Interview mit Dr Nitinder Mohan: Edge, Satelliten und die Realität der Internetleistung

Das Interview mit Dr Nitinder Mohan: Edge, Satelliten und die Realität hinter der Internetleistung wird von BTW Media profiliert, weil veröffentlichte Beweise es mit Internetinfrastruktur, Governance, operativen Abhängigkeiten oder Marktsichtbarkeit in Verbindung bringen.

• Das SPEAR-Labor baut reale Systeme und führt Messungen durch, um Leistungslücken im Edge Computing und bei modernen Internetprotokollen zu schließen.
• LEO-Satellitennetzwerke leiden unter schlechter Content-Verteilung, wenn ihnen lokale terrestrische Infrastruktur und integrierte DNS/CDN-Koordination fehlen.
• Internet-Messungen zeigen, dass die tatsächliche Bereitstellung von Protokollen wie Multipath TCP aufgrund von Inkompatibilitäten von Middleboxes begrenzt bleibt.

Während Edge Computing und Satellitenkonnektivität das Internet neu definieren, denken Forscher wieDr Nitinder Mohandie Netzwerkleistung in der realen Welt neu. Dr Mohan ist außerordentlicher Professor amDépartement de génie électrique, de mathématiques et d'informatiquederUniversité de technologie de Delft. Er leitet das Labor Systems and Protocols for Edge-Enabled Internet (SPEAR), wo sich seine Forschung auf Edge Computing, Netzwerkprotokolle der nächsten Generation, Internet-weite Messungen sowie die Bereitstellung und Verwaltung kritischer Anwendungen konzentriert. Mit Erfahrung in akademischer und angewandter Systemforschung schließt Dr Mohans Arbeit die Lücke zwischen universitärer Forschung und den betrieblichen Realitäten des heutigen und zukünftigen Internets.

Q1. Als Leiter des SPEAR-Labors, könnten Sie kurz seine Hauptinteressensgebiete vorstellen, insbesondere im Edge Computing? Was ist Ihrer Meinung nach die größte aktuelle Herausforderung?

Mohan:Ich leite das Labor Systems and Protocols for Edge-Enabled Internet, oder SPEAR-Labor. Obwohl das Labor selbst relativ neu ist, wird die zugrunde liegende Forschung bereits seit meiner Promotion betrieben. Unsere Arbeit liegt an der Schnittstelle von Edge-Computing-Systemen und Internet-weiten Messungen.

Die Hauptmotivation des Labors ist es, die aufkommende Konvergenz von traditionellem Cloud Computing und Internet-Technologien zu verstehen und zu adressieren. Obwohl diese Konvergenz konzeptionell im Gange ist, beobachten wir immer noch eine deutliche Trennung zwischen den Communities, die an Cloud-Systemen arbeiten, und denen, die sich auf die Internet-Infrastruktur konzentrieren. Diese Kluft wird deutlicher, je näher die Rechenressourcen an die Endnutzer rücken. In den letzten Jahren befinden sich Rechensysteme nicht mehr nur in entfernten Rechenzentren.

Sie werden zunehmend innerhalb der Netze von Internetdienstanbietern direkt am Rand eingesetzt.

Gleichzeitig entwickelt sich das Internet selbst weiter. Es ist nicht mehr nur ein Werkzeug, um Benutzer mit entfernten Servern zu verbinden. Es umfasst jetzt Zwischenelemente wie Middleboxes, die Berechnungen durchführen können, während die Daten noch in Transit sind. Diese Entwicklung wird besonders wichtig, wenn man an neue Anwendungen wie Cloud-Gaming, Augmented Reality und Virtual Reality denkt. Diese Anwendungen erfordern extrem niedrige Latenzzeiten und können sich nicht mehr auf traditionelle Modelle verlassen, bei denen die gesamte Verarbeitung an einem zentralen Ort stattfindet.

Stattdessen müssen die Berechnungen viel näher am Benutzer oder sogar entlang des Netzwerkpfads selbst erfolgen.

Diese Veränderung schafft eine offensichtliche Herausforderung. Es gibt eine wachsende Diskrepanz zwischen den Anforderungen moderner Anwendungen und den Fähigkeiten der aktuellen Netzwerkinfrastruktur. Im SPEAR-Labor gehen wir dieses Problem an, indem wir reale Systeme bauen, die Edge Computing unterstützen, mit besonderem Fokus auf Orchestrierung. Gleichzeitig führen wir Internet-weite Messungen durch, um das Netzwerkverhalten in der Praxis besser zu verstehen. Wir untersuchen die Leistung von Transportprotokollen, ISPs und Anwendungen in großem Maßstab.

