Vox Internet - Programme de recherche soutenu par l'ANR

L'économie des réseaux

Jean-Michel CORNU — 2005-06-23T22:00:00Z

Pour comprendre les différentes problématiques de l'économie des réseaux, il faut nous situer au sein des grandes périodes qui jalonnent la courte histoire de l'internet. Chacune de ces étapes a ses propres problématiques et impose des remises en question aux opérateurs. Nous parlons rapidement des débuts de l'internet dans un réseau construit entre des centres de recherches et de sa phase d'expansion utilisant principalement le réseau téléphonique commuté comme support de réseau. Nous examinons ensuite plus en détail la phase actuelle de construction d'un réseau global dédié à l'internet à haut débit à partir de la présentation de Godefroy Dang N'Guyen. Enfin, nous évoquons, à partir de l'exposé de Rafi Haladjian, une toute nouvelle phase, encore en devenir, celle des réseaux pervasifs.

Les infrastructures qui sous-tendent l'internet sont mises en place et maintenues par des opérateurs qui commercialisent directement l'accès au réseau, ou bien louent ces capacités à d'autres Fournisseurs d'Accès à l'Internet (FAI). Pour comprendre la situation actuelle, il est nécessaire de se pencher sur les différentes phases de mise à disposition de l'infrastructure de l'internet.

Un passé déjà lointain

La phase universitaire

Dans un premier temps, l'internet a été réservé aux universitaires et à quelques grosses sociétés qui pouvaient financer leur propre infrastructure pour relier leurs établissements au reste de l'internet (principalement au moyen de liaisons spécialisées). L'internet s'est alors constitué comme un réseau de réseaux d'utilisateurs. Dans cette première période, les moyens financiers nécessaires pour s'intégrer au réseau excluaient donc les particuliers et réservaient l'accès aux universités, laboratoires de recherche et entreprises.

L'accès par modem téléphonique

Dans les années 1990, le réseau des réseaux s'est prolongé en utilisant principalement le RTC (Réseau Téléphonique Commuté). L'accès à l'internet s'est fait par l'intermédiaire des Fournisseurs d'Accès. Ces derniers connectent leurs équipements d'accès (mais aussi d'authentification, de facturation...) au réseau internet d'un côté et au réseau téléphonique de l'autre. II devient alors possible d'accéder à l'internet depuis n'importe quel endroit connecté au réseau téléphonique, sans nécessiter d'équipements supplémentaires autres qu'un simple modem placé entre l'ordinateur et le réseau téléphonique.

Ce changement, s'il a permis l'accès du plus grand nombre à l'internet, a eu plusieurs conséquences :

Les données de l'internet passent dans un réseau parallèle prévu pour la voix grâce à une modulation des 0 et des 1 binaires. La capacité en débit était cependant limitée. L'évolution technologique a permis de porter ce débit à une valeur (théorique) de 56 Kbits/s. Les entreprises qui ont besoin de débits supérieurs utilisent encore des liaisons spécialisées lorsque l'intérêt d'accéder au réseau de façon rapide et sécurisée contrebalance le coût supplémentaire à prendre en charge.

Le réseau qui permet au plus grand nombre d'accéder à l'internet appartenait dans la quasi-totalité des pays à un opérateur unique en situation de monopole, avant que la dérégulation (effective en Europe le 1er janvier 1998) ne permette à de nouveaux opérateurs d'introduire de la concurrence, dans un premier temps pour les liaisons longues distances. Le « dernier kilomètre », qui relie le réseau téléphonique à l'utilisateur final, n'a été ouvert que depuis peu.

Les Fournisseurs d'Accès Internet deviennent des intermédiaires entre les utilisateurs et l'internet, créant un réseau à étages : les utilisateurs sont connectés aux FAI, qui sont reliés entre eux au travers de points d'interconnexion (GIX).

L'augmentation exponentielle du nombre d'utilisateurs de l'internet a créé des difficultés, par exemple une pénurie du nombre d'adresses disponibles. Cela a conduit à un internet à deux vitesses : ceux qui disposent des précieuses adresses permanentes peuvent être joints à tout moment (condition nécessaire pour un serveur par exemple) et la grande majorité des utilisateurs ne disposent que d'adresses temporaires, différentes lors de chaque connexion au réseau.

La différenciation entre les fournisseurs d'accès est faible car leurs services, au départ réservés à leurs clients (comme ce fut le cas pour les services en ligne d'AOL, Compuserve ou MSN à leurs débuts), sont de plus en plus mis à disposition de l'ensemble de la communauté des internautes sous la pression des fournisseurs de contenus et de services indépendants des fournisseurs.

L'arrivée du haut débit

La limitation des capacités du réseau téléphonique commuté a nécessité la mise en place d'un véritable réseau dédié aux données. Il est possible de décomposer l'architecture actuelle du réseau en trois grandes couches qui ont chacune leurs problématiques mais également leur temporalité :

Les dorsales et les cœurs de réseau

Les réseaux de collectes

Les réseaux de desserte

Les dorsales et cœurs de réseau et la concurrence ruineuse

Tout en haut de la hiérarchie, les cœurs de réseau et les dorsales se sont déployés à une vitesse extraordinaire durant la "bulle internet". II y a eu un phénomène d'anticipation très important sur la capacité des réseaux. Ces derniers ont été principalement financés par la bulle financière et par ses mécanismes. Pendant cette période, les opérateurs ont anticipé l'explosion des trafics et ont investi massivement dans l'infrastructure dorsale. II y a donc eu une course de vitesse avec l'idée que celui qui serait capable de mobiliser plus rapidement la capacité financière suffisante aurait une plus grande chance de remporter la bataille concurrentielle. Avec le soutien de la communauté financière et d'un certain nombre d'industriels, qui avaient tout intérêt à l'inflation de ces réseaux, les responsables des dorsales ont très rapidement pu installer un maillage de fibres optiques à très haut débit. Nous nous retrouvons aujourd'hui avec une surcapacité de débit au niveau des dorsales.

