Interplanetáris internet - Interplanetary Internet

A fény sebessége, amelyet itt a Földről a Holdra tartó fénysugár illusztrál , korlátozná azt a sebességet, amellyel az üzenetek képesek lennének utazni a bolygóközi interneten. Ebben a példában a fény a Földtől a Holdig 1,26 másodpercig tart. A nagy távolságok miatt sokkal hosszabb késések keletkezhetnek, mint a Földhöz kötött interneten.
Számítógépes hálózatok típusai
térbeli hatókör szerint
Adathálózatok osztályozása térbeli hatókör szerint.svg
Internet
Az internetes útvonalak megjelenítése
Az Opte Project vizualizálja az útvonalak útvonalát az Internet egy részén
Tábornok
Kormányzás
Információs infrastruktúra
Szolgáltatások
Történelem
Útmutatók
Kristálytiszta alkalmazás linneighborhood.svg Internetes portál
A Mars -Föld kommunikáció az Interplanetary Internet egyszerű példája
Egyszerűsített bolygóközi internetes áttekintés, Mars -Earth kommunikáció

A bolygóközi internet egy, az űrben kialakított számítógépes hálózat , amely hálózati csomópontokból áll, amelyek képesek kommunikálni egymással. Ezek a csomópontok a bolygó pályái (műholdak) és leszállók (pl. Curiosity Rover , robotok), valamint a földi földi állomások. Például a keringők a Mars-közeli kommunikációs kapcsolatokon keresztül gyűjtik a tudományos adatokat a Curiosity roverről a Marson, továbbítják az adatokat a Földre a Mars-pályák közvetlen kapcsolatain keresztül a Föld földi állomásaihoz, és végül az adatok a Föld belső részein keresztül továbbíthatók. Internet.

A bolygóközi kommunikációt nagymértékben késleltetik a bolygóközi távolságok, ezért új protokollkészletre és technológiára van szükség, amelyek tolerálják a nagy késéseket és hibákat. A bolygóközi internet az internet tároló és továbbító hálózata , amely gyakran megszakad, vezeték nélküli gerince tele van hibára hajlamos kapcsolatokkal és késésekkel, amelyek több tíz perctől pár óráig terjednek, még akkor is, ha van kapcsolat.

Kihívások és okok

A bolygóközi internet alapvető megvalósításában a bolygó körül keringő műholdak kommunikálnak más bolygó műholdjaival. Ezzel párhuzamosan ezek a bolygók nagy távolságokban keringnek a Nap körül, és így számos kihívás szembesül a kommunikációval. Az okok és az ebből adódó kihívások a következők:

  1. A bolygók közötti mozgás és nagy távolságok : A bolygóközi kommunikáció nagymértékben késik a bolygóközi távolságok és a bolygók mozgása miatt. A késleltetés változó és hosszú, pár perctől (Föld – Mars) és néhány óráig (Plútó – Föld) terjedhet, relatív helyzetüktől függően. A bolygóközi kommunikáció is felfüggeszti a nap együttállása miatt, amikor a napsugárzás akadályozza a bolygók közötti közvetlen kommunikációt. Mint ilyen, a kommunikáció a veszteséges kapcsolatokat és a szakaszos kapcsolatokat jellemzi .
  2. Alacsony beágyazható hasznos terhelés: a műholdak csak kis teherbírást képesek hordozni, ami kihívást jelent a kommunikációs hardvertervezés teljesítménye, tömege, mérete és költségei előtt. E korlátozás eredménye aszimmetrikus sávszélesség lenne. Ez az aszimmetria lefelé irányuló: felfelé irányuló sávszélesség -részként eléri az 1000: 1 arányt.
  3. Rögzített infrastruktúra hiánya : Egy adott bolygón részt vevő csomópontok grafikonja egy adott bolygó kommunikációjához, az állandó mozgás miatt az idő múlásával folyamatosan változik. A bolygók közötti kommunikáció útvonalai inkább megtervezettek és ütemezettek, mintsem oportunisták.

A bolygóközi internetes tervezésnek meg kell felelnie ezeknek a kihívásoknak a sikeres működéshez és a jó kommunikációhoz más bolygókkal. Ezenkívül hatékonyan kell felhasználnia a rendszerben rendelkezésre álló kevés erőforrást.

Fejlődés

Az űrkommunikációs technológia folyamatosan fejlődött a drága, egyedülálló pont-pont architektúráktól, a technológia újbóli felhasználásáig az egymást követő küldetéseken, és számos ország űrügynökségei által elfogadott szabványos protokollok kidolgozásáig. Ez az utolsó fázis 1982 óta zajlik az Űradatrendszerek Tanácsadó Bizottsága (CCSDS) erőfeszítései révén , amely testület a világ legnagyobb űrügynökségeiből áll. 11 tagügynökséggel, 32 megfigyelő ügynökséggel és több mint 119 ipari társulással rendelkezik.

