’onde ou Wavelength Division Multiplexing) utilise les longueurs d’ondes de la lumière, que l’on retrouve dans les couleurs visibles ; couleurs visibles qui sont sur des longueurs d’ondes différentes et n’échangent pas d’énergie entre elles. En fait, il existe des centaines de longueurs d’onde dans une fibre optique sur lesquelles il est possible de coder des informations. Mais dans une fibre monomode, la limite WDM a tout de même était atteinte à 100 Tb/s.

La technologie SDM (Spatial Division Multiplexing) utilise en plus le multiplexage spatial. Comme c’est le coeur de la fibre (partie restreinte du filament) qui transmet la lumière, il suffit d’augmenter le nombre de coeurs dans une fibre pour multiplier d’autant l’information. Il est possible d’utiliser une fibre few-modes où la lumière est mise en forme en plusieurs modes spatiaux, où elle n’échange pas d’énergie entre modes (dits mode orthogonaux). Enfin, on rajoute à cette technologie de câble SDM, le multiplexage en longueur d’ondes WDM et un codage en plusieurs dizaines de symboles permettant d’atteindre, théoriquement (capacité de Shanon), plus du 10 Pb/s.

Les répéteurs classiques WDM

Répéteur de câble sous-marin classique

Un répéteur classique, fonctionne en WDM et a pour but de renouveler le signal optique tout le long du câble pour que celui-ci ne s’atténue pas. Mais cette conversion se déroule en convertissant le signal optique en signal électrique, puis, après amplification, le signal électrique est reconverti en signal optique.

Processus de régénération du signal optique via un signal électrique dans les répéteurs d’anciennes génération. Source : Dignited.

Cette technologie, qui équipe la grande majorité des câbles sous-marins actuels, est très énergivore, lourde à gérer avec beaucoup de composants et créé des latences dans le signal lors de la conversion, si bien qu’elle devrait être complètement abandonnée d’ici à la seconde moitié du siècle.

De plus, à l’intérieur d’un répéteur classique, chaque paire de fibres a ses propres répéteurs et si l’un d’eux connaît une défaillance, c’est toute la paire qui devient défaillante. Ce ne sera pas le cas, avec les prochaines évolutions de la technologie SDM.

La génération montante des répéteurs SDM

1er amplificateur SDM opérationnel d’ASN, leader mondial dans la technologie des câbles optiques sous-marins.

Plutôt que de convertir le signal optique en signal électrique, la technologie SDM utilise des ions qui dopent artificiellement le signal lumineux, c’est à dire que ces ions réémettent dans la fibre le même signal qu’en entrée mais en plus fort.

Amplificateur de signal optique dans les répéteurs SDM de nouvelle génération. Source : Dignited.

Les amplificateurs SDM ont un système de pompes laser redondantes permettant d’amplifier le signal optique si bien que la défaillance d’une ou plusieurs pompes permet tout de même à l’amplification optique de s’exécuter. Prenons l’exemple où chaque pompe de l’amplificateur SDM fonctionne a 50% de ses capacités. Une pompe du système peut donc fonctionner à 100% si une pompe devient défaillante, d’où la meilleure résilience des amplificateurs SDM.

Système de redondance des pompes lasers des répéteurs SDM.

Enfin, ces amplificateurs peuvent être (ré)utilisés même si on augmente le nombre de paire de fibres optiques que le câble contient (il suffit d’augmenter la capacité des pompes).

Les ROADM et BU

« ROADM » ou « Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer » en anglais signifie « Multiplexeur Optique à Ajouts et Suppressions Reconfigurable« . Il s’agit d’un composant clé dans les réseaux de câbles sous-marins. Les ROADMs sont utilisés pour permettre l’ajout ou la suppression de signaux à différentes stations le long du trajet, offrant ainsi une flexibilité et une adaptabilité.

A gauche : un BU (Branching Unit) qui permet de relier trois câbles sous-marin. A droite un ROADM.

Les BU (ou unité de dérivation ou unité de branchement en mer) se compose de 3 entrées de câble et d’une terre reliée à la mer. Elle est alimentée par la SAC. C’est cette terre reliée à la mer qui va permettre d’évacuer les Courants induits géomagnétiquement du câble sous-marin. Les infos de distances de chaque mise à la terre par ces BU selon les câbles ne sont pas disponibles (mise à la terre tous les 100 à 1000 km, ça varie, ce qui veut dire qu’il peut y avoir plusieurs répéteurs entre chaque BU).