Dans ce marché hautement spéculatif, l'excès de capacités, accéléré par l'anticipation des risques face à une demande qui ne décolle pas comme on l'attendait, déclenche une guerre commerciale et une chute des prix rapide, qui ne laisse que quelques grands opérateurs aux différents niveaux de la hiérarchie des réseaux. Ce phénomène, appelé « concurrence ruineuse », se retrouve dans les marchés hautement spéculatifs. Dans ces circonstances, les acteurs n'incluent pas dans l'établissement du prix leurs coûts fixes (en particulier l'amortissement de leurs investissements) mais uniquement les coûts variables. Ils espèrent ainsi récupérer une large part du marché qui leur permettra à terme de pouvoir réinvestir dans leurs infrastructures. Mais pour rentabiliser à long terme une telle stratégie, il faut pouvoir garantir la pérennité des parts de marché acquises. Ce n'est pas le cas dans le monde de l'internet où les contrats à long terme sont extrêmement limités.

Une solution serait d'intégrer les offres depuis les dorsales jusqu'à l'utilisateur final. Mais la temporalité des divers types de réseau est très variable. Les cycles de développement sont extrêmement différents et leur désynchronisation engendre de grands risques financiers. Les Fournisseurs d'Accès à l'Internet, qu'ils soient ou non opérateurs, ont un modèle économique fragile. Le coût de changement de fournisseurs est assez faible pour l'internaute alors que les coûts fixes du FAI sont élevés [1]. Cette situation ne facilite pas les stratégies à long terme et les FAI ont tendance à se concentrer sur les lieux disposant d'une bonne connectivité. Le numérique risque donc d'aggraver la fracture territoriale au moment où les infrastructures de l'internet passent dans le nouveau paradigme du haut débit.

Les réseaux de collecte, l'échelon intermédiaire

Les réseaux de collecte font le lien entre les cœurs de réseau et les derniers kilomètres qui permettent d'atteindre les utilisateurs. Ils se trouvent à la jonction des deux problématiques. Jusqu'à une date récente, les réseaux de collecte et la plupart des réseaux de desserte (à l'exception de certaines liaisons spécialisées) étaient détenus par l'opérateur historique. Le réseau de collecte a été le premier à faire l'objet d'une concurrence, avant l'ouverture de la « boucle locale ». La volonté de maîtriser leur réseau a amené des opérateurs alternatifs à prolonger leur cœur de réseau pour descendre jusqu'au niveau du commutateur téléphonique. Très récemment les collectivités ont pris la mesure de l'enjeu stratégique du développement de réseaux de collecte à haut débit. Si les opérateurs ont une vision verticale de leur réseau, partant des dorsales et des cœurs de réseau pour atteindre l'utilisateur grâce aux réseaux de collecte puis de desserte, les collectivités territoriales ont une vision plus horizontale. Ainsi on a vu récemment émerger des réseaux d'agglomération, de département et de région, chacun proposant le transport de tous les opérateurs et FAI qui le souhaitent.

La problématique des réseaux de collecte est donc intermédiaire entre la concurrence ruineuse, que l'on rencontre dans les cœurs de réseau où l'offre est bien supérieure à la demande, et les difficultés d'aménager les territoires pour permettre un haut débit pour tous, à l'incitation de l'Etat et des collectivités territoriales.

Les réseaux de desserte et la problématique du premier/dernier kilomètre

L'augmentation du débit disponible pour l'utilisateur a nécessité d'abandonner l'utilisation du signal téléphonique comme support du transport des données. Cela ne veut pas dire que la ligne téléphonique qui arrive dans la plupart des foyers devient inutile pour l'accès à l'internet. Moyennant quelques adaptations, il est possible de passer un deuxième signal dédié aux données à haut débit dans la même ligne téléphonique (la technologie xDSL, dont le représentant le plus connu est l'ADSL, impose deux modems, un chez l'utilisateur et un dans le central téléphonique). Cette solution, pour être viable, nécessite de placer des équipements nouveaux dans les centraux téléphoniques (les DSLAM) et surtout exige que l'utilisateur ne soit pas trop éloigné du central (typiquement moins de 3 km) pour éviter que l'affaiblissement du signal ne réduise la vitesse du haut débit à celle d'un simple modem à 56 Kbits/s. Cela signifie que, même si tous les centraux de France étaient équipés, il resterait un pourcentage de la population française qui n'aurait pas accès au haut débit. D'autres technologies alternatives ont cependant vu le jour telles que l'accès par satellite, les réseaux sans fil ou l'accès par le réseau électrique.

II existe une concurrence entre les différents opérateurs qui, dès la phase précédente, avaient développé des réseaux pour collecter les données. L'enjeu principal, pour éviter que l'arrivée du haut débit ne coupe le pays en deux - entre ceux qui peuvent et ceux qui ne peuvent pas en disposer, concerne donc ce que les opérateurs de télécommunication appellent le « dernier kilomètre » (ou réseau de desserte) et ce que de plus en plus de collectivités territoriales ou d'associations d'usagers appellent le « premier kilomètre », témoignant d'une vision « de bas en haut ».

Un internet à deux vitesses ?

L'accès au haut débit dans les lieux les plus reculés exige un réel volontarisme puisque les retours sur investissement pour les réseaux de collecte et de desserte ne se font pas à court terme. Cette volonté peut provenir d'acteurs différents :

France Télécom a lancé un plan de 1 milliard d'euros d'investissements pour « offrir le haut débit à la France ». La montée de la concurrence oblige l'opérateur historique à conserver une longueur d'avance, quitte à ne rentabiliser ces nouvelles infrastructures que sur le long terme.

Les collectivités territoriales cherchent à mutualiser la mise en place d'infrastructures locales grâce aux nouveaux leviers offerts par la récente Loi pour la Confiance dans l'Economie Numérique (LCEN). En effet, auparavant, les collectivités ne pouvaient s'impliquer que dans la mise en place des infrastructures passives, devant concéder l'exploitation du réseau à un opérateur unique. La nouvelle loi permet à une collectivité de prendre en charge également les équipements actifs qui permettent de « partager virtuellement » le réseau entre différents opérateurs locaux.

Le développement des nouvelles infrastructures qui permettent le haut débit nécessite le plus souvent une mutualisation des moyens entre les divers opérateurs. La mise en place d'un réseau de collecte départemental moyen représente un investissement de 60 millions d'euros et des coûts annuels d'exploitation de 3 ou 4 millions d'euros à partager entre les différents opérateurs... ou bien à prendre en charge seul s'il n'y a pas de mutualisation.

