星際互聯(lián)網(wǎng)工作原理

星際互聯(lián)網(wǎng)工作原理

1. 引言 2. 星際互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成 3. 星級(jí)互聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

引言

由于互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)以及電子通信行業(yè)的其他進(jìn)步，我們幾乎可以和世界上任何地方的任何人進(jìn)行通話。現(xiàn)在，科學(xué)家和太空探索家正努力尋求實(shí)現(xiàn)與外太空進(jìn)行即時(shí)通信的方式?；ヂ?lián)網(wǎng)下一階段的發(fā)展將把我們帶到太陽(yáng)系內(nèi)的遙遠(yuǎn)區(qū)域，為人類(lèi)探索火星及更遠(yuǎn)行星的載人飛行任務(wù)，奠定通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

- -環(huán)繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星可以通過(guò)星際互聯(lián)網(wǎng)將信息送回地球。

如果想更多了解其他行星，我們就需要為將來(lái)的太空飛行任務(wù)建立一個(gè)更好的通信系統(tǒng)。現(xiàn)在，由于以下幾方面原因，太空通信與地面通信相比，速度就像蝸牛一樣慢：

• 距離——在地球上，我們之間的距離還不到一光秒，這就使得地球上的通信幾乎可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)即時(shí)實(shí)現(xiàn)。然而在太空中，由于光在信息發(fā)射器和接收器之間需要穿行數(shù)百萬(wàn)公里而不是數(shù)千公里，因此信息會(huì)延遲幾分鐘甚至數(shù)小時(shí)才能到達(dá)目的地。
• 視距障礙——任何橫亙?cè)?a target="_blank">信號(hào)發(fā)射器和接收器之間的物體都會(huì)阻斷通信。
• 重量——高能天線能提高外太空探測(cè)飛船的通信能力，但由于太空飛船的有效載荷必須夠輕，且需有效使用，因此高能天線的重量并不適合航天器。

下個(gè)世紀(jì)來(lái)臨之前，人類(lèi)將有機(jī)會(huì)登上火星。屆時(shí)我們將如何與這些相距遙遠(yuǎn)的旅行者保持通信？科學(xué)家、工程師和程序員已經(jīng)著手建立一個(gè)星際互聯(lián)網(wǎng)以幫助我們聯(lián)系太空探測(cè)器和太空旅行者，并將更多的信息送回地球。如果你一直夢(mèng)想遨游太空，本文將為您介紹星際互聯(lián)網(wǎng)如何實(shí)現(xiàn)人人遨游太空的夢(mèng)想（與互聯(lián)網(wǎng)的方式一樣，我們不需要離開(kāi)電腦桌就可以漫游異國(guó)他鄉(xiāng)），以及哪些技術(shù)可以為這樣的太空通信系統(tǒng)提供助力。

星際互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成

回顧一下1997年火星探路者飛船的探索飛行任務(wù)，您就會(huì)知道太空探索者需要一個(gè)星際互聯(lián)網(wǎng)來(lái)進(jìn)行外太空通信。在探路者飛船的太空飛行任務(wù)中，飛船以平均每秒300比特的速度將數(shù)據(jù)傳回地球。而在大多數(shù)情況下，您的計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速度至少是它的200倍以上。火星和地球之間的互聯(lián)網(wǎng)將有可能使數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到每秒11,000比特。盡管這個(gè)速度比計(jì)算機(jī)的傳輸速度仍然要慢很多，但它已經(jīng)足夠?qū)⒒鹦潜砻嬖敿?xì)圖片傳回地球?；鹦?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)的研究者們認(rèn)為，傳輸速度最終將達(dá)到約每秒1兆字節(jié)（8,288,608 比特），可以讓任何人進(jìn)行虛擬火星旅行。

六顆這樣的微型衛(wèi)星可能會(huì)被送入火星低層軌道以增加從火星飛行任務(wù)傳回的數(shù)據(jù)。

星際互聯(lián)網(wǎng)就像一個(gè)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的的超大型互聯(lián)網(wǎng)。即將建立的星際互聯(lián)網(wǎng)由三個(gè)基本部分組成：

• 美國(guó)國(guó)家航空航天局 (NASA) 的深空網(wǎng)絡(luò)（DSN）。
• 由六顆人造衛(wèi)星組成的圍繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星群。
• 用于傳輸數(shù)據(jù)的新型協(xié)議。

- 將使用DSN的天線陣通過(guò)星際互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

深空網(wǎng)絡(luò)是NASA用來(lái)跟蹤數(shù)據(jù)和控制星際航天器導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)際天線網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)旨在支持與航天器進(jìn)行不間斷無(wú)線電通信。不過(guò)，近期有些太空飛行任務(wù)已與深空網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系，其中包括1999年的火星氣候軌道探測(cè)船和火星極地登陸者飛行計(jì)劃。深空網(wǎng)絡(luò)由位于加利福尼亞、澳大利亞和西班牙的三處全球基地共同組成。每個(gè)基地都配備有一座直徑為34米的高能天線、一座直徑為34米的波束波導(dǎo)天線（加利福尼亞有三座）、一座直徑為26米的天線、一座直徑為70米的天線和一座直徑為11米的天線。

在星際互聯(lián)網(wǎng)中，深空網(wǎng)絡(luò)將是從地球通往星際互聯(lián)網(wǎng)的門(mén)戶。為星際互聯(lián)網(wǎng)研究提供贊助的MITRE公司發(fā)表了一篇論文，在論文中，研究人員建議深空網(wǎng)絡(luò)的天線系統(tǒng)應(yīng)該每天至少指向火星12小時(shí)，以保持地球和火星間的聯(lián)系。圍繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星應(yīng)該在這兩顆行星之間提供全天候聯(lián)接?；鹦秋w行器、探測(cè)器或太空站將提供通往星際互聯(lián)網(wǎng)的火星門(mén)戶。

根據(jù)火星網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，深空網(wǎng)絡(luò)將與由6顆微型人造衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群，以及一個(gè)在火星低層軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)的大型人造衛(wèi)星Marsat通信。這6顆微型人造衛(wèi)星負(fù)責(zé)為火星表面或附近的航天器提供通信中繼服務(wù)，以便從火星飛行任務(wù)傳送回更多數(shù)據(jù)。Marsat從所有這些小型人造衛(wèi)星收集數(shù)據(jù)并傳回地球。根據(jù)參與火星網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的人員所說(shuō)，Marsat還可以讓地球和遙遠(yuǎn)的航天器保持不間斷聯(lián)接，并能傳送關(guān)于火星的高帶寬數(shù)據(jù)和錄像。美國(guó)國(guó)家航空航天局最早將于2003年發(fā)射一顆微型人造衛(wèi)星，并在2009年完成圍繞火星運(yùn)行的6顆人造衛(wèi)星群的部署。按計(jì)劃，2007年將在比該衛(wèi)星群運(yùn)行位置稍高的軌道放置Marsat。上述這些日期尚未最終確定。

程序員們正在開(kāi)發(fā)一種用來(lái)傳輸信息，并能夠克服延時(shí)和中斷問(wèn)題的互聯(lián)網(wǎng)文件傳輸協(xié)議。與在地球運(yùn)作的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 和傳輸控制協(xié)議 (TCP) 非常類(lèi)似，此協(xié)議將作為整個(gè)星際互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主干。20世紀(jì)70年代由溫頓·瑟夫博士合作開(kāi)發(fā)的IP和TCP協(xié)議是現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)提供了信使服務(wù)，這兩個(gè)協(xié)議將傳輸信息拆分打包成很小的數(shù)據(jù)單位，然后傳送到指定目標(biāo)。

瑟夫也是負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)新協(xié)議的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的成員，以便實(shí)現(xiàn)行星和航天器間遠(yuǎn)距離可靠數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)新的太空協(xié)議必須確保即使部分?jǐn)?shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中丟失，星際互聯(lián)網(wǎng)仍能正常工作。同時(shí)它還必須能夠?yàn)V除在數(shù)百萬(wàn)公里的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的噪音。新太空協(xié)議的一種想法是數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議 (PTP)，該協(xié)議能夠在每個(gè)行星的網(wǎng)關(guān)處儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。該協(xié)議將處理送到網(wǎng)關(guān)的信息請(qǐng)求，并將它轉(zhuǎn)發(fā)到最終目的地，網(wǎng)關(guān)隨后檢查和處理信息，并將信息按原路返回。

星級(jí)互聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

星際互聯(lián)網(wǎng)能使數(shù)據(jù)在太空中更快傳遞，保證地球與數(shù)百萬(wàn)公里外的探測(cè)器和其他航天器正常通信。在我們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬火星之旅之前，工程師們需要解決如下挑戰(zhàn)：

• 光速延時(shí)。
• 人造衛(wèi)星維護(hù)。
• 潛在的黑客入侵危機(jī)。

在地球上，連接到互聯(lián)網(wǎng)上的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)相隔最多不過(guò)數(shù)千公里，因?yàn)楣庖?300,000公里每秒的速度傳播，所以只需一轉(zhuǎn)眼的功夫就能將數(shù)據(jù)包從一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)。相比之下，地球與火星的兩個(gè)基站之間，距離最遠(yuǎn)達(dá)到 4億公里，最近的也有0.56億公里。這樣遙遠(yuǎn)的距離就需要幾分鐘或者數(shù)小時(shí)才能將無(wú)線電信號(hào)傳輸?shù)浇邮照?。星際互聯(lián)網(wǎng)將無(wú)法再現(xiàn)我們通常使用的互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)送達(dá)的特點(diǎn)。儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)的方式使得信息可以打包發(fā)送并克服因延時(shí)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題。

火星網(wǎng)絡(luò)的人造衛(wèi)星遠(yuǎn)在地球數(shù)千萬(wàn)公里之外。這意味著，一旦這些衛(wèi)星出問(wèn)題，將很難對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，因此這些人造衛(wèi)星的組件需要比圍繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星的組件更為可靠。

黑客給星際互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的威脅最大。對(duì)導(dǎo)航或通信系統(tǒng)的入侵和破壞，有可能對(duì)太空飛行任務(wù)造成嚴(yán)重災(zāi)難，甚至?xí)谳d人航天飛行任務(wù)中造成人員傷亡。開(kāi)發(fā)人員正在采取所有預(yù)防措施，來(lái)設(shè)計(jì)一種能控制訪問(wèn)的系統(tǒng)。所選的協(xié)議必須能夠防止黑客入侵，這一點(diǎn)在地球上有點(diǎn)像天方夜譚。研發(fā)人員或許能以用于金融交易的加密套接字層（SSL）協(xié)議作為模型，來(lái)維護(hù)星際互聯(lián)網(wǎng)的安全。

星際互聯(lián)網(wǎng)極有可能在十年內(nèi)幫助我們與火星建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，并在此后幾十年內(nèi)將我們帶入其他行星。在未來(lái)，我們不需進(jìn)入太空，就能體驗(yàn)太空之旅。太空景象將出現(xiàn)在我們的桌面上。隨著數(shù)據(jù)傳輸速度的提高，我們很快就能對(duì)火星群山、土星環(huán)和木星大紅斑來(lái)一次虛擬太空旅行。