从TCP/IP到DTN——他是怎样把互联网连接到太空的?

子曦 2022-03-2419:14:08 评论 573 views

来源:量子杂志

译者:子曦

 

协调世界时(UTC)2021年2月18日20时55分,美国宇航局(NASA)制造的毅力号火星探测器成功登陆火星。
之前的2月10日,中国首次自主发射的天问一号火星探测器成功进入火星轨道,之后也将择机展开着陆、巡视等科学探测任务。人类对最近的邻星的科学探测活动,正在紧锣密鼓地进行中。
到2030年,人类将开始执行载人航天器登陆火星计划,这将是我们实现卡尔·萨根走出“暗淡蓝点”、探寻太空家园的梦想的第一个里程碑!
在这一切的背后,是数代科学家和工程师的不懈努力和持久奉献。
特别地,那些创造了互联网,从而为我们的生活带来翻天覆地变化的先驱们,还在活跃于科研和工程的一线,引领团队打造太空网络的基础设施。
2020年10月《量子杂志》上发表专栏文章,介绍和访谈美国互联网先驱温顿·瑟夫(Vinton Cerf)在拓展互联网到太空方面的重要工作。特此翻译精校如下,向先驱致敬!
40年前温顿·瑟夫帮助创建了互联网,如今他仍在努力联接世界各地、以及这个世界之外的人们。
从TCP/IP到DTN——他是怎样把互联网连接到太空的?

“互联网之父”之一的温顿·瑟夫在建立行星际互联网方面也发挥了举足轻重的作用

太空探索困难重重,通信难度尤甚。宇航员需要与控制中心联络,理想情况下是通过视频通讯;而太空飞行器则需要回送收集的数据,最好是高速且时延尽可能低的方式。起初,太空探索团队设计并部署了自己独特的通信系统,虽然效果很好,但这并不是效率的典范。直到1998年的一天,互联网先驱温顿·瑟夫设想了一种新型网络,可以提供更强大的功能支持不断增长的太空人群体和载具数量。行星际互联网的梦想就此诞生了。
但将互联网扩展到太空,可不仅仅是在火箭上安装Wi-Fi那么简单。科学家们面临着新的障碍:涉及的距离是确确实实的天文数字,且行星持续移动并可能阻塞信号。地球上任何人,如果想要向其他星球上人或物发送消息,都必须对付经常中断的通信路径。
“我们开始对互联网标准进行数学计算,这套协议在地球上运转良好。然而,光速太慢了,”瑟夫回忆他与行星际联网特别兴趣小组同事们的早期工作时说。克服这个问题将是一项艰巨的任务,但是这位美国计算机科学家和前斯坦福大学教授已经习惯了迎接重大挑战。
几十年前,两位“互联网之父”瑟夫和罗伯特·卡恩(Robert Kahn)设计和开发了地面互联网的架构和协议套件,即为人熟知的传输控制协议/网际协议(TCP/IP)。尽管瑟夫很快就推辞了这一极高荣誉的头衔,但每一位曾经在网上冲浪、发送电子邮件或下载应用程序的人都应该感谢他们。“很多人都为互联网的创立做出了贡献,”他用平和的语调说。
为了在地球互联网上传输数据,TCP/IP需要路由器构建的完整的端到端路径,这一路径通过铜缆、光纤或蜂窝数据网络之类的链路转发信息包。瑟夫和卡恩并未设计用于存储数据的互联网,部分原因是在1970年代初期内存太昂贵了。因此,如果路径中的某个链路断开,路由器将丢弃该数据包,而后从源点重发。这在地球的低时延、高连通性环境中效果很好。然而,太空中的网络更易受到干扰,需要采用不同的方法。
“TCP/IP在行星际距离上不起作用,”瑟夫说,“因此,我们设计了一套可行的协议。”
2003年,瑟夫和一个研究小组引入了新的捆绑协议。“捆绑”是一种具有中断/时延容忍性的网络连接(disruption/delay-tolerant networking,简写DTN)协议,具有将互联网拓展到这个世界之外的能力。就像构成地球互联网的协议一样,捆绑是基于分组交换机制的。这意味着数据包沿着由路由器控制切换的路径,一路从数据源转发到目的地。但是,捆绑具有地面互联网所不具备的属性,比如可以存储信息的节点。
瑟夫解释说,例如,从地球到木星的数据包可能会途经火星上的中继站。但是,当数据包到达约4千万英里之外的中继站时(才完成总路程4亿英里的一小部分),火星当时的朝向可能并不合适,无法将数据包发送到木星。“为什么要丢掉这些信息,而不是暂存直到木星出现?” 瑟夫说。这种存储转发功能,使得捆绑数据包在大规模中断和拖延条件下,仍旧可以顽强地一次次跳转到目的地。他在这一研究方向上的最新论文,强调了Loon SDN(一种能够管理在空中移动的网络的技术)在NASA下一代太空通信体系结构中的适用性。
除了行星际互联网,年过70的瑟夫还专注于作为谷歌首席互联网布道师的日常工作。这是他所喜欢的一个别致职称。充满了传教士般的热忱和渴望,他希望通过全球政策制定,将互联网带到数十亿还没有接触到它的人们手中。他对严肃工作一丝不苟,却又保持着顽皮一面。尽管他给人的典型印象是修剪整齐的胡须和三件套西装(有人说他正是电影《黑客帝国》中像神一样的架构师形象的灵感来源),他也曾经在主题演讲开场时,像超人一样解开他的外套和衬衫露出T恤,上面写着“I P on Everything!”1
瑟夫从COVID-19中康复后不久,《量子杂志》就在他参加虚拟海德堡获奖者论坛2之前联系上他。为简明起见,以下访谈进行了缩减和编辑。
从TCP/IP到DTN——他是怎样把互联网连接到太空的?

