Un nouveau design de réseau pour «Internet depuis l'espace»

Les satellites ne jouent pas encore un rôle majeur dans l'infrastructure Internet mondiale. Cependant, cela pourrait bientôt changer. Au cours de la prochaine décennie, une nouvelle génération de satellites pourrait jeter les bases d'un «Internet depuis l'espace», estime Ankit Singla, professeur au Network Design & Architecture Lab de l'ETH Zurich. Son équipe étudie les moyens d'améliorer la performance des réseaux informatiques à grande échelle, y compris Internet.

Exploitant les progrès des technologies de réduction des coûts dans le secteur spatial, les nouveaux systèmes satellitaires utiliseraient des milliers de satellites au lieu des dizaines de satellites utilisés dans les systèmes antérieurs. Ces satellites pourraient ensuite être reliés les uns aux autres par lumière laser pour former un réseau. La couverture fournie par ces satellites atteindrait des régions éloignées qui n'ont actuellement pas ou très peu d'accès à l'Internet, puisqu'elles ne sont pas ou peu connectées aux câbles intercontinentaux à fibres optiques qui alimentent l'Internet actuel.

La course pour l'Internet du ciel

Les capacités des satellites LEO ont déclenché une nouvelle «course à l'espace» contestée, avec des poids lourds comme SpaceX d'Elon Musk et Amazon de Jeff Bezos qui se lancent sur le ring. Ces sociétés développent des constellations de satellites à grande échelle avec des milliers à des dizaines de milliers de satellites. Ces satellites seraient en orbite autour de la Terre à une vitesse de 27 000 km/h à une altitude d'environ 500 km (satellites géostationnaires : 35 768 km).

SpaceX, par exemple, a déjà lancé ses 120 premiers satellites et prévoit d'offrir un service Internet haut débit par satellite à partir de 2020. Outre la couverture mondiale, la technologie utilisée dans l'«Internet depuis l'espace» promet des débits de transfert de données élevés sans retard majeur dans la transmission des données - la latence, comme l'appellent les informaticiens, est nettement inférieure à celle des satellites géostationnaires traditionnels, et même à celle des lignes souterraines à fibre optique pour les communications longue distance.

«Si ces plans réussissent, ce serait un énorme bond en avant dans l'infrastructure Internet mondiale», déclare Debopam Bhattacherjee. Le doctorant qui travaille avec Singla étudie la conception optimale des réseaux pour l'Internet haut débit par satellite afin de garantir un flux de données à haut débit et sans retard. Il présentera ses résultats en Floride aujourd'hui à ACM CoNEXT 2019, la conférence internationale sur les nouvelles expériences et technologies de réseautage.

Nouveau design pour les réseaux dynamiques

Les nouveaux défis de recherche découlant de l'«Internet depuis l'espace» par rapport à l'«Internet au sol» sont dus au fait que les satellites sont en mouvement. Les satellites représentent les nœuds par lesquels les données transitent. Comme les nœuds satellites changent constamment de position les uns par rapport aux autres, ils forment un réseau très dynamique. En revanche, les nœuds de transit appartenant à l'«Internet au sol» ne changent ni d'emplacement, ni de position. En conséquence, l'infrastructure largement statique de l'«Internet au sol» ne répond pas aux mêmes exigences que celles de l'«Internet depuis l'espace».

«Pour mettre en œuvre l'Internet à large bande par satellite, nous devons repenser pratiquement tous les aspects de la façon dont l'Internet est actuellement conçu pour fonctionner», dit Singla. Il explique qu'étant donné que les satellites volent très vite et en essaims denses, des approches plus efficaces de la conception des réseaux sont nécessaires pour l'Internet par satellite. Même les concepts de conception utilisés pour les réseaux mobiles des trains à grande vitesse, des drones et des avions ne peuvent pas être transférés facilement aux satellites.

Bhattacherjee et Singla ont maintenant mis au point un modèle mathématique qui démontre comment on pourrait améliorer fondamentalement la conception du réseau dans l'espace. Ils ont testé leur approche de conception en utilisant l'exemple de SpaceX et Amazon, mais elle peut être appliquée indépendamment de la technologie d'une entreprise particulière.

Les modèles assurent un trafic de données fluide

Le concept de conception conçu par Bhattacherjee et Singla repose entièrement sur la dynamique temporelle élevée des satellites en orbite terrestre basse. La question clé qu'ils ont d'abord posée était la suivante: comment relier des milliers de satellites entre eux pour obtenir les meilleures performances réseau possibles? La réponse n'est pas facile, car chaque satellite ne peut avoir plus de quatre connexions avec d'autres satellites.

Intuitivement, on pourrait penser que les satellites se connectent uniquement aux satellites les plus proches. Selon Bhattacherjee, cependant, cette hypothèse est trop restrictive. Les satellites pourraient bien se connecter à des satellites plus éloignés. Pour maximiser l'efficacité du transfert de données, il serait en fait plus efficace si les données utilisaient des connexions plus longues mais traversaient moins de nœuds (satellites). Après tout, le fait que des données traversent un nœud consomme également des ressources, ce qui réduit les ressources disponibles pour d'autres connexions.

Toutefois, la réduction du nombre de nœuds sur la voie afin d'accroître l'efficacité ne doit pas compromettre la longueur de la voie de bout en bout. Sinon, la latence se détériorera. En outre, il est important que les liaisons inter-satellites ne changent pas trop souvent, car l'établissement de nouvelles liaisons peut prendre des dizaines de secondes pendant lesquelles les données ne peuvent être échangées.

L'idée novatrice derrière l'approche de Bhattacherjee et Singla est que les connexions entre les satellites seraient établies sur la base de modèles spécialisés et répétitifs. La configuration la plus appropriée dépend de la géométrie de la constellation de satellites et du trafic d'entrée du réseau. Un point essentiel est que le schéma de connexion se répète sur chaque satellite du réseau, tous les satellites étant connectés exactement de la même manière, et les connexions restant stables dans le temps.

Dans le cas de SpaceX, le nouveau concept de conception augmente l'efficacité du réseau de 54 % par rapport à l'approche actuelle ; pour Kuiper (Amazon), l'augmentation d'efficacité est de 45 %. «Notre approche pourrait doubler l'efficacité de l'Internet par satellite», conclut Bhattacherjee.

Référence

Debopam B, Singla S. Conception de la topologie du réseau à 27 000 km/h. The ^15th International Conference on emerging Networking EXperiments and Technologies (CoNEXT'19), 9-12 décembre 2019, Orlando, FL, US. doi : 10.1145/3359989.3365407.