Co jest szybsze – podmorski kabel telekomunikacyjny czy An-124 Rusłan wypełniony dyskami twardymi?

Tytułowe pytanie jest źle sformułowane. Rusłan przemieszcza się z prędkością 750 km/h a kabel podmorski w ogóle się nie przemieszcza, bo przecież leży sobie na dnie morza. Tak naprawdę pytanie powinno więc brzmieć: w jaki sposób szybciej prześlemy dane – najnowszym transoceanicznym kablem światłowodowym położonym na dnie Atlantyku przez firmę SubCom dla firmy Google, czy może czterosilnikowym odrzutowcem transportowym wiozącym dyski twarde z Paryża do Nowego Jorku? Taki tytuł byłby jednak za długi nawet jak na moje mocno poluzowane standardy.

Weterani branży IT mogą kojarzyć cytat z profesora Andrew Tanenbauma: „Never underestimate the bandwidth of a station wagon full of tapes hurtling down the highway” (nigdy nie lekceważ przepustowości jadącego autostradą kombiaka załadowanego taśmami magnetycznymi). Wiadomo – jest to mądrość naszych ojców i ojców naszych ojców, ale z drugiej strony cytat ma grubo ponad ćwierć wieku. Czy zachował aktualność? Przyzywam potęgę arytmetyki! Sprawdzamy!

Najpierw spójrzmy na fragment książki „Computer networks” (Sieci komputerowe) napisanej przez Tanenbauma i wydanej w roku 1988:

Oto skrócone tłumaczenie kluczowych fragmentów: „Jedną z popularniejszych metod przenoszenia danych między komputerami jest zapisanie ich na taśmie magnetycznej lub dyskietce, przetransportowanie nośnika i odczytanie danych w docelowej lokalizacji. Nie jest to tak wyrafinowana metoda jak użycie geostacjonarnych satelitów telekomunikacyjnych, ale często jest najbardziej opłacalna – zwłaszcza w zastosowaniach wymagających dużej przepustowości […]. Taśma magnetyczna mieści 180 megabajtów, do samochodu kombi można ich załadować 200 naraz. Jeśli czas przejazdu wyniesie jedną godzinę, efektywną przepustowością takiego kanału transmisyjnego będzie 288000 megabitów na 3600 sekund, albo 80 Mbps (megabitów na sekundę). Żadna sieć rozległa nawet nie zbliża się do tego rzędu przepustowości, dorówna jej mało która sieć lokalna”.

Od czasu opublikowania tego tekstu wszystkie wspomniane parametry techniczne wzrosły tysiące lub miliony razy – przepustowość łączy, pojemność pamięci masowych, pojemność pamięci operacyjnej, wydajności procesorów i tak dalej. Wzrost ten nie był jednak ani równomierny, ani zachowujący proporcje między zmieniającymi się wartościami. To właśnie czyni tytułowe zagadnienie tak nieoczywistym.

Notatka dla reżysera – w tle słychać dźwięki „Never Gonna Give You Up” Ricka Astleya i po raz pierwszy w historii światowej blogosfery nie jest to rickrolling tylko stuprocentowo historyczne przejście z roku 1988 w czasy dzisiejsze. Wyciemnienie, muzyka cichnie, na ekranie pojawia się napis „33 lata później”.

OPINIA PUBLICZNA

Do pisania tego tekstu siadłem nie wiedząc, jaki wynik otrzymam. Okazuje się, że obserwatorzy Informatyka Zakładowego też nie znali prawidłowej odpowiedzi – wynik ankiety na Twitterze to 47/53 na korzyść samolotu. Respondenci na Facebooku głosowali podobnie – Rusłan wygrywa proporcjami 40/60.

Wczoraj do użytku oddano światłowodowy kabel transoceaniczny US-EU 🗺️ o przepustowości 250 Tbps. Jak sądzicie – czy szybciej przetransferujemy dane między kontynentami tym kablem czy Rusłanem An-124 wypełnionym dyskami twardymi? 💽💨

— Informatyk Zakładowy (@InfZakladowy) February 5, 2021

Czy niewielka większość miała rację?