Es ist im Wesentlichen ein Kreislauf: Wir bauen Systeme, messen ihre Leistung und verbessern diese Systeme dann basierend auf dem, was wir lernen.

Dr Nitinder Mohan, außerordentlicher Professor an der Université de technologie de Delft

Wir nutzen die Ergebnisse dieser Messungen, um die von uns entwickelten Systeme zu verbessern. Es ist ein kontinuierlicher Kreislauf. Wir bauen Systeme, beobachten ihre Leistung im Internet und nutzen diese Informationen, um sie in realen Umgebungen effizienter zu machen.

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Q2. Sie haben erwähnt, dass traditionelle Protokolle wie TCP in modernen Umgebungen auf Schwierigkeiten stoßen. Im Kontext von LEO-Satellitennetzwerken, welche Leistungslücken sind Ihrer Meinung nach am kritischsten?

Mohan:Bevor wir auf die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Transmission Control Protocol (TCP) eingehen, ist es hilfreich, zunächst zu erklären, wie das Internet über LEO-Satelliten tatsächlich funktioniert. Es gibt eine verbreitete Wahrnehmung, dass diese Netzwerke vollständig im Weltraum arbeiten und eine bessere Konnektivität bieten, indem sie einfach die traditionelle terrestrische Infrastruktur umgehen. Die Idee ist, dass die Nutzer, sobald die Satelliten eingesetzt sind und die Erde umkreisen, nicht mehr von lokalen Basisstationen oder staatlich finanzierter Infrastruktur abhängig sind. Wenn die Satellitenabdeckung dicht genug ist, nehmen die Leute an, dass sie überall auf das Internet zugreifen können sollten.

Unsere Messungen und eine genauere Analyse zeigen jedoch, dass diese Annahme nicht zutrifft. In Wirklichkeit bleiben LEO-Satellitennetzwerke stark vom Boden abhängig. Die Satelliten fungieren im Wesentlichen als mobile Basisstationen. Anstatt sich mit einem traditionellen Turm zu verbinden, verbindet sich Ihr Gerät mit einem Satelliten, der die Daten dann über Bodenstationen zur Erde weiterleitet. Von dort geht der Datenverkehr zu einem Präsenzpunkt, bevor er das breitere Internet erreicht.

Diese Architektur bedeutet, dass die Gesamtleistung des Netzwerks schlecht sein wird, wenn ein Satellitenbetreiber nicht über ausreichend Bodenstationen oder gut verteilte Präsenzpunkte verfügt. Wir haben dies zu Beginn der Expansion vonStarlinkbeobachtet. Obwohl sie eine große Anzahl von Satelliten gestartet hatten, hatten Nutzer in Regionen wie Afrika und Asien weiterhin eine schlechte Konnektivität. Der Hauptgrund war der Mangel an lokaler terrestrischer Infrastruktur. Um dies zu verbessern, musste Starlink erheblich in die Einholung von Lizenzen, den Aufbau neuer Bodenstationen und den Abschluss von Peering-Vereinbarungen in diesen Regionen investieren, um die Latenz zu reduzieren und die Gesamtleistung zu verbessern.

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Wir sehen jetzt, dass mehr LEO-Betreiber in den Markt eintreten. Unternehmen wieOneWebundKuiperbereiten sich ebenfalls darauf vor, viele Satelliten zu starten. Mit ihrer Expansion erwarten wir eine breite Palette unterschiedlicher Ansätze und Leistungsergebnisse. Während terrestrische Netzwerke weiterhin mobile und Glasfaserkonnektivität unterstützen, positionieren sich Satellitennetzwerke als zugänglichere oder widerstandsfähigere Option in abgelegenen oder unterversorgten Gebieten. Hinter den Kulissen stützen sich beide Systeme jedoch auf eine ähnliche Backhaul-Infrastruktur.

Ihre Funktionsweise ist jedoch recht unterschiedlich. Satellitenverbindungen haben ihre eigenen Merkmale. Sie beinhalten häufigere Übergaben, variable Latenzen und unterschiedliche Durchsatzmuster im Vergleich zu traditionellen Netzwerken. Diese Variabilität macht es für Protokolle wie TCP schwierig, gut zu funktionieren, da TCP ursprünglich für stabile und vorhersagbare Verbindungen entwickelt wurde.

