（一）海底光缆网络

世界上大多数通信往来都位于“云”中——一个庞大的全球远程服务器网络。陆地站通过位于海底的“长途”光缆进行连接，涉及大约95%至99%的洲际互联网流量传输。海底光缆容量的需求受到了网页的指数级增长、消费者对数据传输速度的期望，以及企业和政府“上云”的推动。

此外，国民经济的运作也依赖于海底光缆传输。例如，美国清算所国际银行支付系统（CHIPS）为各种金融机构提供服务，并依赖于海底光缆来实现超过22个国家间的财务交易。CHIPS每天处理大约1.8万亿美元的国内和国际支付交易。

毫不奇怪，美国国土安全部将海底光缆视为“关键基础设施”，这意味着其“瘫痪或毁灭将对国家经济安全产生严重影响”。各种安全挑战也应引发政府和商业部门展开对话并采取措施。如下图所示，卫星、陆地光纤和移动运营商网络通常提供“第一公里”和“最后一公里”的服务，而中间更长距离的连通性依赖于陆地光纤或海底光缆网络。

▲ 海底光缆网络的关键要素。海底光缆基础设施提供了与数据中心、陆地光纤和光缆、移动运营商网络以及卫星的连通性。尽管海底光缆主导了长途跨洋数据传输市场，但在未来，一系列连通性平台可能占据更大的份额，包括高通量同步轨道卫星（HTS GEO）到大型低轨道卫星星座（LEO constellations）。网络运营中心和数据中心可以根据性能标准和业务需求在各个位置进行战略性部署。（图源：原文）

（二）互联网回程网络

海缆着陆站设有“海缆线路终端设备”（SLTE）。这是“湿装置”（海底光缆）与“干装置”（SLTE）相遇的地方，光缆终端盒将通信光缆分成光纤和电源线。其他关键要素包括线路终端设备、网络保护设备和网络管理设备。网络管理设备可以充当是陆地光纤、无线或移动运营商、卫星回程网络（backhaul networks）的“交通警察”。（译者注：回程网络就是线路的返回线路，一般的终端用户的下载业务比较大，上行数据量比较小。）

过去，光缆系统的建设往往是“交钥匙”的一体化方案。如今，“开放光缆”的新模式或将成为趋势——光缆运营商可以根据自身需求，针对“湿装置”和“干装置”选择不同的供应商，这也将加强相关市场的竞争成都。

（三）数据中心和用户

数据中心（Data Center，DC）运营商正在改进其业务模式，寻求更高效的路径和新的全球数据传输方式。图1展示数据中心的各种潜在位置。一些数据中心位于海缆着陆站，以利用规模经济；其他数据中心选择更靠近“边缘”的位置，其规模通常较小并且更接近客户。

由于数据中心耗电量大，80%的成本与冷却有关，因此一些数据中心正在转向气候较冷的地区，如瑞典、挪威和冰岛。其他数据运营商则被吸引到能利用可再生能源（如太阳能和风电）的地点。例如，微软云（Azure）一直在研究如何设计一种利用潮汐能进行冷却的“海底数据中心”。

（四）卫星：未来架构

在短期内，海底光缆将继续是传输国际数据传输的骨干。然而，连通性的世界正在发生变化，运营商如SpaceX的“星链”（Starlink）、TeleSat的Lightspeed和OneWeb已经部署了它们的低轨道卫星星座。另外，亚马逊的Kuiper项目也已进入规划和许可阶段。这些低轨道卫星星座旨在提供全球宽带服务。

这些卫星星座与陆地无线网络之间的战略合作将带来协同效应：陆地网络将能够扩展到偏远和农村地区，而低轨道卫星星座将提供更大的回程网络容量。最近，一些公司已经建立了上述合作关系，如Verizon和Amazon Kuiper，AT&T和OneWeb。这些合作伙伴关系可能使高速、高通量的长途网络成为可能，并且与海底光缆争夺全球市场份额。

不过，这样的竞争是如何实现的呢？在混合网络的一般趋势下，激光通信的“虚拟光纤技术”（Free Space Optics）不断成熟。随着时间的推移，连通性选项将扩展，新的卫星星座架构通过“光学卫星间链接”（OISL）克服了技术挑战，如实现相对高速移动低轨道卫星之间的激光对接。