SAMOLOT

An-124 Rusłan, kod NATO: Condor. Nie macie pojęcia, jaki to jest potwór! Zdarzyło mi się kiedyś jechać autem w pobliżu
EPWR akurat wtedy, gdy Rusłan podchodził do lądowania. O rany. Ta maszyna to skrzyżowanie wielkiego, pijanego bąka (jak on wisi w powietrzu???) z lotniskowcem (jak raz obierze kierunek to nie ma wieciekogo we wsi). Stanąłem na poboczu, wyszedłem z samochodu i z opuszczoną szczęką gapiłem się na to lądowanie. Samolot przesuwał się majestatycznie po niebie a jego cztery silniki ryczały jak… jak wielkie silniki wielkiego samolotu. Trochę ciężko tu o lepsze porównanie.

A zresztą – macie dwa filmy z lądowania An-124 we Wro: nagrany na zewnątrz oraz nagrany z kokpitu.

O czym to ja… a tak, odrzutowiec transportowy. Z Paryża do Nowego Jorku jest jakieś 6000 km. To za dużo, aby wyładować Rusłana pod sufit – przy takim dystansie możemy liczyć na transport około 70 ton ładunku. Przestrzeń ładowni to nadal 850 metrów sześciennych, w praktyce mniej, bo nasze nośniki danych musimy zapakować na palety. Póki co nie wiemy zresztą, czy szybciej skończy się przestrzeń, czy też dobijemy do limitu wagi ładunku.

NOŚNIKI

Co wozimy? Dobre pytanie. Ogranicza nas zarówno objętość jak i waga.

W wielu linkach poniżej znajdziecie obliczenia z Wolfram Alpha. Jeśli gdzieś się pomyliłem, koniecznie dajcie znać!

Najpierw popatrzymy na dyski twarde. Typowy dysk 3.5 cala to jakieś 405 cm sześciennych czyli w metrze sześciennym zmieścimy około 2500 dysków. Cały samolot to byłyby ponad dwa miliony dysków. Co z tego, skoro dyski talerzowe są ciężkie – ładowność pozwala nam przewieźć raptem sto tysięcy dysków Seagate 16 TB (waga 690g). Łącznie – 1.6 miliona terabajtów. Da się lepiej.

Czas na dyski 2.5 cala SSD. Jedna sztuka to 105 cm³, na jeden metr sześcienny złoży się 9500 sztuk. Teoretycznie ładownia zmieści osiem milionów napędów, w praktyce ograniczenie wagowe to półtora miliona sztuk. Ładujemy pod korek dyskami Samsung 2 TB (o większe trudniej, 46 gramów) – 25% fizycznej objętości HDD, 12% pojemności w bajtach, ale mniej niż 7% wagi – wygrywamy! Razem będą to 3 miliony terabajtów. Dwukrotnie lepiej, nadal bez szału.

Uwaga, teraz pojedziemy po całości. Wyładujemy Rusłana kartami microSD. Zerknijmy do specyfikacji:

Jedna karta microSD to 0.165 centymetra sześciennego. Wiecie, ile wejdzie na jeden metr sześcienny? SZEŚĆ MILIONÓW! Jeśli użyjemy kart Samsung 512 GB (pół grama i pół terabajta na sztukę), jeden metr sześcienny pomieści 3 miliony terabajtów i będzie ważył 3 tony.

Samolot udźwignie 23 takie palety. Miejsca mamy kilkadziesiąt razy więcej, w olbrzymiej ładowni będzie wiało pustką, ale i tak przewieziemy 69 milionów terabajtów.

