Un nuovo design di rete per l'"Internet dallo spazio"
Una nuova generazione di satelliti a bassa quota promette un "Internet dallo spazio" in grado di coprire anche regioni remote del mondo. Gli informatici dell'ETH di Zurigo propongono ora un nuovo design di rete che potrebbe raddoppiare la capacità di rete di tali sistemi.
I satelliti non svolgono ancora un ruolo importante nell'infrastruttura globale di Internet. La situazione potrebbe presto cambiare. Entro i prossimi dieci anni, una nuova generazione di satelliti dovrebbe creare le condizioni per un vero e proprio "Internet dallo spazio", spiega Ankit Singla, professore al Laboratorio di progettazione e architettura di rete dell'ETH di Zurigo. Il suo team sta studiando come migliorare le prestazioni delle grandi reti di calcolo, compresa Internet.
Grazie ai progressi tecnologici nel settore spaziale, che consentono di ridurre i costi, i nuovi sistemi satellitari potrebbero dispiegare migliaia di satelliti anziché decine come i sistemi precedenti. Questi satelliti potrebbero essere collegati tra loro tramite luce laser per formare una rete. In questo modo, la copertura di questi satelliti potrebbe raggiungere regioni remote che attualmente non hanno accesso a Internet o lo hanno solo in misura limitata, perché non sono collegate, o lo sono solo in misura insufficiente, ai cavi intercontinentali in fibra ottica che attualmente forniscono Internet.
Gara per l'internet volante
Le possibilità dei satelliti in orbita bassa (LEO) hanno innescato una "corsa allo spazio" molto combattuta, alla quale partecipano aziende famose come SpaceX di Elon Musk e Amazon di Jeff Bezos. Queste aziende stanno sviluppando grandi costellazioni satellitari con migliaia di satelliti. I satelliti LEO orbitano intorno alla Terra a un'altitudine di circa 500 chilometri a 27.000 km/h (satelliti geostazionari: 35.768 km).
SpaceX ha già lanciato i suoi primi 120 satelliti e prevede di offrire un servizio internet a banda larga via satellite a partire dal 2020. Oltre alla copertura globale, la tecnologia "Internet dallo spazio" promette alte velocità di trasferimento dati senza grandi ritardi nella trasmissione dei dati - il ritardo o "latenza", come lo chiamano gli informatici, è significativamente inferiore rispetto ai satelliti tradizionali geostazionari o alla fibra ottica a terra.
"Se questi piani dovessero avere successo, si tratterebbe di un enorme balzo in avanti per l'infrastruttura Internet globale", afferma Debopam Bhattacherjee. Il dottorando Ankit Singla sta studiando come ottimizzare le reti per Internet a banda larga via satellite per garantire un'elevata larghezza di banda e un flusso di dati senza ritardi. Oggi presenterà i suoi risultati alla Conferenza internazionale sulle nuove tecnologie di rete. pagina esternaACM CoNEXT 2019 in Florida.
Un nuovo design per le reti dinamiche
Mentre i satelliti si muovono, l'"Internet dallo spazio" suscita nuove domande di ricerca. I satelliti rappresentano i nodi attraverso i quali passano i dati. I nodi satellitari cambiano costantemente la loro posizione rispetto agli altri e formano una rete altamente dinamica. Al contrario, i nodi di transito dell'"Internet a terra" non cambiano né posizione né luogo. L'infrastruttura in gran parte statica di "Internet a terra" oggi non è quindi soggetta agli stessi requisiti di "Internet dallo spazio".
"Per realizzare Internet a banda larga via satellite, dobbiamo ripensare praticamente ogni aspetto dell'attuale progettazione di Internet", afferma Ankit Singla. Poiché i satelliti volano molto velocemente e in sciami molto densi, per Internet via satellite sono necessari approcci più efficienti alla progettazione delle reti. Anche gli approcci per le reti mobili con treni ad alta velocità, droni e aerei non possono essere semplicemente trasferiti ai satelliti".
Debopam Bhattacherjee e Ankit Singla hanno sviluppato un modello matematico per migliorare radicalmente la progettazione delle reti nello spazio. Hanno testato il loro approccio con SpaceX e Amazon, ma può essere applicato indipendentemente dalla tecnologia di una determinata azienda.
Modelli per un traffico di dati fluente
La domanda chiave che Debopam Bhattacherjee e Ankit Singla si sono posti per la prima volta è stata: come si possono collegare migliaia di satelliti per ottenere le migliori prestazioni di rete possibili? La risposta non è facile, perché ogni satellite non può avere più di quattro connessioni con altri satelliti.
Intuitivamente, si potrebbe pensare che i satelliti stabiliscano una connessione solo con i satelliti più vicini. Questa ipotesi è troppo limitante, dice Bhattacherjee. I satelliti potrebbero certamente connettersi a satelliti più lontani.
Per aumentare l'efficienza della trasmissione dei dati, sarebbe addirittura più efficace se i dati utilizzassero connessioni più lunghe e attraversassero meno nodi (satelliti). Infatti, il traffico di dati che attraversa un nodo consuma risorse, riducendo quelle disponibili per altre connessioni.
Tuttavia, la riduzione del numero di nodi intermedi per aumentare l'efficienza non deve influire sulla lunghezza complessiva del percorso. In caso contrario, la latenza peggiorerebbe. Inoltre, le connessioni tra i satelliti non devono cambiare troppo spesso, poiché possono essere necessarie diverse decine di secondi per stabilire nuove connessioni e durante questo periodo non è possibile alcuno scambio di dati.
La novità dell'approccio di Bhattacherjee e Singla consiste nel costruire le connessioni tra i satelliti sulla base di speciali schemi ripetuti. Lo schema più adatto in ogni caso dipende dalla geometria della costellazione satellitare e dal traffico di dati in ingresso alla rete. Un fattore chiave è che lo schema di connessione si ripeta su ogni satellite della rete, in modo che tutti i satelliti siano collegati esattamente nello stesso modo e che le connessioni rimangano stabili nel tempo.
Rispetto agli approcci attuali, il nuovo approccio progettuale aumenta l'efficienza della rete di SpaceX del 54% e di Kuiper (Amazon) del 45%. "Il nostro approccio potrebbe raddoppiare l'efficienza di Internet via satellite", conclude Bhattacherjee.
Letteratura
Debopam B, Singla S. Progettazione della topologia di rete a 27.000 km/h. I 15th Conferenza internazionale sugli esperimenti e le tecnologie di rete emergenti (CoNEXT '19), 9-12 dicembre 2019, Orlando, USA. doi: pagina esterna10.1145/3359989.3365407.