Dr Nitinder Mohan 氏インタビュー：エッジ、衛星、そしてインターネットパフォーマンスの実態

Dr Nitinder Mohan 氏インタビュー：エッジ、衛星、インターネットパフォーマンスの実態は、BTW Media によりプロファイリングされています。公開証拠が、これをインターネットインフラ、ガバナンス、運用依存、市場可視性に結びつけているためです。

• SPEAR 研究室は、エッジコンピューティングや最新のインターネットプロトコルにおけるパフォーマンスのギャップを埋めるため、実際のシステムを構築し測定を実施しています。
• LEO 衛星ネットワークは、地上のローカルインフラや DNS/CDN の統合調整が不足している場合、コンテンツ配信に問題が生じます。
• インターネット測定により、Multipath TCP などのプロトコルの実際の展開は、ミドルボックスの非互換性により限定的であることが明らかになっています。

エッジコンピューティングと衛星接続がインターネットを再定義しようとしている中、Dr Nitinder Mohanのような研究者は、実世界のネットワークパフォーマンスを再考しています。Mohan 博士は、Université de technologie de Delft（デルフト工科大学）のDépartement de génie électrique, de mathématiques et d'informatique（電気数学情報工学科）の助教です。同博士は Systems and Protocols for Edge-Enabled Internet（SPEAR）研究室を率いており、エッジコンピューティング、次世代ネットワークプロトコル、インターネット規模の測定、クリティカルアプリケーションの展開と管理を研究しています。学術および応用システム研究の経験を活かし、Mohan 博士の研究は、今日と未来のインターネットの学術研究と運用実態のギャップを埋めるものです。

Q1. SPEAR 研究室の責任者として、特にエッジコンピューティングを中心とした主な研究分野を簡単にご紹介いただけますか？また、現在最大の課題は何だとお考えですか？

Mohan：私は Systems and Protocols for Edge-Enabled Internet 研究室、通称 SPEAR 研究室を率いています。研究室自体は比較的新しいですが、その基礎となる研究は私が博士号を取得してからずっと続けています。私たちの研究は、エッジコンピューティングシステムと大規模インターネット測定の交差点にあります。

研究室の主な動機は、従来のクラウドコンピューティングとインターネット技術の融合を理解し、対処することです。概念的にはこの融合が進行中ですが、クラウドシステムに取り組むコミュニティとインターネットインフラに焦点を当てるコミュニティの間には、依然として明確な分離が見られます。このギャップは、コンピューティングリソースがエンドユーザーに近づくにつれて、より顕著になっています。近年、計算サーバーは遠くのデータセンターだけでなく、ISP のネットワーク内、まさにエッジに展開されることが増えています。

同時に、インターネット自体も進化しています。もはやユーザーを遠隔サーバーに接続するだけのツールではありません。現在では、データがまだ転送中である間に計算を実行できるミドルボックスなどの中間要素が含まれています。この進化は、クラウドゲーミング、拡張現実、仮想現実などの新しいアプリケーションを考えるときに特に重要になります。これらのアプリケーションは非常に低いレイテンシを要求し、すべての処理が中央の場所で行われる従来のモデルに依存できません。代わりに、ユーザーのはるかに近く、あるいはネットワークパス上で計算が行われる必要があります。

この変化は明らかな課題を生み出しています。現代のアプリケーションの要件と現在のネットワークインフラの能力の間には、拡大するミスマッチが存在します。SPEAR 研究室では、この問題に取り組むために、エッジコンピューティングをサポートする実際のシステムを構築し、特にオーケストレーションに焦点を当てています。同時に、ネットワークの実際の振る舞いをよりよく理解するために、インターネット規模の測定を実施しています。トランスポートプロトコル、ISP、およびアプリケーションのパフォーマンスを大規模に調査しています。

これは基本的にサイクルです。システムを構築し、そのパフォーマンスを測定し、そこから学んだことに基づいてシステムを改善します。

Dr Nitinder Mohan, Université de technologie de Delft 助教

これらの測定結果を、設計するシステムの改善に活用しています。継続的なサイクルです。システムを構築し、インターネット上でのパフォーマンスを観察し、その情報を使って現実の環境でより効率的に動作するようにしています。

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Q2. TCP のような従来のプロトコルが現代の環境で苦労しているとおっしゃいました。LEO 衛星ネットワークの文脈で、最も重要なパフォーマンスギャップは何だとお考えですか？

