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太空互联网

新冠痊愈后,TCP/IP之父要建立太空互联网

IP on everything, even in space.

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发布于 2020年11月4日责编 : Vicky Xiao

还记得科幻片《星际穿越》里,宇航员库柏亲眼看到女儿墨菲和儿子汤姆的视频画面,体会到那种横跨时空的思念和绝望时,痛哭流涕的样子吗?

更令人不禁佩服的是,这一镜头也准确描绘了,在不可抵抗的宇宙物理法则之下,横跨时空的信息传递有多么艰难和缓慢。相对论的铁律无法被折弯。当库柏收到从黑洞另一边传来的视频,儿女早已长大成人,自己永远失去了陪伴他们成长的一段重要时光。

天上一日,人间十年。主创团队仅用这一个非常人性化的镜头,完美切中了电影“穿越时空的爱”的主题,令人印象深刻。

而在现实世界中,人类还没有发明出穿越黑洞的信息交换方式(就算有也缺乏测试条件)。事实上,就连宇航器和地面以及宇航器之间的通信,在很大程度上仍然依靠射频信号,复杂程度并没有想象的那么高,并且不同的系统也不存在互联一说。简单来说,太空中没有互联网。

那为什么不为星际通讯造一个互联网?

TCP/IP协议的共同发明者,图灵奖得主,被誉为“互联网之父”之一的 Vint Cerf,从1998年就开始想这个问题了。

今年已经76岁高龄的他,本就有高血压和冠状动脉疾病,属于高危人群,今年3月染上新冠,所幸痊愈。

近日,Cerf 就自己牵头的星际互联网协议 DTN 项目接受了 Quanta Magazine 的采访。

(点击 To Boldly Go Where No Internet Protocol Has Gone Before 查看)

Cerf 对于今天的互联网深感担忧,认为上面充斥着虚假信息、病毒软件和网络攻击。这也是为什么他已经将很大一部分精力转移到这个全新的“星际互联网”项目——或者更准确来说,为未来的星际互联网设计一套最关键的底层协议,就像 TCP/IP 之于我们所熟悉的互联网那样。

“和地球上的互联网相比,星际互联网是一个很令人耳目的新课题,它让我们可以聚焦在纯粹的科学结果上。”

为什么需要星际互联网?

如果你几个月前看了 SpaceX+NASA 的首次私人航天公司载人的宇宙空间站飞行直播,可能会记得,任务中间的各个阶段需要进行许多次的设备检查,通过语音沟通完成,一边说了一句话后,要过好几秒才能收到另外几边的答复。

这还只是在地球轨道上。未来人类要重返月球,要去到火星建立基地,还要执行更多的载人飞往更远太空的各种任务。考虑到地球、宇航器、卫星、其它星球的相对位置,以及天文级的距离,通话时延可能就会变成几十秒,甚至几分钟。

科学探索总是会有各种艰难的条件限制,过去几十年里,科学家也不得不适应这种超慢,无法即时得到结果的沟通习惯。以 NASA 的勇气号火星车为例,因为地面卫星站的天气原因,再加上距离远等各项因素,从发出命令到收到反馈,中间要过上几十分钟。更别提火星车的数据带宽只有28Kbps,还一开天线就过热。

那种感觉,是因为 Zoom 连不上而抱怨的人们,所想象不到的艰难……

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火星车传回的火星地表拼接照片

习惯了接近于无时延的互联网的地球人们,将来上了天怎么办?所以,要有星际互联网。

1998年, NASA 阿波罗计划的元老成员、太空通讯专家 Adrian Hooke 召集了包括 Cerf 在内的另外八个人,探讨一组很大的课题:未来的太空探索需要什么,有哪些是现在可以着手开始做的?

其中的一个重要问题,就是提高太空通讯的效率。Hooke 的小组思考,能否结合地球上的互联网的技术和逻辑,去改进太空通讯?

你可以这样理解:当时的太空通讯系统,在很大程度上是割裂和独家的。比方说A国发了一颗担负某个特定职责的卫星,而B国的另一项宇航任务临时需要中继通信,而A国卫星正好在中间,会发现两个系统的通讯方式不兼容,无法协同工作。

半个世纪以前,地球上为数不多的网络也是这样的。而 Cerf 被誉为互联网之父之一,正是因为 TCP/IP 作为底层协议,才成就了后来的全球互联网。到了太空中,人类也需要一个和 TCP/IP 扮演相似角色的底层协议,那将会是搭建星际互联网的基石。
 

Hooke 主导了后来的星际互联网底层协议计划,而 Cerf 成为了团队的重要技术专家,一直在做出贡献。这项事业,到今天已经持续超过20年。

(其实二人在各自行业的地位也颇为相似。Hooke 的职业生涯中主导和参与开发了许多太空通讯技术方面的协议和国际标准,还创办了国际太空机构合作组织 CCSDS,致力于推动各国官方太空组织的合作,其中就包括各国宇航器共享通讯协议。Hooke 已于2012年去世,Cerf 仍在继续老朋友的研究。)

在多年的探讨和研发过程中,团队总结出以下三大现行太空通讯的挑战,也即需要星际互联网的理由:

1)物理限制:星球有着不同的自转和公转情况,距离变化区间很大,导致星际通讯的用时长、窗口短、传输不稳定。根据估算,地球到火星的通讯时间至少数分钟,到冥王星则长达数个小时。如果碰到太阳喷发,错过最佳时机,等下一次窗口开放又不知要到什么时候。
 

2)传输量小:受制于卫星的质量、功耗、成本等硬件设计因素,目前传统太空通讯的数据负载量很小,而且数据带宽是不对称的,甚至可以达到上下行1:1000。

3)固定基础设施不存在:由于第一条,星球A到星球B的太空通讯,网络中的路由节点是随时变化的,因此就不存在一个固定的中继网络可以随时随地连接两个星球这种事存在。

比方说在地球上一个美国的设备想连接一个澳大利亚的网络,中间可能有无数种可能的中继路线(如下图)。而在太空中,两个设备建立通讯,需要根据星球运动和各种情况,提前规划和安排。

那么,Cerf 的团队所提出的星际互联网,究竟是什么样的呢?

