Истоки и будущее межпланетного интернета

В наше время связь с космическими аппаратами на расстоянии двух миллионов километров от Земли поддерживается напрямую при помощи огромных антенн, известных как Deep Space Network ^[1]. Центры связи NASA расположены в Канберре, Мадриде и калифорнийской пустыне. Роверы отправляют данные космическому аппарату на орбите космического объекта, а аппарат затем передаёт пакеты данных напрямую на Землю. Удобный способ связи, если в космосе очень мало зондов и роверов. Но сейчас их около сотни, и из-за этого необходимо придумывать расписание сеансов связи.

В 1998 году DARPA ^[2] начало финансировать группу учёных из Лаборатории реактивного движения NASA. Так появился проект межпланетного интернета (Interplanetary Internet, IPN), совместный проект NASA и Google для обеспечения сверхдальнего космического интернета. В его рамках был создан новый протокол для обмена данными — без необходимости передавать их напрямую на Землю: в цепочку включаются ближайшие зонды, способные сохранить информацию и отправить её дальше. Одним из создателей протокола стал Винтон Серф ^[3], «отец интернета» и вице-президент Google, разработавший стек протоколов TCP/IP. С 1998 года он работает с NASA над проектом IPN.

Идея межпланетного интернета

Из выступления Винтона Серфа в Институте «Стрелка» (Москва) в 2011 году ^[4] следует, что идея IPN появилась в 2004 году, когда два космических аппарата совершили посадку на Марс. Марсоходы понадобилось связать с Землёй напрямую, но пропускная способность каналов оказалась слишком мала. Более того, длительное использование передатчиков перегревало аппараты. Поэтому учёные не могли получить данные. Затем одному инженеру пришло в голову, что на марсоходах есть второй, более скоростной передатчик, который не может отправлять данные напрямую на Землю. Аппараты перепрограммировали таким образом, чтобы информация сначала попадала на спутник на орбите Марса, затем на МКС, а потом — в оптимальный момент прохождения орбиты — на Землю. Так получилась система коммутации пакетов.

Наземный интернет не был приспособлен для космоса. Для наземного интернета отсутствие связи, приводящее к потере пакета данных, — отклонение от нормы, а для космоса — обычное дело. Космический аппарат может зайти в тень планеты или попасть под воздействие вспышек на Солнце, отчего связь исчезнет. Порой она пропадает надолго. Но в случае космоса потеря данных недопустима.

Чтобы решить эту задачу, создали Bundle protocol, который назвали DTN ^[5] (Delay/Disruption Tolerant Networking). Если узел не смог передать пакет данных по назначению, то информация не удаляется, а сохраняется. Попытки передачи продолжаются, пока узел не свяжется с другим узлом и не отправит ему данные. Информация в любом случае доходит до получателя.

Допустим, нам нужно передать кое-что с Плутона на Землю. Возможный путь такой: сначала на зонд около Марса, затем на зонд на орбите Луны, а после — на Землю. Если марсианский зонд получит данные, а связи с лунным аппаратом в это время не будет, то данные не потеряются, а сохранятся. Когда связь появится — информация будет успешно передана дальше. Этот способ позволит обеспечить всю Солнечную систему довольно быстрым интернетом. Сейчас сигнал до Плутона добирается за 4,5 часа, а до Марса — за 3—20 минут.

Вначале можно при помощи DTN залить ПО для связи в уже запущенные космические аппараты. Ещё лучше — запустить специальные аппараты, позволяющие работать с данными по этой технологии. Они бы передавали информацию на большой скорости при помощи лазеров. Такие аппараты станут основой межпланетного интернета (в наземном интернете её роль играют оптоволоконные кабели, проходящие по суше и дну океана).

Основой для IPN мог бы стать Марсианский телекоммуникационный орбитальный аппарат NASA. Планировалось, что он будет главным центром связи для марсоходов и центром управления полетами на Земле. Запуск наметили на 2009-й, прибытие на орбиту Марса — на 2010-й, но миссию отменили из-за нехватки финансирования.

^{Автор: NASA/JPL — photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA07500 [6]
commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=102953 [7]}

Первое испытание межпланетного интернета

Первым DTN-протокол стал использовать британский спутник ^[8]. Он передал большое изображение на наземную станцию в 2008 году.

