Vesoljski internet

Povezava z internetom je vsaj v razvitem delu svetu postala samoumevna ne glede na kraj. Če pa želimo kdaj resneje potovati po vesolju, bomo internetno povezavo potrebovali tudi tam.

Na vesoljski postaji s trenutno tehnologijo še nekako gre, že na Marsu ali dlje pa je za običajno uporabo klasičen protokol TCP/IP popolnoma neprimeren. Zato NASA s partnerji razvija tehnologijo, ki bo omogočila dostop do interneta tako na drugih planetih kakor tudi v ekstremnih razmerah na Zemlji. Imenuje se odložljivo omrežje in na vesoljski postaji že poskusno obratuje.

Zahteva zveni kot nekaj najosnovnejšega na svetu, izvedljivost pa kot preprost inženirski problem. Internet, ki je prodrl že v vse kotičke sveta, bi želeli imeti na Mednarodni vesoljski postaji (ISS), na Marsu in kasneje še na kakšni drugi okrogli skali. Če lahko komuniciramo z Voyagerjem 1, ki je od nas 135-krat bolj oddaljen kot Sonce in do tja radijski signal potrebuje 19 ur, in če imamo na Zemlji že izumljeno in postavljeno tehnologijo za internetno povezljivost, se zdi razširitev na bližnja vesoljska telesa trivialna. Toda problem zemeljskega interneta je prav to – naš internet je narejen za razmere na Zemlji, zato potrebujemo odložljiva omrežja (DTN – delay- and disruption-tolerant network).

Velika večina internetnega prometa poteka po protokolu TCP/IP. Ta terja predpostavke, ki v vesolju ne veljajo več. Internet kot omrežje omrežij predpostavlja, da so povezave med omrežji vedno dosegljive, sorazmerno nespremenljive, z nizko frekvenco napak, hitre in z nizkimi zakasnitvami ter v glavnem simetrične. To si na Zemlji lahko privoščimo, ker sestavljajo hrbtenico omrežij zanesljive žične (optične) povezave in ker je Zemlja tako majhna, da električni signal en obseg (40.000 kilometrov) teoretično prepotuje v 130 milisekundah. Seveda so redna odstopanja od tega ideala, kar TCP/IP uspešno kompenzira, dokler jih je malo in so redka. Ko pa se Mars vsakih 26 mesecev znajde točno za Soncem, gledano z Zemlje (v konjunkciji), dobra dva tedna tja ne moremo poslati ničesar. Tega pa zemeljski protokoli ne razumejo.

Zakaj ne s TCP/IP?

Podatki se prek interneta s TCP/IP prenašajo po slojih, ki sestavljajo internetni protokolni sklad. Zgornji sloj je aplikacijski (application layer) in komunicira s programi, ki želijo uporabljati omrežno infrastrukturo za prenos podatkov. Ti podatki se v transportnem sloju (transport layer) na viru razdelijo na segmente, na cilju pa se v pravilnem zaporedju spet sestavijo v celoto. To funkcijo opravlja TCP (transmission control protocol) ali UDP (user datagram protocol). Še sloj niže najdemo internetno plast (network layer), ki skrbi za usmerjanje podatkov od vira do cilja. Paketki na internetni plasti se imenujejo datagrami, do cilja pa jih spravi IP (internet protocol), ki mu pomaga kopica pomožnih. Ti skrbijo za poznavanje stanja in povezljivosti omrežja. Internetna plast poskrbi, da se najde nepretrgana in kar najučinkovitejša povezava od vira do cilja, torej skozi čim manj vozlišč in po čim hitrejših povezavah. Najniže je plast podatkovne povezave (link layer), ki ureja dejanski prenos po povezavi, kamor je vozlišče fizično priključeno (npr. ethernet ali PPP). Po fizičnem sloju (physical layer) teče dejanski prenos podatkov (mediji so optični kabel, bakrena parica, koaksialni kabel, brezžični kanal itd.)