Załadunek 23 palet (jakieś 10% powierzchni ładowni Rusłana) zajmie godzinę, rozładunek drugą godzinę, do tego 10h lotu, 2h innej logistyki i 2h na obsługę naziemną. Wychodzi 16h na kurs w jedną stronę. Jeśli mamy kilka załóg pracujących „na zakładkę”, możemy jednym samolotem robić trzy kursy w dwie doby. Dzięki temu obliczoną przepustowość mnożymy przez półtora – tyle wyniesie przepustowość dobowa.

Łącze „lotnicze” to dla dysków HDD 2.4 miliona TB/dobę, dla dysków SSD 4.5 miliona TB/dobę, zaś dla kart microSD spektakularne 100 milionów terabajtów na dobę.

KABEL

Nowy transoceaniczny kabel światłowodowy znany pod nazwą Dunant, oddany do użytku w ostatnich dniach, łączy francuską miejscowość Saint-Hilaire-de-Riez z Virginia Beach w stanie Virginia, USA.

Jest to pierwszy tak długi kabel typu SDM (spatial division multiplexing) – w miejsce typowych kilku par włókien światłowodowych używa się kilkunastu par, co w opisywanym przypadku zaowocowało spektakularną przepustowością 250 terabitów na sekundę. Jest to ponad 30 terabajtów/s czyli zawartość dwóch wielkich talerzowych dysków twardych przesłana na odległość ponad 6000 km co sekundę.

Gdy przemnożymy tę liczbę przez 86400 czyli liczbę sekund składających się na jedną dobę, otrzymamy 2.7 miliona terabajtów na dobę.

Mnie bardziej fascynuje, że światło tym kablem leci do USA jakieś 25ms. Co oznacza, że kabel sam w sobie jest nośnikiem o pojemności prawie 1TB.

— Grzegorz Tworek (@0gtweet) February 5, 2021

ROZSTRZYGNIĘCIE

Prędko! Policzmy wynik zanim dotrze do nas, że to bez sensu!

Dyski HDD w An-124 Rusłan – 2.400.000 terabajtów na dobę, gorzej niż kabel.

Kabel światłowodowy – 2.700.000 terabajtów na dobę

Dyski SSD w An-124 Rusłan – 4.500.000 terabajtów na dobę, lepiej niż kabel.

Karty SD w An-124 Rusłan – 100.000.000 terabajtów na dobę. Ho ho!

Wniosek – samolot transportowy pozwala przesłać dane między Europą a Ameryką Północną jakieś 37 razy szybciej niż kabel podmorski.

TE OBLICZENIA NIE MAJĄ BEZ SENSU, BO [cokolwiek]

Oczywiście. Chyba nikt nie spodziewał się, że naprawdę rozważamy kupno, zapis, przewóz i odczyt stu trzydziestu ośmiu milionów kart microSD. Mało istotne, że to na sztuki znacząca część globalnej rocznej produkcji – tych największych kart w ogóle tyle nie powstaje. Ten artykuł to zabawa i eksperyment myślowy.

Jeśli przy opisanych założeniach popełniłem błąd arytmetyczny – proszę o korektę. Jeśli moje założenia są głupie a ty masz mądre, zapraszam do komentowania – byle z matematyką, dołącz proszę informacje o swoich wynikach!

Jeśli chcesz mi wytknąć pomieszanie gigabajtów i gigibajtów – odpuść. Niepewność szacunków jest tu dużo większa, niż te kilkanaście procent różnicy między przedrostkami SI oraz dwójkowymi.

GDZIE TKWI HACZYK?

Spójrzmy na koszty. Karta microSD 512 GB kosztuje w sklepie jakieś 90 USD, ale przyjmijmy, że u producenta, bez konfekcjonowania i transportu, dostaniemy je po ok. 50 USD. Wartość naszego frachtu to wówczas skromne 7 miliardów dolarów. Za tyle pieniędzy dałoby się owinąć światłowodem całą Ziemię… pięciokrotnie.