瑟夫对探索太阳系充满热情,他与喷气推进实验室、行星际网络特别兴趣小组以及其他机构合作,为太空中的宇航员和计算机带来了可容忍时延的互联网

行星际互联网的想法从哪儿来的?
1998年春季,我们9个人在喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,简写JPL)聚会讨论:展望从现在开始25年后的太空探索可能的需要,我们应该怎么做?曾在JPL任职,后来又服务于NASA总部的阿德里安·胡克(Adrian Hooke)是真正支持并推动这一工作的人。他几年前去世,但正是他将这支团队凝聚在一起。
我们已经研究了数十年的太阳系,但是无论是直接载人还是使用机器人,这种探索通常涉及无线电通信,要么直接点对点要么通过所谓的“弯曲的管道”:由无线电中继站接收信号并重新广播,以提高到达地球的可能性。
我们的小组问:我们可以做得更好吗?我们能否利用互联网技术来改善太空通信,特别是随着航天器数量的持续增加,或者当我们开始在月球或火星上安置定居点时,我们该如何做?
那么,在构思了捆绑协议二十年之后,行星际互联网是否已经建立并开始运行?
我们不必构建整个事物,然后希望有人使用它。我们寻求建立与互联网类似的标准、免费发布这些标准,而后实现互操作性,以便各个航天国家可以互相帮助。
互联网不会发明或发现任何东西。它只是促进人们协同工作和发现新事物的媒介。
对于多任务基础架构,我们正在迈出下一步:设计行星际主干网的功能。你建造下一个任务所需的设备。随着航天器的建造和部署,它们将携带成为行星际骨干网一部分的标准协议。然后,当这些航天器完成其首要的科学任务后,便被重新定位为骨干网中的节点。随着时间的推移,我们累积增生行星际骨干网。
这种重新定位已经开始吗?
2004年,火星探测车本应通过深空网络直接将数据传输回地球——位于澳大利亚、西班牙和加利福尼亚的三根巨大的70米长天线已为此做好准备。然而,该信道的可用数据速率仅为每秒28KB,这实在有限。当火星探测车开启无线电传输时,出现过热现象。它们被迫放弃,这意味着发回的数据更少。那使科学家们情绪很坏。
JPL的一位工程师使用一款超酷的原型软件,对亿万英里以外的探测车和轨道飞行器进行重新编程。我们建立了一个小型的存储转发行星际互联网,该网络实质上只有三个节点:火星表面的探测车、轨道飞行器和地球上的深空网络。从那以后一直在运行。
从那时起,它变得越来越大,对吧?
我们一直在完善这些协议的设计,协议的实现和测试也在持续进行中。最新协议正在地球与国际空间站之间来回中继运行。我们还进行了其他一些非常酷的测试。一艘近距离探测彗星的航天器EPOXI,在飞离地球大约81光秒时,有人告诉我们:“如果你们上载协议并在那个航天器上进行测试,我们没意见。”我们也照做了。
我们在国际空间站进行了另一项测试,当时宇航员正在控制位于德国的一辆小型机器人车辆。通常,你不会这样做:如果你试着驾驶在火星上的车辆,信号到达那里需要20分钟,那么你可能会转动方向盘,而在20分钟后,车辆转弯并落下悬崖。然后,再过20分钟,你才发现你的造价60亿美元的车辆报废了。但这种直接操控在国际空间站和地球之间没问题,因为距离只有几百英里。这项测试的目的,在于辅助宇航员无需降落至其他行星就可以完成某些任务。他们只要绕着其轨道运行,就可以实时部署行星表面上远程设备。
用户体验如何?行星际互联网的捆绑协议的使用感受和地球互联网的TCP/IP一样吗?
很快你就不再处于交互模式。您要么处于“通话完毕”模式,要么处于“这是我几个小时前录制的一个不错的视频记录”模式,就像电子邮件一样。这些协议的着眼点,是认识到时延消除了交互的可能性。这给协议设计带来了限制。
看来您已经解决了主要问题,但是还有什么待决的问题吗?
在技术设计上达成共识并实现协议是一回事,在需要它们的地方应用则是另一回事。对于新事物的尝试有很多阻力,因为“新”意味着:“那可能有风险!”和“给我看看它真的有用!” 除非你愿意冒险,否则无法做出证明。
我们正在努力说服设计太空任务的人员,这些东西已经过充分的测试。那是一个艰难的过程,还有很多工作要做。我们必须为支持太空探索的商业公司提供现成的功能。我们必须让设计任务的科学家说:“这就是我们现在能做到的。”
这样,你就可以利用我们已拥有行星际骨干网的假设,规划更加雄心勃勃的项目。如果你预设自己做不到,那么你将设计出通信能力有限的任务。
行星际互联网会催生新的太空探索方法,进而带来新发现吗?
行星际互联网是旨在支持行星际活动的基础设施,它可能是研究性质的,但有朝一日也可能商业化。它是一种基础设施,就像地球互联网一样。互联网不会发明或发现任何东西。它只是促进人们协同工作和发现新事物的媒介。
那么在地球上,DTN协议在这里也有用吗?
瑞典的一位工程师设想试用DTN协议来追踪拉普兰地区的驯鹿,萨米人3在那里放牧了8000年。驯鹿四处游荡,在无线电覆盖区域中进进出出。这是一个不可预测的环境,与能够应用准确的航天动力学计算预测可能发生的接触的环境大不相同。正在拉普兰进行的测试,可以研究在通讯的可预测性较差时,DTN的机会性功能。
同样,在海洋研究中,你在海洋表面或海床上部署数据采集和积累的设备,但却未必能与其一直保持连接。对于地球观测,传感器可以间歇地扫描林地,但无法连续广播。在完全连接的互联网环境中,生成的数据会马上发送出去。这在具有间歇性连接的环境中不适用。你需要一个协议说:“不要惊慌!没关系,先暂存在上面。” 实际上,出于能源效率的考虑,电池驱动的设备都不应该持续传输。
间歇性存储转发功能在地面上非常有用,尤其是在发生重大灾害后,你可能没有太多的通信功能选项。在资源不足以提供TCP/IP方式的覆盖时,使用DTN快速恢复网络连接。
从TCP/IP到DTN——他是怎样把互联网连接到太空的?

