Internet interplanetario

La Internet interplanetaria es una red informática concebida en el espacio, que consta de un conjunto de nodos de red que pueden comunicarse entre sí. Estos nodos son los orbitadores del planeta (satélites) y módulos de aterrizaje (por ejemplo, Curiosity Rover, robots) y las estaciones terrestres. Por ejemplo, los orbitadores recopilan los datos científicos del rover Curiosity en Marte a través de enlaces de comunicación cercanos a Marte, transmiten los datos a la Tierra a través de enlaces directos desde los orbitadores de Marte a las estaciones terrestres de la Tierra y, finalmente, los datos se pueden enrutar a través de la red interna de la Tierra. Internet.

La comunicación interplanetaria se retrasa mucho debido a las distancias interplanetarias, por lo que se requiere un nuevo conjunto de protocolos y tecnología que sean tolerantes a grandes retrasos y errores. La Internet interplanetaria es una red de almacenamiento y reenvío de Internet que a menudo está desconectada, tiene una red troncal inalámbrica plagada de enlaces propensos a errores y demoras que van desde decenas de minutos hasta incluso horas, incluso cuando hay una conexión.

Desafíos y razones

En la implementación central de Internet interplanetaria, los satélites que orbitan un planeta se comunican con los satélites de otros planetas. Simultáneamente, estos planetas giran alrededor del Sol a largas distancias y, por lo tanto, muchos desafíos enfrentan las comunicaciones. Las razones y los desafíos resultantes son:

1. El movimiento y las largas distancias entre planetas: La comunicación interplanetaria se retrasa mucho debido a las distancias interplanetarias y al movimiento de los planetas. El retraso es variable y largo, va desde un par de minutos (Tierra-Marte), a un par de horas (Plutón-Tierra), dependiendo de sus posiciones relativas. La comunicación interplanetaria también se suspende debido a la conjunción solar, cuando la radiación del sol dificulta la comunicación directa entre los planetas. Como tal, la comunicación se caracteriza por enlaces con pérdida y conectividad de enlace intermitente.
2. Baja carga útil integrable: los satélites solo pueden transportar una pequeña carga útil, lo que plantea desafíos en cuanto a potencia, masa, tamaño y costo para el diseño del hardware de comunicaciones. Un ancho de banda asimétrico sería el resultado de esta limitación. Esta asimetría alcanza proporciones de hasta 1000:1 como porción de ancho de banda de enlace descendente: enlace ascendente.
3. Ausencia de infraestructura fija: El gráfico de los nodos participantes en un planeta específico a una comunicación planeta específica sigue cambiando con el tiempo, debido al movimiento constante. Las rutas de comunicación de planeta a planeta están planificadas y programadas en lugar de ser oportunistas.

El diseño de Internet Interplanetario debe abordar estos desafíos para operar con éxito y lograr una buena comunicación con otros planetas. También debe utilizar eficientemente los pocos recursos disponibles en el sistema.

Desarrollo

La tecnología de comunicación espacial ha evolucionado constantemente desde arquitecturas punto a punto costosas y únicas hasta la reutilización de tecnología en misiones sucesivas y el desarrollo de protocolos estándar acordados por agencias espaciales de muchos países. Esta última fase ha continuado desde 1982 gracias a los esfuerzos del Comité Consultivo para Sistemas de Datos Espaciales (CCSDS), un organismo integrado por las principales agencias espaciales del mundo. Tiene 11 agencias miembro, 32 agencias observadoras y más de 119 asociados industriales.

