| Типы компьютерных сетей по пространственному размеру |
|---|
 |
| Интернет |
|---|
 |
|
| Интернет-портал |
Книга
ИндексМежпланетный Интернет является продумана компьютерной сетью в пространстве, состоящий из множества узлов сети , которые могут взаимодействовать друг с другом. [1] [2] Эти узлы являются орбитальными аппаратами (спутниками) и посадочными модулями планеты (например, марсоходом Curiosity , роботами) и наземными наземными станциями. Например, орбитальные аппараты собирают научные данные с марсохода Curiosity на Марсе через околоземные каналы связи, передают данные на Землю по прямым каналам с орбитальных аппаратов Марса на наземные станции Земли, и, наконец, данные могут быть направлены через внутренние каналы Земли. Интернет. [3]
Межпланетная связь сильно задерживается из-за межпланетных расстояний, поэтому требуется новый набор протоколов и технологий , устойчивых к большим задержкам и ошибкам. [2] Межпланетный Интернет - это промежуточная сеть Интернет, которая часто отключается, имеет беспроводную магистраль, чреватую подверженными ошибкам ссылками и задержками в диапазоне от десятков минут до даже часов, даже при наличии соединения. [4]
Проблемы и причины [ править ]
В основной реализации Межпланетного Интернета спутники, вращающиеся вокруг планеты, связываются со спутниками других планет. В то же время эти планеты обращаются вокруг Солнца на большие расстояния, и поэтому перед коммуникациями стоит множество проблем. Причины и возникшие проблемы: [5] [6]
- Движение и большие расстояния между планетами : межпланетная связь сильно задерживается из-за межпланетных расстояний и движения планет. Задержка переменная и большая, от пары минут (Земля-Марс) до пары часов (Плутон-Земля), в зависимости от их относительного положения. Межпланетное сообщение также прерывается из-за соединения Солнца , когда солнечное излучение препятствует прямому сообщению между планетами. Таким образом, коммуникация характеризует связи с потерями и прерывистое соединение .
- Малая встраиваемая полезная нагрузка: спутники могут нести только небольшую полезную нагрузку, что создает проблемы с точки зрения мощности, массы, размера и стоимости для проектирования коммуникационного оборудования. Асимметричная полоса пропускания была бы результатом этого ограничения. [7] Эта асимметрия достигает соотношений до 1000: 1 как часть полосы пропускания нисходящей линии связи: восходящей линии связи.
- Отсутствие фиксированной инфраструктуры : график узлов, участвующих в конкретной планете, для связи с конкретной планетой, продолжает меняться с течением времени из-за постоянного движения. Маршруты межпланетного сообщения планируются и планируются, а не конъюнктурно.
Дизайн Межпланетного Интернета должен решать эти проблемы для успешной работы и достижения хорошей связи с другими планетами. Он также должен эффективно использовать немногочисленные доступные ресурсы в системе.
Развитие [ править ]
Технологии космической связи неуклонно эволюционировали от дорогостоящих единственных в своем роде двухточечных архитектур к повторному использованию технологий в последовательных полетах и к разработке стандартных протоколов, согласованных космическими агентствами многих стран. Этот последний этап продолжается с 1982 года благодаря усилиям Консультативного комитета по системам космических данных (CCSDS) [8], органа, состоящего из крупнейших космических агентств мира. В его состав входят 11 агентств-членов, 32 агентства-наблюдателя и более 119 промышленных партнеров. [9]
Эволюция стандартов систем космических данных происходила параллельно с развитием Интернета, с концептуальным перекрестным опылением, которое было плодотворным, но в основном как отдельная эволюция. С конца 1990-х годов знакомые Интернет-протоколы и протоколы космической связи CCSDS интегрировались и объединялись несколькими способами; например, успешная передача файлов по протоколу FTP на орбитальную станцию STRV 1B 2 января 1996 г., при которой FTP выполнялся по протоколам CCSDS IPv4-like Space Communications Protocol Specification (SCPS). [10] [11] Использование интернет-протокола без CCSDS имело место на космических аппаратах, например, демонстрации на спутнике UoSAT-12 , а также в эксплуатации наСозвездие мониторинга стихийных бедствий . Достигнув эпохи, когда сети и IP на борту космических кораблей доказали свою осуществимость и надежность, следующим этапом стало перспективное исследование более широкой картины. [ необходима цитата ]
