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  • TCP/IP之父要竖立太空互联网,马斯克你怎么看?

    本文来自微信民众号:硅星人(ID:guixingren123),作者:杜晨,编辑:Vicky Xiao,原文标题:《新冠康复后,TCP/IP之父要竖立太空互联网》,题图来自:《星际穿越》

    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忖量和无望时,声泪俱下的模样吗?

    更使人不禁信服的是,这一镜头也正确描写了,在不可反抗的宇宙物理轨则之下,横跨时空的信息通报有何等困难和迟缓。相对论的铁律没法被折弯。当库柏收到从黑洞另一边传来的视频,后代早已长大成人,本身永久失去了陪同他们生长的一段主要时候。

    天上一日,人世十年。主创团队仅用这一个异常人性化的镜头,圆满切中了影戏“穿越时空的爱”的主题,使人印象深入。

    TCP/IP之父要竖立太空互联网,马斯克你怎么看?插图

    而在实际天下中,人类还没有发明出穿越黑洞的信息交流体式格局(就算有也缺少测试前提)。事实上,就连宇航器和地面以及宇航器之间的通信,在很大水平上依然依托射频信号,庞杂水平并没有设想的那末高,而且差别的体系也不存在互联一说。简朴来讲,太空中没有互联网。

    那为何不为星际通信造一个互联网?

    TCP/IP协定的配合发明者,图灵奖得主,被誉为“互联网之父”之一的Vint Cerf,从1998年就入手下手想这个问题了。

    本年已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,本年3月染上新冠,所幸康复。

    近日,Cerf就本身牵头的星际互联网协定DTN项目接受了Quanta Magazine的采访。

    Cerf 关于本日的互联网深感担心,以为上面充溢着子虚信息、病毒软件和收集进击。这也是为何他已将很大一部分精神转移到这个全新的“星际互联网”项目——或许更正确来讲,为未来的星际互联网设想一套最症结的底层协定,就像 TCP/IP 之于我们所熟习的互联网那样。

    “和地球上的互联网比拟,星际互联网是一个很使人线人的新课题,它让我们可以聚焦在地道的科学效果上。”

    为何须要星际互联网?

    假如你几个月前看了SpaceX+NASA的初次私家航天公司载人的宇宙空间站遨游飞翔直播,大概会记得,使命中心的各个阶段须要举行许屡次的装备搜检,经由过程语音沟通完成,一边说了一句话后,要过好几秒才收到别的几边的回复。

    这还只是在地球轨道上。未来人类要重返月球,要去到火星竖立基地,还要实行更多的载人飞往更远太空的种种使命。考虑到地球、宇航器、卫星、别的星球的相对位置,以及天文级的间隔,通话时延大概就会变成几十秒,以至几分钟。

    科学探究老是会有种种困难的前提限定,过去几十年里,科学家也不得不适应这类超慢,没法立即获得效果的沟通习气。以NASA的勇气号火星车为例,因为地面卫星站的天气缘由,再加上间隔远等各项要素,从发出敕令到收到反应,中心要过上几十分钟。更别提火星车的数据带宽只要28Kbps,还一开天线就过热。

    那种觉得,是因为Zoom连不上而埋怨的人们,所设想不到的困难……

    TCP/IP之父要竖立太空互联网,马斯克你怎么看?插图1

    火星车传回的火星地表拼接照片

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

    1998年, NASA阿波罗设计的元老成员、太空通信专家Adrian Hooke召集了包含Cerf在内的别的八个人,讨论一组很大的课题:未来的太空探究须要什么,有哪些是如今可以动手入手下手做的?

    个中的一个主要问题,就是进步太空通信的效力。Hooke的小组思索,可否连系地球上的互联网的手艺和逻辑,去革新太空通信?

    你可以如许明白:当时的太空通信体系,在很大水平上是分裂和独家的。比方说A国发了一颗担当某个特定职责的卫星,而B国的另一项宇航使命暂时须要中继通信,而A国卫星正好在中心,会发明两个体系的通信体式格局不兼容,没法协同事情。

    半个世纪之前,地球上为数不多的收集也是如许的。而Cerf被誉为互联网之父之一,恰是因为TCP/IP作为底层协定,才造诣了厥后的环球互联网。到了太空中,人类也须要一个和TCP/IP饰演类似角色的底层协定,那将会是搭建星际互联网的基石。

    Hooke主导了厥后的星际互联网底层协定设计,而Cerf成为了团队的主要手艺专家,一直在做出孝敬。这项奇迹,到本日已延续凌驾20年。

    (实在二人在各自行业的职位也很是类似。Hooke 的职业生涯中主导和介入开发了很多太空通信手艺方面的协定和国际规范,还创办了国际太空机构协作构造 CCSDS,致力于推进列国官方太空构造的协作,个中就包含列国宇航器同享通信协定。Hooke 已于2012年作古,Cerf仍在继承老朋友的研讨。)

    在多年的讨论和研发过程当中,团队总结出以下三大现行太空通信的应战,也即须要星际互联网的来由:

    (1)物理限定:星球有着差别的自转和公转状况,间隔变化区间很大,致使星际通信的用时长、窗口短、传输不稳定。依据预算,地球到火星的通信时候最少数分钟,到冥王星则长达数个小时。假如碰到太阳喷发,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、本钱等硬件设想要素,现在传统太空通信的数据负载量很小,而且数据带宽是不对称的,以至可以到达上下行1:1000。

    (3)牢固基础设施不存在:因为第一条,星球A到星球B的太空通信,收集中的路由节点是随时变化的,因而就不存在一个牢固的中继收集可以随时随地衔接两个星球这类事存在。

    比方说在地球上一个美国的装备想衔接一个澳大利亚的收集,中心大概有没有数种大概的中继线路(如下图)。而在太空中,两个装备竖立通信,须要依据星球活动和种种状况,提早计划和部署。

    TCP/IP之父要竖立太空互联网,马斯克你怎么看?插图2

    那末,Cerf 的团队所提出的星际互联网,究竟是什么样的呢?