Mohan：TCP の課題に取り組む前に、まず LEO 衛星インターネットが実際にどのように機能するかを説明するのが役立ちます。これらのネットワークは、従来の地上インフラを迂回するだけでより良い接続性を提供する、完全に宇宙で動作するという一般的な認識があります。衛星が展開されて地球を周回すれば、ユーザーはもはや地元の基地局や政府資金によるインフラに依存しなくなるという考えです。衛星カバレッジが十分に密であれば、人々はどこでもインターネットにアクセスできるはずだと想定します。

しかし、私たちの測定とより深い分析は、この仮定が正確ではないことを示しています。実際には、LEO 衛星ネットワークは地上に大きく依存しています。衛星は基本的に移動基地局として機能します。従来のタワーに接続する代わりに、デバイスは衛星に接続し、その後データを地上の地上局を介して地球に中継します。そこからトラフィックは POP に送られ、より広いインターネットに到達します。

このアーキテクチャは、衛星事業者が十分な地上局や POP を十分に分散して持っていない場合、全体的なネットワークパフォーマンスが低下することを意味します。Starlinkの拡大初期にこれを観察しました。多数の衛星を打ち上げていましたが、アフリカやアジアなどの地域のユーザーは依然として貧弱な接続性を経験していました。主な理由は、現地の地上インフラの不足でした。これを改善するために、Starlink はライセンス取得、新しい地上局の展開、それらの地域でのピアリング契約の確立に多額の投資を行い、レイテンシを削減し全体的なパフォーマンスを向上させる必要がありました。

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現在、より多くの LEO 事業者がこの分野に参入しています。OneWebやKuiperなどの企業も多数の衛星を打ち上げる準備をしています。これらが拡大するにつれて、様々なアプローチとパフォーマンス結果の範囲の広がりが予想されます。地上ネットワークは引き続きモバイルおよび光ファイバー接続をサポートしますが、衛星ネットワークは遠隔地やサービスが行き届いていない地域で、よりアクセスしやすく、または回復力のあるオプションとして位置づけられています。しかし舞台裏では、両方のシステムは同様のバックホールインフラに依存しています。

しかし、その動作方法はかなり異なります。衛星リンクには独自の特性があります。従来のネットワークと比較して、より頻繁なハンドオーバー、変動するレイテンシ、異なるスループットパターンが伴います。この変動性により、TCP のようなプロトコルがうまく機能することが難しくなっています。TCP はもともと安定した予測可能な接続向けに設計されているからです。

例えば、米国や欧州などの地域での Starlink のパフォーマンスを見ると、30～40 ミリ秒程度のレイテンシが確認できるかもしれません。しかし、アフリカの一部のように地上インフラがまだ整備中の地域では、レイテンシははるかに不規則になる可能性があります。これは主に、地上局の容量が限られていることと、伝送中に頻繁に衛星を切り替える必要があることに起因しています。

既存のトランスポートおよびルーティングプロトコルは、LEO 衛星ネットワークではうまく機能しません。

Dr Nitinder Mohan, Université de technologie de Delft 助教

従来のトランスポートおよびルーティングプロトコルは、これらの条件にうまく適応できません。その結果、パフォーマンスが低下します。これを克服するには、地上ネットワークと衛星ネットワークを統合するより良い方法が必要です。これらのシステムがより効果的に連携できるようにすることで初めて、異なる地域やユースケースにわたって一貫したパフォーマンスを提供するネットワークを構築できます。

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Q3. LEO 衛星ネットワークと既存のインターネット運用との統合に関する研究から、初期の知見や有望な方向性は何ですか？

Mohan：私たちが観察したことの一つは、LEO 衛星事業者がネットワークパフォーマンスを提示する方法と、それが実際にエンドツーエンドのユーザー体験にどのように影響するかの間にギャップがあることです。ほとんどの事業者は、最も近い POP までのレイテンシ数値のみを提示する傾向があります。例えば、Starlink のウェブサイトでは、様々な国で約 30 ミリ秒のレイテンシを示す美しい地図が表示されています。表面的には、ネットワークがうまく機能しているように見えます。

しかし、これらの数値は POP に到達するまでの時間のみを反映しており、ユーザーのトラフィックの実際の宛先ではありません。実際には、アプリケーションサーバーまでの完全なパスははるかに長く複雑になる可能性があります。これは、SPEAR 研究室で綿密に調査しているポイントであり、最初のホップだけでなく、エンドツーエンドのアプリケーションパフォーマンスを最適化する方法を理解しようとしています。

