武漢肺炎痊癒後,TCP/IP 之父要建立星際網路

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 07 日 0:00 | 分類 天文 , 網路 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


還記得科幻大片《星際效應》,主角庫柏親眼看到女兒墨菲和兒子湯姆的影片,體會跨越時空的思念和絕望時,痛哭流涕的模樣嗎?

令人佩服的是,這鏡頭準確描繪不可抵抗的宇宙物理法則之下,跨越時空的資訊傳遞有多艱難緩慢。相對論的鐵律無法折彎,當庫柏收到黑洞另一邊傳來的影片,兒女早已長大成人,永遠失去陪伴他們成長的重要時光。

天上一日,人間十年,導演僅用一次非常人性化的鏡頭,完美契合電影「穿越時空的愛」主題,令人印象深刻。

而現實世界,人類還沒有發明出穿越黑洞的資訊交換方式(就算有也無法測試),就連飛行器和地面、航太器通訊,很大程度仍然靠射頻訊號,複雜程度並沒有想像高,但不同系統不相通。簡單來說,太空沒有統一網路。

那為什麼不為星際通訊創造星際網路?

TCP/IP 協定共同發明者、圖靈獎得主、被譽為「網際網路之父」之一的 Vint Cerf(Vinton Gray Cerf),從 1998 年就開始想這個問題了。

今年 76 歲高齡的他,本就有高血壓和冠狀動脈疾病,屬於高危險族群,今年 3 月更感染武漢肺炎,所幸痊癒。

近日 Cerf 因自己帶頭的星際網路協定 DTN,接受 Quanta Magazine 採訪

Cerf 表示,對今日的網際網路深感擔憂,認為充斥假資訊、病毒軟體和網路攻擊。這也是為什麼他將大部分精力移轉到全新「星際網路」計畫──或更準確說,為未來的星際網路設計最關鍵的底層協定,就像 TCP/IP 之於我們熟悉的網路。

「和地球網路相比,星際網路是很令人耳目一新的課題,讓我們聚焦純粹的科學結果。」

為什麼需要星際網路?

如果你幾個月前看過 SpaceX 和 NASA 合作首次民間航太公司載人上太空的發射直播,可能會記得,各階段需要多次檢查,是以語音溝通,一邊說一句話後,要過好幾秒才能收到另外一邊的回答。

這還只是地球軌道。未來人類要重返月球,要去火星建立基地,還要執行更多載人飛往更遠太空的各種工作。考慮到地球、太空飛行器、衛星、其他星球的相對位置,以及天文級的距離,通話延遲可能會變成幾十秒,甚至幾分鐘。

科學探索總會有各種艱難的條件限制,過去幾十年,科學家也不得不適應這種超慢、無法立即得到結果的溝通習慣。以 NASA 的勇氣號火星車為例,因地面衛星站的天氣,再加上距離遠等各因素,從發出指令到收到回答,中間要經過幾十分鐘。更別提火星車的資料頻寬只有 28Kbps,還一開天線就過熱。

這種感覺,可是連不上 Zoom 就抱怨的人想像不到的。

▲ 火星車傳回的火星地表拼接照。

習慣了幾乎無延遲網路的地球人,將來上天後要怎麼辦?所以,要有星際網路。

1998 年,NASA 阿波羅計畫的元老成員、太空通訊專家 Adrian Hooke 召集 Cerf 等 8 人,探討一大課題:未來的太空探索需要什麼,有哪些是現在就能開始做的?

重要問題之一,就是提高太空通訊效率。Hooke 小組思考,能否結合地球網路的技術和邏輯,改善太空通訊?

可以這樣理解:當時的太空通訊系統,大部分為割裂和各自獨立。比方說 A 國發射一顆擔負某特定工作的衛星,B 國另一項工作臨時需要中繼通訊,A 國衛星正好在中間,但兩個系統的通訊方式不相容,無法合作。

半世紀以前,地球為數不多的網路也是這樣。Cerf 被譽為網路之父,正是因 TCP/IP 為底層協定,才成就後來的全球網際網路。到了太空,人類也需要和 TCP/IP 扮演相似角色的底層協定,就將是搭建星際網路的基石。

Hooke 主導後來的星際網路底層協定計畫,Cerf 成為團隊的重要技術專家,一直貢獻所長,到今天持續超過 20 年。

其實兩人在各自領域的地位也頗相似。Hooke 的職業生涯主導和參與開發許多太空通訊技術協定和國際標準,還創辦國際太空機構合作組織 CCSDS,致力推動各國官方太空組織合作,包括各國太空飛行器共用通訊協定。Hooke 已於 2012 年去世,Cerf 則繼續老朋友的研究。

多年探討和研發過程,團隊總結出三大太空通訊挑戰,也是需要星際網路的理由:

  1. 物理限制:星球有不同自轉和公轉情況,變化間距很大,導致星際通訊時間長、窗口短、傳送不穩定。根據估算,地球和火星的通訊時間至少數分鐘,和冥王星則長達數小時。如果碰到太陽噴發,錯過最佳時機,等下一次窗口開放又不知要到什麼時候。
  2. 傳送量小:受制於衛星品質、功耗、成本等硬體設計因素,目前傳統太空通訊資料負載量很小,且頻寬不對稱,甚至可達上下行 1:1,000。
  3. 沒有固定基礎設施:由於第一條星球 A 到星球 B 的太空通訊,網路線節點隨時變化,因此沒有固定中繼點可隨時連線兩星球這種事。

比方說地球某美國裝置想連線澳洲網路,中間可能有無數中繼路線可選(如下圖)。而在太空,兩個裝置建立通訊,需要根據星球運動和各種情況,提前規劃和安排。

那麼,Cerf 團隊提出的星際網路,究竟是什麼樣的?