Alternatywnie – w cenie nośników microSD moglibyśmy położyć na wspomnianym dystansie ponad 20 kabli podmorskich, co przy niepewności naszych obliczeń w zasadzie wyrównuje przepustowość wiązki kabli i samolotu. Spojrzeliśmy jednak tylko na początkowy koszt operacji lotniczych, czas oszacować jednostkową cenę transferowanego terabajta.

KOSZT TRANSFERU DANYCH PO KABLU

W zależności od źródeł, kabel podmorski kosztuje od 25 do 100 tysięcy dolarów za kilometr. Daje nam to łączny koszt między 150 a 600 milionów dolarów. Planowany czas eksploatacji kabla to 25 lat, konieczne jest jego zasilanie, zarządzanie, konserwacja i naprawy. Przyjmijmy, że Dunant kosztował 300 milionów zaś jego eksploatacja przez 25 lat to kolejne 50 milionów.

Daje nam to koszt rzędu 1600 dolarów na godzinę (albo 38 tysięcy dolarów na dobę). To zaś oznacza 1 cent za przesłany terabajt.

KOSZT TRANSFERU DANYCH SAMOLOTEM

W branży lotniczej mamy bardzo dużo różnorakich kosztów – finansowanie i zakup samolotu, koszty obsługi, przeglądów, napraw, paliwa, załogi, opłat lotniskowych i czego tam jeszcze. Na szczęście w użyciu jest bardzo prosta, syntetyczna miara – koszt tzw. block hour czyli godziny faktycznej eksploatacji samolotu, od zamknięcia do otworzenia drzwi.

Dane o kosztach znajdziemy na stronach amerykańskiej Federalnej Administracji Lotnictwa.

Widać, że podany w dokumencie koszt godziny pracy samolotu transportowego to ponad 28 tysięcy USD. Zgadza się to z informacjami o kosztach wynajmu Rusłana na potrzeby przewozu wojsk NATO, które wynosiły od 23 do 37 tys. USD za godzinę.

Przyjmijmy, że stały klient latający bez przerwy może dostać cenę 25 tysięcy dolarów za godzinę. Przy 10 godzinach operacyjnych daje nam to ćwierć miliona dolarów, do tego dochodzi po 100 tysięcy USD za obsługę lotniskową i załadunek/rozładunek na początku i końcu trasy. Razem 450 tysięcy USD za jeden odcinek czyli 675 tysięcy na dobę.

Dzielimy 675 tys. USD przez sto milionów przewiezionych terabajtów, dostajemy… dwie trzecie centa amerykańskiego! Zwycięstwo? Nie do końca.

Gdy wozi się sprzęt wart siedem miliardów dolarów, dobrze byłoby go ubezpieczyć. Koszt – jeden promil wartości towaru za lot, w naszym przypadku to okrągłe siedem milionów dolarów (razy półtora lotu na dobę). Zamiast sześciuset tysięcy USD mamy więc jedenaście milionów USD, cena jednego przewiezionego terabajta skacze do jedenastu centów.

ROZSTRZYGNIĘCIE

Samolotem transportowym przewieziemy dane ponad 30 razy szybciej, niż najnowszym podmorskim kablem światłowodowym. Jednocześnie kabel będzie 10 razy tańszy w eksploatacji.

Sporym ułatwieniem będzie też oczywiście to, że nie musimy co kilkanaście godzin rozpakowywać i wtykać w czytniki stu milionów kart microSD. Jako wierny widz kanału Fabryki w Polsce nie mam jednak cienia wątpliwości, że dałoby się to zautomatyzować. Koszty? Cóż, wzrosną.

DOGRYWKA – SAMOCHÓD KOMBI

Wróćmy do wspomnianego na początku „station wagon full of tapes” czyli – w naszym przypadku – osobowego kombi z bagażnikiem zasypanym kartami microSD. Umówmy się, że 6000 km pokonamy autostradami, np. jadąc z Wrocławia do Lizbony i z powrotem. Zajmie nam to jakieś 60 h.

