- O laboratório SPEAR constrói sistemas reais e realiza medições para preencher as lacunas de desempenho na computação de borda e nos protocolos modernos da Internet.
- As redes de satélite LEO sofrem com má distribuição de conteúdo quando carecem de infraestrutura terrestre local e coordenação integrada DNS/CDN.
- Medições da Internet revelam que a implantação real de protocolos como Multipath TCP permanece limitada devido à incompatibilidade de middleboxes.
À medida que a computação de borda e a conectividade por satélite redefinem a Internet, pesquisadores comoDr Nitinder Mohanrepensam o desempenho das redes no mundo real. Dr Mohan é professor adjunto noDepartamento de Engenharia Elétrica, Matemática e Ciência da ComputaçãodaUniversidade de Tecnologia de Delft. Ele lidera o laboratório Systems and Protocols for Edge-Enabled Internet (SPEAR), onde suas pesquisas focam em computação de borda, protocolos de rede de próxima geração, medições em escala da Internet e implantação e gerenciamento de aplicações críticas. Com experiência em pesquisa acadêmica e aplicada em sistemas, o trabalho do Dr Mohan preenche a lacuna entre a pesquisa universitária e as realidades operacionais da Internet de hoje e de amanhã.
Q1. Como responsável pelo laboratório SPEAR, você poderia apresentar brevemente suas principais áreas de interesse, especialmente em computação de borda? Na sua opinião, qual é o maior desafio atual?
Mohan:Eu lidero o laboratório Systems and Protocols for Edge-Enabled Internet, ou laboratório SPEAR. Embora o laboratório em si seja relativamente novo, a pesquisa subjacente está em andamento desde que concluí meu doutorado. Nosso trabalho está na interseção de sistemas de computação de borda e medições em grande escala da Internet.
A principal motivação do laboratório é entender e abordar a convergência emergente entre a computação em nuvem tradicional e as tecnologias da Internet. Embora essa convergência esteja ocorrendo conceitualmente, ainda observamos uma separação nítida entre as comunidades que trabalham em sistemas em nuvem e aquelas focadas na infraestrutura da Internet. Essa lacuna se torna mais evidente à medida que os recursos computacionais se aproximam dos usuários finais. Nos últimos anos, os servidores de computação não estão mais apenas em data centers remotos. Eles estão cada vez mais implantados dentro das redes dos ISPs, diretamente na borda.
Paralelamente, a própria Internet está evoluindo. Não é mais apenas uma ferramenta para conectar usuários a servidores remotos. Agora inclui elementos intermediários, como middleboxes, que podem realizar computação enquanto os dados ainda estão em trânsito. Essa evolução se torna particularmente importante quando pensamos em novas aplicações como cloud gaming, realidade aumentada e realidade virtual. Essas aplicações exigem latência extremamente baixa e não podem mais depender dos modelos tradicionais onde todo o processamento ocorre em um local central.
Pelo contrário, elas exigem que a computação seja feita muito mais perto do usuário, ou até mesmo ao longo do caminho da rede.
Essa mudança cria um desafio evidente. Há um descompasso crescente entre as exigências das aplicações modernas e as capacidades da infraestrutura de rede atual. No laboratório SPEAR, abordamos esse problema construindo sistemas reais que suportam computação de borda, com foco particular em orquestração. Paralelamente, realizamos medições em escala da Internet para entender melhor o comportamento da rede na prática. Estudamos o desempenho de protocolos de transporte, ISPs e aplicações em grande escala.
É essencialmente um ciclo: construímos sistemas, medimos seu desempenho e depois melhoramos esses sistemas com base no que aprendemos.
Dr Nitinder Mohan, professor adjunto da Universidade de Tecnologia de Delft
Usamos os resultados dessas medições para melhorar os sistemas que projetamos. É um ciclo contínuo. Construímos sistemas, observamos seu desempenho na Internet e usamos essas informações para torná-los mais eficientes em ambientes reais.
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Q2. Você mencionou que protocolos tradicionais como o TCP enfrentam dificuldades em ambientes modernos. No contexto das redes de satélite LEO, quais são, na sua opinião, as lacunas de desempenho mais críticas?
Mohan:Antes de abordar os desafios relacionados ao Protocolo de Controle de Transmissão (TCP), é útil explicar primeiro como a Internet via satélite LEO realmente funciona. Existe uma percepção comum de que essas redes operam inteiramente no espaço, oferecendo melhor conectividade simplesmente contornando a infraestrutura terrestre tradicional. A ideia é que, uma vez que os satélites são implantados e em órbita ao redor da Terra, os usuários não dependem mais de estações base locais ou infraestrutura financiada pelos governos. Se a cobertura por satélite for suficientemente densa, as pessoas supõem que deveriam poder acessar a Internet em qualquer lugar.