Позже, в ноябре 2008 года, NASA успешно провело первое масштабное испытание межпланетного интернета. В рамках тестирования системы была создана сеть из 10 узлов. Одним из таких узлов стал космический аппарат EPOXI ^[9], который имитировал марсианскую ретрансляционную станцию. (Ранее он был известен как Deep Impact ^[10]. Но после успешной бомбардировки кометы Темпеля ^[11] медной 400-килограммовой болванкой аппарат переименовали и отправили на встречу с другой кометой — Хартли 2 ^[12], к которой он приблизился в 2010 году.)

Для передачи данных в космосе использовался протокол DTN, устойчивый к разрывам связи. Специалисты NASA смогли перебросить около десяти фотографий на борт космического аппарата EPOXI ^[9], который находился в 32 миллионах километров от Земли.

Остальные узлы остались на Земле: они имитировали посадочные модули и орбитальные модули на Марсе. Эксперимент продолжался месяц. Затем NASA продолжило испытание, отправив оборудование для межпланетного интернета на Международную космическую станцию.

Испытание на МКС

В 2012 году NASA и ESA (Европейское космическое агентство) при помощи межпланетного интернета передали данные с МКС на Землю. Командир МКС Санита Уильямс ^[13] управляла с орбиты небольшим роботом из конструктора лего; сам робот находился в Европейском центре управления космическими полетами в Дармштадте (Германия).

Сейчас несколько узлов МКС поддерживают протокол DTN, МКС — часть межпланетного интернета.

В дальнейшем планируется использовать протокол DTN на борту космического корабля на околомарсианской орбите для управления марсоходами и другими аппаратами на поверхности красной планеты.

Спутники Mars Reconnaissance Orbiter и Mars Odyssey поддерживают прототипную версию ПО для построения межпланетного интернета. Марсианские роверы Opportunity и Curiosity тоже используют эти протоколы. Дальнейшие проекты связаны с расширением сети и подключением к ней других космических агентств.

В 2016 году прошёл ещё один эксперимент по управлению с орбиты роботом на земной поверхности. Британский космонавт Тим Пик ^[14] из международной команды МКС управлял марсоходом Bridget. Робот находился на земном полигоне, имитирующем марсианскую поверхность. Bridget успешно огибал препятствия и находил интересные для науки объекты.

Этот эксперимент — один из этапов проекта, над которым работают ESA, UKSA (Космическое агентство Великобритании) и европейское отделение компании Airbus Defence and Space. Они совместно создают способ удаленного управления робототехникой во время космических полётов.

Для экспериментов на базе Airbus Defence and Space в Великобритании построили площадку Mars Yard. Полигон размером 30 × 13 метров покрыт «марсианским» песком и камнями. Один участок освещён ярко, а другой — более тёмный, как пещера или затенённый участок кратера. По всему периметру учёные разместили макеты «научных» целей экспедиции.

По освещённой площадке робот двигался под управлением сотрудников Европейского центра управления космическими полетами в Дармштадте. Для прохождения затененного участка управление передали Тиму Пику. Он помогал роботу находить «научные объекты», на которые заранее нанесли светящуюся краску.

Эти испытания — часть проекта METERON, проекта разработки космического интернета, позволяющего управлять роботами с орбитальных космических кораблей в режиме реального времени.

Система удалённого управления необходима для исследования дальнего космоса.

Лазерная система связи и межпланетный интернет

Новой вехой в развитии системы межпланетного интернета стало испытание лазерной системы связи, размещённой на борту лунного зонда LADEE ^[15] (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) в 2013 году. Первый лазерный тест с LADEE прошёл 17 октября, за ним последовали ещё три успешных сеанса. Скорость передачи данных на борт аппарата на расстоянии 385 тысяч километров между Луной и Землей достигла 20 Мбит/с, а на Землю — 622 Мбит/с. LADEE установил рекорд по скорости и количеству данных.

В будущем системы лазерной коммуникации позволят в реальном времени передавать на Землю видео с аппарата, когда тот находится на другой планете, либо проводить телеконференции с будущими участниками межпланетных перелётов. Также у NASA есть намерения связываться с марсианскими или иными аппаратами на расстоянии миллионов километров от нашей планеты.