Wenn Sie sich beispielsweise die Leistung von Starlink in Regionen wie den USA oder Europa ansehen, sehen Sie möglicherweise Latenzen im Bereich von 30 bis 40 Millisekunden. Aber in Regionen, in denen die terrestrische Infrastruktur noch im Aufbau ist, wie in Teilen Afrikas, kann die Latenz viel unregelmäßiger sein. Dies liegt zu einem großen Teil an der begrenzten Kapazität der Bodenstationen und der Notwendigkeit, während der Übertragung häufig zwischen Satelliten umzuschalten.

Die bestehenden Transport- und Routingprotokolle funktionieren in LEO-Satellitennetzwerken einfach nicht gut.

Dr Nitinder Mohan, außerordentlicher Professor an der Université de technologie de Delft

Traditionelle Transport- und Routingprotokolle passen sich diesen Bedingungen nicht gut an. Folglich leidet die Leistung. Um dies zu überwinden, brauchen wir bessere Methoden zur Integration terrestrischer und satellitengestützter Netzwerke. Nur wenn wir diesen Systemen eine effektivere Zusammenarbeit ermöglichen, können wir ein Netzwerk aufbauen, das in verschiedenen Regionen und Anwendungsfällen konsistente Leistung bietet.

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Q3. Was sind die ersten Ergebnisse oder vielversprechenden Richtungen Ihrer Forschung zur Integration von LEO-Satellitennetzwerken in bestehende Internet-Operationen?

Mohan:Eine Sache, die wir beobachtet haben, ist, dass es eine Diskrepanz gibt zwischen der Art und Weise, wie LEO-Satellitenbetreiber die Leistung ihres Netzwerks darstellen, und der tatsächlichen Auswirkung auf die Ende-zu-Ende-Benutzererfahrung. Die meisten Betreiber neigen dazu, Latenzzahlen nur bis zum nächsten Präsenzpunkt anzugeben. Auf der Website von Starlink sehen Sie beispielsweise hübsch illustrierte Karten, die Latenzen von etwa 30 Millisekunden in verschiedenen Ländern zeigen. Oberflächlich betrachtet scheint das Netzwerk gut zu funktionieren.

Diese Zahlen spiegeln jedoch nur die Zeit wider, die benötigt wird, um den Präsenzpunkt zu erreichen, nicht das eigentliche Ziel des Benutzerverkehrs. In der Praxis kann der vollständige Weg zum Anwendungsserver viel länger und komplexer sein. Dies ist ein Punkt, den wir im SPEAR-Labor genau untersuchen, wo wir verstehen wollen, wie man die Ende-zu-Ende-Anwendungsleistung optimieren kann, nicht nur den ersten Hop.

Nehmen Sie die Content-Verteilung als Beispiel. Stellen Sie sich einen Benutzer in Nigeria vor, der eine LEO-Satellitenverbindung nutzt. Wenn der Betreiber nicht in die terrestrische Infrastruktur in dieser Region investiert hat, kann der Benutzerverkehr über Intersatellitenverbindungen zur nächstgelegenen verfügbaren Bodenstation geleitet werden, die sich in Europa befinden könnte. Von dort verlässt er das Satellitennetzwerk in einer Stadt wie Frankfurt. Wenn der angeforderte Inhalt jedoch lokal in Nigeria gehostet wird, geht der Verkehr dann über terrestrische Netzwerke zurück, um den lokalen Server zu erreichen.

Sobald der Inhalt abgerufen ist, nimmt er denselben ineffizienten Weg in umgekehrter Richtung – zurück nach Frankfurt und dann über die Satellitenverbindung zum Benutzer.

Dieser Prozess fügt unnötige Verzögerungen hinzu und erzeugt eine schlechte Benutzererfahrung. Er verdeutlicht auch ein tieferes Problem. Unsere aktuelle Internet-Infrastruktur basiert auf Annahmen über geografische Nähe und Routing, die in Satellitenkontexten nicht mehr gelten. Systeme wie die DNS-Auflösung und Content Delivery Networks sind für terrestrische Umgebungen konzipiert, in denen es relativ einfach ist, den Standort eines Benutzers zu bestimmen und Inhalte entsprechend auszuliefern.