Ključna tehnika se imenuje enkapsulacija, pri njej vsaka past prevzame podatke od višje plasti in jim doda svojo glavo, nekatere pa tudi rep. TCP podatke razkosa na segmente, IP jih enkapsulira v datagrame in fragmente, plast podatkovne povezave pa okvirje, ker dodaja tudi svoj rep itd. Po fizičnem sloju komunikacija teče kot nepretrgan tok bitov 0 ali 1.

TCP/IP je de facto standard, ki pa se je uveljavil. Referenčni model ISO/OSI, ki je de iure standard, sestavlja sedem plasti. TCP/IP je funkcije aplikacijske, predstavitvene in sejne plasti združil v aplikacijski sloj, a to ta hip ni pomembno.

Internet na mednarodni vesoljski postaji

Mednarodna vesoljska postaja (ISS) je trenutno edini kraj v vesolju, kjer se ljudje dlje časa zadržujejo, zato je že leta 2010 dobila delujočo internetno povezavo (klasično TCP/IP). Astronavti so že prej odgovarjali na elektronsko pošto in komunicirali po Twitterju, a se je temu lahko reklo vse kaj drugega kot internet. Tehniki so namreč ročno sinhronizirali mape z elektronsko pošto v krajevnih strežnikih in na ISS, sporočila za Twitter pa so na Zemlji pretipkali iz elektronskih sporočil.

Potem pa je januarja 2010 ISS dobil Crew Support LAN, kakor NASA imenuje dostop do interneta. ISS je namreč ves čas povezan s sistemom TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System), ki ga sestavlja konstelacija sedmih aktivnih satelitov in zemeljske postaje v White Sandsu v Novi Mehiki, na Guamu in v Goddardovem vesoljskem centru v Marylandu. Najnovejši sateliti TDRSS omogočajo povezave 6/0,3 Mb/s v pasu S, 300/25 Mb/s v pasu Ku in 800/25 v pasu Ka. Ker TDRSS podpira številne po orbiti leteče človeške izdelke in tudi na primer postajo McMurdo na Antarktiki, le del pasovne širine odpade na komunikacijo z ISS. Astronavti lahko le manjši del širine uporabijo za dostop do interneta.

V praksi je dostop do interneta na ISS videti takole: astronavti imajo za dostop do interneta namenske prenosne računalnike, ki so prilagojeni delovanju v breztežnostnem okolju. Zaščita pred škodljivim sevanjem ni potrebna, ker je zaščita že sama ISS, težave pa bi povzročal zemeljski sistem za hlajenje. Tu nam namreč pomaga gravitacija, zaradi nje se topel zrak dviga, na hladilna rebra pa priteka hladen zrak iz okolice. V breztežnostnem okolju tega učinka ni, zato je treba imeti več (močnejših) ventilatorjev, da skrbijo za prisilno kroženje zraka.

Do interneta potem dostopajo prek sistema VNC (virtual network computing). Neposredno v internet je povezan računalnik na Zemlji, astronavti pa na ISS vidijo zaslonsko sliko tega računalnika. Tako je bistveno zmanjšana možnost, da bi z brskanjem po spletu ISS okužili s kakšnim virusom, oziroma kakorkoli škodili postaji. Hitrost povezave je v zadnjih letih postala znosna in zadostuje tudi za pošiljanje video vsebin. Nerešljiva težava pa so seveda zakasnitve. ISS je na višini 400 kilometrov čisto blizu Zemlje, geosinhroni sateliti TDRSS na višini 36.000 kilometrov pa niti ne. Če k temu prištejemo še zakasnitve na vozliščih, povratno pot in VNC, od klika do odziva mine tudi sekunda. NASA dodaja še, da za astronavte veljajo iste omejitve uporabe interneta kot za preostale državne uslužbence, torej nič nelegalnih ali nespodobnih vsebin.