（作者注：光学卫星间链接OISL提供了低延迟的点对点传输优势，与海底或陆地光纤网络相比，因为卫星间的光线不受大气或折射材料的阻碍。相比之下，通信光纤的折射率约为1.5，其材料特性会导致减度。在真空中，光速传输比陆地/海底光纤快50%。未来，星链等光学无线卫星网络率先广泛应用于高利润领域，如高频金融交易和游戏。）

假设OISL继续发展，卫星可能成为全球网络运行的基础。若卫星星座能提供千兆位速度的数据网络，将与海底光缆传输直接竞争。至少，数据网络所有者和运营商可将基于太空的长途网络视为另一种技术选项。目前，卫星运营商和海底光缆提供商是相互连接的合作伙伴，但技术发展总能迅速改变行业格局。

（一）海底光缆的历史与演变

自数字时代的曙光以来，海底光缆行业发生了巨大变化。在互联网大繁荣之前，海底光缆公司通常由电信运营商建设，用于传输具有相对可预测流量的语音数据。

在1988年，微波和卫星依然是世界上主要的数据传输方式。也正是这一年，第一条纯光缆，即横跨大西洋的第八号光缆（Trans-Atlantic-8）开始运营。不到三年后，1991年7月，光缆超越卫星，成为支持全球数字网络的主要媒介。在20世纪90年代的互联网快速发展期间，电信行业花费了超过200亿美元铺设了从纽约到伦敦、穿越地中海的海底光缆。

（二）全球互联网使用和海底光缆发展的市场势头

国际互联网流量增长与互联网使用率之间存在强烈相关性。可见，欧美成熟市场经历较低的国际市场增长，因为它们已经建立了自己的国际网络。 

▲ 国际互联网流量增长和海底光缆发展的市场势头（每个球的大小与每个地区的互联网用户人口成比例）；数据来源：TeleGeography；Internet World Stats

非洲和亚洲正是海底光缆投资和建设的高速增长地区。当然，这并没有完全揭示整个故事。除了增加的互联网用户规模，现有的互联网用户期望获得更大的带宽。在2018年到2023年之间，用户将看到他们的平均宽带速度从45.0 Mbps增加到110.4 Mbps。

（三）光缆所有权

自1858年第一条跨大西洋电报光缆诞生以来，海底光缆通常由私人公司拥有和安装。当前，全球大约有436条由私人投资者、科技公司或政府共同拥有的海底光缆正在运营，其中50条光缆为美国提供服务，集中在20个区域。在美国东海岸，它们集中在纽约、新泽西、弗吉尼亚海滩和迈阿密附近；在西海岸，其靠近洛杉矶、旧金山、加利福尼亚中部和俄勒冈。

▲ 包括着陆站的全球海底光缆。数据来源：TeleGeography

有三种最常见的光缆所有权类型：（1）单一所有者，通常由国家支持的实体或云/媒体服务提供商拥有，包括“超大规模”内容提供商（如Google和Microsoft）；（2）联盟/财团（Consortium）。由多个商业实体共同拥有所有权；（3）公私合作（PPP）：双方共同分享股权和风险，以提供公共利益（如纳米比亚电信和Paratus电信，它们资助了纳米比亚与南非和葡萄牙之间的Google新海底光缆）。这三种光缆所有权类型都可能将其容量租赁给电信运营商，而电信运营商则进一步将流量租赁给其客户。

（四）超大规模内容提供商的崛起

非国家或市场行为者正成为全球互联网传输需求的主要供应商。思科公司（Cisco）称，到2023年，全球将有近三分之二的人口上网。到2023年，全球将有53亿互联网用户，占全球人口的66%（2018年只有39亿，占51%），固定宽带速度将达到110.4 Mbps（2018年为45.9 Mbps）。在过去的十年中，巴西、俄罗斯、印度和中国等四个国家市场是网民增长的主要来源。

起初，数据中心、OTT互联网服务商、CSP云服务提供商等“内容提供商”（Content Providers）是海底光缆容量的重要采购方。在2010年，头部的内容提供商意识到，通过拥有数据传输渠道，他们可以影响网络并降低每比特的成本。例如，Google成为了“Unity”光缆的部分所有者，该光缆从日本千仓延伸至加利福尼亚的雷东多海滩。快进到2022年，更多的“超大规模”（hyperscale）内容提供商已经拥有并运营自己的光缆。