Исследование межпланетного Интернета в Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА было начато группой ученых JPL под руководством Винтона Серфа и покойного Адриана Гука . [12] Серф - один из пионеров Интернета на Земле, и в настоящее время он занимает должность выдающегося приглашенного ученого в JPL. Гук был одним из основателей и директоров CCSDS. [ необходима цитата ]
Хотя протоколы SCPS, подобные IP, применимы для коротких переходов, таких как наземная станция на орбитальный аппарат, ровер на посадочный модуль, посадочный модуль на орбитальный аппарат, от зонда до пролета и т. Д., Для получения информации из одного региона Солнечной системы требуется устойчивое к задержкам соединение. Система к другому. Становится очевидным, что концепция региона - это естественный архитектурный фактор Межпланетного Интернета. [ необходима цитата ]
Область является областью , где характеристики связей являются одинаковыми. Характеристики региона включают связь, безопасность, обслуживание ресурсов, возможно, владение и другие факторы. Межпланетный Интернет - это «сеть региональных интернетов». [13]
В таком случае необходим стандартный способ достижения сквозной связи через несколько регионов в отключенной среде с переменной задержкой с использованием обобщенного набора протоколов. Примеры регионов могут включать наземный Интернет как регион, регион на поверхности Луны или Марса или регион земля-орбита. [ необходима цитата ]
Признание этого требования привело к появлению концепции «связки» как высокоуровневого способа решения обобщенной проблемы Store-and-Forward. Пакеты - это область разработки новых протоколов на верхних уровнях модели OSI , над транспортным уровнем, с целью решения проблемы объединения информации с промежуточным хранением, чтобы она могла надежно пересекать совершенно разные среды, составляющие "сеть из региональные сети ». [ необходима цитата ]
Сеть с устойчивостью к задержкам (DTN) была разработана для обеспечения стандартизированной связи на больших расстояниях и через временные задержки. По сути, это так называемый Bundle Protocol (BP), который похож на Интернет-протокол, или IP, который служит сердцем Интернета здесь, на Земле. Большое различие между обычным Интернет-протоколом (IP) и Bundle-протоколом заключается в том, что IP предполагает непрерывный сквозной путь передачи данных, в то время как BP создан для учета ошибок и отключений - сбоев, которые обычно мешают коммуникациям в дальнем космосе. [14]
Bundle Service Layering, реализованный как набор протоколов Bundling для сетей , устойчивых к задержкам , будет предоставлять услуги протокола общего назначения, устойчивые к задержкам, для поддержки ряда приложений: коммерческая передача, сегментация и повторная сборка, сквозная надежность, сквозная сквозная безопасность и сквозная маршрутизация между ними. Протокол Bundle был впервые испытан в космосе на спутнике UK-DMC в 2008 году. [15] [16]
Примером одного из этих сквозных приложений, используемых в космической миссии, является протокол доставки файлов CCSDS (CFDP), используемый в миссии кометы Deep Impact . CFDP - это международный стандарт автоматической надежной передачи файлов в обоих направлениях. CFDP не следует путать с протоколом согласованного распространения файлов , который имеет ту же аббревиатуру и является документированным IETF экспериментальным протоколом для быстрого развертывания файлов на нескольких объектах в сильно разветвленной сетевой среде. [ необходима цитата ]
Помимо надежного копирования файла из одного объекта (например, космического корабля или наземной станции) в другой объект, CFDP имеет возможность надежно передавать произвольные небольшие сообщения, определенные пользователем в метаданных, сопровождающих файл, и надежно передавать команды. относящиеся к управлению файловой системой, которые должны выполняться автоматически на объекте удаленной конечной точки (например, космическом корабле) после успешного приема файла. [ необходима цитата ]
Протокол [ править ]
Стандарт пакетной телеметрии Консультативного комитета по системам космических данных ( CCSDS ) определяет протокол, используемый для передачи данных космических аппаратов по каналу дальнего космоса. Согласно этому стандарту изображение или другие данные, отправленные с космического аппарата, передаются с использованием одного или нескольких пакетов.
Определение пакета CCSDS [ править ]
Пакет - это блок данных, длина которого может варьироваться от 7 до 65 542 байта от 7 до 65 542 байтов, включая заголовок пакета.
- Пакетированные данные передаются через кадры, которые представляют собой блоки данных фиксированной длины. Размер кадра, включая заголовок кадра и управляющую информацию, может составлять до 2048 байтов.