Quel modèle architectural ?

Le processus de mutualisation a permis la mise en place de nouveaux modèles architecturaux. Ceux-ci ont des impacts sur l'économie des opérateurs :

Les MIX (nœuds d'interconnexion métropolitains entre les opérateurs) permettent de ne pas avoir à réacheminer le trafic local (qui représente 80 % en tout du trafic) jusqu'à un nœud d'interconnexion global lorsqu'il provient d'opérateurs différents.

Les réseaux neutres sont gérés par un opérateur « neutre » qui s'engage à ne délivrer aucun service. Les autres opérateurs s'interconnectent alors simplement à la périphérie du réseau pour offrir des services concurrentiels (internet, téléphone, télévision). Ils peuvent alors se partager de nouveaux clients potentiels sans investissement préalable.

Les différents modèles permis par la Loi pour la confiance dans l'économie numérique (délégation de service public, partenariat public-privé...) facilitent l'investissement privé en apportant des garanties publiques. En contrepartie, la collectivité conserve le contrôle (sur la neutralité, sur les tarifs et sur le périmètre d'action). L'opérateur qui obtient une délégation de service public est cependant en concurrence car d'autres opérateurs peuvent choisir de mettre en place leur propre réseau (contrairement à d'autres types de réseaux en délégation de service public tels que l'eau).

Quels modèles économiques ?

La diversité des temporalités entre les différents types de réseaux pose des problèmes de viabilité économique pour les opérateurs et les fournisseurs accès.

Le mode de facturation utilisé par les réseaux haut débit est principalement le forfait. Celui-ci doit permettre de financer les lourds investissements matériels des réseaux. L'économie des services (traitée infra chapitre 5) a également un impact sur l'économie des réseaux. Il existe une hiérarchie : les services (au-dessus de la couche IP) financent le développement des réseaux (en dessous de la couche IP) dont les investissements sont avancés par les opérateurs ou maintenant par les collectivités territoriales. Mais le très lent démarrage du micro-paiement sur internet et la difficulté de mesurer à un coût acceptable les usages et trafics collectifs générés sur le modèle de la « tribu » rendent les modèles économiques complexes. II ne faut exclure a priori aucun modèle car chacun peut trouver sa pertinence ou non en fonction de nombreuses variables. L'espoir des opérateurs et des fournisseurs d'accès repose également sur l'augmentation de la demande en bande passante, principalement par le développement du son et de la vidéo, plutôt que sur l'extension du haut débit à des zones non encore couvertes : celle-ci nécessite des financements supplémentaires alors que les précédents investissements ne sont pas encore remboursés.

Le passage au haut débit (et à la connexion permanente) a eu de grandes conséquences sur l'économie des acteurs de l'infrastructure. Les limites du réseau voix de la téléphonie et la nécessité de créer un nouveau réseau allant jusqu'à l'utilisateur final ont nécessité l'invention de nouveaux modèles et poussé vers une évolution législative. Le débit disponible devrait continuer de croître. Le dernier Comité Interministériel à l'Aménagement du Territoire a fixé un objectif d'ici 2007 de 2 Mbits/s au domicile dans les villes, 100 Mbits/s dans les 2000 zones d'activités économiques françaises et trois points d'accès au moins pour les petites communes.

La prochaine phase ?

Mais l'histoire des technologies ne s'arrête pas là. L'accroissement du débit et la connexion permanente ne sont pas les seules modifications qui touchent aux infrastructures du réseau.

L'arrivée des objets « intelligents et communicants »

Depuis 2002, le nombre de micro-contrôleurs (ces puces qui intègrent un petit ordinateur complet et permettent de rendre un objet « intelligent ») est supérieur au nombre d'êtres humains sur cette planète. Parallèlement, l'arrivée en 2004 des étiquettes « intelligentes » RFID (radio frequency identification) permet aux objets de s'enrichir en fonctions de communication à très bas prix. La fusion des deux approches devrait amener un fort développement des objets « intelligents et communicants ». L'internet, principalement centré aujourd'hui sur l'échange entre personnes à l'aide de moyens informatiques (y compris de façon asynchrone comme sur le Web), devrait rapidement être complété par des échanges entre les personnes et les objets et surtout par des échanges entre les objets.

L'histoire de l'informatique montre que nous sommes passés d'un modèle où chaque ordinateur avait plusieurs utilisateurs à l'ordinateur personnel, puis aujourd'hui à de nombreuses unités « intelligentes » pour chaque utilisateur. Pourtant, même si l'utilisateur est d'ores et déjà entouré d'objets « intelligents » dans sa voiture et sa vie de tous les jours, il évolue toujours dans une relation héritée de l'ordinateur personnel.

Les objets ont des besoins différents des ordinateurs

Pour reprendre l'image utilisée par Rafi Haladjian, l'utilisateur est aujourd'hui entouré d'un archipel d'objets et non pas d'un réseau d'objets. De la même manière que l'internet a permis de désenclaver les ordinateurs et d'en faire les cellules d'un écosystème informationnel, apparaît un nouveau type de réseau qui permet de décloisonner cet archipel d'objets, de les relier les uns aux autres. On parle alors de « réseau pervasif ».

L'arrivée des objets devrait structurer le réseau aussi fortement que lors de l'étape précédente, lorsque le débit disponible a dû dépasser celui du réseau téléphonique existant. Les objets nécessitent peu de débit pour « communiquer » entre eux (mais il n'en est pas forcément ainsi dans le cas de la communication entre personne et objets). En revanche, l'objet doit être accessible partout sans nécessiter de connexion filaire. L'intérêt des réseaux sans fil dans ce cas est moins la mobilité qu'une couverture globale permettant à l'objet être en permanence relié au réseau, quel que soit l'endroit où il se trouve.