Az űradatrendszer-szabványok fejlődése az internet fejlődésével párhuzamosan ment végbe, ahol a fogalmi kereszthullámzás eredményes volt, de nagyrészt külön fejlődésként. Az 1990 -es évek vége óta az ismerős internetes protokollok és a CCSDS űrkapcsolati protokollok többféle módon integrálódtak és konvergáltak; például a sikeres FTP fájlátvitel a Föld körül keringő STRV 1B -re 1996. január 2-án, amely FTP-t futtatott a CCSDS IPv4-szerű Space Communications Protocol Specifications (SCPS) protokollokon. Az internetprotokoll CCSDS nélküli használata űrhajókon történt, például az UoSAT-12 műholdon és a katasztrófavédelmi csillagképen . Miután elértük azt a korszakot, amikor a hálózatépítés és az IP az űrhajók fedélzetén megvalósíthatónak és megbízhatónak bizonyult, a következő fázis a nagyobb kép előremutató vizsgálata volt.

ICANN találkozó, Los Angeles , USA, 2007. A sátor tréfás tisztelettel tiszteleg az Ed Wood film Plan 9 from Outer Space (1959) és a Plan 9 operációs rendszer a Bell Labs előtt , miközben az internet úttörőjének, Vint Cerfnek nevezte el a hamisítvány felhasználásával. egy akkor aktuális film, a Surf's Up (2007).

A NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bolygóközi internetes tanulmányát a JPL tudóscsoportja kezdte, Vinton Cerf és néhai Adrian Hooke vezetésével . Cerf az internet egyik úttörője a Földön, és jelenleg a JPL kiváló vendégtudósa. Hooke a CCSDS egyik alapítója és igazgatója volt.

Míg az IP-szerű SCPS protokollok rövid ugrásoknál, például földi állomásról keringőre, roverről landolóra, leszállóról keringőre, szonda repülni, stb. Megvalósíthatók, a Solar egyik régiójából származó információk megszerzéséhez késleltető hálózatra van szükség. A rendszer másikra. Nyilvánvalóvá válik, hogy a régió fogalma az interplanetáris internet természetes építészeti tényezője.

A régió olyan terület, ahol a kommunikáció jellemzői azonosak. A régió jellemzői közé tartozik a kommunikáció, a biztonság, az erőforrások fenntartása, esetleg a tulajdonlás és egyéb tényezők. A bolygóközi internet a "regionális internetek hálózata".

Szükség van tehát egy szabványos módra a végpontok közötti kommunikáció eléréséhez több régión keresztül egy leválasztott, változó késleltetésű környezetben egy általános protokollkészlet használatával. A régiók példái közé tartozik a földi Internet mint régió, a Hold vagy a Mars felszínének régiója, vagy a föld-pálya régió.

Ennek a követelménynek a felismerése vezetett a „csomag” koncepciójához, amely magas szintű megoldás az általános Store-and-Forward probléma kezelésére. A csomagok új protokollfejlesztési terület az OSI modell felső rétegeiben , a szállítási réteg felett, azzal a céllal, hogy foglalkozzanak a tárolás és továbbítás információcsomagolásának problémájával, hogy megbízhatóan át tudjon lépni a radikálisan eltérő környezeteken, amelyek "hálózatot" jelentenek regionális internet ”.

A késéstűrő hálózatokat (DTN) úgy tervezték, hogy lehetővé tegyék a szabványos kommunikációt nagy távolságokon és késéseken keresztül. Ennek lényege a Bundle Protocol (BP), amit az Internet Protokollhoz vagy az IP -hez hasonlítanak, ami itt, a Földön az Internet szívét szolgálja. A nagy különbség a szokásos Internet Protokoll (IP) és a Bundle Protocol között az, hogy az IP zökkenőmentes, végpontok közötti adatútvonalat feltételez, míg a BP a hibák és a bontások figyelembevételére épül-hibák, amelyek általában sújtják a mélytérbeli kommunikációt.

A Bundle Service Layering, amelyet a késleltető hálózatok Bundling protokollkészleteként valósítottak meg, általános célú késleltetéstűrő protokollszolgáltatásokat nyújt számos alkalmazás támogatására: letétkezelési átvitel, szegmentálás és összeszerelés, végpontok közötti megbízhatóság, végső a végpontok közötti biztonság és a végpontok közötti útválasztás közöttük. A Bundle Protokollt először 2008 - ban tesztelték az űrben az Egyesült Királyság-DMC műholdon .

