Internet międzyplanetarny - Interplanetary Internet

Prędkość światła, zilustrowana tutaj przez wiązkę światła podróżującą z Ziemi na Księżyc , ograniczyłaby prędkość, z jaką wiadomości mogłyby przemieszczać się w międzyplanetarnym Internecie. W tym przykładzie podróż światła z Ziemi na Księżyc zajmuje 1,26 sekundy. Ze względu na duże odległości mogą wystąpić znacznie dłuższe opóźnienia niż w przypadku Internetu naziemnego.
Komunikacja Mars-Ziemia jest prostym przykładem międzyplanetarnego Internetu
Uproszczony przegląd Internetu międzyplanetarnego, komunikacja z Marsa do Ziemi

Międzyplanetarny Internet jest poczęte sieć komputerowa w przestrzeni, składający się z zestawu węzłów sieciowych , które mogą komunikować się ze sobą. Te węzły to orbitery planety (satelity) i lądowniki (np. łazik Curiosity , roboty) oraz stacje naziemne. Na przykład orbitery zbierają dane naukowe z łazika Curiosity na Marsie za pośrednictwem łączy komunikacyjnych w pobliżu Marsa, przesyłają dane na Ziemię przez bezpośrednie łącza z orbiterów marsjańskich do stacji naziemnych, a na końcu dane mogą być kierowane przez wewnętrzne Internet.

Komunikacja międzyplanetarna jest znacznie opóźniona przez odległości międzyplanetarne , dlatego wymagany jest nowy zestaw protokołów i technologii odpornych na duże opóźnienia i błędy. Międzyplanetarnej Internet jest sklep i naprzód sieć internets który jest często odłączony, ma bezprzewodowej sieci szkieletowej obarczona linki podatnych na błędy i opóźnienia, począwszy od kilkudziesięciu minut do nawet godziny, nawet gdy nie ma połączenia.

Wyzwania i powody

W podstawowej implementacji Internetu Międzyplanetarnego satelity krążące wokół planety komunikują się z satelitami innej planety. Jednocześnie planety te krążą wokół Słońca z dużymi odległościami, a tym samym wiele wyzwań staje przed komunikacją. Powody i wynikające z nich wyzwania to:

  1. Ruch i duże odległości między planetami : Komunikacja międzyplanetarna jest znacznie opóźniona z powodu odległości międzyplanetarnych i ruchu planet. Opóźnienie jest zmienne i długie, waha się od kilku minut (Ziemia-Mars) do kilku godzin (Pluton-Ziemia), w zależności od ich względnej pozycji. Komunikacja międzyplanetarna również zostaje zawieszona z powodu koniunkcji słonecznej , kiedy promieniowanie słoneczne utrudnia bezpośrednią komunikację między planetami. W związku z tym komunikacja charakteryzuje łącza stratne i przerywaną łączność łącza .
  2. Niski ładunek do osadzenia: satelity mogą przenosić tylko niewielki ładunek, co stanowi wyzwanie dla mocy, masy, rozmiaru i kosztów projektowania sprzętu komunikacyjnego. Skutkiem tego ograniczenia byłaby asymetryczna szerokość pasma. Ta asymetria osiąga proporcje do 1000:1 jako część szerokości pasma downlink:uplink.
  3. Brak stałej infrastruktury : Wykres uczestniczących węzłów w komunikacji określonej planety z konkretną planetą zmienia się w czasie ze względu na ciągły ruch. Trasy komunikacji planeta-planeta są zaplanowane i zaplanowane, a nie oportunistyczne.

Projekt Internetu międzyplanetarnego musi stawić czoła tym wyzwaniom, aby działać pomyślnie i osiągnąć dobrą komunikację z innymi planetami. Musi również efektywnie wykorzystywać nieliczne dostępne zasoby w systemie.

Rozwój

Technologia komunikacji kosmicznej stale ewoluowała od drogich, jedynych w swoim rodzaju architektur punkt-punkt, poprzez ponowne wykorzystanie technologii w kolejnych misjach, aż do opracowania standardowych protokołów uzgodnionych przez agencje kosmiczne wielu krajów. Ta ostatnia faza trwa od 1982 r. dzięki wysiłkom Komitetu Konsultacyjnego ds. Systemów Danych Kosmicznych (CCSDS), organu złożonego z głównych agencji kosmicznych świata. Ma 11 agencji członkowskich, 32 agencje obserwatorów i ponad 119 współpracowników przemysłowych.