- Размеры пакетов фиксируются на этапе разработки.
Поскольку длины пакетов являются переменными, а длины кадров фиксированы, границы пакетов обычно не совпадают с границами кадра.
Примечания к обработке данных в телекоммуникациях [ править ]
Данные в кадре обычно защищены от ошибок канала с помощью кодов исправления ошибок.
- Даже когда ошибки канала превышают возможности исправления кода исправления ошибок, наличие ошибок почти всегда обнаруживается кодом исправления ошибок или отдельным кодом обнаружения ошибок.
- Фреймы, для которых обнаружены неисправимые ошибки, помечаются как не декодируемые и обычно удаляются.
Обработка потери данных [ править ]
Удаленные недекодируемые целые кадры являются основным типом потери данных, которая влияет на сжатые наборы данных. В общем, от попытки использовать сжатые данные из кадра, помеченного как не декодируемый, мало пользы.
- Когда в кадре присутствуют ошибки, биты пикселей поддиапазона уже декодированы до того, как первая битовая ошибка останется нетронутой, но все последующие декодированные биты в сегменте обычно будут полностью повреждены; одиночная битовая ошибка часто столь же разрушительна, как и множество битовых ошибок.
- Кроме того, сжатые данные обычно защищены мощными кодами с исправлением ошибок с длинной блокировкой, которые являются типами кодов, которые с наибольшей вероятностью приводят к значительной доле битовых ошибок во всех кадрах, которые не поддаются декодированию.
Таким образом, кадры с обнаруженными ошибками были бы практически непригодны для использования, даже если бы они не были удалены процессором кадров.
Эту потерю данных можно компенсировать следующими механизмами.
- Если ошибочный кадр ускользает от обнаружения, декомпрессор будет слепо использовать данные кадра, как если бы они были надежными, тогда как в случае обнаружения ошибочных кадров декомпрессор может основывать свое восстановление на неполных, но не вводящих в заблуждение данных.
- Однако очень редко ошибочный кадр остается незамеченным.
- Для кадров, закодированных кодом Рида – Соломона CCSDS , менее 1 из 40 000 ошибочных кадров может избежать обнаружения.
- Все кадры, не использующие код Рида-Соломона, используют код обнаружения ошибок с помощью циклического контроля избыточности (CRC), у которого частота необнаруженных ошибок кадра составляет менее 1 из 32000.
Реализация [ править ]
Специальная группа по интересам межпланетного Интернета Интернет-сообщества работала над определением протоколов и стандартов, которые сделают IPN возможным. [17] Группа исследований устойчивых к задержкам сетей (DTNRG) является основной группой, исследующей сети, устойчивые к задержкам (DTN). Дополнительные исследовательские усилия сосредоточены на различных способах использования новой технологии. [18]
Отмененный Mars Telecommunications Orbiter планировался для установления межпланетного Интернет-соединения между Землей и Марсом для поддержки других миссий на Марс. Вместо использования RF он использовал бы оптическую связь с использованием лазерных лучей для их более высоких скоростей передачи данных. «Lasercom отправляет информацию, используя лучи света и оптические элементы, такие как телескопы и оптические усилители, а не радиочастотные сигналы, усилители и антенны» [19]
NASA JPL продолжает тестировать протокол ЦТС с их Deep Impact Networking эксперимента (DINET) на борту Deep Impact / EPOXI космического корабля в октябре 2008 года [20]
В мае 2009 года DTN была развернута на борту МКС . [21] НАСА и BioServe Space Technologies, исследовательская группа из Университета Колорадо, постоянно тестируют DTN на двух коммерческих универсальных биопроцессорных устройствах (CGBA). CGBA-4 и CGBA-5 служат в качестве вычислительных и коммуникационных платформ, которые дистанционно управляются из Центра управления операциями полезной нагрузки (POCC) BioServe в Боулдере, штат Колорадо. [22] [23] В октябре 2012 года командир станции МКС Сунита Уильямс дистанционно управляла Mocup (Meteron). Прототип операций и связи), робот Lego Mindstorms размером с кошку, оснащенный компьютером BeagleBoard и веб-камерой, [24]расположен в Европейском центре космических операций в Германии в эксперименте с использованием DTN. [25] Эти начальные эксперименты дают представление о будущих миссиях, в которых DTN позволит расширить сети в дальний космос для исследования других планет и достопримечательностей Солнечной системы. Считается необходимым для исследования космоса, DTN обеспечивает своевременность возврата данных с операционных активов, что приводит к снижению риска и затрат, повышению безопасности экипажа, а также повышению оперативной осведомленности и отдачи научных данных для НАСА и дополнительных космических агентств. [26]
DTN имеет несколько основных областей применения, помимо межпланетного Интернета, которые включают сенсорные сети, военную и тактическую связь, восстановление после аварий, враждебные среды, мобильные устройства и удаленные посты. [27] В качестве примера удаленного аванпоста представьте изолированную арктическую деревню или далекий остров с электричеством, одним или несколькими компьютерами, но без связи. С добавлением простой беспроводной точки доступа в деревне, а также устройств с поддержкой DTN, скажем, на собачьих упряжках или рыбацких лодках, житель сможет проверить свою электронную почту или щелкнуть статью в Википедии, и их запросы будут перенаправлены. до ближайшего к сети места во время следующего посещения саней или лодки и получите ответы по возвращении.