No entanto, nossas medições e uma análise mais aprofundada mostram que essa suposição não é precisa. Na realidade, as redes de satélite LEO continuam muito dependentes do solo. Os satélites funcionam essencialmente como estações base móveis. Em vez de se conectar a uma torre tradicional, seu dispositivo se conecta a um satélite, que então retransmite os dados para a Terra através de estações terrestres. De lá, o tráfego segue para um ponto de presença antes de alcançar a Internet mais ampla.
Essa arquitetura significa que, se um operador de satélites não tiver estações terrestres ou pontos de presença bem distribuídos, o desempenho geral da rede será ruim. Observamos isso no início da expansão daStarlink. Mesmo que eles tivessem lançado um grande número de satélites, usuários em regiões como África e Ásia continuaram a ter conectividade ruim. A principal razão era a falta de infraestrutura terrestre local. Para melhorar isso, a Starlink teve que investir significativamente na obtenção de licenças, implantação de novas estações terrestres e estabelecimento de acordos de peering nessas regiões para reduzir a latência e melhorar o desempenho geral.
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Agora vemos mais operadores LEO entrando no setor. Empresas comoOneWebeKuipertambém estão se preparando para lançar muitos satélites. À medida que se expandem, esperamos ver uma ampla gama de abordagens e resultados de desempenho diferentes. Enquanto as redes terrestres continuam a suportar conectividade móvel e por fibra, as redes de satélite se posicionam como uma opção mais acessível ou resiliente em áreas remotas ou mal atendidas. Nos bastidores, no entanto, ambos os sistemas dependem de infraestrutura de backhaul semelhante.
Seu modo de operação é, no entanto, bastante diferente. Os links de satélite têm suas próprias características. Eles envolvem handovers mais frequentes, latência variável e padrões de throughput diferentes em comparação com redes tradicionais. Essa variabilidade torna difícil para protocolos como o TCP funcionarem bem, pois o TCP foi originalmente projetado para conexões estáveis e previsíveis.
Por exemplo, se você observar o desempenho da Starlink em regiões como Estados Unidos ou Europa, pode ver uma latência da ordem de 30 a 40 milissegundos. Mas em regiões onde a infraestrutura terrestre ainda está em desenvolvimento, como algumas partes da África, a latência pode ser muito mais irregular. Isso se deve em grande parte à capacidade limitada das estações terrestres e à necessidade de alternar frequentemente entre satélites durante a transmissão.
Os protocolos de transporte e roteamento existentes simplesmente não funcionam bem em redes de satélite LEO.
Dr Nitinder Mohan, professor adjunto da Universidade de Tecnologia de Delft
Os protocolos de transporte e roteamento tradicionais não se adaptam bem a essas condições. Consequentemente, o desempenho sofre. Para superar isso, precisamos de melhores métodos de integração das redes terrestres e de satélite. Somente permitindo que esses sistemas cooperem mais efetivamente poderemos construir uma rede que ofereça desempenho consistente em diferentes regiões e casos de uso.
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Q3. Quais são as primeiras conclusões ou direções promissoras de suas pesquisas sobre a integração das redes de satélite LEO com as operações existentes da Internet?
Mohan:Uma coisa que observamos é que há um descompasso entre a forma como os operadores de satélite LEO apresentam o desempenho de sua rede e como isso realmente afeta a experiência do usuário de ponta a ponta. A maioria dos operadores tende a apresentar apenas os números de latência até o ponto de presença mais próximo. Por exemplo, no site da Starlink, você verá mapas bem ilustrados mostrando latências de cerca de 30 milissegundos em vários países. Aparentemente, parece que a rede está funcionando bem.
No entanto, esses números refletem apenas o tempo necessário para alcançar o ponto de presença, e não o destino real do tráfego do usuário. Na prática, o caminho completo até o servidor de aplicação pode ser muito mais longo e complexo. Este é um ponto que estudamos de perto no laboratório SPEAR, onde buscamos entender como otimizar o desempenho das aplicações de ponta a ponta, e não apenas o primeiro salto.