ROADM et BU permettent de faire face à des imprévus dans les débits en orientant les flux optiques sur d’autres voies sous-marines.

Les risques liés aux tempêtes géomagnétiques

Maintenant que nous comprenons mieux le fonctionnement des câbles sous-marins, nous pouvons entrer dans la problématique des risques que font peser les tempêtes géomagnétiques extrêmes sur cette technologie.

Les CIG en milieux sous-marins en contexte de tempête géomagnétique

Comme nous l’avons dans les impulsions géoélectriques, en surface, ce sont surtout les variations de champs géomagnétiques liés aux électrojets auroraux qui pulsent les variations de champs géoélectriques et donc les CIG ; le rôle de la conductivité lithosphérique étant non négligeable mais secondaire. Dans les océans et en milieu côtier, la situation est différente. Le milieu marin, ionisé par le sel, est conductif des CIG et donc des zones côtières non exposées aux électrojets auroraux peuvent être affectées en bout de course des CIG (Jyothi).

Par ailleurs, Chakraborty, Boteler, et al., préoccupés par l’hypothèse Jyothi, ont modélisé les CIG en milieu marin et ont trouvé que l’épaisseur de l’océan agit comme un bouclier sur les phénomènes d’induction dans les fonds marin, si bien que, selon leur modèle, les CIG générés par induction des électrojets auroraux sont de plus en plus faibles, plus on descend en profondeur, même s’ils détectent un signal de la conductivité lithosphérique. Cela suggère donc que les phénomènes d’inductions sont plus forts près des côtes, où l’épaisseur de mer se réduit et donne donc une importance primordiale à la topographie et la géologie sous-marine à l’approche de la côte.

C’est aussi ce que disent les chercheurs de Google (Castellanos et al) qui déclarent « la principale contribution à la variation de tension dans un système sous-marin provient des champs géoélectriques induits uniquement sur la côte et non pas le long de la route de la fibre elle-même. » Ceci étant dit, au lieu de calculer le voltage et l’intensité des CIG côtiers, ils préfèrent estimer les CIG dans la totalité du câble par les différences de potentiels aux deux extrémités du câbles, trouvant qu’« il existe une relation linéaire proche de 2 entre la force d’un GIC sur un câble sous-marin et les fluctuations à haute fréquence du champ magnétique à ses extrémités de mise à la terre. » Ainsi, ils affirment que les surtentions dans la sécurité du câble, qui doivent être gérées par les équipements d’alimentation du câble, devraient être calculées en Volts entre ces deux potentiels et non en V/Km.

Kristian Solheim Thinn et Magnar Gullikstad Johnsen notent que les études montrent « que seules les profondeurs marines supérieures à 1 000 m contribuent à une atténuation significative du champ électromagnétique. » Par ailleurs, ils notent que pour les câbles sous-marins électriques de Scandinavie, il faut s’attendre à des CIG générés dans le câble (sur moins de 600m de profondeur) de l’ordre de :

  • Tempête modérée (2,5 V/km) : 50 A, 15 MVAr
  • Forte tempête (5 V/km) : 100 A, 30 MVAr
  • Tempête extrême (10-20 V/km) : 200-400 A, 60-120 MVAr

Précision importante, ils soulignent que des câbles électriques ont été déconnectés par sécurité à 60A soit l’atteinte d’une tempête géomagnétique forte (et non extrême).

A noter que ces valeurs de CIG aux différentes sévérités de tempête prises pour les câbles sous-marins électriques à moins de 600m de profondeur, sont les mêmes que celles prises pour les réseaux électriques à terre, ce qui laisse présumer qu’on peut les appliquer aux conducteurs en cuivre des câbles optiques sous-marins sur une profondeur de moins de 600m. Maintenant, que nous avons fait le point sur les bases physiques autour des CIG en milieu sous-marin, entrons dans les risques de non alimentation et de détérioration des câbles optiques.

La tendance récente d’industrialisation autour des SAC accroît sa vulnérabilité

Nous avons vu dans l’article sur les impulsions géoélectriques que les zones côtières sont reconnues comme des zones à effets de site qui amplifient les CIG d’une part et que d’autre part, les transformateurs en courant continu sont des plus vulnérables. Or, c’est bien dans ces zones côtières que sont situées les Stations d’atterrissement des câbles optiques sous-marins (SAC) et leurs équipements de très haute puissance alimentant en courant continu les câbles sous-marins.

