[論文レビュー] cISP: A Speed-of-Light Internet Service Provider

Debopam Bhattacherjee, Sangeetha Abdu Jyothi+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2018

Advanced Optical Network Technologies参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

cISPは、既存の光ファイバー回線に加え、視線が確保できる電波回線を活用することで、広域にわたり光速に近い遅延を実現するハイブリッドインターネットサービスプロバイダーを提案する。既存のタワーに商用のマイクロ波回線を戦略的に設置することで、平均遅延を理論的最小値（c遅延）の5％以内にまで低減し、1GBあたり1ドル未満のコストで1.05× c遅延を達成する。このネットワークの経済的価値は、導入コストをはるかに上回る。

ABSTRACT

Low latency is a requirement for a variety of interactive network applications. The Internet, however, is not optimized for latency. We thus explore the design of cost-effective wide-area networks that move data over paths very close to great-circle paths, at speeds very close to the speed of light in vacuum. Our cISP design augments the Internet's fiber with free-space wireless connectivity. cISP addresses the fundamental challenge of simultaneously providing low latency and scalable bandwidth, while accounting for numerous practical factors ranging from transmission tower availability to packet queuing. We show that instantiations of cISP across the contiguous United States and Europe would achieve mean latencies within 5% of that achievable using great-circle paths at the speed of light, over medium and long distances. Further, we estimate that the economic value from such networks would substantially exceed their expense.

研究の動機と目的

• 光速制限を上回って3～4倍の遅延を引き起こす、インターネットにおける根本的なインfra構造的非効率性を是正すること。
• ファイバーにポイントツーポイントの無線回線を追加することで、近似光速遅延を達成するコスト効率が良く、スケーラブルな広域ネットワークを設計すること。
• タワーの利用可能性、視線制限、天候の影響、低遅延ネットワークにおけるキューイング遅延といった実用的課題を克服すること。
• このようなネットワークが、特にゲームやリアルタイム共同作業のような遅延に敏感なアプリケーションにおいて、顕著な経済的価値を提供できることを実証すること。

提案手法

• 商用で利用可能なタワーに、視線が確保できるマイクロ波無線回線を追加することで、ほぼ直線的で高速な伝送を実現する。
• 地理的・地形的・木々の葉のカーテンのデータを用いて、実現可能な無線回線経路をモデル化し、視線の確保を保証する。
• NP困難なネットワーク設計問題を解くために、コスト最適化のヒューリスティックを適用し、コスト当たりの遅延低減効果が最大となるリンクを優先的に配置する。
• 天候の影響モデルとキューイング遅延解析を統合し、実世界の条件下でも安定した性能を確保する。
• 高い利用度下でもキューイング遅延が過剰に発生しないことを検証するため、ネットワーク運用を高負荷でシミュレーションする。
• 将来的なスケーラビリティと技術進化をサポートするため、ファイバー、マイクロ波、自由空間光学（Free-space optics）の複数の伝送媒体を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファイバーと無線回線を組み合わせたハイブリッドネットワークは、大陸規模の距離において、理論的光速制限の5％以内の平均遅延を達成できるか？
• RQ2 特にGBあたりのコストと遅延に敏感なアプリケーションにおける投資利益率の観点から、このようなネットワークのコスト効率はどの程度か？
• RQ3 タワーの利用可能性、地形、天候、視線制限といった実用的制約が、光速ISPの実現可能性と性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 超低遅延ネットワークにおいて、キューイング遅延が性能に与える影響はどの程度で、どのように緩和できるか？
• RQ5 eコマースやオンラインゲームのような実世界のアプリケーションにおいて、遅延をほぼ光速レベルまで低減させることで得られる経済的価値は何か？

主な発見

• cISPは、本土アメリカとヨーロッパ全域で平均1.05× c遅延を達成し、理論的最小値を5％上回る水準を実現している。
• ネットワークは1GBあたり1ドル未満のコストで導入可能であり、特に重要な用途において遅延低減による経済的価値は、このコストをはるかに上回っている。
• eコマース分野では、100msの遅延低減が年間7870万ドル～5億5100万ドルの利益増に寄与し、1GBあたり1.84～3.74ドル相当の価値を生み出す。
• ゲーム分野では、cISPの価値は、月額4～10ドルの高額加速VPNサービスと比較しても、1GBあたり3.7ドル以上に達する。
• シミュレーション結果から、ネットワークは高い利用度下でも過剰なキューイング遅延を発生させず、運用の実現可能性が裏付けられている。
• 過剰なリソース確保の状況下でも、cISPの経済的根拠は強く保たれ、評価されたすべての用途において、価値の見積もりが導入コストをはるかに上回っている。