La evolución de los estándares de sistemas de datos espaciales ha ido en paralelo con la evolución de Internet, con polinización cruzada conceptual donde fue fructífera, pero en gran medida como una evolución separada. Desde finales de la década de 1990, los protocolos de Internet familiares y los protocolos de enlace espacial CCSDS se han integrado y convergido de varias maneras; por ejemplo, la exitosa transferencia de archivos FTP a STRV 1B en órbita terrestre el 2 de enero de 1996, que ejecutó FTP sobre los protocolos de especificaciones de protocolo de comunicaciones espaciales (SCPS) similares a IPv4 de CCSDS. El uso del Protocolo de Internet sin CCSDS ha tenido lugar en naves espaciales, por ejemplo, demostraciones en el satélite UoSAT-12 y operativamente en la Constelación de Monitoreo de Desastres. Habiendo llegado a la era en la que se ha demostrado que las redes y la IP a bordo de las naves espaciales son factibles y confiables, la siguiente fase fue un estudio prospectivo del panorama general.

El estudio de la Internet interplanetaria en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA fue iniciado por un equipo de científicos del JPL dirigido por Vinton Cerf y el difunto Adrian Hooke. Cerf es uno de los pioneros de Internet en la Tierra y fue nombrado científico visitante distinguido en el JPL en 1998. Hooke fue uno de los fundadores y directores de CCSDS.

Si bien los protocolos SCPS similares a IP son factibles para saltos cortos, como de la estación terrestre al orbitador, del móvil al módulo de aterrizaje, del módulo de aterrizaje al orbitador, de la sonda al sobrevuelo, etc., se necesita una red tolerante a demoras para obtener información de una región del Sistema Solar. Sistema a otro. Se hace evidente que el concepto de una región es una factorización arquitectónica natural de la Internet interplanetaria.

Una región es un área donde las características de comunicación son las mismas. Las características de la región incluyen las comunicaciones, la seguridad, el mantenimiento de los recursos, quizás la propiedad y otros factores. La Internet interplanetaria es una "red de internet regionales".

Entonces, lo que se necesita es una forma estándar de lograr una comunicación de extremo a extremo a través de múltiples regiones en un entorno de retardo variable desconectado utilizando un conjunto generalizado de protocolos. Los ejemplos de regiones pueden incluir Internet terrestre como una región, una región en la superficie de la Luna o Marte, o una región de tierra a órbita.

El reconocimiento de este requisito condujo al concepto de un "paquete" como una forma de alto nivel para abordar el problema generalizado de almacenamiento y reenvío. Los paquetes son un área de desarrollo de nuevos protocolos en las capas superiores del modelo OSI, por encima de la capa de transporte, con el objetivo de abordar el problema de agrupar información de almacenamiento y reenvío para que pueda atravesar de manera confiable entornos radicalmente diferentes que constituyen una "red de Internet regionales".

Las redes tolerantes a demoras (DTN) se diseñaron para permitir comunicaciones estandarizadas a largas distancias y con demoras de tiempo. En esencia, hay algo llamado Bundle Protocol (BP), que es similar al Protocolo de Internet, o IP, que sirve como el corazón de Internet aquí en la Tierra. La gran diferencia entre el Protocolo de Internet (IP) normal y el Protocolo de paquete es que IP asume una ruta de datos de extremo a extremo sin problemas, mientras que BP está diseñado para dar cuenta de errores y desconexiones, fallas que comúnmente afectan las comunicaciones en el espacio profundo.

Bundle Service Layering, implementado como el conjunto de protocolos Bundling para redes tolerantes a demoras, proporcionará servicios de protocolos tolerantes a demoras de uso general en apoyo de una variedad de aplicaciones: transferencia de custodia, segmentación y reensamblaje, confiabilidad de extremo a extremo, extremo a extremo. seguridad de extremo a extremo y enrutamiento de extremo a extremo entre ellos. El protocolo Bundle se probó por primera vez en el espacio en el satélite UK-DMC en 2008.

Un ejemplo de una de estas aplicaciones de extremo a extremo voladas en una misión espacial es el Protocolo de entrega de archivos CCSDS (CFDP), utilizado en la misión del cometa Deep Impact. CFDP es un estándar internacional para la transferencia de archivos automática y confiable en ambas direcciones. CFDP no debe confundirse con el Protocolo coherente de distribución de archivos, que tiene el mismo acrónimo y es un protocolo experimental documentado por IETF para implementar rápidamente archivos en múltiples destinos en un entorno altamente interconectado.