Historiquement, le point d’atterrissement des câbles se faisait sur la plage, les équipements d’alimentation étaient un plus loin à l’intérieur des terres mais isolé des centres de populations, et les centres de données se situaient proches des centres urbains. Ce n’est plus la tendance. Pour éviter du temps de latence ou des points de défaillance dans l’acheminement des flux de données vers l’intérieur des terres, les SAC se situent au point d’atterrissement des câbles et concentrent maintenant autour d’elles de plus en plus d’activités comme les datacenters mais aussi parfois les centrales électriques et leurs transformateurs ; cette concentration d’activités augmentant ainsi les vulnérabilités aux tempêtes géomagnétiques extrêmes en multipliant les opportunités de points d’entrée des CIG côtiers dans ce système hautement conductif.

Cette convergence des SAC avec les centres d’industriels en zones côtières les exposent, de plus, à d’autres risques technologiques (Seveso, Nucléaire, TMD…) et naturels (Submersions marines, tsunamis, inondations, effets de houle…). Par exemple, en cas de CIG extrêmes, une surtension inhabituelle peut se manifester sur un site Seveso de stockage d’hydrocarbures par des étincelles, ce qui peut engendrer l’explosion de l’unité Seveso (effets de surpressions et thermiques) mettant à terre une SAC proche et ses datacenters. Donc, si la convergence SAC et zone industrielle en zone côtière représente bien des avantages économiques, elle accroît le risque d’effets domino en cas de tempête géomagnétique extrême.

Ces SAC sont des Installations classées à la protection de l’environnement (ICPE), principalement à cause des groupes électrogènes qui nécessitent du stockage d’hydrocarbures mais aussi à cause du stockage des batteries de secours et des fluides de refroidissement des centres de données. Elles font donc l’objet d’études d’impacts à leur conception, mais sans intégration des risques liés aux tempêtes géomagnétiques extrêmes.

Mise en défaut de la redondance de l’alimentation d’un bout à l’autre du câble en contexte de tempête géomagnétique extrême

L’Optical society of America éclaire le débat

Pour Antonio Mecozzi de l’OSA (Optical society of America) et de l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), en temps normal et en cas de petites tempêtes géomagnétiques, il faut se baser sur les différences de potentiels entre les deux équipements d’alimentation du câble. Il note néamoins qu’en cas de tempête géomagnétique extrême, la variation du champ géomagnétique ne sera pas du tout uniforme le long du câble mais ne considère pas dans son modèle les effets de site côtiers (même position que Google).

Mais selon lui, le danger se trouve dans une augmentation soudaine et forte de la tension que les équipements d’alimentation du câble ne seraient pas capables de suivre en y ajoutant l’excédant de tension pour maintenir le courant continu dans le câble alors qu’une baisse de tension pose moins de problèmes puisque les équipements peuvent baisser facilement la leur. Il souligne que les tempêtes géomagnétiques majeures se caractérisent souvent par un affaiblissement du champ géomagnétique et une diminution de la tension requise, ce qui ne nuit pas au fonctionnement des équipements d’alimentation. Mais cette position ne règle pas le problème de l’intensité des CIG qui peuvent endommager le câble.

Exposition des équipements d’alimentation aux CIG côtiers

La redondance à l’autre bout du câble par l’autre équipement est des plus importantes pour assurer la haute disponibilité des câbles optiques sous-marins. Dans les exemples qui vont suivre, nous regardons seulement les effets de sites côtiers en CIG extrêmes qui pourraient atteindre les équipements d’alimentation en SAC ; l’hypothèse du Pr Jyothi considérant le câble sous-marin vulnérable en lui-même sera vue plus loin. L’hypothèse présentée ci-dessous ne fait hélas pas encore l’objet d’un débat alors qu’on sait que les CIG océaniques extrêmes cherchent à atteindre les milieux conductifs face au choc de résistivité de la côte.

Souvent, l’un des équipements d’alimentation est sur un continent moins affecté par la tempête géomagnétique, s’il est côté jour et risque donc moins d’être endommagé par les CIG côtiers extrêmes. Rappel : les supers sous-orages géomagnétiques ont lieu surtout la nuit, lors des reconnexions dans la queue de la magnétosphère et, dans les grandes communications transocéaniques, il est probable qu’un équipement d’alimentation du câble soit côté jour pendant que l’autre est côté nuit.

Cas d’un câble sous-marin transocéanique orienté ouest-est en condition de tempête géomagnétique dans l’hémisphère nord, avec un équipement d’alimentation côté nuit, exposé aux CIG côtiers (liés au déplacement de l’électrojet auroral) et un autre équipement d’alimentation côté jour, beaucoup moins exposé.