美国内容提供商彻底改变了海底光缆行业，现在占据了2018年至2020年跨大西洋光缆投资的80%，而在2015至2017年期间仅占据20%。事实上，Google已经成为海底光缆的最大投资者，拥有六条运营中的光缆，并计划到2022年再增加八条新线路。

如今，超大规模内容提供商占据了大部分国际容量，在2020年达到了66%。与此同时，Google和Facebook拥有约29%的所有光缆。其中一些是他们独自拥有的，例如，Google拥有从智利到洛杉矶的Curie光缆的全部权益。Facebook的一位高管表示，“多年来，我们已经从光缆租户变为主要的业主。最近，我们已经作为投资者做出了更长期的承诺，即进一步拥有连接到我们数据中心的基础设施。”

互联网巨头常常为海底光缆行业提供积极刺激，因为他们不介意短期的投资受损，并且能够将手上的大笔现金转化为现实资产。这些巨头投资者通常使用联盟模式运作，并允许较小的投资者参与。每年都有更多的光缆被铺设，以满足不断增长的带宽需求，替换老化的光缆，以及优先考虑路线多样性和未开发市场。

（五）海底光缆的竞争格局与地缘政治

除美国外，中国也是海底光缆领域的重要参与者。目前，中国已在80多个国家开展光缆项目，作为“数字丝绸之路”战略重要组成部分。一个代表性的中国公司是“华海通信”（原“华为海洋”），其与英国公司Global Marine Systems合资后成为该行业的第四大参与者。到2020年，该公司建造或维修了全球近四分之一的海底光缆。其他三家公司为美国的SubCom，芬兰的Alcatel Submarine Networks和日本电气（NEC）。

最近的一个中国项目“和平光缆”（PEACE）也由华海通信部分拥有和建造。该项目全长近12000公里，计划从中国西部地区出发，穿越中巴经济走廊，在瓜达尔港入海、通过非洲之角，经过吉布提、埃及、肯尼亚，最后在法国马赛终止。该项目将提供从亚洲到欧洲最直接、容量最大的线路，再加上极低的延迟，这对于许多商业应用程序和消费者应用程序都非常重要。

当下马赛是法国南部地中海的战略要地，正成为欧洲日益重要的互联枢纽。和平海底光缆是在马赛落地的第15条海底光缆，这一合作不仅将进一步提高马赛网络枢纽的竞争力，也将有助于扩大和平海底光缆的市场。

面对中国在海底光缆领域的快速崛起，美国参议院的永久调查小组已向美国联邦通信委员会（FCC）提议，针对外国运营商的授权应该建立“更清晰的”标准和程序。部分原因在于，现行的要求（即FCC的第214条申请），耗时时间较长且繁琐。此外，该小组还建议定期审查和更新外国运营商的国际电信服务授权。2020年4月4日，第13913号行政命令建立了跨机构的“电信团队”向FCC提供许可监督，并协助FCC审查外国电信服务主体，并识别所谓“国家安全和法律风险”。

“成功攻击英国海底光缆将对我们构成生存威胁。然而，这些光缆的确切位置既偏僻又公开。这是世界经济的要害，也是相当吸引我们敌人的目标。”

——英国首相苏纳克

除了透明度和所有权的担忧，海底光缆还面临各种自然、意外和恶意威胁。除下图所示外，海底光缆着陆站点的另一个自然风险来自全球气候变化——海平面每年大约上升1/8英寸。 

▲ 海底光缆威胁。（威胁等级：绿色=低；黄色=中；红色=高）；资料来源：美国国土安全部情报和分析办公室（DHS/I&A）

幸运的是，光缆运营商往往会安排多余的网络容量。面对突发状况，运营商通过自动重定向，点亮“黑光纤”的多余网络容量以迅速响应客户需求。与此同时，运营商可以指导光缆维修船利用潜水机器人或遥控车辆来寻找并修复断裂。从长远来看，许多运营商都有备用的海底路径计划，以报账更强大的供应韧性。

