hotnets2018 Networking in Heaven as on Earth 阅读报告

像地面一样在空中建立网络
引用：Klenze T, Giuliari G, Pappas C, et al. Networking in Heaven as on Earth[C]//Proceedings of the 17th ACM Workshop on Hot Topics in Networks. 2018: 22-28.

总结：

本文强调早期部署以后成功开始运营将是大型卫星网络成功的前提，但与全部署不同，早期覆盖存在间隙，因此将会出现频繁的通断。如果想要将卫星网络接入地面互联网，将会引起BGP消息的大范围更新。本文首先分析了低轨星座可以在当今互联网担当的角色：边远区用户接入、与其他ISPs连接做远距离传输供应商、互联网交换点IXP。然后分析发现与其他ISPs相连的时候即使忽略筛选掉一些BGP更新，早期部署阶段通断情况依然严峻

摘要：

描述空间ISPs如何运营以及如何与当今网络互联，场景是阶段部署场景。发现即使10%部署也对大多数区域有一个高水平的覆盖，只是覆盖是间歇性的

1 概述

一场太空竞赛开始，卫星网络SNs有很多可能性。一方面较低的轨道使得传播时延降低，比地面时延低；另一方面，SNs有高容量的星链，可形成一个网络。

SNs的目标不仅是为边远用户提供接入，更有望进军因特网市场，而其中比较有意思的想法是将SNs与骨干网链接。这个想法虽好，实施起来却有个巨大的挑战：虽然整个卫星星座会有较好的能力，但分阶段性的部署带来了很大的挑战，如何优化部署策略成为一个重要的问题

本文着眼于阶段部署及地站连接的有效性。我们的结果基于spacex的1600颗卫星计划的前10%部署。我们连接中考虑BGP的有效性。

结果显示，即使早期阶段，高人口地区也能有高水平的连接。但这个连接是间歇地，频繁断开，这在域间也会出现问题

本文目标是指出航空公司最近潜在的问题

2 互联模型

本章探究当前的互联网企业如何使用空间，以及卫星在互联市场如何以多种角色来有效吸引流量和用户。

图1展示了互联网与卫星网连接地场景，重点在控制平面。其中SN的路由逻辑在地面逻辑中心实现，卫星仅负责流量地站之间流量的传递

1. 最后一公里地提供商
   边远地区用户接入作用。已存在的GEO或MEO已经提供了这种功能，但LEO依旧可以继续提供。而那些地面基础设施无法提供服务的终端，如飞机、船只等，也可接入LEO。

   对域间路由而言，实现这个功能没有很大的障碍。在此场景中，卫星ISP拥有一部分前缀，它会与其他ISPs建立peer关系并宣告前缀。同时会购买其他ISPs的传输能力来获得全球可达性。而卫星与地站之间的路由则会由域内路由来控制。

2. 传输供应商
   比较复杂的场景是卫星作为供应商，将连接提供者其他ASes的时候的场景，而这种连接将可能打破当今互联网市场。现今的主机别无选择的使用单宿主网络，不参与域间路由。然而，现在的卫星网络能几乎覆盖全球了，那么边远地区的单宿主网络就可以变成多宿主网络，这样带来的优势很多：增加的路径多样性和冗余性将会提升网络的可用性及性能，网络供应商将会获得更大的网络容量

   以图1所在的网络为例，AS C中的设备既可以选择通过LEO以AS E作为提供商，也可以通过GEO来以AS A做提供商。每当LEO失联的时候，依然可以通过GEO连接到AS A，保证了连接不会中断，同时又能在LEO过顶的时候提供低时延的服务。

3. 互联网交换点IXP
   将SN作为一群全球可达的互联网交换点，这样可以让希望建立peer关系但地理上距离较远的ASes通过SNs直接建立peer关系。在这种关系中，SN不再是一个AS，而是一个交换机的角色

3 可行性分析

本节对卫星网络并入骨干网进行可行性分析

3.1 挑战

对域内，持续运动的卫星星座导致动态地网络环境。不同轨道卫星之间的相对运动需要定制星间路由协议，以实现源星和目标星之间的最佳路径发现，链路层卫星和地站之间的handover很频繁，一个地站在一颗卫星的覆盖范围内仅待几分钟

对域间，动态环境将会引起BGP的不稳定，BGP的收敛时间很长，一个简单的星地handover都会引起严重的级联反应。不稳定的卫星星座将会被惩罚。

卫星分阶段部署时问题更严重。全部署的星座只是会改变连接，而部分部署的则会出现间歇性的连接。从可以使用到全部署可能需要6年，必须投入使用才能减少破产的可能。我们将重点讨论部分部署以后BGP宣告的影响。