DTN:干擾/延遲容忍網路

2003 年 Hooke、Cerf 等人共同發表論文《延遲容忍網路:星際網路的達成方式》,正式提出 DTN(delay-tolerant networking 延遲容忍網路)為星際網路的協定標準。

DTN 協定採用和網際網路相似邏輯:將封包當成基本傳送單位,採用分組交換通訊方式(packet switching,也即資料傳送時分成若干段,每段為一包);整個網路架構有多個節點。

不一樣之處在於,地球網路的節點只負責轉寄,不負責儲存資訊,如果整條路徑某一點斷了,或遇到塞車,節點會拋棄封包──就是常說的「丟包」現象。

為了解決前面提到的太空通訊三點挑戰,DTN 的設計要求每個路線也要有儲存資料的能力。比方說從地球傳資料到木星,中間需要一台火星路由器。考慮到行星自轉情況,或當時火─土相對位置並不合適,導致資料無法傳送,DTN 的設計就是要求火星路由不要拋棄封包,而是儲存封包,改天再傳送。

下圖是 DTN 的網路架構示意圖,可看到每個節點都不是簡單點,而是代表行星的圓圈,考慮到自轉及公轉情況不同,和另一顆行星的通訊路徑和頻寬都會有變化。

理想情況下,如果夠多行星(包括地面和軌道)有夠多節點,不敢說任兩顆行星隨時都能連線,至少太空通訊的窗口會更多更久,通訊可更頻繁。

但很少人知道的是,Cerf 等人提出的 DTN 概念 15 年前就有人使用了。

為了解決前面提到的火星車資料傳送問題,NASA JPL 工程師透過類似「OTA 韌體升級」的方式,遠端改寫火星車和發射到火星軌道的衛星通訊協定。

結果火星車加上衛星,再加上澳洲、西班牙和美國 3 台地面衛星站,就成為迷你版 DTN 式星際網路。

Cerf 團隊還在國際太空站做了測試,讓太空站的太空人透過採用 DTN 為底層協定的通訊方式,成功遙控位於德國的機器人。

此測試對未來人類探索火星等地外行星有很大意義,畢竟科學家在地球遙控火星車只延遲 20 分鐘,但很可能一次操作傳過去,幾十分鐘後發現探測車掉下懸崖,幾十億元就泡湯了。未來當太空人上火星,可以不用登陸,直接在火星軌道操縱火星車落地就行。

除此之外,NASA 的深度撞擊號探測器執行探測哈特雷二號彗星的工作時,機上也搭載 DTN 通訊協定,幫助 Cerf 團隊拓展協定的測試範圍。

深度撞擊號 2013 年傳回約 700 公里以外拍攝的哈特雷二號彗星照片,這也是自從人類 1986 年透過天文望遠鏡首次發現哈特雷二號以來,拍到最清晰的照片:

▲ 照片經增強處理。

2018 年,Cerf 和 Google 同事 Brian Barritt(Cerf 另一個身分是 Google 副總裁兼首席網路布道師)共同發表一篇論文,介紹設計的 Loon SDN──管理 DTN 網路裝置的軟體定義網路和雲端服務。

Loon SDN 的名字可能有點眼熟,這是因技術底層來自原 Google X 實驗室(Google 重組後改名為 X 登月實驗室)的氣球上網計畫 Project Loon。Loon SDN 能根據情況按需求配置無線網路架構,在地球大氣層和太空節點間傳輸封包。

這可看做太空 AWS 或微軟 Azure 等雲端計算平台,管理太空通訊就像管理千里外的伺服器輕鬆。軟體即服務的時代,NASA 下一代太空通訊架構設計,也向這方向靠近。

嘗試新技術總會遇到挑戰,但 Cerf 對 DTN 很有信心。他認為這協定已得到夠多測試,也努力說服更多太空機構和商業航太公司整合 DTN 到他們的系統。

他經常聽到「這太冒險了!」「給我證明你這東西有用!」之類的話。只有說服這些人,讓更多搭載 DTN 的太空飛行器──無論來自哪個國家、哪家公司,負責什麼工作──飛上天,才能建立真正的星際網路。

總是西裝三件套的 Cerf 給人「紳士」印象很強,其實他也有件有名 T 恤,上面寫著一句雙關語「I P on Everything」。

因 Cerf 共同創造的 TCP/IP 協定,地球的每個網路連線裝置都有自己的位址。如果 DTN 理想能達成,Cerf 又會有新名言誕生了:I P on everything, even in space.

(本文由 品玩 授權轉載;首圖來源:NASA