Glavni problem protokola TCP pri uporabi v vesolju bi predpostavljala njegova interaktivna narava. Terja namreč veliko pogovarjanja, torej pošiljanja sporočil in potrjevanja prejema med virom in ciljem. Najprej se povezava vzpostavi s tristranskim rokovanjem (three-way handshake), ko vir pošlje signal cilju, ta mu odgovori, vir pa potrdi prejem. Pri prenosu podatkov mora cilj potrditi prejem vsakega segmenta, sicer ga bo po nekem času vir še enkrat poslal. Na koncu sledi še štiristransko zaprtje povezave, ko vir sporoči konec, cilj potrdi prejem, cilj sporoči svoj konec in vir potrdi prejem. Skratka, gre za veliko obojestranskega pogovarja, ki ne terja veliko pasovne širine, terja pa svoj čas. Pri povezavah z nizkimi zakasnitvami to ni problem, če pa traja prenos podatkov v eno smer tri minute in pol (kadar je Mars najbliže Zemlji, sicer pa lahko tudi do 24 minut), je tak protokol nepraktičen.

IP, poenostavljeno povedano, poizkusi najprej poiskati celotno povezavo od vira do cilja, šele nato se podatki dejansko pošljejo. To je dobra zamisel, kadar je tako povezavo mogoče najti v vsakem trenutku, kar na Zemlji v splošnem velja. V vesolju pa je malo drugače, ker je tam cel kup omejitev: od čakanja na sončni vzhod, da se napolnijo baterije, do sončnih neviht in planetov med vozlišči. Zelo malo verjetno je, da bo v nekem trenutku delujoča celotna povezava, zato bo podatke treba pošiljati korakoma od vozlišča do vozlišča.

Odložljiva omrežja (DTN)

DTN se razvijajo, da bi internet zagotovili tudi tam, kjer so povezave nestalne, z rednimi in izrednimi prekinitvami, tam, kjer so zakasnitve dolge in spremenljive, tam, kjer so hitrosti prenosa v obe smeri različne, in tam, kjer je med prenosom veliko napak. Vse te težave rešuje zelo stara metoda shranjevanja in posredovanja (store and forward message switching), ki jo poznamo že iz elektronske pošte, le da jo je treba zdaj izvesti na nižji ravni.

Vsako vozlišče ima zmogljivosti za dolgoročno shranjevanje sporočil, kamor se (s)prejeti promet shranjuje do potrditve, da ga je naslednje vozlišče sprejelo in se zavezalo k njegovi nadaljnji dostavi. Te zmogljivosti so nujne, ker so povezave z naslednjim vozliščem lahko nedosegljive daljši čas in ker so lahko hitrosti povezav med različnim vozlišči zelo različne.

DTN je namenjen rabi na različnih krajih in napravah. Zato se povezave vzpostavljajo po urniku (kdaj bo komunikacija med Zemljo in Marsom možna, se izračuna), kar je znano vsem vozliščem, in naključno (kdaj bo nad oddajnikom letalo, ki bo lahko podatke posredovalo satelitu, je precej nepredvidljivo).

Ključna novost DTN je dodatni sloj za enkapsulacijo, ki se imenuje zavitek ali sveženj (bundle layer) in je umeščen neposredno pod aplikacijsko plastjo, nad transportnim in drugimi sloji. BP (bundle protocol) je edini sloj, ki je skupen vsem vozliščem v DTN. Taka rešitev omogoča združljivost, saj ne posega v strukturo nižjih slojev, ki jih le enkapsulira. Komunikacija med vozlišči, ki jih povezuje, je poenostavljena in ni več toliko obojesmernih posegov.

TCP vedno ponovi prenos podatkov, če ne prejme potrditve, da je končni cilj podatke prejel. Ker pri DTN to ni več izvedljivo, vsako vozlišče DTN zaključi (terminira) vse nižje sloje, za katere je konkretno vozlišče DTN končni cilj. Ti tako ne vidijo prekinitev in dolgih zakasnitev, ki jih ne bi razumeli. Hkrati vsako vozlišče DTN izbere ustrezne protokole za nižje sloje, ki so primerni za določeno etapo potovanja.