Le réseau pervasif

Un réseau pervasif est un réseau qui fonctionne tout le temps et en quelque lieu que l'on se trouve. Un tel réseau doit être agnostique : il n'appartient pas à un opérateur de déterminer quel type d'objets sera connecté... Il appartiendrait à l'écosystème des usages, dans un modèle quasi-darwinien, de déterminer les objets qu'utiliseront les acteurs, ainsi que leur type de pratiques, dans un réseau pervasif. Pour permettre de connecter les très nombreux objets qui nous entourent, le réseau pervasif ne doit pas coûter très cher, fonctionner sur la base d'un forfait et disposer d'une bande suffisante pour pouvoir transporter les informations de notre « Personal Area Network » (PAN).

Dans ces conditions, le rôle de l'opérateur évolue de nouveau. Dans un tel réseau, la connexion doit se faire de la façon la plus transparente possible. Il n'est plus possible de gérer un abonnement et une configuration particulière pour chacun de nos objets. De plus, la valeur de l'opérateur ne repose pas seulement sur le service de connexion mais également sur la discrimination des liaisons afin de permettre de conserver un caractère privé à certaines liaisons entre les objets d'un réseau personnel. Il ne s'agit pas de choisir une technologie qui serait meilleure que les autres (par exemple de choisir entre Wi-Fi et l'UMTS), mais plutôt d'être capable de choisir la meilleure technologie au moment le plus opportun.

Des premiers réseaux pervasifs en Wi-Fi

Toutefois, la technologie de réseau sans fil Wi-Fi exerce une réelle fascination. Selon les pionniers des réseaux pervasifs, la simplicité de leur mise en œuvre permet aux utilisateurs eux-mêmes de créer des réseaux d'accès. Aujourd'hui, il est possible de connecter pour très peu d'argent son immeuble à celui de ses voisins de l'autre côté de la rue. Il y a une réelle "fraîcheur" des utilisateurs qui adhèrent facilement au modèle, dans une véritable volonté d'être acteurs de la construction du réseau. On retrouve la philosophie des débuts de l'internet où les utilisateurs construisaient eux-mêmes le réseau pour s'interconnecter. Pourtant, le Wi-Fi est une solution technique sommaire pour les réseaux pervasifs. II fut inventé avec une ambition extrêmement modeste, celle de connecter des périphériques en réseau local à l'intérieur d'un bâtiment. Mais chacun s'est approprié cette technologie simple à mettre en œuvre pour construire aussi bien des réseaux territoriaux que des réseaux de « tribu ». Cet emballement a été d'une telle portée que le monde entier s'est « mis au Wi-Fi ». L'économie d'échelle a permis des baisses importantes du coût du matériel. C'est pour cela que les premiers réseaux pervasifs émergent en Wi-Fi, même si d'autres technologies doivent bientôt apparaître (tel que par exemple Zigbee ou UWB). À son commencement, l'internet était dans une situation similaire : il s'agissait d'un réseau de qualité moindre par rapport aux réseaux propriétaires professionnels, mais sa souplesse et son appropriation par le plus grand nombre lui ont permis de l'emporter largement.

L'intelligence ambiante

La notion de réseau pervasif mène à celle "d'intelligence ambiante" : à partir du moment où les objets deviennent "intelligents" et connectés en permanence par un réseau pervasif, pourquoi ne pas leur faire faire autre chose en plus de leur usage initial ? Tous ces "objets intelligents" pourraient avoir des adresses permettant de les identifier et de recevoir par le réseau des informations qui leur permettent de fournir des alertes. En effet, quelle que soit l'augmentation de la bande passante, ce qui reste irrémédiablement restreint c'est la capacité d'attention de l'utilisateur.

Aujourd'hui, la construction d'un réseau pervasif général, sur le modèle proposé par la société Ozone, permettrait d'interconnecter l'ensemble des "machines intelligentes" afin de leur offrir une sphère de communication capable d'alerter et d'informer à tous moments. Des expérimentations sont menées, parmi d'autres la lampe Wi-Fi de la société Violet : elle transmet un message envoyé par SMS à l'aide d'un changement de couleurs - il peut s'agir d'une pensée de l'être aimé ou du dépassement de seuil dans un cours de bourse ...

Quels modèles économiques pour les réseaux pervasifs ?

Les modèles économiques de tels réseaux pervasifs sans fils restent à inventer. Chaque phase de l'internet a remis en question les modèles utilisés dans les étapes précédentes sans pour autant les remplacer totalement. L'architecture technique développée pour l'internet a su s'adapter au travers des années à chaque changement, malgré des besoins radicalement différents : passage d'un réseau d'échanges symétriques à un réseau client-serveur lors de l'arrivée du Web, débit garanti sur un réseau prévu pour le « best effort » avec la voix sur IP, etc. Les nouveaux usages (pair à pair mais aussi réseaux pervasifs, etc.) lancent de nouveaux défis architecturaux qui ont d'ores et déjà été pris en compte dans les laboratoires.

Mais la régulation mise en place pour les réseaux laissera-t-elle le champ nécessaire pour inventer les modèles qui n'existent pas encore pour les prochaines phases de l'internet ?

Quelques pistes de recherche

Au terme de cette description, il ressort que la société de la connaissance s'appuie sur des infrastructures dont l'économie doit permettre un développement rapide sans hypothéquer le futur. Force est de constater que les premières phases du développement des réseaux ont représenté une force d'innovation considérable. Nous sommes confrontés aujourd'hui à deux défis majeurs : permettre un développement du réseau qui ne soit plus contraint par les architectures de réseaux précédentes et ouvrir ce réseau aux besoins non seulement des personnes mais également des objets.

Les aspects architecturaux, plus encore que les technologies, ont un impact sur l'économie des réseaux. Les décideurs des collectivités territoriales ont une responsabilité majeure lors des phases de développement du réseau. Il est important de mettre en lumière les débats architecturaux et leurs enjeux, afin de permettre aux acteurs publics de développer des actions pertinentes d'aménagement du territoire.

La mise en place des infrastructures nécessite des investissements importants qui sont effectués en un temps court dans un contexte hautement innovant. La concurrence ruineuse ou les disparités d'intérêt dans l'aménagement des différents territoires pose des questions nouvelles. Il est urgent de réfléchir à de nouveaux modèles économiques qui permettent aux acteurs d'accompagner ces changements, tout en prenant en compte les problèmes posés par l'obsolescence rapide des solutions choisies.