Además de copiar de manera confiable un archivo de una entidad (como una nave espacial o una estación terrestre) a otra entidad, CFDP tiene la capacidad de transmitir de manera confiable pequeños mensajes arbitrarios definidos por el usuario, en los metadatos que acompañan al archivo, y de transmitir comandos de manera confiable. relacionados con la gestión del sistema de archivos que se ejecutarán automáticamente en la entidad de punto final remoto (como una nave espacial) tras la recepción satisfactoria de un archivo.

Protocolo

El estándar de telemetría de paquetes del Comité Consultivo para Sistemas de Datos Espaciales (CCSDS) define el protocolo utilizado para la transmisión de datos de instrumentos de naves espaciales a través del canal del espacio profundo. Según este estándar, una imagen u otros datos enviados desde un instrumento de una nave espacial se transmiten mediante uno o más paquetes.

Definición de paquete CCSDS

Un paquete es un bloque de datos con una longitud que puede variar entre paquetes sucesivos, desde 7 hasta 65 542 bytes, incluida la cabecera del paquete.

• Los datos en paquetes se transmiten a través de tramas, que son bloques de datos de longitud fija. El tamaño de un marco, incluido el encabezado del marco y la información de control, puede variar hasta 2048 bytes.
• Los tamaños de los paquetes se fijan durante la fase de desarrollo.

Debido a que las longitudes de los paquetes son variables pero las longitudes de las tramas son fijas, los límites de los paquetes generalmente no coinciden con los límites de las tramas.

Notas de procesamiento de telecomunicaciones

Los datos de una trama suelen estar protegidos de errores de canal mediante códigos de corrección de errores.

• Incluso cuando los errores del canal exceden la capacidad de corrección del código de corrección de errores, la presencia de errores casi siempre se detecta mediante el código de corrección de errores o mediante un código de detección de errores separado.
• Las tramas para las que se detectan errores incorregibles se marcan como no decodificables y, por lo general, se eliminan.

Manejo de la pérdida de datos

Los fotogramas completos no decodificables eliminados son el principal tipo de pérdida de datos que afecta a los conjuntos de datos comprimidos. En general, se ganaría poco al intentar usar datos comprimidos de un marco marcado como no decodificable.

• Cuando hay errores en un cuadro, los bits de los píxeles de la subbanda ya están decodificados antes de que el primer bit de error permanezca intacto, pero todos los bits decodificados posteriores en el segmento generalmente estarán completamente corruptos; un solo error de bit a menudo es tan perturbador como muchos errores de bit.
• Además, los datos comprimidos suelen estar protegidos por potentes códigos de corrección de errores de longitud de bloque larga, que son los tipos de códigos con mayor probabilidad de generar fracciones sustanciales de errores de bits en las tramas que no se pueden descifrar.

Por lo tanto, las tramas con errores detectados serían esencialmente inutilizables incluso si no fueran eliminadas por el procesador de tramas.

Esta pérdida de datos se puede compensar con los siguientes mecanismos.

• Si un cuadro erróneo escapa a la detección, el descompresor utilizará ciegamente los datos del cuadro como si fueran confiables, mientras que en el caso de cuadros erróneos detectados, el descompresor puede basar su reconstrucción en datos incompletos, pero no engañosos.
• Sin embargo, es extremadamente raro que un marco erróneo pase desapercibido.
• Para los marcos codificados por el código CCSDS Reed-Solomon, menos de 1 de cada 40 000 marcos erróneos pueden escapar a la detección.
• Todas las tramas que no emplean el código Reed-Solomon utilizan un código de detección de errores de verificación de redundancia cíclica (CRC), que tiene una tasa de errores de trama no detectados de menos de 1 en 32.000.