Земная орбита [ править ]
Земная орбита находится достаточно близко, чтобы можно было использовать обычные протоколы. Например, Международная космическая станция была подключена к обычному наземному Интернету с 22 января 2010 года, когда был опубликован первый твит без посторонней помощи. [28] Однако космическая станция также служит полезной платформой для разработки, экспериментов и внедрения систем, составляющих межпланетный Интернет. НАСА и Европейское космическое агентство(ЕКА) использовали экспериментальную версию межпланетного Интернета для управления учебным вездеходом, размещенным в Европейском центре космических операций в Дармштадте, Германия, с Международной космической станции. В эксперименте использовался протокол DTN, чтобы продемонстрировать технологию, которая однажды сможет обеспечить связь, подобную Интернету, которая может поддерживать среду обитания или инфраструктуру на другой планете. [29]
См. Также [ править ]
- InterPlaNet
- Межпланетная файловая система
- Сеть, устойчивая к задержкам
- Межгалактическая компьютерная сеть
- Наносеть
Ссылки [ править ]
- ↑ Межпланетный Интернет , Джоаб Джексон, IEEE Spectrum, август 2005 г.
- ^ a b «Поколение межпланетного Интернета - SpaceRef - ваш космический справочник» .
- ^ Krupiarz, C .; Биррейн, Эдвард Дж .; Баллард, Бенджамин У .; Benmohamed, L .; Мик, А .; Stambaugh, Katherine A .; Тунстел, Э. (2011). «Включение межпланетного Интернета» . www.semanticscholar.org . S2CID 46026742 . Проверено 24 октября 2020 года .
- ↑ Межпланетный Интернет: инфраструктура связи для исследования Марса. Архивировано 24 июля 2011 г. на Wayback Machine - 53-м Международном астронавтическом конгрессе. Всемирный космический конгресс , 19 октября 2002 г. / Хьюстон, Техас
- ^ Ян, G .; Wang, R .; Чжао, К .; Чжан, X .; Li, W .; Он, X. (1 декабря 2018 г.). «Анализ очередей протоколов DTN в дальнем космосе» . Журнал IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine . 33 (12): 40–48. DOI : 10,1109 / MAES.2018.180069 . ISSN 1557-959X . S2CID 67876545 .
- ^ Alhilal, A .; Braud, T .; Хуэй П. (14 августа 2019 г.). «Небо больше не является пределом: будущая архитектура межпланетного Интернета» . Журнал IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine . 34 (8): 22–32. DOI : 10,1109 / MAES.2019.2927897 . ISSN 1557-959X . S2CID 54217081 .
- ^ Чжао, К .; Wang, R .; Берли, Южная Каролина; Sabbagh, A .; Wu, W .; Санктис, М. Де (1 октября 2016 г.). «Производительность связного протокола для связи в дальнем космосе» . IEEE Transactions по аэрокосмическим и электронным системам . 52 (5): 2347–2361. Bibcode : 2016ITAES..52.2347Z . DOI : 10.1109 / TAES.2016.150462 . ISSN 1557-9603 . S2CID 25304383 .
- ^ "CCSDS.org - Консультативный комитет по системам космических данных (CCSDS)" .
- ^ «О CCSDS» . Архивировано 20 февраля 2021 года . Проверено 20 февраля 2021 года .