恶意威胁通常出现在最后一公里，基础设施可能会经历数据外流、间谍活动和破坏等风险。然而，光缆篡改和破坏发生在水深较大和领海之外的地方，这些地方往往不受国家巡逻和法律保护，并且很难确认故障来源。为此，物理安全保护和供应链风险管理是当前优先事项，主要涉及控制政策、监视与巡逻、维修、电源备份、冗余连接、质量/设计标准等关键环节。

近年来，海底光缆的数据安全成为一个重要挑战，主要问题包括：数据渗透、渗漏、恶意软件、数据损坏、时序、窃听/监听、拒绝服务、元数据分析、光纤干扰、欺骗和加密。当前的保护措施包括软件和硬件减轻措施、监视、篡改检测和警报、密钥管理、网络运营中心监视，以及入侵检测系统（IDS）和入侵防御系统（IPS）分析。

许多正在使用的海底光缆建设于上世纪末和21世纪初，其寿命只有25年。很多光缆的寿命已经或即将到期，也导致故障风险提升，并直接影响全球互联网链接。有关当前光缆故障和维修的报告可在Submarine Telcoms Forums网站上找到，以下是一些示例：

• 2008年，中东和印度：因亚洲地区一次海事事故，多达7500万人在数天内无法正常上网。原因：恶劣天气造成的船只系泊事故。

• 2011年，日本：至少有八条海底光缆被损坏。原因：8.9级地震，余震破坏了四条光缆，海啸损坏了四个登陆站。

• 2019年，汤加：这个小岛国仅有一根光缆，但出现了故障，迫使转而使用卫星备份（Satellite Kacific）。重大中断发生，其170个岛屿和10万居民陷入“数字黑夜”，海外电话、货币转账和航班预订等停滞。原因：未知，疑似一艘船锚割断了光缆。

• 2020年，也门。由于红海中的一根海底光缆断裂，2000万市民在近一个星期内无法上网。科威特、沙特阿拉伯、苏丹和埃塞俄比亚等周边国家都遭受了部分中断。原因：疑似故意破坏行为。

• 2022年，斯瓦尔巴特群岛。挪威航天公司（Space Norway）在格陵兰海发现了一处海底的干扰，海床从300米深度降至2700米。原因：疑似故意破坏行为。

众多国内和国际政策已经涉及对物理和网络通信基础设施的监管范畴。然而，现有体系可能无法解决海底光缆的威胁，因为过去政策更侧重于商业和经济竞争领域，而当前威胁却涉足更关键的所有权架构以及安全访问等国家安全问题。

（一）海洋区域

海底光缆可以穿越下面列出的任何海洋区。根据根据《美国海岸领航手册》的说法，这些光缆可能不会被绘制在海图上。对于近岸地区，光缆埋在海床下；对于外部海洋区域，光缆通常位于海底。

▲ 1982年联合国海洋法公约（UNCLOS）下的海洋区域和权利；资料来源：《美国海岸领航手册》（United States Coast Pilot），美国国家海洋和大气管理局（NOAA）

根据国际法承认的海洋区域包括：

• 领海。沿海国主权管辖下与其海岸或内水相邻的一定宽度的海域，是国家领土的组成部分。领海的上空、海床和底土，均属沿海国主权管辖。根据《联合国海洋法公约》规定，领海是从领海基线量起最大宽度不超过12海里的一带水域。在这个区域，每个沿海国家都能设立光缆相关监管法律，在操作上主要取决是否法规能否得到执行。

• 专属经济区（Exclusive Economic Zone，EEZ）。是指国际公法中为解决国家或地区之间的因领海争端而提出的一个区域概念。专属经济区是指领海以外并邻接领海的一个区域，专属经济区从测算领海宽度的基线量起，不应超过二百海里（370.4公里），除去离另一个国家更近的点。在专属经济区内，沿海国家法规不适用于故意损坏光缆的外国国民。在实际情况下，大多数的黑客攻击可能无法被制裁。