コンテンツ配信を例に考えてみましょう。ナイジェリアのユーザーが LEO 衛星接続を使用しているとします。事業者がその地域の地上インフラに投資していない場合、ユーザーのトラフィックは衛星間リンクを介して、ヨーロッパにある最も近い利用可能な地上局にルーティングされる可能性があります。そこから、フランクフルトのような都市で衛星ネットワークから出ます。しかし、要求されたコンテンツがナイジェリアでローカルにホストされている場合、トラフィックはその後、地上ネットワークを経由してローカルサーバーに戻ります。コンテンツが取得されると、同じ非効率なルートを逆方向にたどります。フランクフルトに戻り、衛星リンクを介してユーザーに届きます。

このプロセスは不必要な遅延を追加し、悪いユーザー体験を生み出します。また、より深い問題を浮き彫りにします。現在のインターネットインフラは、もはや衛星の文脈では当てはまらない地理的近接性とルーティングの仮定に依存しています。DNS 解決やコンテンツ配信ネットワークのようなシステムは、ユーザーの場所を特定し、それに応じてコンテンツを提供することが比較的簡単な地上環境向けに設計されています。

LEO ネットワークはこのモデルを混乱させます。ユーザーのトラフィックは、衛星が地上に接続する場所によって、まったく異なる地域から来ているように見えることがあります。これにより、コンテンツを効率的に配信したり、計算サービスを適切に配置したりすることが難しくなります。

ユーザーの位置特定が予測しにくくなるにつれて、一貫したパフォーマンスを提供するには、宇宙と地上のインフラ間のより緊密な統合が必要です。

Dr Nitinder Mohan, Université de technologie de Delft 助教

この問題を解決するには、衛星システムと地上システムのより良い統合が必要です。これには、CDN ノードやエッジコンピューティングリソースなどの地上インフラを LEO 衛星事業者にさらに公開することが含まれます。より良い調整により、ユーザー、コンテンツ、計算サービスの間でより正確なマッピングを作成でき、異なる地理的エリアでより高速で一貫性のある体験を提供するのに役立ちます。

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Q4. 大規模なインターネット測定にも取り組んでおられますが、実際のインターネットやプロトコルの振る舞いに関する一般的な仮定を、これまでの結果が覆したことはありますか？

Mohan：はい、それが私たちの測定作業の主な動機の一つです。インターネットプロトコルや技術がどのように振る舞うべきかについて多くの仮定がありますが、これらの仮定を大規模にテストすると、現実はしばしば大きく異なることが判明します。

明確な例は、最終的にHotNets 2020で発表されたエッジコンピューティングに関する初期の研究から得られました。当時、エッジコンピューティングがレイテンシをどのように削減するかについて多くの議論がありました。多くの人が、計算をユーザーの近くに置くことで自動的にはるかに高速な応答時間が得られると考えていました。これをテストするために、7 つの主要なクラウドプロバイダーに対して大規模な測定を実施しました。世界中のユーザーの接続、つまり携帯電話、Wi-Fi、光ファイバーネットワークから、最も近いデータセンターまでのマッピングを行いました。考えは、ユーザーがどのようなレイテンシを経験しているのか、そして計算を近づけることが大きな違いを生むかどうかを確認することでした。

その結果、レイテンシの大部分は、ユーザーの携帯電話や Wi-Fi 接続などのアクセスネットワークに起因していることがわかりました。トラフィックがバックホールに到達すると、クラウドデータセンターまでのレイテンシはすでにかなり低くなっていました。欧州や米国のような地域では、クラウドプロバイダーは主要な ISP と直接相互接続しているため、改善の余地はあまりありません。エッジコンピューティングの目的が単にレイテンシの削減だけであるならば、それはおそらく正しい理由ではありません。代わりに、エッジコンピューティングはアプリケーションのパフォーマンスを向上させたり、分散システムを構築したりするのに適しています。この理解は現在、より広く受け入れられています。

もう一つの例は、デバイスが Wi-Fi とモバイルデータを同時に使用できるようにするプロトコルである Multipath TCP に関する研究です。2020 年に標準化されましたが、その採用は非常に限定的であることがわかりました。インターネット上の多くのミドルボックスは、プロトコルのヘッダーを認識せず、接続をブロックしたり、誤った応答をしたりします。一部は偽の確認応答を送信することさえあり、セキュリティリスクを生み出す可能性があります。実際には、ごく少数のプロバイダーのみがそれを使用しており、展開の大部分はAppleによるものでした。Apple がそれから離れて以来、使用は減少しています。私たちはすべての測定データをmptcp.ioで公開しており、人々が採用状況がどのように変化したかを見ることができるようにしています。これは、標準化だけでは不十分であることを示しています。プロトコルが実際に使用可能であるためには、インターネット全体での互換性も必要です。