除了从事行星际互联网的工作之外,瑟夫还是谷歌的首席互联网布道师,致力于拓展地面互联网的全球覆盖

对于整个地球的互联网,从TCP/IP转到DTN有意义吗?
我们已经证明,即使DTN协议比传统的TCP/IP协议有更多的开销,它也可以高速运行。但是很难在任何地方都引入DTN,因为要看那里有多少TCP/IP在运行。互联网方面还发展了另一套称为QUIC的协议,该协议不仅可以实现更高的数据传输速率,而且还能够更快地从故障或中断中恢复。但是,这种演进不在DTN的发展方向上。
另一方面,对于连通性还很差的移动设备,DTN功用可能相当不错。我们现在正在研究在移动环境中实现DTN。
作为互联网之父和布道师,您是否对自己的创作有任何担忧?
滥用互联网、虚假信息和恶意软件、伤害性攻击、网络钓鱼攻击、勒索软件。意识到人们会利用如此有前景、且不负所望的基础设施去做坏事,这很令人痛心和沮丧。不幸的是,这是人的本性。
我们需要附加的手段治理在线环境,但那很难。中国人建造了一个大防火墙,然后将所有人置于其中监管。那不一定是我们其他人想要生活的社会,但我们仍然必须解决这个问题。在不走极端的情况下,我们该如何应对?我没有一个好答案。我希望我有,但很可惜。
这些就是我现在所想的。实际上,思考行星际的网络协议是一个令人耳目一新的转变,因为我们在那里关注的几乎完全是纯粹的科学成果。
这是故意搞笑的双关语。字母I和P连在一起,就是网际协议的缩写IP,“IP on Everything”意即IP运行于任何链路和物理媒介之上,代表当时(1998年)对IP一统天下的展望,这已经成为互联网的现实。另一方面,I就是英文的“我”,P与英文的小便pee谐音,瑟夫借此跟大家开个玩笑。↩︎
由海德堡获奖者论坛基金会举办的年度国际高端青年学术论坛,旨在促进数学和计算机科学的研究和发展,为青年一代学者提供与荣获阿贝尔奖、内万林纳奖、菲尔兹奖和图灵奖等国际顶级奖项的科学家交流学术的机会。↩︎
北欧地区的原住民,也是欧洲目前仅存的游牧民族,许多人仍旧以牧养驯鹿维生。
子曦

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