Par ailleurs, l'internet est un merveilleux exemple d'une architecture ayant su s'adapter à des besoins non définis au départ. Au delà de la prise en compte des besoins des utilisateurs, le réseau des réseaux a su leur donner les moyens de se l'approprier et de le façonner selon leurs besoins. Cette « plasticité » du réseau est un facteur fondamental de l'innovation d'usage. Il est nécessaire de mieux comprendre quels sont les critères qui permettent cette souplesse pour orienter les choix futurs, non pas dans ce qui semble a priori la meilleure solution aujourd'hui, mais plutôt dans celle qui permettra au réseau et aux personnes qui l'utilisent de s'adapter en permanence à un monde qui évolue et innove.

La gouvernance de l'internet, si elle doit préserver les intérêts des acteurs, ne doit pas contraindre l'avenir. Les modes de régulation eux-mêmes doivent innover pour relever ce double enjeu : préserver au mieux les équilibres tout en favorisant le développement des innovations.

[1] Godefroy Dang Nguyen et Thierry Pénard, « La gratuité à la croisée des nouveaux modèles d'affaires sur internet » in Réseaux n°124, FT R&D / Hermès - Lavoisier, 2004

The economics of networks

Jean-Michel CORNU — 2005-06-23T22:00:00Z

In order to understand the different issues affecting the economics of networks, we need to situate ourselves within the large periods that punctuate the short history of the Internet. Each of these phases has had its own issues and has forced telecom operators to call into question their role. We will speak quickly about the beginnings of the Internet as a network built between research centers and about its expansion phase, using primarily the Public Switched Telephone Network as its medium. We will then examine in more detail the current phase of building a high-speed global network dedicated to the Internet, basing our analysis on Godefroy Dang N'Guyen's presentation. Finally, with Rafi Haladjian's contribution, an entirely new phase will be mentioned, still to come: pervasive networks.

The Internet's underlying infrastructures are set up and maintained by operators who either sell access to the network directly or lease this capacity to other Internet Service Providers (ISPs). To understand the current situation, one must focus on the different phases of the infrastructure of the Internet.

An already distant past

The university phase

At the very beginning, the Internet was reserved to academics and a few large companies that could finance their own infrastructures to link their institutions to the rest of the Internet (primarily via leased lines). At this time, the Internet was made up of networks of users' networks. During this first period, the financial means necessary for becoming part of the network excluded individuals and reserved access to universities, research laboratories and companies.

Access via telephone modem

In the 1990s, the "network of networks" grew primarily by using the Public Switched Telephone Network (PSTN). Internet access occurred through the intermediary of ISPs. These ISPs connected their access equipment (as well as equipment for authentication and billing) to the Internet network on one end and to the telephone network on the other. It then became possible to access the Internet from any place connected to the telephone network, without any additional equipment other than a simple modem plugged into the computer and the telephone network.

Although this change extended Internet access to most people, it had several consequences:

Internet data was transferred across a network designed for speech using a binary modulation of 0s and 1s. The transfer speed was limited, however. Technological evolution enabled this speed to reach a (theoretical) 56 Kbps. Companies that needed higher transfer speed continued to use specialized links as long as the advantages of accessing the network quickly and securely outweighed the additional costs.

In almost all countries, the network allowing most people to access the Internet belonged to a single operator in a monopoly situation, before deregulation (effective in Europe from 1st January 1998) allowed new operators to introduce competition, first for long-distance links. The "last mile," which links the telephone network to the end user, has only been open to competitors for a short time.

ISPs became the intermediaries between users and the Internet, thus creating a multi-level network: the users were connected to the ISPs, which were linked together through Global Internet eXchange points (GIX).

The exponential increase in the number of Internet users created some difficulties, for example, a shortage of available addresses. This led to a two-tier Internet: those who had one of these valuable permanent addresses could be reached at any moment (this is a necessary condition for a server, for instance), while the vast majority of users only had temporary addresses, which changed with each connection.

Differentiation among ISPs was low because their services, first reserved to their own clientele (as was the case for the online services of AOL, Compuserve or MSN in the beginning), were being made available more and more often to the entire community of Internet users, due to pressure exerted by content providers and stand-alone service providers.

The arrival of broadband

The limited capacities of the CTN made it necessary to set up a network truly dedicated to data transfer. We can break the current architecture of the network down into three large layers that each have not only their own issues, but also their own time scales:

• backbones and network cores

• distribution networks

• local loops

Backbones, network cores and ruinous competition

At the very top of the hierarchy, backbones and network cores were deployed at an extraordinary speed during the "Internet bubble." There was a very powerful phenomenon of anticipation regarding network capacity. These networks were primarily financed by the financial bubble and its mechanisms. During this period, operators anticipated that traffic would explode and therefore invested massively in backbone infrastructure. It was a race with the idea that the one who could mobilize the sufficient financial capacity quickly enough would have a greater chance of winning the competitive battle. With the support of the financial community and a certain number of industrials who found this inflation of network capacity to be in their own interest, backbone managers were able to install a very high-speed fiber optic network quite quickly. Today, we have excess capacity in terms of speed at the backbone level.

In this highly speculative market, the excess capacity, accelerated by the anticipation of risks and confronted with a demand that did not increase as was expected, set off a commercial war and a very fast drop in prices, leaving only a few large operators on the different levels of the network hierarchy. This phenomenon, known as "ruinous competition," is found in highly speculative markets. Under these circumstances, the actors do not include their fixed costs when setting their prices (in particular the amortization of their investments), but only their variable costs. In so doing, they hope to gain a large market share that will allow them eventually to reinvest in their infrastructures. However, to make such a strategy profitable in the long term, one must be able to guarantee the longevity of the acquired market share. This is not the case in the world of the Internet because long-term contracts are extremely rare.

One solution would have been to develop complete offers from the backbone to the end user. But the time scales of the different types of network are highly variable. Their development cycles are extremely different and this desynchronization generates great financial risks. ISPs, whether operators or not, are a fragile business model. The cost of changing providers is rather low for the end user, whereas the fixed costs of the ISP are high. This situation does not facilitate long-term strategies and ISPs tend to focus on locations that have good connectivity. The digital revolution therefore may worsen the territorial divide once Internet infrastructures begin adopting the new broadband paradigm.