Zgled

Če torej želimo poslati sporočilo na Mars, bi bila najenostavnejša pot takale: na viru se ustvari sveženj, ki ima za cilj Mars. Protokol ugotovi, da je satelit v zemeljski orbiti primerno vozlišče in da je do tja primerna pot prenosa TCP, zato ustvari krajevno kopijo sporočila in sporočilo pošlje satelitu. Ta potrdi prejem, konča sejo TCP in shrani sporočilo, vir pa ga ob prejemu povratnice izbriše. Na zemeljskem satelitu se v usmerjevalni tabeli prebere naslov satelita v Marsovi orbiti in podatek, da bo dosegljiv čez dve uri, kar ustreza nastavljeni življenjski dobi (time-to-live) sporočila. Ta je pomembna, ker preprečuje zasičenje omrežja. Čez dve uri zemeljski satelit pošlje podatke po nekem drugem protokolu Marsovemu satelitu, ta potrdi prejem, shrani sporočilo, zemeljski satelit pa ga po prejemu povratnice izbriše. Marsov satelit ugotovi, da lahko sporočilo dostavi neposredno na cilj in da je primeren protokol za ta prenos spet TCP. Dostavi sporočilo in zbriše krajevno kopijo.

V praksi

DTN ni namenjen le vesoljski komunikaciji, čeprav se zdi tako. Enak problem dosegljivosti in zakasnitev nastane pri komunikaciji z brezpilotnimi letali, (avtonomnimi) vozili, podmornicami, v rudnikih in še marsikje.

NASA je prve teste DTN uspešno izvedla že leta 2008, ko so vzpostavili omrežje DTN med plovilom DIXI (Deep Impact Extended Investigation), ki je bilo na poti proti kometu Hartley 2, in devetimi vozlišči na Zemlji, ki so simulirala različne komponente misije na Mars (roverje, orbitalne postaje, zemeljski nadzor itd.). Kot je tedaj pojasnil Leigh Torgerson, vodja eksperimenta, morajo trenutno ročno vzpostavljati vse povezave med vesoljskimi plovili in nastavljati, kaj se bo prenašalo in kdaj. DTN bo to poenostavil in avtomatiziral, podobno kot je TCP/IP avtomatiziral povezovanje med računalniki v internetu. Mednarodna vesoljska postaja (ISS) je dobila ustrezno opremo za preizkušanje DTN maja 2009 in je odslej izvedla že številne uspešne preizkuse. Oktobra 2012 je tako postaja krmilila v Nemčiji lociranega robota iz Lego Mindstorms.

Končno je maja letos ISS dobila redno delujočo povezavo prek DTN, ki ga je NASA standardizirala v sodelovanju s številnimi drugimi laboratoriji, univerzami in agencijami. Običajna povezava za ISS sicer ni predstavljala hudo ozkega grla, a bo DTN kljub vsemu omogočil hitrejši prenos podatkov z manj zakasnitvami. Hkrati gre za prvi korak k vzpostavljanju internetnega omrežja DTN v našem osončju. Zanamci nam bodo hvaležni.

Zgoraj: Zemeljska omrežja, kjer veljajo predpostavke protokola TCP/IP: stalnost, simetričnost, predvidljivost, nizke zakasnitve. Spodaj: povezave z letali, vozili in drugimi planeti terjajo DTN. Slika: Forrest Warthman, DTN Research Group

DTN takoj pod aplikacijski sloj vrine dodatni sloj, ki skrbi za prenos med vozlišči DTN. Slika: Forrest Warthman, DTN Research Group

Po DTN podatki stečejo takoj, ko je naslednje vozlišče dosegljivo. To zniža zakasnitve in poviša prepustnost v primerjavi z IP, ki čaka na prehodnost celotne poti. Slika: NASA