DTN:干扰/延迟容忍网络

在2003年,Hooke、Cerf 等人共同发表了一篇论文《延迟容忍网络:星际互联网的一种实现方式》,正式提出了 DTN (delay-tolerant networking 延迟容忍网络) 作为一种星际互联网的协议标准。

本质上,DTN 协议采用的是和互联网相似的逻辑:将数据包作为基本传输单位,采用分组交换的通信方式(packet switching,也即数据在传输时分成若干段,每段为一个数据包);整个网络结构中存在着多个路由节点。
 

不一样之处在于,在地球的互联网里,路由节点只负责转发,不负责存储信息,如果整个路径有某一点断了,或者遇到网络阻塞等问题,路由节点会抛弃掉数据包——也就出现了我们常说的“丢包”现象。

而为了解决前面提到的太空通讯的三点挑战,DTN 的设计要求每个路由同时也要有存储数据的能力。比方说从地球传送数据到木星,中间需要火星上的一个路由器。但考虑到行星自转情况,或当时的火-土相对位置并不合适,导致数据无法被发过去。DTN 的设计要求火星路由不要舍弃,而是把数据包存储下来,适时再进行发送。

下图是论文里对 DTN 的网络结构的示意图,可以看到每一个路由节点都不是一个简单的点,而是一个代表星球的圆圈,考虑到自转以及在太空中移动的情况不同,和另一个星球之间的通讯路径和带宽都会有变化。

在理想的情况下,如果在足够多的星球上(包括地面上和轨道上)有足够多的路由节点,不敢说任何两个星球之间随时都可以建立连接,至少太空通讯的窗口会变得更多更长,通讯可以变得更加频繁。

很少人知道的是,Cerf 等人提出的 DTN 概念在15年前已经投入使用了!

为了解决前面提到的火星车数据传输问题,NASA JPL 的工程师通过类似于“OTA 固件升级”的方式,远程改写了火星车和发射到火星轨道上的卫星的通讯协议。

结果,火星车加上卫星,再加上澳大利亚、西班牙和美国的三台地面卫星站,已经成为了一个迷你版的 DTN 式星际互联网。
 

Cerf 的团队还在国际空间站上做了一次测试,让空间站的宇航员成功通过采用 DTN 作为底层协议的通讯方式,遥控一台位于德国的机器人。

这一测试对未来人类探索火星等地外行星有着很大的意义,毕竟科学家在地球上遥控火星车的延迟是20分钟,很可能一个操作发过去,几十分钟过去后发现车掉到悬崖下面,几十亿的投资泡汤了……未来当宇航员去到火星,可以不用登录,直接在火星轨道上操纵落地的火星车就行了。

除此之外,NASA 的深度撞击号探测器在执行探测哈特雷二号彗星的任务时,机上也搭载了 DTN 的通讯协议,帮助 Cerf 团队拓展了协议的测试范围。

深度撞击号在2013年传回了从大约700千米以外拍摄的哈特雷二号彗星照片,这也是自从人类1986年通过天文望远镜首次发现哈特雷二号以来,对该彗星拍摄的最清晰的一张照片:

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图片经过处理增强

2018年,Cerf 和谷歌同事 Brian Barritt(Cerf 还有一个身份是谷歌副总裁兼首席互联网布道师)共同发表了一篇新的论文,介绍了他们设计的 Loon SDN——一套用来管理 DTN 网络设备的软件定义网络和云服务。

Loon SDN 的名字你可能有点熟,这是因为它的技术底层来自于原 Google X 实验室(谷歌重组后改名为 X 登月实验室)的气球互联网项目 Project Loon。Loon SDN 能够根据情况按需配置无线网络结构,在地球大气层里和太空中的路由节点之间传送数据包。

你可以把它看作是太空中的 AWS 或者阿里云之类的云计算平台,让你更管理起太空通讯就像管理千里之外的一台服务器那样轻松。在软件即服务的时代,NASA 的下一代太空通讯架构设计,也在向着这个方向靠近。

尝试新的技术总是会遇到挑战,但 Cerf 对 DTN 很有信心。他认为这个协议已经得到足够测试了,也在努力说服更多太空机构和商业航天公司整合 DTN 到他们的系统里。

他经常会听到“这也太冒险了!”“给我证明你这东西管用!”之类的话。只有说服这些人,让更多搭载 DTN 的航天器——无论来自哪个国家、哪家公司,担负什么任务——飞到天上,才能真正建立起一个真正的星际互联网。

总是西装三件套的 Cerf 给人”科技绅士“的印象,其实他也有件著名的T恤,上面写着一句双关语 "I P on Everything"……

因为 Cerf 共同创造的 TCP/IP 协议,地球上的每一个互联网连接设备都有了一个地址。

如果 DTN 的理想能够实现,那 Cerf 又要有新的名誉加身:IP on everything, even in space...

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