Na pakę wejdzie 500 kg nośników, czyli milion kart – łącznie pół miliona terabajtów. Przepustowość łącza: 200 tysięcy terabajtów na dobę czyli jakieś 7% tego, co kabel podmorski.

Koszty? Ha, policzę sobie teraz cenę block hour mojego samochodu. Kupiłem go za 100 tysięcy zł, teraz jest wart połowę tego. Druga połowa to koszt wchodzący do naszej kalkulacji. Przejechałem nim 100 tysięcy kilometrów, spaliłem benzyny za 31 tysięcy zł (wiwat Fuelio, dzięki któremu mam tę wiedzę), ubezpieczenie to jakieś 14 tysięcy zł, 5 tysięcy zł poszło na przeglądy i eksploatację.

Razem wychodzi 100000 zł za 100000 kilometrów i daję słowo, że dopasowałem jedno do drugiego w stopniu naprawdę minimalnym. Jeśli średnia prędkość wyniosła 50 km/h, spędziłem w aucie 2000h.

Block hour mojego samochodu to wówczas 50 zł/h czyli 1200 zł/dobę czyli około 320 USD za dobę. Jeśli podzielimy 320 USD na 200 tysięcy terabajtów, otrzymamy… szesnaście setnych centa! Sześć razy taniej za jednostkę danych, niż kabel podmorski! Cztery razy taniej, niż samolot bez ubezpieczenia! Siedemdziesiąt razy taniej, niż samolot z ubezpieczonym ładunkiem!

Zbiorowa mądrość Twittera tym razem przegrała:

Jeszcze jedno pytanie dotyczące transferu danych – w szranki stają: Rusłan An-124 ✈️ wypełnionym nośnikami i osobowy kombi 🚗 wypełniony nośnikami. Jednym i drugim lecimy/jedziemy 6000 km. Który środek transportu będzie tańszy (dzieląc koszt transportu przez przewiezione bajty)

— Informatyk Zakładowy (@InfZakladowy) February 5, 2021

Muszę przyznać, że rozbawił mnie zarówno wynik, jak i wizja karawan złożonych z dziesiątek lub setek kombiaków transportujących dane między serwerowniami. Zanim podejmiecie się takiego zlecenia, pamiętajcie, że każde auto będzie miało na pace nośniki za 50 milionów dolarów. Może to przysporzyć kierowcy nieco stresu.

PODSUMOWANIE

Pobawiliśmy się matematyką, pośmialiśmy, ale przecież nikt nie załaduje samolotu kartami SD. Co innego – wsadzić kilka tysięcy dysków twardych do kontenera, zrobić z nich NAS-a o pojemności stu tysięcy terabajtów (100 PB) i… załadować na ciężarówkę. Tak właśnie działa usługa AWS Snowmobile, dzięki której można przemigrować dowolną ilość danych do chmury Amazona (oczywiście tylko w tę stronę – rubel za wejście, dwa za wyjście). Cóż, nasz „kombiak załadowany kartami microSD” wygrywa sumaryczną pojemnością nośników, przegrywa… w zasadzie w każdej innej kategorii, z ergonomią użycia na czele.

Gdy skończę pisać ten artykuł, kliknięcie przycisku „Opublikuj” spowoduje wysłanie kilku pakietów TCP przez któryś z kilkudziesięciu kabli podmorskich, potem pakiety pomkną miedzią i światłowodem aż do serwera w Kalifornii. Zajmie to 50 milisekund, drugie tyle będę czekał na komunikację zwrotną.

Do tej pory nie wspomnieliśmy bowiem o fakcie znanym każdemu graczowi PUBG-a, Fortnite’a czy LoL-a: przepustowość sieci to nie wszystko, tak samo ważne są pingi. W przypadku łącza lotniczego moglibyśmy pograć sobie co najwyżej w szachy korespondencyjne.

Za pomoc w przygotowaniu tekstu dziękuję Igorowi, który opowiedział mi o logistyce i cenach przewozów lotniczych.