3.2 评估

首先分析卫星与地站之间的连接，然后验证频繁的BGP连接-断连宣告的影响。本文做了一个仿真模型，并选择使用spacex进行验证。因为spacex的目标不仅是最后一公里的连接，还有承担长距离互联网流量等。

3.2.1 星地连接

对部分部署的星座，根据位置不同，地站可能有全时间连接、间歇连接或从不连接的可能。我们仿真了不同阶段部署的场景，使用10%的部署进行分析——10%的卫星已经能覆盖全部部署面积的82%。这160颗卫星在1150km、53°倾角轨道中，分布在8个均匀轨道里。这里假定同一卫星下的地站都是连接的。


图2展示了覆盖情况，图3横坐标是纬度，柱状图是每天卫星-地站连接-断连改变触发连接更新的次数（不考虑卫星之间handover的次数），线型图是每天能有连接的时间，发现一些高人口密度地区大多数时间都有卫星连接，其他地区也有超过一半的时间有连接；以及，全覆盖地区没有断连-连接的情况。图4是40°N处的连接配置性文件。尽管有超过90%有连接，但也存在很多连接-断开的事件

3.2.2 对BGP宣告的影响

假定一个地面AS仅通过一个地站与卫星连接。因此当这唯一的连接断开的时候，将会有一连串BGP消息：SN取消地面AS所有前缀；地面AS取消通过SN宣告的所有前缀并未自己的用户宣告新路。BGP信息的量取决于AS图中失败链接的位置和BGP speaker的具体实现细节(例如，为多个前缀批量提取消息)。

以40°为例，每天会出现超过150次通断，即使这只会触发一条BGP消息，也会引起路由衰减抑制。为减少BGP消息，基于预测信息将几分钟内会断开的连接信息忽略掉。但相反的，断连后很快有新连接的短时间通断无法被忽略。而卫星之间的handover能在ms级时间内完成，卫星可以对流量缓存，因此这种通断可以被忽略。通过过滤方案能有效减少BGP通告，不过相应的也会降低卫星利用率。

结果：

图4可以看到被过滤以后通断情况，实线是初始通断，虚线是过滤后的情况。过滤的阈值是BGP收敛与连接浪费之间的一次tradeoff，图5对这个权衡进行了衡量。大多数通断间隔不超过5min，但设置这个阈值将会导致20%可用时间的减少。从5b可以看到过滤减少了通断数量，但会导致15-45%的浪费
结果展示即使牺牲15%-45%的链接时间，也会有接近20个通断事件产生，严重影响BGP宣告和收敛。下一步是寻找当今网络的趋势（如路径感知网络）

4 开放性问题

需要解决SNs和互联网的无缝连接问题

1. 动态拓扑：前面只在分步部署上进行了动态的讨论，除此之外，LEO较短的寿命也使得它们容易出现错误。如果没有冗余备份，那么就需要一个更灵活的协议来应对动态拓扑
2. 波动的带宽：
   雨衰。可通过增加功率改善但浪费能耗；也可配合降雨较少地区的地站使用。一个能够减轻(可预测的)带宽波动所带来的影响的网络架构本身就是未来研究的一个有趣的问题
   带宽的波动另一个因素是使用窄点波束进行星地连接。最优切换和光斑光束最优对准GSTs的问题是未来研究的一个有趣方向
3. 对互联市场的影响
   卫星网络的加入是否能解决某些地区由于缺乏竞争引起的垄断问题？增加竞争能让竞争者努力提升性能、降低价格。在技术上，基于卫星的网络究竟扮演怎样的角色——供应商、IXP还是别的？它的加入是否能缩短AS-path（这对减少BGP前缀攻击有用）？

5 相关工作

以前面向同步卫星，假定星地之间连接没有变化，现在的低轨卫星星座显然已经不能这样。一些为ad-hoc网络设计的算法被用于处理高速变化的拓扑，也有一些将预测性加入路由中。间歇性卫星连接也在DTN中被讨论过。同步的研究中显示低轨星座的低延时特性，且发现随着卫星密度增加延时降低且延时的变化也减少。但这些在初步部署中都存在问题。

6 结论

大型星座这项投资成功与否很大程度取决于早期收益。本工作中，我们描述了空间运营的互联网服务提供商如何成为互联市场的一部分，并可能扰乱互联市场。这里借助早期部署的卫星网络进行评估，发现即使早期卫星网络也能为高密度人群区做出贡献。但由于星地连接的通断频繁，将会导致星地无缝连接出现问题。未来的工作将要研究结构上的方案来解决卫星的通断问题，如路径感知网络