    DTN:滋扰/耽误容忍收集

    在2003年,Hooke、Cerf 等人配合宣布了一篇论文《耽误容忍收集:星际互联网的一种完成体式格局》,正式提出了 DTN (delay-tolerant networking 耽误容忍收集)作为一种星际互联网的协定规范。

    本质上,DTN 协定采纳的是和互联网类似的逻辑:将数据包作为基础传输单元,采纳分组交流的通信体式格局(packet switching,也即数据在传输时分红多少段,每段为一个数据包);全部收集结构中存在着多个路由节点。

    不一样的地方在于,在地球的互联网里,路由节点只担任转发,不担任存储信息,假如全部途径有某一点断了,或许碰到收集壅塞等问题,路由节点会扬弃掉数据包——也就涌现了我们常说的“丢包”征象。

    而为了处置惩罚前面提到的太空通信的三点应战,DTN 的设想请求每一个路由同时也要有存储数据的才能。比方说从地球传送数据到木星,中心须要火星上的一个路由器。但考虑到行星自转状况,或当时的火-土相对位置并不适宜,致使数据没法被发过去。DTN 的设想请求火星路由不要舍弃,而是把数据包存储下来,合时再举行发送。

    下图是论文里对 DTN 的收集结构的示意图,可以看到每一个路由节点都不是一个简朴的点,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状况差别,和另一个星球之间的通信途径和带宽都邑有变化。

    在抱负的状况下,假如在充足多的星球上(包含地面上和轨道上)有充足多的路由节点,不敢说任何两个星球之间随时都可以竖立衔接,最少太空通信的窗口会变得更多更长,通信可以变得越发频仍。

    TCP/IP之父要竖立太空互联网,马斯克你怎么看?插图3

    很少人晓得的是,Cerf 等人提出的DTN概念在15年前已投入使用了!

    为了处置惩罚前面提到的火星车数据传输问题,NASA JPL的工程师经由过程类似于“OTA 固件升级”的体式格局,长途改写了火星车和发射到火星轨道上的卫星的通信协定。

    效果,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,已成为了一个迷你版的DTN式性星际互联网。

    Cerf的团队还在国际空间站上做了一次测试,让空间站的宇航员胜利经由过程采纳DTN作为底层协定的通信体式格局,遥控一台位于德国的机器人。

    这一测试对未来人类探究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耽误是20分钟,极大概一个支配发过去,几十分钟过去后发明车掉到绝壁下面,几十亿的投资泡汤了……未来当宇航员去到火星,可以不必登录,直接在火星轨道上支配落地的火星车就好了。

    除此以外,NASA的深度撞击号探测器在实行探测哈特雷二号彗星的使命时,机上也搭载了DTN的通信协定,协助Cerf团队拓展了协定的测试局限。

    深度撞击号在2013年传回了从约莫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年经由过程天文望远镜初次发明哈特雷二号以来,对该彗星拍摄的最清楚的一张照片:

    TCP/IP之父要竖立太空互联网,马斯克你怎么看?插图4

    图片经由处置惩罚加强

    2018年,Cerf 和谷歌同事 Brian Barritt(Cerf 另有一个身份是谷歌副总裁兼首席互联网传教师)配合宣布了一篇新的论文,引见了他们设想的 Loon SDN——一套用来治理 DTN 收集装备的软件定义收集和云效劳。

    Loon SDN的名字你大概有点熟,这是因为它的手艺底层来自于原 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 可以依据状况按需设置无线收集结构,在地球大气层里和太空中的路由节点之间传送数据包。

    你可以把它看做是太空中的AWS或许阿里云之类的云盘算平台,让你更治理起太空通信就像治理千里以外的一台效劳器那样轻松。在软件即效劳的时期,NASA的下一代太空通信架构设想,也在向着这个方向接近。

    尝试新的手艺老是会碰到应战,但Cerf对DTN很有自信心。他以为这个协定已获得充足测试了,也在勤奋压服更多太空机构和贸易航天公司整合DTN到他们的体系里。

    他常常会听到“这也太冒险了!”“给我证实你这东西管用!”之类的话。只要压服这些人,让更多搭载DTN的航天器——不管来自哪一个国度、哪家公司,担当什么使命——飞到天上,才真正竖立起一个真正的星际互联网。

    老是西装三件套的Cerf给人”科技名流“的印象,实在他也有件有名的T恤,上面写着一句双关语 “I P on Everything”……

    TCP/IP之父要竖立太空互联网,马斯克你怎么看?插图5

    因为Cerf配合制造的TCP/IP协定,地球上的每一个互联网衔接装备都有了一个地点。

    假如 DTN 的抱负可以完成,那Cerf又要有新的信用加身:IP on everything, even in space……

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