Tome a distribuição de conteúdo como exemplo. Imagine um usuário na Nigéria usando uma conexão de satélite LEO. Se o operador não investiu em infraestrutura terrestre naquela região, o tráfego do usuário pode ser roteado via links intersatélites para a estação terrestre disponível mais próxima, que pode estar na Europa. De lá, ele sai da rede de satélite em uma cidade como Frankfurt. Mas se o conteúdo solicitado está hospedado localmente na Nigéria, o tráfego então retorna pelas redes terrestres para alcançar o servidor local.
Uma vez que o conteúdo é recuperado, ele percorre a mesma rota ineficiente no sentido inverso — de volta para Frankfurt, depois via link de satélite até o usuário.
Esse processo adiciona atrasos desnecessários e cria uma má experiência do usuário. Também destaca um problema mais profundo. Nossa infraestrutura atual da Internet depende de suposições de proximidade geográfica e roteamento que não se aplicam mais em contextos de satélite. Sistemas como resolução de DNS e redes de distribuição de conteúdo são projetados para ambientes terrestres, onde é relativamente simples determinar onde um usuário está e servir o conteúdo de acordo.
As redes LEO perturbam esse modelo. O tráfego de um usuário pode parecer originar-se de uma região completamente diferente, dependendo de onde o satélite se conecta ao solo. Isso torna difícil distribuir conteúdo de forma eficiente ou posicionar adequadamente os serviços de computação.
À medida que a localização dos usuários se torna menos previsível, fornecer desempenho consistente requer uma integração mais próxima entre a infraestrutura espacial e terrestre.
Dr Nitinder Mohan, professor adjunto da Universidade de Tecnologia de Delft
Para resolver esse problema, precisamos de melhor integração entre os sistemas de satélite e terrestres. Isso envolve expor mais a infraestrutura terrestre — como nós CDN e recursos de computação de borda — aos operadores de satélite LEO. Com melhor coordenação, podemos criar mapeamentos mais precisos entre usuários, conteúdo e serviços de computação, o que ajudará a oferecer experiências mais rápidas e consistentes em diferentes áreas geográficas.
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Q4. Você também trabalha com medições da Internet em grande escala. Seus resultados já contradisseram suposições comuns sobre o comportamento da Internet ou de seus protocolos na prática?
Mohan:Sim, e essa é uma das principais motivações do nosso trabalho de medição. Existem muitas suposições sobre como os protocolos ou tecnologias da Internet deveriam se comportar, mas quando testamos essas suposições em grande escala, a realidade muitas vezes se mostra muito diferente.
Um exemplo claro veio do nosso trabalho inicial em computação de borda, que foi publicado noHotNets 2020. Na época, falava-se muito sobre como a computação de borda reduziria a latência. Muitos acreditavam que colocar a computação mais perto do usuário levaria automaticamente a tempos de resposta muito mais rápidos. Para testar isso, realizamos medições em grande escala de sete grandes provedores de nuvem. Mapeamos as conexões de usuários ao redor do mundo, em redes celulares, Wi-Fi e fibra, até seus data centers mais próximos. A ideia era ver que tipo de latência os usuários experimentavam e se aproximar a computação faria uma diferença significativa.
O que descobrimos é que a maior parte da latência vinha da rede de acesso, como a conexão celular ou Wi-Fi do usuário. Uma vez que o tráfego alcançava o backhaul, a latência para os data centers em nuvem já era bastante baixa. Em regiões como Europa e Estados Unidos, os provedores de nuvem se interconectam diretamente com os grandes ISPs, então não há muita margem para melhoria. Se o seu objetivo com a computação de borda é apenas reduzir a latência, provavelmente não é a razão certa. Em vez disso, a computação de borda é mais adequada para melhorar o desempenho de aplicações ou construir sistemas distribuídos.
Esse entendimento agora é mais amplamente aceito.
Outro exemplo é o nosso trabalho com Multipath TCP, um protocolo que permite que dispositivos usem Wi-Fi e dados móveis ao mesmo tempo. Ele foi padronizado em 2020, mas descobrimos que sua adoção era muito limitada. Muitos middleboxes na Internet não reconhecem os cabeçalhos do protocolo e bloqueiam as conexões ou respondem incorretamente. Alguns até enviam confirmações de recebimento falsas, o que pode criar riscos de segurança. Na prática, apenas um pequeno número de provedores o utilizava, e a maior parte da implantação vinha daApple. Desde que a Apple se afastou dele, o uso diminuiu. Disponibilizamos todos os nossos dados de medição emmptcp.iopara que as pessoas possam ver como a adoção evoluiu. Isso mostra que a padronização não é suficiente. Um protocolo também precisa de compatibilidade em toda a Internet para ser utilizável na prática.