NASA внедряет сеть с терпимостью к задержкам для улучшения космических коммуникаций

Передача/прием данных на Земле от любого космического аппарата — сложная задача, главным образом из-за огромных расстояний. Задержки и потери данных обычны при связи через тысячи и миллионы миль. Чтобы минимизировать эти задержки и потери, NASA работает над надежным интернет-соединением Солнечной системы, называемым Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN — сети с терпимостью к задержкам и нарушениям).

NASA использует 3 коммуникационные сети для передачи и приема сигналов на больших расстояниях, содержащие космические релейные спутники и распределенные наземные станции для поддержки космических миссий.

• Near Earth Network (NEN) — сеть ближнего космоса
• Space Network (SN) — космическая сеть
• Deep Space Network (DSN) — сеть глубокого космоса

Что именно такое DTN?

Предыдущие миссии NASA использовали одиночные реле или точечные связи (как телефонная система) для связи с аппаратами на низкой околоземной орбите и в глубоком космосе. Однако будущие концепции исследования включают гораздо более сложные системы с множеством узлов (вместо двух). Они будут работать как интернет-сети на Земле, включающие множество переходов через спутники и другие промежуточные узлы, закладывая основу для SSI (Solar System Internet — интернет Солнечной системы).

Как земной интернет, SSI предоставляет стандартную платформу, на которой широкий спектр приложений будет работать на сквозных сетевых сервисах. SSI будет использовать набор протоколов DTN почти во всех случаях, включая те с частыми нарушениями связи или большими задержками света, где традиционные IP (интернет-протоколы) не работают.

DTN — конкретный набор правил передачи данных, часто называемый набором протоколов, расширяющий возможности обычного интернета для работы в космической среде на экстремальных расстояниях. Эти среды обычно подвержены частым нарушениям, высоким ошибкам, долгим задержкам и однонаправленным связям.

Solar System Internet с протоколом DTN: Источник изображения — NASA

Как работает DTN?

Протоколы DTN могут работать с земными IP или автономно. Используют автоматический метод store-and-forward (храни-и-пересылай), гарантирующий доставку данных. Если передача пакета сейчас невозможна, система сохраняет его для будущей передачи. Следовательно, при использовании Disruption Tolerant Networking требуется доступность только следующего прыжка.

Как и обычный интернет-стек, DTN включает управление сетью, маршрутизацию, безопасность и качество обслуживания. Хотя предназначен для космических приложений, он может быть полезен и для наземных приложений, где распространены высокие ошибки и частые нарушения.

На изображении выше показана передача данных из космоса на Землю через космический habitat и 2 реле связи с использованием DTN. Коммуникационные линии между активами не всегда доступны.

В настоящее время протоколы DTN разрабатываются NASA AES (Advanced Exploration Systems), и они поддерживают стандартизацию DTN через IETF (Internet Engineering Task Force) и CCSDS (Committee for Space Data Systems). Все эти протоколы DTN будут открытыми международными стандартами. Несколько реализаций DTN уже существуют и публично доступны, например ION (Interplanetary Overlay Network).

Источник: NASA

Преимущества

Улучшенные операции и ситуационная осведомленность — DTN дает больше понимания событий при сбоях связи из-за передачи наземных станций, плохих атмосферных условий или реле. DTN значительно снижает необходимость планирования наземных станций для приема/передачи информации, что обычно занимает до 5 дней планирования.

Эффективность и надежность космических каналов — DTN обеспечивает эффективную и более надежную передачу данных, позволяя большую полосу пропускания. Надежность канала улучшается множественными сетевыми путями и активами для передачи.

Безопасность — протоколы DTN позволяют аутентификацию, проверки целостности и шифрование на всех каналах.

Взаимодействие и повторное использование — протоколы DTN обеспечивают взаимодействие космических аппаратов (оперируемых любым правительственным или частным агентством) и наземных станций. Кроме того, позволяет NASA использовать одни протоколы для будущих миссий, будь то низкая околоземная орбита или глубокий космос.

Качество обслуживания — протоколы DTN позволяют устанавливать несколько уровней приоритета для разных типов данных, чтобы важные пакеты отправлялись раньше менее важных.

Читайте также: 10 правил кодирования NASA для написания программ критической безопасности

Эксперименты

Первый DTN-эксперимент проведен 10 июля 2009 года — загрузка определенного набора изображений через плановый переключатель TDRSS (Tracking & Data Relay Satellite System). Во время эксперимента наземно-космические и космико-наземные каналы прерывались на несколько минут. Демонстрация DTN-на-ISS прошла успешно.

В следующем тесте использовали DTN для беспилотных операций. Тест длился 3 дня, генерировалось 14 файлов в час. Обычная передача дала 3504 избыточных приема на файл (в среднем), в то время как DTN показал удивительный результат — только 0,06 избыточных приема на файл.

ISS внедрил институциональный сервис DTN в мае 2016 года, улучшив надежность передачи научных данных полезной нагрузки и снизив накладные расходы и планирование.

20 ноября 2017 года селфи, сделанное на станции McMurdo Национального научного фонда в Антарктиде, отправлено на МКС с использованием протокола DTN. На селфи инженеры NASA Марк Синкиат, Питер Феттерер и Салем Эль Нимри держат фото Винта Серфа, помогшего разработать технологию.

DTN-софт на смартфоне отправил селфи в путь к МКС. Пакеты прошли от наземной станции McMurdo к комплексу White Sands NASA через TDRS. Затем набор DTN-узлов переслал пакеты в Marshall Space Flight Center в Алабаме — точку доступа DTN-сети. Пакеты пересылались на космическую станцию через еще одно TDRS-соединение, где маршрутизировались к демонстрационной полезной нагрузке TRek (Telescience Resource Kit). Последний DTN-узел извлек данные изображения из пакетов, и полезная нагрузка восстановила оригинальное фото и отобразила его на борту МКС.

Читайте также: 13 крупнейших будущих миссий NASA

Это недавние эксперименты с DTN. Сейчас команда AES DTN работает с SCaN (Space Communications and Navigation) и IPNSIG (InterPlanetary Networking Special Interest Group) для реализации SSI.