Ewolucja standardów systemów danych kosmicznych przebiegała równolegle z ewolucją Internetu, przy czym owocne było zapylanie pojęciowe, ale w dużej mierze jako oddzielna ewolucja. Od późnych lat 90. znane protokoły internetowe i protokoły łączy kosmicznych CCSDS integrowały się i zbiegały na kilka sposobów; na przykład udany transfer plików FTP do orbitującego wokół Ziemi STRV 1B w dniu 2 stycznia 1996 r., który uruchamiał FTP przez protokoły CCSDS IPv4 podobne do specyfikacji protokołu komunikacji kosmicznej (SCPS). Wykorzystanie protokołu internetowego bez CCSDS miało miejsce na statkach kosmicznych, np. pokazy na satelicie UoSAT-12 , a operacyjnie na konstelacji monitorowania katastrof . Po osiągnięciu ery, w której sieć i IP na pokładzie statku kosmicznego okazały się wykonalne i niezawodne, następną fazą było wybiegające w przyszłość badanie szerszego obrazu.

ICANN spotkanie, Los Angeles , USA, 2007. namiot płaci humorystyczny hołd Ed Wood filmowej Plan 9 z kosmosu (1959), a system operacyjny Plan 9 , natomiast namedropping pionier Internetu Vint Cerf używając fałszywej ówczesny film Surf's Up (2007).

Międzyplanetarne badanie Internetu w NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) zostało zapoczątkowane przez zespół naukowców z JPL kierowany przez Vintona Cerfa i nieżyjącego już Adriana Hooke'a . Cerf jest jednym z pionierów Internetu na Ziemi, a obecnie zajmuje stanowisko wybitnego naukowca wizytującego w JPL. Hooke był jednym z założycieli i dyrektorów CCSDS.

Chociaż protokoły SCPS podobne do IP są wykonalne dla krótkich przeskoków, takich jak stacja naziemna do orbitera, łazik do lądownika, lądownik do orbitera, sonda do przelotu itd., potrzebna jest sieć odporna na opóźnienia , aby uzyskać informacje z jednego regionu Słońca. System do innego. Okazuje się, że koncepcja regionu jest naturalnym architektonicznym czynnikiem interplanetarnego Internetu.

Obszar jest obszarem, gdzie charakterystyka komunikacji są takie same. Cechy regionu obejmują komunikację, bezpieczeństwo, utrzymanie zasobów, być może własność i inne czynniki. Internet Międzyplanetarny to „sieć regionalnych sieci internetowych”.

Potrzebny jest wtedy standardowy sposób na osiągnięcie kompleksowej komunikacji przez wiele regionów w rozłączonym środowisku o zmiennym opóźnieniu przy użyciu uogólnionego zestawu protokołów. Przykładami regionów mogą być naziemny Internet jako region, region na powierzchni Księżyca lub Marsa albo region ziemia-orbita.

Uznanie tego wymogu doprowadziło do koncepcji „pakietu” jako ogólnego sposobu rozwiązania ogólnego problemu typu Store-and-Forward. Pakiety są obszarem opracowywania nowych protokołów w wyższych warstwach modelu OSI , powyżej warstwy transportowej, w celu rozwiązania problemu łączenia informacji typu „store-and-forward”, tak aby mogły one niezawodnie przemierzać radykalnie odmienne środowiska stanowiące „sieć regionalne sieci internetowe”.

Sieć odporna na opóźnienia (DTN) została zaprojektowana, aby umożliwić ustandaryzowaną komunikację na duże odległości i z opóźnieniem czasowym. W jego rdzeniu znajduje się coś, co nazywa się Bundle Protocol (BP), który jest podobny do protokołu internetowego lub IP, który służy jako serce Internetu na Ziemi. Duża różnica między zwykłym protokołem internetowym (IP) a protokołem pakietowym polega na tym, że IP zakłada płynną, kompleksową ścieżkę danych, podczas gdy BP jest zbudowany tak, aby uwzględniać błędy i rozłączenia — usterki, które często nękają komunikację w kosmosie.

Bundle Service Layering, zaimplementowany jako pakiet protokołów Bundling dla sieci odpornych na opóźnienia , zapewni ogólne usługi protokołów odpornych na opóźnienia w obsłudze szeregu aplikacji: transfer rozliczeniowy, segmentacja i ponowne składanie, kompleksowa niezawodność, kompleksowe zabezpieczenia, a wśród nich routing end-to-end. Protokół wiązki został po raz pierwszy przetestowany w kosmosie na satelicie UK-DMC w 2008 roku.

Misja Deep Impact .