Implementación

El Grupo de Interés Especial de Internet Interplanetario de Internet Society ha trabajado en la definición de protocolos y estándares que harían posible la IPN. El Grupo de Investigación de Redes Tolerantes al Retraso (DTNRG) es el grupo principal que investiga las redes tolerantes al retraso (DTN). Los esfuerzos de investigación adicionales se centran en varios usos de la nueva tecnología.

Se había planeado que el Mars Telecommunications Orbiter cancelado estableciera un enlace de Internet interplanetario entre la Tierra y Marte, para apoyar otras misiones a Marte. En lugar de usar RF, habría usado comunicaciones ópticas usando rayos láser para sus tasas de datos más altas. "Lasercom envía información utilizando haces de luz y elementos ópticos, como telescopios y amplificadores ópticos, en lugar de señales de RF, amplificadores y antenas"

NASA JPL probó el protocolo DTN con su experimento Deep Impact Networking (DINET) a bordo de la nave espacial Deep Impact /EPOXI en octubre de 2008.

En mayo de 2009, DTN se implementó en una carga útil a bordo de la ISS. La NASA y BioServe Space Technologies, un grupo de investigación de la Universidad de Colorado, han estado probando continuamente DTN en dos cargas útiles de Aparatos genéricos comerciales de bioprocesamiento (CGBA). CGBA-4 y CGBA-5 sirven como plataformas informáticas y de comunicaciones que se controlan de forma remota desde el Centro de control de operaciones de carga útil (POCC) de BioServe en Boulder, CO. un robot Lego Mindstorms del "tamaño de un gato" equipado con una computadora BeagleBoard y una cámara web, ubicado en el Centro Europeo de Operaciones Espaciales en Alemania en un experimento que utiliza DTN.Estos experimentos iniciales brindan información sobre futuras misiones en las que DTN permitirá la extensión de redes al espacio profundo para explorar otros planetas y puntos de interés del sistema solar. Visto como necesario para la exploración espacial, DTN permite la puntualidad en el retorno de datos de los activos operativos, lo que se traduce en una reducción de riesgos y costos, una mayor seguridad de la tripulación y una mejor conciencia operativa y retorno científico para la NASA y otras agencias espaciales.

DTN tiene varios campos importantes de aplicación, además de la Internet interplanetaria, que incluyen redes de sensores, comunicaciones militares y tácticas, recuperación ante desastres, entornos hostiles, dispositivos móviles y puestos de avanzada remotos. Como ejemplo de un puesto avanzado remoto, imagine una aldea ártica aislada, o una isla lejana, con electricidad, una o más computadoras, pero sin conectividad de comunicación. Con la adición de un punto de acceso inalámbrico simple en la aldea, además de dispositivos habilitados para DTN en, por ejemplo, trineos tirados por perros o barcos de pesca, un residente podría consultar su correo electrónico o hacer clic en un artículo de Wikipedia y reenviar sus solicitudes. a la ubicación en red más cercana en la próxima visita del trineo o del barco, y obtenga las respuestas a su regreso.

órbita terrestre

La órbita terrestre está lo suficientemente cerca como para que se puedan utilizar los protocolos convencionales. Por ejemplo, la Estación Espacial Internacional ha estado conectada a Internet terrestre normal desde el 22 de enero de 2010, cuando se publicó el primer tuit sin asistencia. Sin embargo, la estación espacial también sirve como una plataforma útil para desarrollar, experimentar e implementar sistemas que conforman la Internet interplanetaria. La NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) han utilizado una versión experimental de Internet interplanetaria para controlar un rover educativo, ubicado en el Centro Europeo de Operaciones Espaciales en Darmstadt, Alemania, desde la Estación Espacial Internacional. El experimento usó el protocolo DTN para demostrar la tecnología que algún día podría habilitar comunicaciones similares a Internet que pueden soportar hábitats o infraestructura en otro planeta.