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Diseño de network para internet desde el espacio

Una nueva generación de satélites de bajo vuelo promete un «internet desde el espacio», que podrá cubrir incluso regiones remotas de todo el mundo. Los científicos informáticos de ETH Zurich están proponiendo un diseño de red novedoso que podría duplicar la capacidad de red de dichos sistemas.

Los satélites aún no juegan un papel importante en la infraestructura de Internet en el mundo. Sin embargo, esto pronto se puede configurar para cambiar. En la próxima década, una nueva generación de satélites podría sentar las bases para un «internet desde el espacio», cree Ankit Singla, profesor del Laboratorio de Arquitectura y Diseño de Redes de ETH Zurich. Su equipo está investigando cómo mejorar el rendimiento de las redes informáticas a gran escala, incluida Internet.

(Video: ETH Zurich / Bhattacherjee, D y Singla, A)

Aprovechando los avances en tecnologías de reducción de costos en el sector espacial, los nuevos sistemas de satélites utilizarían miles de satélites en lugar de las decenas de utilizados en sistemas anteriores. Estos satélites podrían conectarse entre sí mediante luz láser para formar una red. La cobertura proporcionada por estos satélites llegaría a regiones remotas que actualmente tienen un acceso muy limitado a Internet, o no tienen, ya que no están, o lo están mal, conectados a los cables de fibra óptica intercontinentales que alimentan Internet.

La carrera por internet en el espacio

Las capacidades de los satélites LEO han desencadenado una nueva y disputada «carrera espacial», con pesos pesados ​​como SpaceX de Elon Musk y Amazon de Jeff Bezos anunciando que entrarán en esa competición. Estas compañías están desarrollando constelaciones satelitales a gran escala con miles a decenas de miles de satélites. Estos orbitarían la Tierra a velocidades de 27,000 km/h a una altura de alrededor de 500 km (satélites geoestacionarios: 35,768 km).

Internet desde el espacio
Despega de un cohete SpaceX que transporta 60 satélites. (Foto: AP Photo / John Raoux)

SpaceX, por ejemplo, ya lanzó sus primeros 120 satélites y planea ofrecer un servicio de Internet de banda ancha satelital a partir de 2020. Además de la cobertura global, la tecnología utilizada en el «Internet desde el espacio» promete altas tasas de transferencia de datos sin retrasos importantes en su transmisión: la latencia, como los informáticos llaman a estos retrasos, es significativamente menor que la de los satélites geoestacionarios tradicionales, e, incluso, la de las líneas subterráneas de fibra óptica para la comunicación a larga distancia.

«Si estos planes tienen éxito, sería un gran salto adelante en la infraestructura de Internet en el mundo«, dice Debopam Bhattacherjee.

El candidato a doctorado que, trabaja con Singla, está investigando el diseño óptimo de redes para Internet de banda ancha satelital con el fin de garantizar un flujo de datos sin demoras y de gran ancho de banda. Presentó sus resultados en Florida en ACM CoNEXT en 2019, la Conferencia Internacional sobre Experiencias y Tecnologías de Redes emergentes.

Nuevo diseño para redes dinámicas

Los nuevos desafíos para la investigación que surgen del «internet desde el espacio» en comparación con el «internet a nivel del suelo» se deben al hecho de que los satélites están en movimiento. Los satélites representan nodos a través de los cuales viajan los datos. A medida que los nodos basados ​​en satélites cambian constantemente su posición en relación entre sí, forman una red altamente dinámica. Por el contrario, los nodos de tránsito que pertenecen a «internet a nivel del suelo» no cambian su ubicación o posición. Como resultado, la infraestructura en gran medida estática del «internet a nivel del suelo» no cumple los mismos requisitos que los de «internet desde el espacio».

«Para implementar Internet de banda ancha por satélite, tenemos que repensar virtualmente todos los aspectos de la forma en que Internet está actualmente diseñado para funcionar«, dice Singla.

Explica que a medida que los satélites vuelan muy rápido y en densos enjambres, se requieren enfoques más eficientes para el diseño de redes para el internet satelital. Incluso los conceptos de diseño utilizados para redes móviles en trenes de alta velocidad, drones y aviones no pueden transferirse fácilmente a los satélites.

Bhattacherjee y Singla han desarrollado un modelo matemático que demuestra cómo se puede mejorar fundamentalmente el diseño de la red en el espacio. Han probado su enfoque de diseño utilizando el ejemplo de SpaceX y Amazon, pero se puede aplicar independientemente de la tecnología de una empresa en particular.

Los patrones de red aseguran un tráfico de datos fluido

El concepto de diseño ideado por Bhattacherjee y Singla se basa completamente en la alta dinámica temporal de los satélites de órbita terrestre baja. La pregunta clave que hicieron primero fue: ¿cómo se pueden vincular miles de satélites para lograr el mejor rendimiento de red posible? La respuesta no es fácil, ya que cada satélite no puede tener más de cuatro conexiones a otros satélites.

Intuitivamente, uno podría pensar que los satélites siempre se conectan solo a otros más cercanos. Según Bhattacherjee, sin embargo, esta suposición es demasiado restrictiva. Los satélites podrían conectarse a satélites que están más distantes. Para maximizar la eficiencia de transferencia de datos, en realidad, sería más eficiente si los datos usaran conexiones más largas, pero cruzaran menos nodos (satélites). Después de todo, el acto de cruzar datos a través de un nodo también consume recursos, reduciendo así los recursos disponibles para otras conexiones.

Sin embargo, reducir el número de nodos en ruta para aumentar la eficiencia no debe comprometer la longitud de la ruta de extremo a extremo. De lo contrario, esto deteriorará la latencia. Además, es importante que las conexiones entre satélites no cambien con demasiada frecuencia, ya que establecer nuevas conexiones puede llevar decenas de segundos durante los cuales no se pueden intercambiar datos.

La idea novedosa detrás del enfoque de Bhattacherjee y Singla es que las conexiones entre los satélites se construirían en base a patrones especializados y repetitivos.

El patrón más adecuado depende de la geometría de la constelación de satélites y del tráfico de entrada de la red. Un punto clave es que el patrón de conexión se repite en cada satélite de la red, con todos los satélites conectados exactamente de la misma manera y con las conexiones permaneciendo estables en el tiempo.

En el caso de SpaceX, el nuevo concepto de diseño aumenta la eficiencia de la red en un 54% en comparación con el enfoque actual. Para Kuiper (Amazon), el aumento de la eficiencia es del 45%. «Nuestro enfoque podría duplicar la eficiencia de Internet por satélite«, dice Bhattacherjee en conclusión.

Más información: Debopam Bhattacherjee et al. Network topology design at 27,000 km/hour, Proceedings of the 15th International Conference on Emerging Networking Experiments And Technologies – CoNEXT ’19 (2019). DOI: 10.1145/3359989.3365407

Fuente: ETHZ