NASA 部署耐延迟网络以增强太空通信

从任何航天器在地球上发送/接收数据都是一项艰巨的任务，主要是因为涉及的距离很远。 跨越数千和数百万英里进行通信时，延迟和数据丢失很常见。为了尽可能减少这些延迟和损失，NASA 正在开发一种可靠的太阳系互联网连接，称为延迟/中断容忍网络 (DTN)。

NASA 使用 3 个通信网络来远距离传输和接收信号，其中包含空间中继卫星和分布式地面站，以支持太空任务。

• 近地网络 (NEN)
• 空间网络 (SN)
• 深空网络 (DSN)

DTN 到底是什么？

美国宇航局之前的任务使用单中继或点对点链路（如电话系统）与近地轨道以及深空航天器进行通信。然而，未来的探索概念包括具有多个节点（而不是仅两个）的更复杂的系统。它将像地球上的互联网一样运行，其中包括通过卫星和其他中间节点的多个跳跃，为 SSI（太阳系互联网的缩写）奠定了基础。

与地球互联网一样，SSI 将提供一个标准平台，各种应用程序将在该平台上运行端到端网络服务。 SSI 将在几乎所有情况下使用 DTN 协议套件，包括那些频繁链接或较长光时间中断的情况，而传统 IP（互联网协议）在这些情况下不起作用。

DTN 是一组用于传输数据的特定规则，通常称为协议套件，它扩展了传统互联网的功能，使其能够在超远距离的太空环境中工作。这些环境通常会受到频繁中断、高错误率、长延迟和单向链路的影响。

使用 DTN 协议的太阳系互联网：图片来源 – NASA

DTN 如何工作？

DTN 协议可以与地球互联网 IP 一起运行，也可以独立运行。它使用自动存储转发技术 ，从而保证了数据的传递。如果当前无法转发数据包，系统会将其存储起来以供将来传输。因此，使用中断容忍网络时，仅需要下一跳可用。

与传统的互联网套件一样，DTN 涉及网络管理、路由、安全和服务质量功能。尽管它是为太空应用程序设计的，但它也可能对常见高错误率和频繁中断的地面应用程序有益。

上图显示了使用 DTN 通过太空栖息地和 2 个通信中继从太空传输到地球的数据。资产之间的通信链接并不总是可用。

目前，DTN协议正在由NASA AES（高级探索系统）开发，并支持IETF（互联网工程任务组）和CCSDS（空间数据系统委员会）的DTN标准化。所有这些DTN协议都将成为开放的国际标准。一些 DTN 实现已经存在并且是公开可用的，例如 ION（星际覆盖网络）实现。

资料来源：美国宇航局

优点

增强运营和态势感知 – 当由于地面站切换、恶劣的大气条件或由于中继而发生通信中断时，DTN 可以更深入地了解事件。 DTN 显着减少了调度地面站接收或发送信息的需要，这通常需要长达 5 天的规划时间。

空间链路效率和稳健性 – DTN 提供高效且更可靠的数据传输，从而实现更多可用带宽。通过多网络路径和传输跳数资产提高链路可靠性。

安全 – DTN 协议允许对所有链路进行身份验证、完整性检查和加密。

互操作性和重用 – DTN 协议实现航天器（由任何政府或私人航天机构运营）和地面站的互操作性。此外，它允许 NASA 对即将到来的任务使用相同的协议，无论是近地轨道还是深空任务。

服务质量 – DTN协议可以为不同的数据类型设置多个优先级，以确保重要的数据包先于不太重要的数据包发送。

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实验

第一次 DTN 实验于 2009 年 7 月 10 日进行，其中涉及通过计划的 TDRSS（跟踪和数据中继卫星系统）切换下载一组特定图像。在这次实验期间，地对空和空对地链路中断了几分钟。本次DTN-on-ISS网络演示取得成功。

在接下来的测试中，他们使用DTN进行无人值守操作。测试进行了3天，期间每小时生成14个文件。传统传输导致每个文件有 3,504 次冗余接收（平均），而 DTN 的表现要好得多，每个文件只有 0.06 次冗余接收。

国际空间站于2016年5月实施了机构DTN服务，提高了有效载荷科学数据传输的可靠性，并减少了运营开销和规划。

2017 年 11 月 20 日，一张在美国国家科学基金会南极洲麦克默多站拍摄的自拍照被使用 DTN 协议套件发送到国际空间站。正如您在自拍照中看到的那样，NASA 工程师 Mark Sinkiat、Peter Fetterer 和 Salem El nimri 拿着一张帮助开发该技术的 Vint Cerf 的照片。

智能手机上的 DTN 软件发送了前往国际空间站途中的自拍照。数据包通过 TDRS（跟踪和数据中继卫星）从麦克默多地面站传输至 NASA 白沙综合体。然后，一组DTN节点将数据包转发到位于阿拉巴马州的马歇尔太空飞行中心，该中心是DTN网络的接入点。这些数据包通过另一个 TDRS 链路转发到空间站，并在那里路由到 TRek（远程科学资源套件）演示有效负载。最后一个DTN节点从数据包中提取图像数据，有效负载重新组合原始照片并将其显示在国际空间站上。

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这些是最近在 DTN 上进行的一些实验。目前，AES DTN 研究团队正在与 SCaN（太空通信和导航）和 IPNSIG（星际网络特别兴趣小组）合作，帮助使 SSI 成为现实。