- ^ The Space Technology Research Vehicles: STRV-1a, b, c и d , Ричард Блотт и Найджел Уэллс, Конференция по малым спутникам AIAA, Логан, Юта, 1996.
- ^ Приложение F, CCSDS 710.0-G-0.3: Спецификация протокола космической связи (SCPS) - Обоснование, требования и примечания к применению , Проект Зеленой книги, выпуск 0.3. Апрель 1997 г.
- ^ CCSDS.org - Зал славы CCSDS - Адриан Гук
- ^ Скотт Берли; и др., Межпланетный Интернет (PDF) , архивировано из оригинала (PDF) 12 марта 2012 г.
- ^ «Астронавт космической станции управляет роботом на Земле через« межпланетный Интернет » » .
- ^ Использование протокола сетевого пакета с задержкой толерантности из космоса. Архивировано 13 мая 2008 г.на Wayback Machine , L.Wood et al. , Документ конференции IAC-08-B2.3.10, 59-й Международный астронавтический конгресс, Глазго, сентябрь 2008 г.
- ^ UK-DMC спутник первым для датчика передачи данных из космоса с помощью 'узелок' протокола , прессрелиз, Surrey Satellite Technology Ltd , 11 сентября 2008.
- ^ "Специальная группа по межпланетным сетям (IPNSIG)" .
- ^ Берли, S .; Cerf, V .; Crowcroft, J .; Цауссидис В. "Пространство для Интернета и Интернет для космоса" .
- ^ Таунс, Стивен А .; и другие. "Демонстрация лазерной связи на Марсе" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 27 февраля 2009 года . Проверено 28 апреля 2008 года .
- ^ NASA успешно протестировал первый Deep Space Интернет НАСА Прессрелиз 08-298, ноябрь 2008.
- ^ Хейнс, Лестер. «НАСА запускает« межпланетный интернет » » . Реестр.
- ^ Дженкинс, Эндрю; Кузьминский, Себастьян; Гиффорд, Кевин К .; Холбрук, Марк; Николс, Кельвин; Питтс, Ли. (2010). «Сеть, устойчивая к задержкам / сбоям: результаты летных испытаний с Международной космической станции». Архивировано 2 сентября 2011 года на аэрокосмической конференции IEEE Wayback Machine .
- ^ Группа автоматизации в BioServe Space Technologies. Университет Колорадо, Боулдер.
- ↑ Манн, Адам (12 ноября 2012 г.). «Почти быть там: почему будущее освоения космоса - это не то, о чем вы думаете» . Проводной . Condé Nast . Проверено 13 ноября 2012 года .
- ↑ Анна, Лич (9 ноября 2012 г.). « „ Сигналы Bundle“из космоса захватить контроль над небольшим автомобилем в Германии: Наут ISS» занимает колесо Льего двигателя в тесте bundlenet» . Реестр . Публикация ситуации . Проверено 11 ноября 2012 года .
- ^ НАСА: Сеть, допускающая задержку (DTN) - Обзор эксперимента / полезной нагрузки. Архивировано 21июля 2010 годав Wayback Machine 24 сентября 2010 года. Проверено в октябре 2010 года.
- Перейти ↑ Home - Delay-Tolerant Networking Research Group. Архивировано 13 июня 2006 г. в Wayback Machine.
- ^ "Сообщение в Твиттере" . 22 января 2010 года. Архивировано 10 марта 2013 года . Проверено 10 марта 2013 .
- ^ Крафт, Рэйчел (2012-11-08). НАСА и ЕКА используют экспериментальный межпланетный Интернет для тестирования роботов с Международной космической станции. НАСА, выпуск 12-391, 8 ноября 2012 г. Межпланетное движение обеспечивается во временной продолжительности, рассчитываемой по скорости слинга, которая определяется движением планеты с учетом оси вращения планеты по отношению к оси вращения Солнца. . Получено с http://www.nasa.gov/home/hqnews/2012/nov/HQ_12-391_DTN.html .
Внешние ссылки [ править ]
- Консультативный комитет по системам космических данных (CCSDS)
- Специальная группа по межпланетным сетям (IPNSIG) Internet Society SIG (ранее - отделение)
- Исследовательская группа по устойчивости к задержкам (DTNRG)
- Первые испытания межпланетного Интернета на спутнике UK-DMC
- Видео НАСА на YouTube: DINET-DTN с Винтом Серфом