LEO-Netzwerke stören dieses Modell. Der Datenverkehr eines Benutzers kann scheinbar aus einer völlig anderen Region stammen, je nachdem, wo der Satellit mit dem Boden verbunden ist. Dies erschwert die effiziente Verteilung von Inhalten oder die angemessene Platzierung von Rechendiensten.

Da die Standortbestimmung der Benutzer weniger vorhersagbar wird, erfordert die Bereitstellung konsistenter Leistung eine engere Integration zwischen der Weltraum- und der Bodeninfrastruktur.

Dr Nitinder Mohan, außerordentlicher Professor an der Université de technologie de Delft

Um dieses Problem zu lösen, brauchen wir eine bessere Integration zwischen Satelliten- und Boden Systemen. Dies beinhaltet, die terrestrische Infrastruktur – wie CDN-Knoten und Edge-Computing-Ressourcen – für LEO-Satellitenbetreiber stärker zugänglich zu machen. Mit einer besseren Koordination können wir genauere Zuordnungen zwischen Benutzern, Inhalten und Rechendiensten erstellen, was dazu beiträgt, schnellere und konsistentere Erfahrungen in verschiedenen geografischen Gebieten zu bieten.

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Q4. Sie arbeiten auch an Internet-weiten Messungen. Haben Ihre Ergebnisse bereits gängige Annahmen über das Verhalten des Internets oder seiner Protokolle in der Praxis widerlegt?

Mohan:Ja, und das ist eine der Hauptmotivationen für unsere Messarbeit. Es gibt viele Annahmen darüber, wie Internetprotokolle oder -technologien sich verhalten sollten, aber wenn wir diese Annahmen in großem Maßstab testen, stellt sich die Realität oft als ganz anders heraus.

Ein klares Beispiel stammt aus unseren frühen Arbeiten zum Edge Computing, die schließlich auf derHotNets 2020veröffentlicht wurden. Damals wurde viel darüber gesprochen, wie Edge Computing die Latenz reduzieren würde. Viele glaubten, dass die Platzierung von Rechenleistung näher am Benutzer automatisch zu viel schnelleren Antwortzeiten führen würde. Um dies zu testen, führten wir groß angelegte Messungen bei sieben großen Cloud-Anbietern durch. Wir kartierten die Verbindungen von Benutzern weltweit über Mobilfunk-, WLAN- und Glasfasernetze bis zu ihren nächsten Rechenzentren. Die Idee war, zu sehen, welche Art von Latenz die Benutzer erfahren und ob die Verlagerung der Rechenleistung einen signifikanten Unterschied machen würde.

Was wir feststellten, war, dass der Großteil der Latenz vom Zugangsnetz kam, wie der Mobilfunk- oder WLAN-Verbindung des Benutzers. Sobald der Datenverkehr den Backhaul erreichte, war die Latenz zu den Cloud-Rechenzentren bereits ziemlich gering. In Regionen wie Europa und den USA verbinden sich Cloud-Anbieter direkt mit großen ISPs, daher gibt es nicht viel Raum für Verbesserungen. Wenn Ihr Ziel mit Edge Computing nur die Reduzierung der Latenz ist, ist das wahrscheinlich nicht der richtige Grund. Stattdessen eignet sich Edge Computing besser zur Verbesserung der Anwendungsleistung oder zum Aufbau verteilter Systeme.

Dieses Verständnis ist heute breiter akzeptiert.

Ein weiteres Beispiel ist unsere Arbeit zu Multipath TCP, einem Protokoll, das es Geräten ermöglicht, WLAN und mobile Daten gleichzeitig zu nutzen. Es wurde 2020 standardisiert, aber wir stellten fest, dass die Akzeptanz sehr begrenzt war. Viele Middleboxes im Internet erkennen die Protokollheader nicht und blockieren Verbindungen oder antworten falsch. Einige senden sogar gefälschte Bestätigungen, was Sicherheitsrisiken schaffen kann. In der Praxis nutzten es nur wenige Anbieter, und der Großteil der Bereitstellung stammte vonApple. Seit Apple sich davon abgewandt hat, ist die Nutzung zurückgegangen. Wir haben all unsere Messdaten aufmptcp.iooffengelegt, damit die Leute sehen können, wie sich die Akzeptanz entwickelt hat. Dies zeigt, dass Standardisierung allein nicht ausreicht. Ein Protokoll benötigt auch Kompatibilität im gesamten Internet, um in der Praxis nutzbar zu sein.