Proposition d’indice de vulnérabilité des SAC aux CIG côtiers

Il suffit de décliner ce graphique en autant de situation (SAC1nuit/SAC2nuit, SAC1jour/ SAC2nuit, SAC1jour/SAC2jour), de direction de chacune des SAC (E, O, N, S) de la configuration de la topographie sous-marine à l’approche de la SAC (amplifiante ou amortissante) et de la latitude (<40°, 40 à 60°, >60°) pour avoir un indice de classement des câbles les plus exposés à une défaillance concomitante des 2 équipements d’alimentations à chaque bout de câble, lors de CIG extrêmes. Une fois cette classification faite, les câbles les plus exposés de bout en bout devraient être remaniés en priorité, à commencer par ceux qui n’ont aucun équipement d’alimentation qui tient le câble de bout en bout. Attention néanmoins, des CIG océaniques générés côté nuit peuvent affecter des SAC côté jour car l’océan est un milieu conductif.

A noter qu’il existe bien des câbles sous-marins orientés nord-sud en façade océanique dans l’hémisphère nord (côte est nord-américaine ou de l’Asie orientale), dont les équipements d’alimentation tenant le câble pourraient être affectés simultanément par de puissants CIG côtiers lors d’une tempête géomagnétique extrême.

Exemples de câbles dans l’hémisphère nord plus exposés aux défaillances des redondances des équipements d’alimentation en cas de tempête géomagnétique extrême car pointant dans la même direction, ici vers l’est, dans le cas de CIG océaniques extrêmes se dirigeant vers l’ouest, donc vers les équipements d’alimentation . Source des cartes : Telegeography. Analyse : I-Resilience. 2024.

Néanmoins, ces zones bénéficient d’autres connexions par câbles sous-marins dont les équipements d’alimentation seraient moins exposés, ce qui, à priori, devrait participer à la continuité dégradée du réseau.

La Pr Jyothi souligne qu’environ 30% à 40% des SAC se situent à des latitudes exposées, supérieures à 40°, là où les électrojets auroraux et donc les CIG seront dès plus forts en tempêtes géomagnétique extrême :

Echauffement excessif des isolants du câble

Quand, soudainement, 100, 200, voir 400 Ampères entrent pendant plusieurs minutes dans un câble conçu pour fonctionner à des niveaux de courant autour d’1 A, cela créé un échauffement excessif qui peut potentiellement endommager le câble. Si les isolants du câble se dégradent trop, la paire de fibre elle-même pourrait perdre en performance, voir être définitivement endommagée et donc devoir être réparée aux endroits où elle l’a été.

Le point de fusion de la vaseline, qui entoure la fibre est à 36°C si bien que certains documents de spécification donne une température opérationnelle du câble optique sous-marin jusqu’à 35°C. Cependant, il n’y a pas beaucoup de données sur ce point, notamment sur le temps que mettrait le câble pour atteindre cette température lorsqu’il est parcouru par 100, 200 voir 400 ampères.

La thèse de l’endommagement des répéteurs des câbles optiques sous-marins

L’hypothèse d’apocalypse internet de Jyothi

La professeure Californienne signale que la défaillance d’un seul répéteur peut rendre toutes les paires de fibre optique non fonctionnelles dans un câble à cause de la trop faible force du signal ou de l’interruption de l’alimentation. Selon elle, il faudrait s’attendre à des CIG de 100 à 130 Ampères lors de tempêtes géomagnétiques extrêmes alors que les répéteurs sont conçus pour fonctionner à environ 1 A (elle se base sur des documents de NEC et de Fujitsu, respectivement de 2010 et de 1999 pour cette valeur d’1A) et que cela provoquerait des défaillances globales, qu’elle modélise en fonction de la latitude du point d’atterrissement des câbles, déterminante dans la puissance des CIG. Elle note néanmoins que l’extension des dommages aux répéteurs dépend des mise à la terre et donc de l’espace entre BU et qu’hélas, elle manque de données précises à ce niveau pour mieux modéliser les impacts totaux.

Après modélisation du réseau de câbles sous-marins, elle signale qu’une défaillance d’1% seulement des répéteurs mène à la défaillance de 14,9% des câbles sous-marins. Sur une tempête géomagnétique extrême, avec un plus grand taux de défaillance des répéteurs, près de 80% des câbles sous-marins pourraient être affectés par des terminaisons de câbles non atteignables par le signal (52% aux Etats-Unis).