Distribution networks, the intermediate level

A distribution network links the backbone to the local loop that reaches the end user. Distribution networks are therefore at the juncture of the two issues. Until recently, the distribution networks and most local loops (with the exception of certain specialized links) belonged to the historic operator. The distribution network was the first to be opened up to competition, before the local loop. Wishing to control their network, alternative operators extended their network cores down to the level of the telephone commutator. Quite recently, local authorities grasped the strategic value of developing high-speed distribution networks. If operators have a vertical view of their network, starting with backbones and network cores at the top and going down distribution networks and local loops to reach the end user, local authorities have a more horizontal view. Thus we have recently seen the emergence of municipal, departmental or regional networks, each proposing transport services for any operator or ISP interested.

The problem faced by distribution networks is therefore halfway between the ruinous competition that threatens backbones because the supply is far superior to the demand, and the difficulties of extending broadband to all subscribers, with incentives from national and local governments.

The "last mile" issue

Increasing the user's available bit rate made it necessary to stop using the telephone signal for data transfer. This does not mean that the telephone line running into most households is no longer useful for Internet access. With a few adaptations, the same telephone line can be used to transmit a second signal dedicated to broadband data transfer (xDSL technology, the best-known form of which is ADSL, requires two modems: one for the subscriber and one located in the telephone exchange). To be viable, this solution requires new equipment (DSLAMs) to be installed at the exchange and above all the subscriber must not be located too far from the telephone exchange (typically less than 3 km) to prevent the weakening of the signal from reducing the bit rate to that of a simple 56 Kbps modem. In other words, even if all the exchanges in France were equipped, a percentage of the French population would still not have high-speed access. However, other alternative technologies have been developed, including satellite access, wireless networks or access via power lines.

Competition exists between the different operators that had developed networks for gathering data in the earlier phase. To keep the arrival of broadband from cutting the country in two (those who can and those who cannot have access to broadband), the main challenge surrounds what telecommunications operators call the "last mile" (or local loop), and what more and more local authorities and users' associations call the "first mile," reflecting a bottom-up view.

A two-speed Internet?

Real determination is required to bring broadband access to the most remote locations because the returns on investments in distribution networks and local loops are not short-term. This determination could come from several actors:

France Telecom has launched a one billion euro investment plan to "bring broadband to France." Increased competition has forced the historic operator to stay ahead, even if this means only turning a profit on these new infrastructures in the long term.

Local authorities are seeking mutualization, or sharing the expense of setting up local infrastructures by means of the new levers provided by the recent Law for Confidence in the Digital Economy (Loi pour la Confiance dans l'Économie Numérique, or LCEN). Indeed, in the past local governments could only become involved in the implementation of passive infrastructures, and had to turn over their operation to a single operator. The new law also allows a local government to fund the active devices that enable "virtual sharing" of the network among the different local operators.

Developing these new infrastructures for broadband most often requires resources to be mutualized among the various operators. Setting up an average departmental distribution network represents an investment of 60 million euros, plus an annual operating budget of three or four million euros to be shared among the various operators... or to be supported by a single participant if there is no mutualization.

Which architectural model?

The process of mutualization has allowed new architectural models to be implemented. These models have economic impacts for the operators:

Metropolitan Information Exchanges (MIXs) enable local traffic (which represents 80% of all traffic) not to be rerouted through a GIX if it comes from different operators.

Neutral networks are managed by a neutral operator that agrees not to provide any services. The other operators are simply interconnected on the periphery of the network to offer competitive services (Internet, telephone, television). This allows them to share new prospective clients without any initial investment.

The different models authorized in the LCEN (delegating public service, forming public-private partnerships, etc.) facilitate private investment by providing public guarantees. In return, local authorities remain in control (on neutrality, rates and the field of action). The operator who obtains a public service delegation is nevertheless in competition because other operators could choose to set up their own networks (contrary to other types of networks with public service delegation, such as water).

Which economic models?

The diversity of time scales between the different types of networks poses problems of economic viability for both operators and ISPs.

The billing system used by broadband networks is mainly a set fee for unlimited access. This set fee must fund the networks' large hardware investments. The economics of services (discussed in Chapter 5) also has an impact on the economics of networks. There exists a hierarchy: the services (above IP layer) finance the development of the networks (below IP layer), the investments of which are financed by the operators or nowadays by the local authorities. But the economic models are made complex by the very slow take-off of micropayment on the Internet and by the difficulty of measuring, at an acceptable cost, the collective use and traffic generated with the "tribe" model. No model should be excluded from the outset because each may or may not prove to be relevant, depending on a number of variables. The operators and ISPs are placing their hopes on an increase in the demand for bandwidth, mainly due to the development of sound and video, rather than on an extension of broadband access into areas that are not yet covered; such an extension would require additional investments at a time when the previous investments have not yet been paid back.

The rise of broadband (and permanent Internet connections) has had great consequences on the economy of those involved in infrastructures. The limitations of the voice telephone network and the need to create a new network reaching the end user have made the invention of new models necessary and pushed for legislative change. The available bit rate should continue to grow. The last Comité Interministériel à l'Aménagement du Territoire set an objective for the year 2007 of 2 Mbps at home in the cities, 100 Mbps in the two thousand economic activity zones in France and at least three access points for small towns.

The next phase?

But the history of technology does not stop there. Faster Internet access and the permanent connection are not the only changes that affect the network infrastructures.

The arrival of "smart, communicating objects"

Since 2002, the number of micro-controllers (the chips that make up a complete tiny computer and enable the creation of "smart" objects) is higher than the number of human beings on the planet. At the same time, the arrival of "smart" RFID (Radio Frequency Identification) tags in 2004 has allowed objects to be enriched with communication features at a very low price. The fusion of these two approaches should lead to a strong growth in "smart, communicating objects." The Internet, which is today mainly centered around exchanges between people using computerized means (including asynchronous exchanges, as on the web), should quickly be completed by exchanges between people and objects and especially by exchanges among objects.

The history of computer science shows that we have gone from a model in which each computer had several users to the personal computer model, and now today to a model in which each user has several "smart" units. However, even if users are already surrounded by "smart" objects in their cars and daily life, they continue to think in a way inherited from the personal computer era.