• 公海或国际水域。国际海事法无法在领海之外扩展规定，以保护海底光缆免受网络威胁、来自无人和自主系统的威胁，也无权确定黑客的身份。

本文不涉及与海底光缆相关的更复杂的国际法律体系，仅提供《芝加哥国际法杂志》最近的一篇文章作为参考。各国可以采取两种选择：其一，通过国际海洋法法庭（ITLOS）确定损害光缆的责任，这个法庭由《联合国海洋法公约》（UNCLOS）设立；其二，寻求国际私有产权的法律救济。

（二）政策与监管体系：美欧实践

从海底光缆基础设施价值链出发，美国政府的多个机构，包括国土安全部、电信、太空和卫星部门以及网络安全部门，都已制定了相应的指导意见、法规和标准。

▲ 海底光缆基础设施价值链的风险和监管体系

历史上，美国的海底光缆监管主要依靠两项法令：

• 1921年《光缆登陆许可法案》（Cable Landing License Act of 1921）。赋予联邦通信委员会（FCC）授权，包括授权批准、保留、撤销或对光缆登陆许可进行条件限制的权力。

• 1934年《通信法案》（Communications Act of 1934）：第214条。要求电信运营商在从事国际电信服务之前获得FCC的授权。FCC必须考虑电信服务提供商是否符合“公共利益、便利和必要性”。国际第214条程序确保美国市场免受在外国拥有市场支配力的运营商可能导致的反竞争行为的威胁。

此外，还有一系列政策、法律等规范，以进一步防范和惩罚相关破坏行为，并通过指导和培训以增强保护实践：

• 《联合国海洋法公约》（UNCLOS）。规定了各国在国际水域铺设光缆和管道的自由，并要求海底光缆公司根据当地法律和国际条约持有许可证、执照和环境协议。然而，UNCLOS无法保护领海以外的权益和安全。

• 美国 《10530号总统行政令》。为总统审核和批准等某些职能提供了额外的步骤，超越了1934年《通信法案》。它赋予了FCC与国务卿和其他机构合作权限，在授予或撤销通信基础设施许可证之前，对外国参与或拥有在美国终止的光缆进行评估的权力。

• 北约卓越合作网络防御中心（CCDCOE）发布了《塔林手册》（Tallinn Manual），与陆地上的网络基础设施一样，该手册建立了管理光缆的原则。CCDOE还通过其年度“锁盾”（Locked Shields）实验进行网络演习，在2020年，该实验扩展到了太空基础设施。

• 经济合作与发展组织（OECD）出版了《奥斯陆手册》（The Oslo Manual）和其他的关于科学、技术和创新的数据指标收集、报告和使用的指南和提案，包括涉及网络空间的中立法律规则。

新兴的卫星通信系统已开始提供类似海淀光缆的容量和吞吐量，以增强通信基础设施的韧性和冗余性。此前，轨道卫星主要通过无线电频率进行通信，但新的低地球轨道（LEO）卫星运营商意识到了自由空间光通信（FSO）的潜力。例如，SpaceX的首席执行官马斯克在2021年1月发推文表示，“明年发射的所有卫星都将配备激光链接。” 星链（Starlink）已经为一些卫星配备并发射了“光学卫星间链接”（OISL）。除了星链，英国的OneWeb和加拿大的Telesat的LEO卫星星座也正在考虑未来的OISL实施。

商业公司不是唯一关注星间激光链路的公司。美国太空发展局（SDA）计划利用基于太空的激光光学技术，不仅要实现高数据吞吐率，还要提供更高的安全性。具体而言，狭窄的光学束比无线电频率更难拦截。SDA计划建立一个通信/数据中继卫星的网状网络作为“传输层”。SDA主任德里克·图内尔（Derek Tournear）指出，这些卫星的“每颗卫星将有大约三到五个光学交叉链接；链接涉及卫星与卫星、卫星与空中、地面以及海洋资产。”

（一）网状架构提供更强的韧性

根据布鲁金斯学会研究员弗兰克·罗斯（Frank Ross）认为，“我们不应该独立看待太空、网络和海底光缆，因为这些领域正在日益交织在一起。在网状架构下，如果一个对手决心想要切断通信基础设施，它就必须能够同时部署并协调多种手段，以攻击太空、互联网和海底光缆。”