Le démenti formel des chercheurs de Google

Ce n’est pas du tout l’avis des ingénieurs/chercheurs de Google (Google tête de pont des investisseurs dans les câbles sous-marins), qui estiment que sur une tempête géomagnétique extrême, les grands câbles transocéaniques ne seront pas du tout endommagés. Sur 4 câbles transocéaniques, ils corrèlent la perturbation géomagnétique proche des SAC mesurée par certains magnétomètres à proximité avec les variations de tensions gérées par les équipements d’alimentation sur des « petites » tempêtes géomagnétiques et extrapolent de manière linéaire les variations de tensions attendues dans le câble lors d’un événement type Carrington.

Néanmoins, l’étude de Google se base sur une petite tempête géomagnétique Kp7 sur des SAC presque toutes situées aux basses latitudes magnétiques alors que la Pr Jyothi alerte sur les SAC vulnérables à de plus hautes latitudes sur des tempêtes extrêmes. ll est donc normal que Google montre que le champ magnétique n’ait pas varié sensiblement à ces endroits et ait généré des CIG peu importants à l’atterrissage des câbles sous-marins. De plus, Google considère la topographie sous-marine à l’approche des SAC comme uniforme et ne prend pas en compte les phénomènes d’impédance et donc d’augmentation des tensions et intensités des CIG extrêmes à l’approche de certains types de côtes marines. La conclusion qui est tirée par les chercheurs de Google sur la robustesse des câbles optiques sous-marins aux tempêtes géomagnétiques extrême est donc loin de clôre le débat.

Mais arrivons sur ce qui est un point majeur : les chercheurs de Google insistent sur le fait que les répéteurs sont dotés de cascades de diodes Zener, fonctionnant jusqu’à 700 A, qui ont pour but de dévier les courants excessifs entrant dans le répéteur (aspect technologique d’importance majeure qui n’avait pas été soulevé par la Pr Jyothi) et qui semble leur donner raison, en apparence.

Eclairage d’I-Resilience

A cause d’une absence de régulation publique au regard des risques de tempêtes géomagnétiques, il est très difficile de mettre la main sur les spécifications des répéteurs et notamment sur ces fameuses diodes Zener qui protègeraient les répéteurs. Néanmoins, après beaucoup de recherches, nous avons trouvé ces specs dans un document de Fujitsu, rédigé en 2008 par Shinichiro Harasawa, Makoto Sumitani et Kenji Ohta, sur leur nouvelle génération de répéteurs WDM de l’époque, qui équipe probablement une grande partie du réseau actuel. Ils y disent que leurs répéteurs sous-marins, qui comprennent notamment ces fameuses diodes Zener, sont conçus pour résister à des surtensions jusqu’à 15 000V et 200 ampères. Pour nous, 200 Ampères, c’est la limite basse de CIG extrêmes en événement géomagnétique type Carrington et donc, beaucoup de répéteurs WDM actuels seront endommagés sur ce type d’événement. Quant aux specs des répéteurs SDM de nouvelle génération, la question reste en suspend mais le fait que les chercheurs de Google évoquent des diodes Zener parant 700 ampères, alors qu’ils équipent leurs nouveaux câbles en répéteurs SDM, laisse à penser que les diodes Zener à 700 ampères sont le standard SDM mais cela reste à confirmer.

Cette question autour des répéteurs n’évacue néanmoins pas toutes les autres problématiques que nous avons soulevées, notamment celle de l’échauffement excessif du câble ou de CIG côtiers qui viendraient mettre à terre les équipements d’alimentation en SAC, à vaste échelle.

Les DataCenters

Les centres de données, eux aussi, n’ont jamais subit aucun stress-test grandeur nature sur une tempêtes géomagnétique extrême. L’idée qui se répand, même via le Pr Jyothi, est que ceux-ci seraient protégés des surtentions par leur TVSS.

Mais que ferait un manager réseau s’il apprend qu’un Datacenter réputé fiable est tombé à quelques centaines de Km du sien pendant une tempête géomagnétique G5 ? Il fait confiance à son TVSS conçu pour réguler les surtensions sur le site ou il coupe une grande partie de son site préventivement ?