Objects have different needs than computers

To apply the image used by Rafi Haladjian, the user today is surrounded by an "archipelago" of objects and not by a network of objects. Just as the Internet allowed computers to no longer be isolated and made them the cells of an information ecosystem, there now appears a new kind of network that allows this archipelago of objects to no longer be isolated, to be linked together. In this case, we speak of "pervasive networks."

The arrival of objects should have as much effect on the network structure as the last phase did, when available bit rate had to go beyond that of the existing telephone network. Objects do not need much available bit rate to be able to "communicate" with one another (but this is not necessarily true in the case of communication between people and objects). However, the object must be accessible from anywhere without a wire connection. In this case, wireless networks are interesting less for the mobility they allow than for the global coverage they provide, allowing the object to be constantly connected to the network, no matter where it is located.

The pervasive network

A pervasive network is a network that functions anywhere and at any time. Such a network must be agnostic: in other words, it is not up to a operator to decide what kinds of object will be connected. In a pervasive network, it is up to the ecosystem of uses, in a quasi-Darwinian model, to determine the objects that will be used, as well as their types of use. To enable the very large number of objects surrounding us to be connected, the pervasive network must not cost very much, must function on the basis of a set fee and must have enough bandwidth to transport the information of our "Personal Area Network" (PAN).

Under these conditions, the operator's role changes once again. In such a network, the connection must take place as transparently as possible. It would be impossible to manage a subscription and a specific configuration for each one of our objects. What's more, the operator's value lies not only with the connection service, but also with filtering links in order to ensure the privacy of certain links between the objects of a PAN. It is not a question of choosing one technology that is better than the others (for example, choosing between Wi-Fi and UMTS), but of being able to choose the best technology at the right time.

The first Wi-Fi pervasive networks

Nevertheless, the Wi-Fi wireless network technology inspires a real fascination. According to the pioneers in pervasive networks, these networks can be set up so simply that users themselves can create access networks. Today, for very little money, it is possible to connect a house to the neighbor's house across the street. There is a real "freshness" in users adopting this model easily in a sincere desire to take part in building the network. This is a return to the philosophy of the early days of the Internet, when users themselves were building the network to interconnect. However, Wi-Fi is not a comprehensive technical solution for pervasive networks. It was invented with the extremely modest ambition of linking peripheral devices together in a local network inside a building. But everyone has been taking this easy-to-use technology and using it to build both community networks and "tribes." This enthusiasm has been so intense that everyone has "got on Wi-Fi." The economy of scale has permitted large cost decreases for the hardware. This is why the first pervasive networks are emerging in Wi-Fi, even if other technologies (such as Zigbee or UWB) will no doubt soon appear. In its early days, the Internet was in a similar situation: it was a network of lower quality than the professional proprietary networks, but it won out because of its flexibility and because most people began using it.

Ambient intelligence

The notion of pervasive network leads to that of "ambient intelligence": from the moment when objects become "smart" and are permanently interconnected via a pervasive network, why not have them do something other than their initial purpose? All these "smart objects" could have addresses allowing them to be identified and to receive information so that they could broadcast alerts. Indeed, no matter how much bandwidth increases, the user's attention is irremediably limited.

Today, following the model proposed by the company Ozone, building a general pervasive network would permit all these "smart machines" to be interconnected, thereby opening up a communication sphere able to alert and inform at any time. Experiments are being conducted, including the Wi-Fi lamp made by the company Violet. This lamp transmits an SMS through a change in colors - this can be a message from a loved one or a rise in a company's stock price...

What economic models for pervasive networks?

The economic models of such wireless pervasive networks have yet to be invented. Each phase of the Internet has called into question the models used in previous phases without replacing them entirely. The technical architecture developed for the Internet has been able to adapt through the years with each change, despite radically different needs: going from a network of symmetric exchanges to a client/server network with the arrival of the web, a guaranteed bit rate across a best-effort IP network designed for voice, etc. New uses (peer-to-peer but also pervasive networks, etc.) mean new architectural challenges that are already being studied by laboratories.

However, will the regulations established for networks leave the necessary space for inventing new models that do not yet exist for the future phases of the Internet?

A few directions for further research

At the end of this description, it is clear that the knowledge society draws on infrastructures that the economy should enable to develop quickly without mortgaging the future. We are forced to observe that the earliest phases of the development of these networks represented a considerable innovative force. Today, we are confronted with two major challenges: enabling a network development that is not restricted by prior network architectures and opening this network up to the needs not only of people but also of objects.

Three directions could facilitate the emergence of broadband and pervasive networks:

The architectural aspects, even more than the technologies, have an impact on the economics of networks. The decision-makers within local authorities have a major responsibility during the development phases of the network. It is important to cast light on the architectural debates and their stakes, in order to allow the public authorities to draft relevant actions for planning and development.

Infrastructure set-up requires large investments that are made in a short time in a highly innovative context. New questions are raised by ruinous competition or the disparities in the profitability of developing different geographic areas. It is urgent to reflect on new economic models that would allow those involved to go along with these changes, while taking into consideration the problems posed by the quick obsolescence of the chosen solutions.

Furthermore, the Internet is a marvelous example of an architecture that has been able to adapt to needs that were undefined in the beginning. Beyond simply taking users' needs into account, the network of networks has been able to give users the means to appropriate it and to shape it according to those needs. This "plasticity" of the network is a fundamental factor of the innovation in its uses. We need to understand what the criteria are that enable this flexibility in order to orient our future choices, not towards what seems a priori to be the best solution today, but rather towards the solution that will allow the network and the people who use it to adapt to a world that is continually evolving and innovating.

If Internet governance is to preserve the interests of those involved, it must not hold back the future. Even the regulatory modes must be innovative to meet this two-fold challenge: maintaining balance as well as possible while encouraging the development of innovations.

Une régulation complète et cohérente

Jean-Michel CORNU — 2005-06-18T22:00:00Z

Au moment de réfléchir aux différentes formes que pourraient prendre une gouvernance de l'Internet, il est nécessaire de mieux comprendre comment une régulation qui par définition se veut complète et cohérente peur être appliqué à un monde complexe en réseau.

