武漢肺炎痊癒後，TCP/IP 之父要建立星際網路

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）