Przykładem jednej z takich aplikacji typu end-to-end wykorzystywanej w misji kosmicznej jest protokół CCSDS File Delivery Protocol (CFDP), używany w misji kometowej Deep Impact . CFDP to międzynarodowy standard automatycznego, niezawodnego przesyłania plików w obu kierunkach. CFDP nie należy mylić z Coherent File Distribution Protocol , który ma ten sam akronim i jest udokumentowanym przez IETF protokołem eksperymentalnym do szybkiego wdrażania plików do wielu celów w wysoce sieciowym środowisku.

Oprócz niezawodnego kopiowania pliku z jednego podmiotu (takiego jak statek kosmiczny lub stacja naziemna) do innego podmiotu, CFDP ma możliwość niezawodnego przesyłania dowolnych małych komunikatów zdefiniowanych przez użytkownika w metadanych towarzyszących plikowi oraz niezawodnego przesyłania poleceń związane z zarządzaniem systemem plików, które mają być wykonywane automatycznie na zdalnym punkcie końcowym (takim jak statek kosmiczny) po pomyślnym odebraniu pliku.

Protokół

Standard telemetrii pakietowej opracowany przez Komitet Konsultacyjny ds. Systemów Danych Kosmicznych ( CCSDS ) definiuje protokół używany do transmisji danych instrumentów statku kosmicznego przez kanał głębokiej przestrzeni kosmicznej. Zgodnie z tym standardem obraz lub inne dane wysyłane z instrumentu statku kosmicznego są przesyłane za pomocą jednego lub więcej pakietów.

Definicja pakietu CCSDS

Pakiet to blok danych o długości, która może się zmieniać między kolejnymi pakietami, od 7 do 65 542 bajtów, łącznie z nagłówkiem pakietu.

  • Dane w pakietach są przesyłane za pośrednictwem ramek, które są blokami danych o stałej długości. Rozmiar ramki, w tym nagłówek ramki i informacje sterujące, może wynosić do 2048 bajtów.
  • Rozmiary pakietów są ustalane w fazie rozwoju.

Ponieważ długości pakietów są zmienne, ale długości ramek są stałe, granice pakietów zwykle nie pokrywają się z granicami ramek.

Uwagi dotyczące przetwarzania telekomunikacyjnego

Dane w ramce są zazwyczaj chronione przed błędami kanału za pomocą kodów korekcji błędów.

  • Nawet gdy błędy kanału przekraczają zdolność korekcji kodu korekcji błędów, obecność błędów jest prawie zawsze wykrywana przez kod korekcji błędów lub oddzielny kod wykrywania błędów.
  • Ramki, w których wykryto błędy, których nie można naprawić, są oznaczane jako niekodujące i zazwyczaj są usuwane.

Postępowanie w przypadku utraty danych

Usunięte niekodowalne całe ramki są głównym rodzajem utraty danych, który wpływa na skompresowane zestawy danych. Ogólnie rzecz biorąc, próba użycia skompresowanych danych z ramki oznaczonej jako niekodowalna niewiele by zyskała.

  • Gdy w ramce występują błędy, bity pikseli podpasma są już zdekodowane, zanim błąd pierwszego bitu pozostanie nienaruszony, ale wszystkie kolejne dekodowane bity w segmencie zwykle będą całkowicie uszkodzone; błąd jednobitowy jest często tak samo destrukcyjny, jak wiele błędów bitowych.
  • Co więcej, skompresowane dane są zwykle chronione przez potężne kody korekcji błędów o długich blokach, które są typami kodów, które z największym prawdopodobieństwem dadzą znaczne części błędów bitowych w tych ramkach, których nie można zdekodować.

Tak więc ramki z wykrytymi błędami byłyby zasadniczo bezużyteczne, nawet jeśli nie zostałyby usunięte przez procesor ramek.

Tę utratę danych można zrekompensować następującymi mechanizmami.

  • Jeśli błędna ramka umyka wykryciu, dekompresor ślepo użyje danych ramki, tak jakby były wiarygodne, podczas gdy w przypadku wykrytych błędnych ramek dekompresor może oprzeć swoją rekonstrukcję na niekompletnych, ale nie wprowadzających w błąd danych.
  • Jednak niezwykle rzadko zdarza się, że błędna ramka pozostaje niewykryta.
  • W przypadku ramek kodowanych kodem CCSDS Reed-Solomon mniej niż 1 na 40 000 błędnych ramek może uniknąć wykrycia.
  • Wszystkie ramki, które nie wykorzystują kodu Reeda-Solomona, wykorzystują kod wykrywania błędów cyklicznej kontroli nadmiarowej (CRC), który ma niewykryty współczynnik błędów klatek mniejszy niż 1 na 32 000.