Notre monde est complexe. Cela ne veut pas dire qu'il est compliqué, mais plutôt que c'est un ensemble d'éléments qui interagissent ensemble. Que ceux-ci soient des citoyens, des consommateurs, des sociétés, des gouvernements ou n'importe quel autre organisme, le tout forme un réseau complexe de personnes et de groupes qui échangent entre eux.

Les lois de la complexité ont une particularité, elles s'appliquent à tous les domaines. Que le système soit formé de personnes, de machines ou de molécules, certaines règles s'exercent de la même façon. Les sciences de la complexité sont jeunes, mais elles peuvent ainsi s'enrichir des travaux réalisés dans différents domaines scientifiques : économie, sociologie, biologie ou physique par exemple. L'une de ces règles a été découverte en 1931 par le mathématicien et logicien Kurt Gödel. Il souhaitait savoir si les mathématiques (un système complexe où des « postulats » de départ interagissent entre eux) sont complètes et cohérentes, ce qui est la moindre des choses apparemment. Pourtant il arriva au résultat exactement inverse !

Nous pourrions résumer les deux théorèmes d'incomplétude et de cohérence limitée de Gödel en langage commun de la façon suivante : quand un système dépasse un certain seuil de complexité, il ne peut être à la fois complet et cohérent. Ce résultat produisit une véritable onde de choc. Mais pour en prendre la mesure, nous devons admettre qu'il s'applique à n'importe quelle sorte de système complexe, y compris les réseaux humains utilisés en économie, sociologie, politique...

Il n'est pas possible d'avoir à la fois de la complexité, de la cohérence et de la complétude. Les systèmes que nous mettons en place manqueront au moins un de ces trois objectifs. Si nous n'en sommes pas conscients, nous ne pourrons pas choisir celui auquel nous sommes prêt à renoncer. Nous pourrons même faillir sur deux d'entre eux ou sur la totalité.

Nous risquons ainsi de transformer un réseau complexe en un système « simpliste ». Pour réguler, il suffirait d'établir des liens entre un pouvoir central et chacune des personnes concernées sans prendre en compte les liens ENTRE les personnes. Mais dans le même temps nous perdrons une des caractéristiques les plus importantes des systèmes complexes : sa capacité d'auto-adaptation. L'adaptation, et donc la survie du système, ne dépendent alors plus que de la personne ou de l'organisme qui se retrouve au centre de ce système en étoile. Un tel système n'est plus complexe car tous les échanges se font uniquement entre le point central et un des participants. Une telle organisation ne peut fonctionner correctement que si on élimine toute possibilité d'échange entre les membres. Supprimer la complexité dans notre « société en réseau » est cependant encore moins facile que dans n'importe quelle période précédente.

Nous risquons également de mettre en place une régulation qui n'est pas complète. Comment s'appliquent les règles que détermine un comité décisionnel à ses propres membres ? Les représentants peuvent-ils se représenter eux-mêmes ? Ils font pourtant partie du « peuple » dont ils ont la représentation. Si nous souhaitons, pour être complet, que la régulation proposée s'applique à celui qui la met en œuvre, ce dernier se trouve alors face à une incohérence : son intérêt individuel peut se trouver en conflit avec l'intérêt général alors même qu'on lui a délégué la capacité de préserver cet intérêt général. Pour résoudre cette difficulté, nous présupposons que le décideur choisira systématiquement l'intérêt général. Pour en être plus sûr, nous mettrons en place une forme de surveillance du fonctionnement du système que nous espérerons... complète.

Fermer les yeux sur l'incohérence des intérêts, sur l'incomplétude de notre surveillance du système ou sur la tendance à supprimer les échanges entre membre pour réduire la complexité ne résout pas notre problème. Nous devons accepter que lois de la complexité interdisent aux systèmes que nous mettons en place d'être à la fois complexes, complets et cohérents.

Un éclairage intéressant nous a été apporté par Michel Serres lors d'un échange que nous avions eu. Il expliquait, en tant qu'ancien marin gascon, que sur un bateau il y avait toujours deux chefs : un chef de quart et un chef de pont. L'un punit, l'autre récompense. Il existe des cas de figure où un membre de l'équipage doit faire quelque chose d'interdit pour sauver le bateau. Dans ce cas, il est important qu'il soit récompensé, sinon la prochaine fois il ne sauvera pas le bateau. Mais il est également important qu'il soit puni, sinon chacun risque de ne plus respecter les consignes et le bateau se retrouve également en danger. En perdant la cohérence, il devient possible de conserver la complexité (un bateau est un système complexe qui doit s'adapter à son environnement) mais aussi de prendre en compte tous les cas de figure, y compris ceux très particuliers qui nécessitent cette double réaction. Plutôt que de perdre totalement la cohérence, l'idée consiste à utiliser deux décideurs. Chacun d'eux a sa propre cohérence même si leurs actions conjuguées peuvent sembler incohérentes entre elles. Cette approche, si elle permet une gestion de la complexité, n'est pas pour autant complète : que se passe-t-il si la personne à récompenser et punir est justement un des deux chefs ?

Nous retrouvons cette tension entre deux objectifs apparemment incohérents dans de nombreux autres cas. Norbert Alter, par exemple, décrit le processus d'innovation comme une tension entre le « créateur » et les « conservateurs ». C'est grâce à cette tension qu'une création peut ensuite être acceptée par le groupe pour devenir une innovation, c'est-à-dire une création que la collectivité s'est appropriée. Le rôle du chef consiste alors non plus à trancher définitivement pour l'une ou l'autre des parties mais à faciliter ce double courant pour mettre en place un environnement favorable d'où les innovations pourront émerger.

Dans toutes nos réflexions sur la gouvernance et les différents modes de régulation, nous devons prendre en compte que le monde dans lequel nous vivons est intrinsèquement complexe. Nous pouvons tenter de le simplifier pour qu'il puisse être concevable par un très petit nombre de ses membres. Nous pouvons également choisir de profiter de cette complexité et de sa capacité d'auto-adaptation. Dans ce cas, il nous appartient d'accepter en toute conscience de faire des concessions sur la cohérence et la complétude.

(mars 2005)