A Deep Impact küldetés.

Az egyik űrmissziós, végpontok közötti alkalmazás egyik példája a CCSDS File Delivery Protocol ( CFDP ), amelyet a Deep Impact üstökös küldetésén használnak. A CFDP nemzetközi szabvány az automatikus, megbízható fájlátvitelhez mindkét irányban. A CFDP -t nem szabad összetéveszteni a koherens fájlterjesztési protokollal , amelynek ugyanaz a rövidítése, és amely egy IETF -dokumentált kísérleti protokoll a fájlok gyors telepítéséhez több célponthoz erősen hálózatos környezetben.

Amellett, hogy a CFDP megbízhatóan átmásol egy fájlt egy entitásból (például űrhajóból vagy földi állomásról) egy másik entitásba, a CFDP képes megbízhatóan továbbítani a felhasználó által a fájlhoz tartozó metaadatokban meghatározott tetszőleges kis üzeneteket , és megbízhatóan továbbítani a parancsokat. fájlrendszer-kezeléssel kapcsolatos, amelyeket a fájl sikeres fogadása után automatikusan végrehajtani kell a távoli végpont-entitáson (például űrhajón).

Jegyzőkönyv

Az űradatrendszerek konzultatív bizottsága ( CCSDS ) csomag telemetriai szabványa meghatározza az űrhajó műszeradatainak mélytér -csatornán történő továbbítására használt protokollt. Ennek a szabványnak megfelelően egy űrhajóműszerről küldött kép vagy más adat egy vagy több csomag használatával kerül továbbításra.

CCSDS csomagmeghatározás

A csomag olyan adatblokk, amelynek hossza az egymást követő csomagok között változhat, 7 és 65 542 bájt között, beleértve a csomag fejlécét.

  • A csomagolt adatokat kereteken keresztül továbbítják, amelyek rögzített hosszúságú adatblokkok. A keret mérete, beleértve a keretfejlécet és a vezérlő információkat, akár 2048 bájt is lehet.
  • A csomagok méretét a fejlesztési szakaszban rögzítik.

Mivel a csomagok hossza változó, de a kerethosszak fixek, a csomaghatárok általában nem esnek egybe a kerethatárokkal.

Távközlési feldolgozási megjegyzések

A keretben lévő adatokat jellemzően hibajavító kódok védik a csatornahibáktól.

  • Még akkor is, ha a csatornahibák meghaladják a hibajavító kód korrekciós képességét, a hibák jelenlétét szinte mindig a hibajavító kód vagy egy külön hibakeresési kód észleli.
  • Azok a keretek, amelyeknél javíthatatlan hibákat észlelnek, dekódolhatatlanként vannak megjelölve, és általában törlődnek.

Adatvesztés kezelése

A törölt, dekódolhatatlan teljes képkockák az adatvesztés fő típusai, amelyek hatással vannak a tömörített adathalmazokra. Általában kevés haszna származik abból, ha megpróbálunk tömörített adatokat használni egy dekódolhatatlanként megjelölt keretből.

  • Ha hibák vannak egy keretben, akkor az alsáv képpontjainak bitjei már dekódoltak, mielőtt az első bithiba érintetlen marad, de a szegmens összes későbbi dekódolt bitje általában teljesen megsérül; Egy bites hiba gyakran ugyanolyan zavaró, mint sok bites hiba.
  • Ezenkívül a tömörített adatokat általában erőteljes, hosszú blokkhosszúságú hibajavító kódok védik, amelyek azok a kódtípusok, amelyek a legvalószínűbbek, hogy a bites hibák jelentős töredékeit hozzák létre azokban a keretekben, amelyek dekódolhatatlanok.

Így az észlelt hibákat tartalmazó keretek lényegében használhatatlanok lennének, még akkor is, ha azokat a keretprocesszor nem törölte.

Ez az adatvesztés a következő mechanizmusokkal kompenzálható.

  • Ha egy hibás keret elkerüli az észlelést, a dekompresszor vakon használja a keretadatokat, mintha azok megbízhatóak lennének, míg észlelt hibás keretek esetén a dekompresszor a hiányos, de nem félrevezető adatokra alapozhatja rekonstrukcióját.
  • Rendkívül ritka azonban, hogy egy hibás keret észrevétlen marad.
  • A CCSDS Reed – Solomon kóddal kódolt képkockák esetében 40 000 hibás képkockából kevesebb, mint 1 kerülheti el az észlelést.
  • Minden olyan képkocka, amely nem használja a Reed – Solomon kódot, ciklikus redundancia-ellenőrző (CRC) hibafelismerő kódot használ , amelynek felderítetlen képkockázati aránya kisebb, mint 1 a 32 000-ből.