Realizacja

Międzyplanetarna Grupa Specjalnych Interesów Internetowych Towarzystwa Internetowego pracowała nad zdefiniowaniem protokołów i standardów, które umożliwiłyby powstanie IPN. Grupa badawcza sieci odpornych na opóźnienia (DTNRG) jest główną grupą badającą sieci odporne na opóźnienia (DTN). Dodatkowe prace badawcze skupiają się na różnych zastosowaniach nowej technologii.

Anulowany Mars Telecommunications Orbiter miał na celu ustanowienie międzyplanetarnego łącza internetowego między Ziemią a Marsem, aby wspierać inne misje na Marsa. Zamiast korzystać z RF, wykorzystałby komunikację optyczną z wykorzystaniem wiązek laserowych w celu uzyskania wyższych szybkości transmisji danych. „Lasercom wysyła informacje za pomocą wiązek światła i elementów optycznych, takich jak teleskopy i wzmacniacze optyczne, a nie sygnałów RF, wzmacniaczy i anten”

NASA JPL kontynuowała testowanie protokołu DTN w swoim eksperymencie Deep Impact Networking (DINET) na pokładzie statku kosmicznego Deep Impact / EPOXI w październiku 2008 roku.

W maju 2009 DTN został wdrożony do ładunku na pokładzie ISS . NASA i BioServe Space Technologies, grupa badawcza z University of Colorado, nieprzerwanie testują DTN na dwóch komercyjnych generycznych urządzeniach do bioprzetwarzania (CGBA). CGBA-4 i CGBA-5 służyć jako obliczeniowa i komunikacji platform, które są zdalnie sterowane z BioServe za Payload Operations Control Center (POCC) w Boulder, Kolorado. W październiku 2012 r ISS Station dowódca Sunita Williams zdalnie sterowanego Mocup (Meteron Operations and Communications Prototype), robot Lego Mindstorms wielkości kota wyposażony w komputer BeagleBoard i kamerę internetową, znajdujący się w Europejskim Centrum Operacji Kosmicznych w Niemczech w eksperymencie wykorzystującym DTN. Te wstępne eksperymenty zapewniają wgląd w przyszłe misje, w których DTN umożliwi rozszerzenie sieci w przestrzeń kosmiczną w celu zbadania innych interesujących planet i punktów Układu Słonecznego. Postrzegana jako niezbędna do eksploracji kosmosu, DTN umożliwia terminowość zwrotu danych z aktywów operacyjnych, co skutkuje zmniejszeniem ryzyka i kosztów, zwiększeniem bezpieczeństwa załogi oraz lepszą świadomością operacyjną i nauką dla NASA i dodatkowych agencji kosmicznych.

DTN ma kilka głównych obszarów zastosowań, poza Internetem Międzyplanetarnym, który obejmuje sieci czujników, komunikację wojskową i taktyczną, odzyskiwanie po awarii, wrogie środowiska, urządzenia mobilne i zdalne placówki. Jako przykład odległej placówki wyobraź sobie odizolowaną arktyczną wioskę lub odległą wyspę z elektrycznością, jednym lub kilkoma komputerami, ale bez łączności. Dzięki dodaniu prostego bezprzewodowego punktu dostępowego w wiosce oraz urządzeń obsługujących DTN na, powiedzmy, psich zaprzęgach lub łodziach rybackich, mieszkaniec będzie mógł sprawdzić swoją pocztę e-mail lub kliknąć artykuł w Wikipedii, a jego prośby zostaną przekazane dalej do najbliższej lokalizacji sieciowej podczas następnej wizyty sań lub łodzi i uzyskaj odpowiedzi po ich powrocie.

Orbita Ziemi

Orbita ziemska jest wystarczająco blisko, aby można było użyć konwencjonalnych protokołów. Na przykład Międzynarodowa Stacja Kosmiczna jest podłączona do zwykłego naziemnego Internetu od 22 stycznia 2010 r., kiedy to opublikowano pierwszy tweet. Jednak stacja kosmiczna służy również jako użyteczna platforma do opracowywania, eksperymentowania i wdrażania systemów składających się na międzyplanetarny Internet. NASA i Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) wykorzystały eksperymentalną wersję międzyplanetarnego Internetu do sterowania łazikiem edukacyjnym, umieszczonym w Europejskim Centrum Operacji Kosmicznych w Darmstadt w Niemczech z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. W eksperymencie wykorzystano protokół DTN, aby zademonstrować technologię, która pewnego dnia może umożliwić komunikację podobną do Internetu, która może obsługiwać siedliska lub infrastrukturę na innej planecie.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki