Routage dans les constellations de satellites LEO

Routing in LEO satellite constellations

• Auteur / Autrice : Louis Barbier
• Direction : Jérôme Lacan, Emmanuel Lochin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunications
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA MOIS MOdélisation et Ingénierie des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE/DISC/MITT Département d'Ingéniérie des Systèmes Complexes

Mots clés

Mots clés libres

Mega-constellation

Routage

Optimisation

Mega-constellation

Routing

Optimisation

Résumé

Les constellations de satellites LEO ont une latence théorique d'environ 1 à 4 millisecondes au contraire des satellites géostationnaires (GEO) qui dépassent la centaine de millisecondes. Cette très faible latence permet d'envisager une infrastructure LEO comme NGI-compatible (Next Generation Internet). Les constellations à large bande LEO, comme SpaceX, Starlink, OneWeb et Telesat Lightspeed, cherchent à la fois à combler la fracture numérique, mais aussi à changer la donne pour le service de connectivité en vol (IFC) des compagnies aériennes. Les systèmes GEO actuels n'offrent pas de couverture sur les pôles, et ils sont limités dans la quantité de capacité qu'ils peuvent offrir. L'ensemble des acteurs du marché des LEO cherchent donc à minimiser cette métrique au maximum afin d'offrir la meilleure qualité de service aux utilisateurs finaux. Or, comme pour tous réseaux, une des briques essentielles de la bonne performance des constellations LEO ayant un impact direct sur la latence des communications est la performance du routage. La conception d'un algorithme de routage efficace est toutefois un problème critique et complexe. En effet, une constellation LEO se caractérise généralement par un certain nombre de contraintes, telles que des ressources limitées et une capacité énergétique qui est particulièrement différente des infrastructures de communication sur le terrain. Les trois quarts de la surface de la terre étant océaniques et la répartition de la population terrestre n'étant pas uniforme, il semble évident que des communications via une constellation de satellites peuvent être, de facto, sources de congestion. En effet, alors que certains satellites peuvent se retrouver sous-utilisés, d'autres peuvent être des contributeurs importants au niveau de la latence car trop surchargés. Il y a quelques années, L. Franck et G. Maral ont proposé un algorithme de contrôle de congestion où tous les satellites conservaient la connaissance du graphe de la constellation entière. Aujourd'hui, l'un des objectifs premiers des nouvelles propositions de routage est de simplifier au maximum les plans de contrôle/données ou les informations de routage contenues dans le plan de données. L'idée étant de réaliser le moins de calcul possible au sein des routeurs. Cet objectif est donc complètement aligné avec les caractéristiques d'une constellation LEO telle que précédemment présentée. Cette tendance est liée au succès des architectures Software-Defined Networking qui gagnent en popularité et commencent à susciter l'intérêt dans le monde satellitaire. Une des méthodes de routage particulièrement adaptées à ce type d'architectures est basée sur le routage à la source (source routing). Au travers du Segment Routing, le source routing est actuellement activement développé et discuté à l'IETF au sein du groupe de travail Source Packet Routing in Networking (SPRING). Le routage à la source présente plusieurs avantages : tout d'abord le plan de données devient plus simple car les éléments de base effectuent alors des opérations simples. Il a été démontré que le routage à la source basé sur un plan de contrôle suivant une architecture SDN réduit considérablement la signalisation entre routeurs puisque la majorité des informations de contrôle sont maintenant contenues dans les en-têtes des paquets. L'encodage du chemin complet à l'intérieur d'un paquet supprime les latences imputables aux procédures de recherche dans les tables de forwarding/routage des commutateurs de paquets principaux (par exemple, couche de liaison commutateur ou routeur) car chaque commutateur est capable d'identifier rapidement le saut suivant du chemin stocké dans le paquet. L'ISAE-SUPAERO et l'ENAC ont développé un algorithme innovant baptisé XSR, qui simplifie encore ces procédures. Contrairement à d'autres techniques de routage à la source utilisant la théorie des modulos, XSR utilise des opérations binaires extrêmement simples basées sur des XOR ; ne nécessite pas le recalcul d'un chemin de retour et autorise la diffusion multicast. De ce fait, cette technique de routage rapide pourrait être un atout essentiel pour la performance d'une constellation LEO et justifie notre motivation pour l'évaluation de ses performances et de ses possibilités de déploiement. L'objectif de cette thèse est d'investiguer des techniques de calcul de routes optimales, d'en quantifier la pertinence et le gain lorsqu'elles sont combinées à l'algorithme XSR.

LEO satellite constellations have a theoretical latency of about 1 to 4 milliseconds, unlike geostationary satellites (GEO) that exceed hundreds of milliseconds. This very low latency makes it possible to consider an LEO infrastructure as NGI-compatible (Next Generation Internet). Large-band LEO constellations, such as SpaceX's Starlink, OneWeb, and Telesat Lightspeed, aim to bridge the digital divide and revolutionize in-flight connectivity (IFC) services for airlines. Current GEO systems do not offer coverage over the poles and are limited in the amount of capacity they can provide. Therefore, all players in the LEO market are seeking to minimize this metric to offer the best quality of service to end-users. However, like all networks, one of the critical and complex elements affecting the latency of LEO constellations' communications is routing performance. Designing an efficient routing algorithm is a challenging task. A typical LEO constellation is characterized by various constraints, such as limited resources and a power capacity that significantly differs from ground-based communication infrastructures. With three-quarters of the Earth's surface being oceanic and the distribution of the terrestrial population not being uniform, it becomes evident that satellite communications can be sources of congestion. While some satellites might be underutilized, others could be significant contributors to latency due to being overloaded. Some years ago, L. Franck and G. Maral proposed a congestion control algorithm in which all satellites retained knowledge of the entire constellation graph. Today, one of the primary objectives of new routing proposals is to simplify control/data plans or routing information contained in the data plane. The idea is to minimize calculations within routers. This objective is entirely aligned with the characteristics of an LEO constellation, as previously presented. This trend is related to the success of Software-Defined Networking architectures, which are gaining popularity and sparking interest in the satellite world. One routing method particularly suitable for such architectures is source routing. Through Segment Routing, source routing is currently actively developed and discussed within the Internet Engineering Task Force (IETF) in the Source Packet Routing in Networking (SPRING) working group. Source routing offers several advantages: first, the data plane becomes simpler because basic elements perform simple operations. It has been demonstrated that source routing based on an SDN control plane significantly reduces signaling between routers since most control information is now contained in packet headers. Encoding the complete path inside a packet eliminates latencies due to search procedures in forwarding/routing tables of main packet switches (e.g., link-layer switches or routers) because each switch can quickly identify the next hop of the path stored in the packet. ISAE-SUPAERO and ENAC have developed an innovative algorithm called XSR, which further simplifies these procedures. Unlike other source routing techniques that use modulo theory, XSR employs extremely simple binary operations based on XOR, does not require recalculation of a return path, and allows multicast diffusion. Therefore, this fast routing technique could be a crucial asset for the performance of an LEO constellation, justifying our motivation for evaluating its performance and deployment possibilities. The objective of this thesis is to investigate techniques for calculating optimal routes, quantify their relevance, and assess the benefits when combined with the XSR algorithm.