Сейчас LADEE находится возле Луны, однако расстояние от Земли до Марса в тысячу раз больше, чем до Луны, поэтому лазерная система может стать единственным возможным способом передачи данных. В NASA планируют улучшить лазерную систему, ускорив передачу данных с марсианских аппаратов до 250 Мбит/с.

Марс, Илон Маск и проект межпланетного интернета

В ноябре 2014 года Илон Маск объявил ^[16] о замысле создания нового интернет-провайдера на основе космических спутников. На тот момент Маск и Вайлер работали над совместным проектом WorldVu Sattelites, но затем их дороги разошлись. Компания Google заинтересована в финансировании проекта. Он поможет подключить к Сети отдалённые районы Земли без покрытия, а затем и планируемую колонию на Марсе.

Проект Маска отличается от аналогичных разработок тем, что десятки спутников будут связываться между собой с помощью лазеров, а не радиоволн. Это позволит повысить скорость передачи данных и избежать проблем с поиском свободного спектра радиочастот.

Маск собирается запустить сотни спутников на орбиту на высоте 1200 километров над Землей, раздавая с их помощью интернет. Это гораздо ближе, чем размещение традиционных коммуникаций на высоте до 35 тысяч километров. Из-за этого интернет-провайдер Маска будет быстрее спутникового интернета. Маск утверждает, что его интернет из-за вакуума в космосе окажется на 40 % быстрее оптоволокна. На Земле данные проходят через десятки роутеров при передаче по оптоволокну, а в космосе сигнал сразу попадёт на спутник, переберётся по цепочке до нужного места и спустится вниз.

OneWeb и Ричард Брэнсон

В январе 2015 года Грег Вайлер анонсировал ^[17] создание похожего спутникового интернет-провайдера OneWeb. Проект получил от Virgin Group Ричарда Брэнсона инвестиции на 648 спутников, что в десять раз превосходит количество аппаратов самого крупного спутникового провайдера Iridium Communications. Проект планируют запустить до 2018 года.

По словам Маска, они с Вайлером сильно расходятся во взглядах на архитектуру проектов, хотя преследуют похожие цели. У Брэнсона на этот счет своё мнение: он полагает, что у Маска могут возникнуть проблемы с проведением интернета в космос. У компании Вайлера есть лицензии на использование соответствующих частот, а в космосе может оказаться «физически недостаточно места» для двух провайдеров одновременно. Предприниматель надеется, что Маск решит работать в совместном с OneWeb проекте.

Будущее за квантовыми коммуникациями

Летом 2014 года команда физиков из университета Падуи в Италии во главе с Паоло Виллорези провела эксперимент по «обстрелу» четырёх космических спутников поляризованными фотонами. Таким образом учёные продемонстрировали основы квантовой коммуникации между космосом и наземными станциями. Результаты исследования представлены в статье ^[18].

Для квантовых коммуникаций требуются волоконно-оптические кабели ^[19], но информация по ним будет передаваться на небольшое расстояние: материал проводника в определённый момент может поглотить фотоны.

Другие способы связи подразумевают передачу сигналов по воздуху, но на короткие расстояния (из-за помех). В 2014-м рекордом были 144 километра.

По мнению некоторых учёных, однажды беспроводная передача кубитов информации достигнет оптимальной скорости, тогда квантовое сообщение с космическими кораблями станет удобным и быстрым.

Концепция квантового интернета

Вслед за открытиями в области квантовой коммуникации появилась концепция квантового интернета будущего. Исследователи из Великобритании и Сингапура сообщили ^[20], что им удалось вывести на орбиту Земли первые компоненты системы, ставшие предвестниками квантового интернета в космосе. Планируется, что узлы на Земле будут передавать информацию в запутанных фотонах на орбитальные спутники, которые в условиях отсутствия атмосферы смогут без потерь перенаправить луч с одного аппарата на другой и мгновенно донести сигнал до компьютера на другой стороне земного шара.

Учёные решили проверить ^[21], как компоненты квантовой связи выдержат запуск и смогут ли они работать на орбите. Для этого в космос отправили спутник с компактным устройством SPEQS на борту. Прибор не может принимать или передавать информацию, он лишь создаёт коррелированные пары фотонов и измеряет их свойства. Фотоны из установленного на борту лазера BlueRay проходят через систему кристаллов и зеркал и разбиваются на две части, после чего детекторы определяют свойство каждого компонента пары.

Успешное создание коррелированных фотонов — предшественник получения запутанных фотонов ^[22], свойства которых связаны между собой, даже если частицы находятся далеко друг от друга. Именно это явление лежит в основе квантовых вычислений и будущих квантовых коммуникационных сетей. В будущем такие аппараты смогут передавать запутанные фотоны на Землю и обмениваться ими между собой. В итоге в космосе появится целая флотилия спутников, связывающих многочисленные станции на Земле.

Первый в мире квантовый спутник — Мо-цзы

Дальше всех в этом направлении продвинулись китайцы. В августе 2016 года Китай вывел на орбиту первый в мире квантовый спутник, предназначенный для испытания систем квантовой коммуникации.

Учёные надеются, что таким образом смогут сократить потери при передаче квантового сигнала. Пока максимальное расстояние, на котором удалось наладить передачу запутанных фотонов по оптоволоконному кабелю, — 400 километров. Чем больше расстояние, тем сложнее обеспечить передачу данных без потерь, а скорость обмена информацией существенно падает.

Китайский спутник будет экспериментировать с передачей запутанных фотонов между двумя станциями, находящимися на расстоянии 1200 километров. Эксперимент продлится около двух лет, но если первый спутник покажет хорошие результаты, то Китай намерен запустить ещё несколько аппаратов. Для создания полноценной защищённой квантовой системы космических коммуникаций потребуется около 20 таких аппаратов.

Канадские учёные ведут аналогичные разработки. Исследователи тоже планируют создавать запутанные фотоны и «стрелять» ими с Земли в крошечные микроспутники (кубсаты) на околоземной орбите. Итальянские специалисты, в свою очередь, планируют запускать запутанные фотоны с зеркал, установленных на спутниках, которые уже находятся на орбите.
Учёные прогнозируют, что в течение десяти лет появится полностью защищенный «космический интернет». Помимо этого, можно будет объединить квантовые спутники и создать на их базе космический телескоп с фантастической разрешающей способностью.

Пока технологии квантового интернета очень дороги, несовершенны и уязвимы перед некоторыми видами атак. Поэтому квантовые системы не могут прийти на смену обычным каналам передачи информации. Главная идея квантового интернета — шифрование данных. Спутник с помощью специального протокола квантового распределения ключей обеспечит наземные станции надёжными одноразовыми паролями. Теоретически злоумышленник не сможет подсмотреть пароли, а значит, и вскрыть зашифрованный канал связи между станциями.

Заключение

В ближайшие 20 лет ряд стран планируют высадку людей на Луну и Марс. Самые известные программы в этом направлении создают ЕС и Китай. Другие программы разрабатывают Индия, Япония, Россия и Иран. Постоянные базы на Луне и колонизация Марса — это уже не идеи, а планы и программы, которые понемногу воплощаются в жизнь. Но будущее космических полётов зависит от скорости коммуникаций. Развитие межпланетного интернета положило начало созданию новых сложных космических миссий. Быстрый интернет в космосе откроет безграничные возможности для связи с космическими аппаратами и спутниками, упростит их поддержку, обеспечит надёжную связь с космонавтами на поверхности Луны и Марса.

Международный консультативный комитет по космическим системам передачи данных (CCSDS ^[23]) предлагает всем космическим агентствам мира устанавливать на свои новые автоматические и пилотируемые аппараты оборудование, работающее с протоколом DTN. Тогда с каждым новым аппаратом в сеть будет добавляться новый узел, даже когда он завершит свою научную программу. А значит, через 50—100 лет исследование космоса станет развиваться всё быстрее, и мы получим надежную информационную сеть для поддержки космических миссий.

И этим возможности межпланетного интернета не ограничиваются. В NASA обдумывают использование DTN для мобильных коммуникаций на Земле: сеть может пригодиться в тех местах, где качество связи не очень хорошее или же её вообще нет.

Автор: Mail.Ru Group

Источник ^[24]