Et nyt netværksdesign til internettet fra rummet

En ny generation af lavflyvende satellitter lover et "internet fra rummet, "der vil kunne dække selv fjerntliggende regioner rundt om i verden. Computerforskere ved ETH Zürich foreslår et nyt netværksdesign, der kan fordoble netværkskapaciteten i sådanne systemer.

Satellitter spiller endnu ikke en stor rolle i verdens internetinfrastruktur. Imidlertid, dette kan snart blive ændret. Inden for det næste årti, en ny generation af satellitter kunne lægge grundlaget for et "internet fra rummet, "mener Ankit Singla, professor ved ETH Zurich's Network Design &Architecture Lab. Hans team undersøger, hvordan man kan forbedre ydeevnen for store computernetværk, herunder internettet.

Udnytter fremskridt inden for omkostningsbesparende teknologier inden for rumsektoren, de nye satellitsystemer ville bruge tusindvis af satellitter i stedet for de snesevis af satellitter, der blev brugt i tidligere systemer. Disse satellitter kunne derefter forbindes til hinanden via laserlys for at danne et netværk. Dækningen fra disse satellitter ville nå fjerntliggende regioner, der i øjeblikket ikke har eller meget begrænset adgang til internettet, da de ikke eller kun er dårligt forbundet med de interkontinentale fiberoptiske kabler, der driver nutidens internet.

Kapløbet om himmelens internet

LEO -satelliternes muligheder har udløst en ny, bestridt "rumløb, "med sværvægtere som Elon Musks SpaceX og Jeff Bezos Amazon smider deres hatte ind i ringen. Disse virksomheder udvikler store satellitkonstellationer med tusinder til titusinder af satellitter. Disse ville kredser rundt om Jorden med hastigheder på 27, 000 km/t i en højde af omkring 500 km (geostationære satellitter:35, 768 km).

SpaceX, for eksempel, har allerede lanceret sine første 120 satellitter, og planlægger at tilbyde en satellitbaseret bredbåndstjeneste fra 2020. Ud over global dækning, teknologien, der bruges i "internet fra rummet", lover høje dataoverførselshastigheder uden store forsinkelser i dataoverførsel - latensen, som computerforskere kalder disse forsinkelser, er betydeligt lavere end traditionel, geostationære satellitter, og endda den af ​​underjordiske fiberoptiske linjer til langdistancekommunikation.

"Hvis disse planer lykkes, det ville være et stort spring fremad i verdens internetinfrastruktur, "siger Debopam Bhattacherjee. Doktoranden, der arbejder med Singla, undersøger det optimale design af netværk til satellitbaseret bredbåndsinternet for at garantere en høj båndbredde, forsinkelsesfri datastrøm. Han vil præsentere sine resultater i Florida i dag på ACM CoNEXT 2019, den internationale konference om nye netværkseksperimenter og teknologier.

Nyt design til dynamiske netværk

De nye forskningsudfordringer, der opstår fra "internettet fra rummet" i forhold til "internettet på terræn" skyldes, at satellitterne er i bevægelse. Satellitterne repræsenterer noder, som dataene bevæger sig igennem. Da de satellitbaserede noder konstant ændrer deres position i forhold til hinanden, de danner et stærkt dynamisk netværk. I modsætning, transitknuderne, der tilhører "internettet på jorden", ændrer ikke deres placering eller position. Som resultat, den stort set statiske infrastruktur for "internettet på jorden" opfylder ikke de samme krav som dem "internettet fra rummet".

"At implementere satellitbaseret bredbåndsinternet, vi er nødt til at genoverveje alle aspekter af den måde, hvorpå internettet i øjeblikket er designet til at fungere, "siger Singla. Han forklarer, at mens satellitterne flyver meget hurtigt og i tæt sværme, mere effektive tilgange til netværksdesign er påkrævet for satellitinternet. Selv de designkoncepter, der bruges til mobilnetværk på højhastighedstog, droner og fly kan ikke let overføres til satellitter.

Bhattacherjee og Singla har nu udviklet en matematisk model, der demonstrerer, hvordan man fundamentalt kan forbedre netværksdesignet i rummet. De har testet deres designtilgang ved hjælp af eksemplet på SpaceX og Amazon, men det kan anvendes uafhængigt af teknologien i en bestemt virksomhed.

Mønstre sikrer jævn datatrafik

Designkonceptet, der er udtænkt af Bhattacherjee og Singla, er udelukkende baseret på den høje tidsmæssige dynamik i satellitter med lav jordbane. Det centrale spørgsmål, de først stillede, var:hvordan kan tusinder af satellitter kædes sammen for at opnå den bedst mulige netværksydelse? Svaret er ikke let, da hver satellit ikke må have mere end fire forbindelser til andre satellitter.

Intuitivt, man kunne tro, at satellitterne altid kun forbinder til de nærmeste satellitter. Ifølge Bhattacherjee, imidlertid, denne antagelse er for restriktiv. Satellitterne kunne godt oprette forbindelse til satellitter, der er mere fjerne. For at maksimere dataoverførselseffektiviteten, det ville faktisk være mere effektivt, hvis dataene brugte længere forbindelser, men krydsede færre noder (satellitter). Trods alt, datakrydsningen gennem en knude bruger også ressourcer, og dermed reducere de tilgængelige ressourcer til andre forbindelser.

Imidlertid, at reducere antallet af on-path-noder for at øge effektiviteten må ikke gå på kompromis med længden af ​​ende-til-ende-stien. Ellers, dette vil forværre ventetiden. Yderligere, det er vigtigt, at forbindelser mellem satellitter ikke ændres for ofte, da etablering af nye forbindelser kan tage snesevis af sekunder, hvorunder data ikke kan udveksles.

Den nye idé bag Bhattacherjees og Singlas tilgang er, at forbindelserne mellem satellitterne skulle bygges baseret på specialiserede, gentagne mønstre. Det mest egnede mønster afhænger af satellitkonstellationens geometri og netværkets input -trafik. Et vigtigt punkt er, at forbindelsesmønsteret gentages på hver satellit i netværket, med alle satellitter forbundet på nøjagtig samme måde, og forbindelserne forbliver stabile over tid.

I tilfælde af SpaceX, det nye designkoncept øger netværkseffektiviteten med 54 procent i forhold til den nuværende tilgang; til Kuiper (Amazon), effektivitetsforøgelsen er 45 procent. "Vores tilgang kunne fordoble effektiviteten af ​​satellitbaseret internet, "siger Bhattacherjee afslutningsvis.