重新思考全球網際網路基礎建設的韌性

本APNIC文摘原標題為We need to rethink the resilience of the global Internet infrastructure,由Sangeetha Abdu Jyothi 撰文。

作為一個靈活非集中化的系統,網際網路過去成功度過多次自然及人為災難。然而,作者認為,當代的網際網路研究人員和營運方,都忽略了一個可能性雖低但影響極大,可能對網際網路造成重大威脅的事件:太陽風暴。

日冕巨量噴發(Coronal Mass Ejections,CME),俗稱太陽風暴(solar storm),是一種自太陽表面噴射大量物質及電磁輻射的現象。若地球正巧處於太陽風暴的路徑上,則這波電磁輻射會擾動地球磁場,引發電場,更嚴重的情況下,可能產生磁暴,進而影響地球表面使用中繼器的電纜及光纖纜線等。

並非所有太陽風暴都會帶來這麼大的影響。根據科學預測,太陽風暴造成地球大規模斷電的機率,大概是每10年1.6%至12%。然而,這機率並非每年平均分佈。太陽週期約為11年,而太陽風暴最有可能於太陽極大期(solar maxima)出現。太陽週期的強度以百年為週期循環,而近代科學的發展,恰巧在太陽週期較弱的過去一百年間發生。科學預測,太陽在不久的將來會變得更活躍。

史上規模最大的太陽風暴事件,分別發生於1859年(卡林頓事件)、1921年。兩次事件都造成大規模停電、火災及通訊網路斷線。若同樣規模的太陽風暴發生於當代,網際網路的基礎建設可能直接受到波及,或因斷電而無法作用。對於太陽風暴對電力網路的傷害,人類已有經驗,但我們仍不知道它會對網際網路基礎建設造成什麼影響。

網際網路基礎建設中最脆弱的部分,是衛星和遠距海底纜線。如資料中心等位於地面上的基礎設施,可輕易利用暫態電壓突波抑制器,防範太陽風暴引發電力不穩的情形。然而,衛星將直接承受噴射的太陽物質,電子零件可能因此受損,移動軌跡也可能受到影響,尤其如Starlink等使用低軌衛星的網路架構,很可能發生軌道衰退(orbital decay),導致衛星失控進入大氣層的意外事故。長距離的海底電纜則可能因中繼器大量故障,進而導致整條電纜故障。

基於地球的磁場分佈,高緯度地區面臨太陽風暴的風險明顯更高。然而,全球網際網路基礎建設,包括海纜終端、資料中心、網際網路交換中心(Internet Exchange Point,EXP)、DNS伺服器等,都高度集中於高緯度地區。

不僅如此,海纜節點位置的分布,也將左右整體連線面臨的風險。舉例而言,連接美國與亞洲的海纜較平均分布於美國西岸,美歐之間的海纜則集中於美國東岸北部。美國和亞洲的海纜建設,在亞洲端有新加坡作為中心發散至其他低緯度國家,整體韌性遠高於美歐之間的海纜建設。

有鑒於太陽風暴可能造成的實際威脅,作者認為,我們應重新思考全球網際網路基礎建設的韌性。想要量化太陽風暴的風險,首先必須預測磁暴導致海纜建設失效的情形,並建立應變模型。由於兩者規模大不相同,電力網路的磁暴應變模型無法直接套用至海纜;海纜每個地面節點之間的距離長達上千公里,相較於節點間隔僅數百公里的電力網路,海纜不同節點處於的電力磁場都不相同。再者,被海洋隔開的海纜節點通常位於近岸,而海岸效應會放大太陽電波輻射引發的電場。所幸,許多地球物理學者持續投入研發海纜的弱點模型。

然而,就算海纜面對的風險降至最低,網際網路仍可能因為停電而受到直接衝擊。作者建議重新思考全球網際網路基礎建設,以及仰賴網路運作的各種應用如何保持靈活韌性,包括:

  • 在太陽風暴風險較低的地區新增纜線端點,強化網際網路拓墣架構的靈活性。
  • 重新分配基礎建設的各部件,平均分配於不同緯度之間。
  • 為預期影響建立應變計畫(太陽風暴從太陽到達地球只需13小時到5天的時間)。
  • 規劃解決方案,以在災難後快速重新連結遭斷線之各部分網路。
  • 在災害模擬時,新增大規模斷線、網路連線分區斷開等測試情境。

欲了解更多,可參考作者近期發表的論文,或點擊此處觀賞作者演說。

 

*台灣網路資訊中心(TWNIC)與亞太網路資訊中心(APNIC)合作,定期精選APNIC Blog文章翻譯摘要,提供中心部落格讀者了解目前亞太地區網路發展之最新趨勢。原文標題為We need to rethink the resilience of the global Internet infrastructure

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