A coup sûr, il y a là aussi un facteur H qui va jouer dans la disponibilité des DataCenters, pas seulement lié aux dommages de la tempête géomagnétique extrême elle-même, mais à des réflexes humains de surprotection qui pourraient mettre hors ligne une grande partie des centres de données juste par précaution et mimétisme, et les conséquences globales de cette réaction en chaîne ne sont pas du tout anticipées. Ce blackout hyper-protectionniste par mimétisme des centres de données pourrait durer des jours et il serait souhaitable que des études scientifiques s’y penchent.

Note sur l’internet par satellite

Actuellement, très peu de communications internet passent par satellites si bien que ce sont bien les câbles transocéaniques qui sont la véritable colonne vertébrale du net. Néanmoins, les réseaux internet par satellite sont probablement une partie de l’internet de demain.

Comme nous l’avons vu dans les perturbations radios en événements solaires extrêmes, les communications par satellites peuvent faire l’objet de scintillations lors de tempêtes géomagnétiques lorsque les signaux du satellite traversent des densités d’électrons renforcées par l’orage, qui perturbent les transmissions du satellite avec les stations de réception à terre, mais ces communications ne sont jamais en blackout de longue durée en contexte de tempête géomagnétique extrême dans l’ionosphère.

Les satellites peuvent cependant être mis hors service, dans l’espace, lorsqu’ils sont impactés par des événements radiatifs extrêmes d’origine solaire ou cosmique, ce que nous verrons en partie 1.4.

Vers des alertes sur la résilience d’internet aux tempêtes géomagnétiques

Comme ces articles sur la résilience d’internet aux tempêtes géomagnétiques ont été rédigés avant tout à destination de la communauté des hackers, pour qui la continuité du réseau sur le long terme est probablement un enjeu majeur et collectif bien plus important que pour nos cols blancs de la startup nation dans les Ministères ou dans les Conseils d’administration, déjà en blackout sur ce sujet, j’ai deux projets hacking à leur proposer.

Nautilus (cartographie des défaillances des câbles optiques sous-marins)

Il y a tout juste quelques semaines, la Professeure Jyothi a conçu la première version de Nautilus, pour cartographier les défaillances des câbles optiques sous-marins. Il serait d’utilité collective que les hackers les plus compétents de la communauté du libre viennent la rejoindre pour en faire un outil libre, gratuitement accessible en ligne, à disposition des admins réseaux et des gestionnaires d’urgence, afin que des décisions éclairées soient prises en cas d’événement (potentiellement) dommageable à vaste échelle des câbles optiques sous-marins.

De plus, si, comme moi, vous êtes sensibles à une meilleure régulation du réseau physique, notamment avec des normes de sécurité et de transparence contraignantes pour l’industrie du câble, c’est probablement avec la Pr Jyothi qu’il faut travailler plutôt qu’avec les tout-puissants GAFAM, qui s’emparent du réseau physique dans la plus grande opacité et par pur profit. Ainsi, pourrions-nous peser utilement autour d’un grand recarénage du net mondial afin de le rendre plus résilient et lui donner une valeur patrimoniale d’usage supérieure aux profits accélérés de quelques uns ?

Plateforme d’alertes BGP

Si Nautilus ne pouvait aboutir en projet libre, il est possible de concevoir des alertes de perturbations majeures de l’internet mondial basées sur le protocole BGP, selon la méthodologie mise en évidence par les chercheurs de l’Université de Tibsili (Matcharashvili T. et al). L’objectif est alors de traiter en temps réel les données du protocole BGP pour estimer l’ampleur de la perturbation de la dynamique des processus Internet, qui pourrait être observée sous la forme de changements quantitatifs ou qualitatifs notables dans le comportement des mises à jour BGP. Sur une tempête géomagnétique forte (mais loin d’être extrême), comme celle d’Haloween en 2003, à laquelle le réseau internet est calibré, aucune perturbation n’a été repérée dans les données BGP.

Plus rapide et simple à mettre en place que le projet Nautilus, un tel outil basé sur les données BGP serait donc d’utilité publique en cas de tempête géomagnétique extrême pour estimer la résilience du net et mieux rerouter le trafic.

Dans l’intérêt de tous, j’invite donc les hackers de bonne volonté à faire circuler ces propositions d’applications libres autour de la résilience d’internet aux tempêtes géomagnétiques extrêmes.

Bibliographie

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By Cédric Moro

Auteur du blog I-Resilience, je suis depuis plus de 20 ans au service de la prévention des risques majeurs, surtout en Europe et en Afrique. J'allie cette expertise avec mes compétences de développeur d'applications, passé par des grandes boites IT, pour vous écrire ici des articles aux croisements de ces deux mondes.

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