传统通信基础设施依赖于中心化系统，例如如光纤主干线、移动通信基站和卫星的“弯管”（bent-pipe）架构，其中卫星主要用于将信号重新传输回地球。相比之下，网状通信涉及多个“节点”之间的点对点通信，而不是依赖于中心化和容易受到攻击的节点。通过算法，现代网状光学或无线电网络允许网络不断重新自我配置，以提供最快的路径到达目的地，并在故障发生时进行自我修复。

因此，接下来的关键项目和任务应努力实现一定程度的平台多样性，以应对海底光缆（统一通信基础设施）故障事件。随着卫星通信这个选项的快速发展，政府和私营部门都可以开始认真思考如下具体问题：

• 容量。在什么情况下，卫星能够提供可接受的吞吐量（例如，每秒千兆位）作为确保额外容量的可行选择？卫星可以提供多少备用容量？

• 可用性。卫星网络是否始终开启？是否始终连接？哪些地方存在覆盖空白区域？

• 延迟。相比如今的光纤网络，卫星网络在启动点和终点之间或延迟方面表现如何？延迟对于特定通信应用程序的重要性如何？（例如，自动驾驶汽车应用和电子交易可能需要最小的延迟，而其他应用程序可以容忍较长的延迟。）

• 安全性和韧性。如果更多地使用卫星通信，可能会增加哪些物理和网络风险？卫星通信能否强化当前的协议和实践？在故障事件发生时，有什么计划可以减少恢复时间并支持降级操作？

• 新兴卫星网络。通过电信公司与商业卫星公司的战略合作，利用低地球轨道网状网络进行连接，能否推动数据流量转移到卫星星座上？市场影响是什么？国家安全影响是什么？

• 市场拓展。随着非国家行为者在海底光缆的领域的利益扩张，卫星通信的商业、政策和技术优势是什么？如何吸引这些商业巨头的关注和支持？

（二）政策与技术：卫星作为未来的通信基础设施

美国还推出了旨在保障未来太空基础设施的立法。《太空基础设施法案》（2021年6月）指示，国土安全部长将负责太空系统、服务和技术等相关的关键基础设施。这项两党合作的众议院法案旨在加强保护太空资产的努力，特别是因为“黑客事件强调了美国必须有前瞻性地思考如何保护关键基础设施......对于美国未来面临不断演变的威胁，联邦安全机构与直接或间接涉及太空资产和技术的工业合作伙伴之间的合作至关重要。”

下表是当前太空通信基础设施进展的技术分析：

海底光缆技术即新兴又成熟，经过30年的演化和增长，已经成为我们经济、社会和国家安全的关键因素。如今，地缘政治利益将在争夺海底光缆市场的控制上得到体现。为确保海底光缆的安全性和韧性，政府应该采取以下措施：

实现“整个网络”的透明度和安全性，以提高对通信企业（包括海底、陆地、空中和卫星部分）的认识和管制。诸如美国国家电信安全审查小组（Team Telecom）之类的组织应继续通过将许可证和执照进行例行和主动监测来提高所有权和投资的透明度。在领土和领海之外，也要防止不良行为者利用海洋治理中的漏洞来进行黑客攻击或损坏光缆。

密切关注新兴和未来技术：尽管海底光缆将在未来几年内继续提供无与伦比的主干容量，但太空解决方案，如现有的HTS GEO卫星和未来的LEO星座，以及星间激光链网，将提供备选的安全数据路径。在连通性平台上进行技术投资的战略多样化，包括在太空、空中、陆地和海上平台上采用新的混合网络架构。政策制定者必须走在游戏的前沿，以确保在全通信网络领域都具备整体操作的可靠性和韧性。

（译者注：美国国家电信安全审查小组Team Telecom是一个非常隐秘的美国安全组织，由FBI、美国司法部、国防部和国土安全部官员组成，至今网上对于这个组织信息非常少。Team Telecom隐身在联邦通信委员会之后，是美国网络安全审查高级监管机构，主要负责保护美国政府通信安全、保护美国政府对通信进行窃听和监控的能力、预防恐怖行为、防止洗钱和毒品走私。所以，Team Telecom在美国电信市场牌照审批、重大基础设施建设、重组和并购等项目中具有绝对的审核权和否决权。）

*文章转自，文章有删节，小标题为欧亚系统科学研究会自拟。