Une nouvelle conception de réseau pour "l'Internet depuis l'espace"

Une nouvelle génération de satellites à basse altitude promet un «Internet depuis l'espace», qui pourra couvrir même des régions reculées du monde. Les informaticiens de l'ETH Zurich proposent une nouvelle conception de réseau qui pourrait doubler la capacité réseau de ces systèmes.

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 comment améliorer les performances 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 à satellites utiliseraient des milliers de satellites au lieu des dizaines de satellites utilisés dans les systèmes précédents. Ces satellites pourraient ensuite être reliés les uns aux autres via la 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 Internet, car elles ne sont pas ou seulement mal connectées aux câbles à fibres optiques intercontinentaux qui alimentent Internet d'aujourd'hui.

La course à l'internet du ciel

Les capacités des satellites LEO ont déclenché une nouvelle «course spatiale» contestée, avec des poids lourds tels que SpaceX d'Elon Musk et l'Amazone de Jeff Bezos jetant leurs chapeaux dans le ring. Ces sociétés développent des constellations de satellites à grande échelle avec des milliers à des dizaines de milliers de satellites. Ceux-ci seraient en orbite autour de la Terre à des vitesses de 27 000 km / h à une hauteur 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 à large bande par satellite à partir de 2020. En plus d'une couverture mondiale, la technologie utilisée dans «l'Internet depuis l'espace» promet des taux de transfert de données élevés sans des retards importants dans la transmission des données – la latence, comme les informaticiens appellent ces retards, est nettement inférieure à celle des satellites géostationnaires traditionnels, et même à celle des lignes souterraines à fibres optiques pour les communications à longue distance.

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

Nouveau design pour les réseaux dynamiques

Les nouveaux défis de recherche posés par "Internet depuis l'espace" par rapport à "Internet au niveau du sol" sont dus au fait que les satellites sont en mouvement. Les satellites représentent des nœuds à travers lesquels les données transitent. Comme les nœuds satellitaires 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 niveau du sol" ne changent pas d'emplacement ou de position. En conséquence, l'infrastructure en grande partie statique de «l'Internet au niveau du 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 Internet est actuellement conçu pour fonctionner», explique Singla. Il explique que, comme les satellites volent très rapidement 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 dans les trains à grande vitesse, les drones et les avions ne peuvent pas être facilement transférés aux satellites.

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

Les modèles garantissent un trafic de données fluide

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

Intuitivement, on pourrait penser que les satellites ne se connectent toujours qu'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, l'acte de traverser des données à travers un nœud consomme également des ressources, réduisant ainsi les ressources disponibles pour d'autres connexions.

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

L'idée nouvelle derrière l'approche de Bhattacherjee et Singla est que les connexions entre les satellites seraient établies sur la base de modèles spécialisés et répétitifs. Le modèle le plus approprié dépend de la géométrie de la constellation de satellites et du trafic d'entrée du réseau. Un point clé est que le modèle de connexion se répète sur tous les satellites 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 de l'efficacité est de 45%. «Notre approche pourrait doubler l'efficacité d'Internet par satellite», conclut Bhattacherjee en conclusion.