Végrehajtás

Az Internet Society InterPlanetary Internet Special Interest Group dolgozott azon protokollok és szabványok meghatározásán, amelyek lehetővé teszik az IPN -t. A Késleltetőtűrő Hálózatkutató Csoport (DTNRG) az elsődleges csoport, amely a késleltetés-toleráns hálózatokat (DTN) kutatja . A további kutatási erőfeszítések az új technológia különböző felhasználási lehetőségeire összpontosítanak.

A törölt Mars Távközlési Orbitert úgy tervezték, hogy bolygóközi internetkapcsolatot létesít a Föld és a Mars között, más Mars -küldetések támogatása érdekében. Az RF használata helyett optikai kommunikációt használt volna lézersugarak használatával a nagyobb adatátviteli sebesség érdekében. "A Lasercom fénysugarak és optikai elemek, például távcsövek és optikai erősítők segítségével küld információt, nem pedig RF jeleket, erősítőket és antennákat."

A NASA JPL 2008 októberében folytatta a DTN protokoll tesztelését Deep Impact Networking (DINET) kísérletével a Deep Impact / EPOXI űrszonda fedélzetén.

2009 májusában a DTN -t az ISS fedélzetén lévő hasznos teherre telepítették . A NASA és a Colorado Egyetem kutatócsoportja, a BioServe Space Technologies folyamatosan teszteli a DTN -t két kereskedelmi generikus biofeldolgozó berendezésen (CGBA). A CGBA-4 és a CGBA-5 számítási és kommunikációs platformként szolgálnak, amelyeket a BioServe Boulder, CO. (Payload Operations Control Center, POCC) távvezérel. 2012 októberében az ISS állomás parancsnoka, Sunita Williams távolról működtette a Mocup-ot (Meteron Operations and Communications Prototype), egy "macska méretű" Lego Mindstorms robot, BeagleBoard számítógéppel és webkamerával felszerelve, a németországi Európai Űrműveleti Központban , DTN-t használó kísérletben. Ezek a kezdeti kísérletek betekintést nyújtanak a jövőbeli küldetésekbe, ahol a DTN lehetővé teszi a hálózatok kiterjesztését a mély űrbe, hogy felfedezzék a többi bolygót és a Naprendszer érdekes pontjait. Az űrkutatáshoz szükségesnek tekintett DTN lehetővé teszi az operatív eszközökből származó adatok időben történő visszaadását, ami csökkenti a kockázatot és a költségeket, növeli a személyzet biztonságát, és javítja az operatív tudatosságot és a tudomány visszatérését a NASA és további űrügynökségek számára.

A DTN -nek az interplanetáris interneten kívül számos jelentős alkalmazási területe van, amelyek magukban foglalják az érzékelőhálózatokat, a katonai és taktikai kommunikációt, a katasztrófa utáni helyreállítást, az ellenséges környezeteket, a mobil eszközöket és a távoli előőrsöket. Példaként egy távoli előőrsre képzeljünk el egy elszigetelt sarkvidéki falut vagy egy távoli szigetet, ahol van áram, egy vagy több számítógép, de nincs kommunikációs kapcsolat. Egy egyszerű vezeték nélküli hotspot hozzáadásával a faluban, valamint DTN-kompatibilis eszközökkel, például kutyaszánokon vagy halászhajókon, a lakos ellenőrizheti az e-mailjeit, vagy rákattinthat egy Wikipédia-cikkre, és továbbíthatja kéréseit. a legközelebbi hálózatba kötött helyre a szán vagy a csónak következő látogatásakor, és visszaérkezve kapja meg a válaszokat.

Föld pályája

A Föld pályája kellően közel van ahhoz, hogy hagyományos protokollokat lehessen használni. Például a Nemzetközi Űrállomás 2010. január 22 -e óta csatlakozik a szokásos földi internethez, amikor közzétették az első segély nélküli tweetet. Az űrállomás azonban hasznos platformként is szolgál a bolygóközi internetet alkotó rendszerek kifejlesztésére, kísérletezésére és megvalósítására. A NASA és az Európai Űrügynökség (ESA) a bolygóközi internet kísérleti verzióját használta egy oktatójármű irányítására, amelyet a Nemzetközi Űrállomásról helyeztek el a németországi Darmstadtban, az Európai Űrműveleti Központban. A kísérlet a DTN protokoll segítségével demonstrálta azt a technológiát, amely egy napon lehetővé teszi az internethez hasonló kommunikációt, amely támogatja egy másik bolygó élőhelyeit vagy infrastruktúráját.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek