新しい方法でLEO衛星ネットワークのパフォーマンスを測定

低軌道（LEO）衛星ネットワークは、遅延が少なく、広い範囲をカバーできる高速インターネット接続を約束することから人気が高まってる。ただ、これらのネットワークを研究してる人たちは、実際にどう機能してるのか、パフォーマンスがどうなのかまだほとんどわかってない。主な問題は、LEOネットワークを測定するには高価な設備や、多くの衛星インターネットの利用者が必要だから。

この記事では、LEO衛星ネットワークを測定する新しい方法を紹介するよ。この方法により、複雑で高価なツールなしでも、もっと多くの人がLEOネットワークの動作を見て理解できるようになる。これは、研究コミュニティがこれらのネットワークについて正確な情報を得る必要があるから重要なんだ。

私たちの方法は、LEO衛星に接続されたオンラインサービスを使う。これらのサービスを見ていくことで、特別な機器なしにネットワークの構造やパフォーマンスを学べる。私たちは、13カ国の2400人以上のStarlinkユーザーの遅延を測定して、LEO衛星がデータをルーティングする方法について驚くべき結果を見つけた。それは、以前考えていたよりも複雑だった。

#LEOネットワークの利点と課題

LEO衛星ネットワークは、伝統的なインターネットが利用できない地域で、遅延が少なく、より良いインターネットアクセスを提供してる。2023年9月までに、200万人以上がこれらのネットワークを利用しており、特に災害の影響を受けた場所、遠隔学校、戦争地域、研究施設で活躍している。

研究者たちは、遅延、ルーティングメソッド、セキュリティを改善しようとしてるけど、LEOネットワークが実際にどう動いてるのかを理解するのは大きな課題だ。リアルデータを集めるためには、高価な衛星機器を買うか、ボランティアに衛星インターネットの使用状況を共有してもらう必要がある。この難しさから、LEOネットワークの研究は限られた観察や未検証の理論にとどまっている。

これを変えるためには、LEOネットワークに関するデータを集めるのをもっと容易にする必要がある。そうすれば、グローバルなLEOネットワークシステムが実際にどう機能しているかを理解できるようになる。

#LEOネットワーク測定の新しい方法の紹介

私たちは、研究者がLEO衛星ネットワークの特性を簡単に測定できる新しい方法を提案する。この方法は、LEO衛星に接続された公開アクセス可能なデバイスを調べるというアイデアに基づいている。特別な設備は必要なく、世界中のLEOネットワークからリアルデータを集める障壁を大幅に下げる。

この方法は、3つの主要なステップで機能する：

1. LEO衛星を使ってインターネットにアクセスしている測定可能なエンドポイントを見つけること。
2. ネットワーク内でLEO衛星がどこで使われているかを特定すること。
3. 衛星リンクを測定してデータを集めること。

このステップに従って、私たちはこれまでで最大のStarlinkネットワークの測定研究を行った。様々な国の2400人の衛星インターネット顧客から遅延データを集めたことで、彼らの体験をよりよく理解できるようになった。

#LEOネットワークの仕組み

LEO衛星ネットワークは、古い衛星システムに比べて低い高度で地球を周回する多くの衛星で構成されている。これらの衛星は地球から180マイルから1300マイルの高さにあり、遅延を大幅に減少させるのに役立っている。利点がある一方で、LEOネットワークには限定的なカバレッジエリアや非静的な軌道といった欠点もある。

LEO衛星を通じてデータが移動する一般的な方法は「ベントパイプ」メソッドだ。データルーティングの仕組みを簡単に説明すると：

• ユーザーがデータパケットを地元のルーターに送る。
• ルーターがそのパケットを衛星アンテナに送る。
• 衛星がパケットを通り過ぎる衛星に送信する。
• その衛星が地上局にリレーする。
• 最後に、地上局がインターネットに送信する。

最近のLEO衛星システムの中には、地上局が利用できない遠隔地の顧客を接続するために、衛星間通信リンク（ISL）を持つものもある。

#以前の測定アプローチ

LEO衛星ネットワークを調査するいくつかの方法があった：

1. 物理的ハードウェアを使用すること： 研究者は自分の衛星アンテナを購入してデータを集めることができるが、これは高価でカバレッジが限られる。

2. 既存の利用者を募集すること： 一部の研究者は、現在の利用者にデータを共有してもらう。このアプローチはカバレッジを拡大するが、手間がかかる。

3. 理論モデル： 多くの研究は、LEOネットワークのパフォーマンスをシミュレートする理論モデルに依存している。これによりカバレッジは広がるが、リアルデータが欠けている。

これらのアプローチはコスト、データの精度、カバレッジのトレードオフがある。私たちの新しい方法は、複雑なセットアップなしでリアルタイムデータを提供することによって、これらの問題を最小限に抑えることを目指している。

#方法論の詳細

私たちの新しい方法論の最初のステップは、LEO衛星を介してデータを送信する公開アクセス可能なエンドポイントを見つけることだ。現在、Starlinkは消費者向けの唯一のLEOネットワークだ。将来的には、AWS KuiperやTelesatといった他のネットワークも消費者衛星市場に進出する可能性が高い。

ネットワークを特定した後の次のタスクは、そのネットワーク上でホストされているインターネットサービスを見つけることだ。これには、ユーザーがリモートでアクセスしたいルーターやウェブサーバーが含まれるかもしれない。しかし、サービスがネットワーク上にあるからといって、それが衛星リンクを介しているわけではない。正確な測定のためには、サービスがルーティングのためにLEO衛星を専用で利用していることを確認する必要がある。

次のステップでは、ネットワーク経路を分析して、LEO衛星がどこで使われているかを特定する。このためには、ルーティング経路に十分な可視性が必要で、衛星リンクと地上経路を区別できるようにする。

最後のステップでは、LEO衛星リンクの測定を実行する。私たちは、デバイスにpingを送って障害を確認したり、パケットサイズテストを通じて帯域幅を評価するなど、異なる測定戦略を適用できる。

#Starlinkの遅延測定

私たちは、Starlinkに方法論を適用し、ユーザーが様々な場所で体験する遅延を測定した。遅延を監視することは重要で、それがユーザー体験に直接影響するから。遅延が少ないほど、インターネット接続が速くなる。

私たちは、遅延を測定するための日々の自動化されたプロセスを設けた。以下のステップを経て：

1. 露出したサービスを収集： 公共のインターネットデバイス検索エンジンを使って、Starlinkネットワーク内のサービスを見つける。これにより、アクセス可能なサービスを特定できる。

2. 顧客エンドポイントをフィルタリング： Starlinkを使用してインターネット接続を行う可能性のあるサービスだけを含める。

3. パフォーマンス向上プロキシ（PEP）の除外： 測定を正確にするためにPEPを使用しているサービスをフィルタリングする。

4. サービスの地理的位置特定： 各サービスに関連するIPアドレス情報を使用して、サービスの位置をおおよそ特定する。

5. 可視なホップを特定： ネットワークの異なるホップ間の遅延を測定し、ルート内の衛星リンクを判断する。

6. 経路遅延を測定： 特定されたホップにpingを送り、遅延分析のためのラウンドトリップ時間を収集する。

7. 非LEO衛星アーティファクトをフィルタリング： 地上接続によって引き起こされた外れ値を取り除くために、測定にスムージングフィルタを適用する。

8. 不完全データの検証： 私たちのアプローチでは、すべてのルーティング決定の完全な可視性が得られないかもしれないが、物理的なStarlinkアンテナからのデータと照らし合わせて結果の正確性を検証する。

#発見と驚き

私たちの研究は、Starlinkのネットワークパフォーマンスについて重要な洞察を明らかにした。まず、私たちの測定は地上の真実データと非常に近い一致を示し、持続的な遅延スパイクを正確に捉えていた。

遅延に影響を与える要因は、必ずしも衛星の距離に関連しているわけではなかった。むしろ、ルーティングパスが遅延を決める上で重要な役割を果たしていた。例えば、特定のルーティングの変更が、衛星自体の距離に結びつかない予期しない遅延の変動を引き起こすことがわかった。

また、衛星間リンク（ISL）の使用がデータルートの長さを増加させ、予想以上に遅延を引き起こすことも発見した。ISLは遠隔地の接続性を向上させるが、しばしば地上局とユーザーの間の経路を長くすることで全体の遅延に影響を与えることがある。

#グローバルな視点

私たちは、世界中の多数のユーザーからデータを集めることで、LEO衛星ネットワークが実際にどう機能しているかを独自に見てきた。私たちの発見は、実際の導入が以前の研究が示唆したよりも複雑であることを示している。以前の研究では、遅延の違いを衛星の位置や混雑のようなローカライズされた要因に帰属させることが多かったが、私たちのデータはユーザーの遅延が存在ポイント（POP）までの距離とネットワークのルーティング選択に相関があることを示している。

例えば、割り当てられたPOPから遠くにいる顧客は、顕著に高い遅延を経験していた。米領バージン諸島にいる顧客がアトランタのPOPに接続した場合、近くのPOPの他の顧客のほぼ二倍の遅延を抱えていた。

#課題と今後の方向性

私たちの方法論は、LEOネットワークを研究する新しいアプローチを提供するが、既存の方法を置き換えるものではない。これは補完的なツールとして機能し、研究者が意義あるデータを迅速に集めることを可能にする。今後の研究には、以下のような多くの可能性がある：

• 他のLEOネットワークの測定： 追加のLEOネットワークの立ち上げが期待される中、私たちの方法は、これらの新しいサービスが利用可能になると測定に適応できる。

• LEOの変化を時間とともに研究： LEOネットワークが進化し拡大するにつれて、研究者は私たちの方法を使用して、変化がパフォーマンスメトリックにどのように影響を与えるかを追跡できる。

• シミュレーションモデルの改善： 研究者は、私たちの方法論を通じて集めたリアルデータに基づいてより良いシミュレーションを作成することに取り組むことができ、ネットワークの挙動に関するより正確な予測につながる。

• カバレッジの拡大： より多くの研究が、サービスを公開しないユーザーからデータを集める方法を探求し、理解を深めたりバイアスを減らしたりできる。

#結論

この記事では、LEO衛星ネットワークを大規模に測定するための新しい方法を紹介した。このアプローチは、LEO衛星に接続されたインターネットサービスからの公開データを活用しており、研究者に高価な機器なしでネットワークの特性を研究する方法を提供している。

この方法をStarlinkネットワークに適用することによって、私たちはユーザーの遅延に関する詳細な情報を収集し、ルーティングの複雑さについて予期しない洞察を得た。私たちの発見は、LEOネットワークが接続性を向上させることができる一方で、独自の遅延の課題も引き起こすことを強調している。

LEOネットワークが成長する中で、その運用を理解することは、パフォーマンスを改善し、ユーザーに信頼できるサービスを提供するために重要になるだろう。私たちの方法論は、LEO衛星ネットワークの内部動作を明らかにしたい研究者にとって、貴重なツールを提供し、最終的には今後のこれらのシステムの設計と保護に役立つだろう。