NASA implementeert vertragingstolerante netwerken om de ruimtecommunicatie te verbeteren

Het verzenden/ontvangen van gegevens op aarde vanaf welk ruimtevaartuig dan ook is een moeilijke taak, vooral vanwege de grote afstanden die ermee gemoeid zijn. Vertraging en gegevensverlies komen vaak voor bij communicatie over duizenden en miljoenen kilometers. Om deze vertragingen en verliezen zo minimaal mogelijk te houden, werkt NASA aan een betrouwbare internetverbinding op het zonnestelsel, genaamd Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN).

NASA gebruikt drie communicatienetwerken voor het verzenden en ontvangen van signalen over grote afstanden, waaronder ruimterelaissatellieten en gedistribueerde grondstations ter ondersteuning van ruimtemissies.

• Near Earth-netwerk (NEN)
• Ruimtenetwerk (SN)
• Deep Space Network (DSN)

Wat is DTN precies?

De vorige missie van NASA maakte gebruik van enkele relais- of point-to-point-verbindingen (zoals het telefoonsysteem) om te communiceren met zowel een lage baan om de aarde als met ruimtevaartuigen in de diepe ruimte. De toekomstige verkenningsconcepten omvatten echter een veel complexer systeem met meerdere knooppunten (in plaats van slechts twee). Het zal functioneren als internetnetwerken op aarde, die verschillende verbindingen via satelliet en andere tussenliggende knooppunten omvatten, waardoor de basis wordt gelegd voor de SSI (afkorting van Solar System Internet).

Net als Earth-internet zal de SSI een standaardplatform bieden waarop een breed scala aan applicaties zal werken aan end-to-end netwerkdiensten. De SSI zal in bijna alle gevallen gebruik maken van het DTN-protocolpakket, inclusief die met frequente verbindings- of langere lichttijdenonderbrekingen, waarbij traditionele IP's (internetprotocollen) niet werken.

DTN is de specifieke set regels voor het verzenden van gegevens, vaak een protocolsuite genoemd, die de mogelijkheden van het conventionele internet uitbreidt om in de ruimte over extreme afstanden te werken. Deze omgevingen zijn doorgaans onderhevig aan frequente verstoringen, hoge foutenpercentages, lange vertragingen en links in één richting.

Zonnestelsel-internet met behulp van DTN-protocol:afbeeldingsbron – NASA

Hoe werkt DTN?

De DTN-protocollen kunnen werken met de Earth-internet-IP's of onafhankelijk werken. Er wordt gebruik gemaakt van automatische store-and-forward-techniek , garandeert daarmee de levering van gegevens. Als het doorsturen van pakketten momenteel niet mogelijk is, slaat het systeem dit op voor toekomstige verzending. Daarom hoeft alleen de volgende hop beschikbaar te zijn bij gebruik van Disruption Tolerant Networking.

Net als conventionele internetsuites omvat DTN netwerkbeheer, routering, beveiliging en quality-of-service-functies. Hoewel het is ontworpen voor toepassingen in de ruimtevaart, kan het ook nuttig zijn voor terrestrische apps waar hoge foutenpercentages en frequente onderbrekingen vaak voorkomen.

De afbeelding hierboven toont de gegevens die vanuit de ruimte naar de aarde worden verzonden via Space Habitat en twee communicatierelais, met behulp van DTN. De communicatieverbindingen tussen assets zijn niet altijd beschikbaar.

Momenteel worden de DTN-protocollen ontwikkeld door de NASA AES (Advanced Exploration Systems) en ondersteunen ze de DTN-standaardisatie door de IETF (Internet Engineering Task Force) en CCSDS (Committee for Space Data Systems). Al deze DTN-protocollen zullen open internationale standaarden zijn. Er bestaan al enkele DTN-implementaties die publiekelijk beschikbaar zijn, zoals de ION-implementatie (Interplanetary Overlay Network).

Bron:NASA 

Voordelen

Verbeterde bedrijfsvoering en situationeel bewustzijn – De DTN biedt meer inzicht in gebeurtenissen wanneer communicatiestoringen optreden als gevolg van grondstationoverdracht, slechte atmosferische omstandigheden of als gevolg van relais. DTN vermindert aanzienlijk de behoefte aan het plannen van grondstations om informatie te ontvangen of te verzenden, wat doorgaans tot 5 dagen planning kost.

Efficiëntie en robuustheid van Space Link – DTN zorgt voor een efficiënte en betrouwbaardere datatransmissie, waardoor meer bruikbare bandbreedte mogelijk wordt. De betrouwbaarheid van de verbinding wordt verbeterd door meerdere netwerkpaden en middelen voor transmissiehops.

Beveiliging – DTN-protocollen maken authenticatie, integriteitscontroles en encryptie op alle links mogelijk.

Interoperabiliteit en hergebruik – DTN-protocollen maken de interoperabiliteit van ruimtevaartuigen (beheerd door een overheids- of particuliere ruimtevaartorganisatie) en grondstations mogelijk. Bovendien stelt het NASA in staat dezelfde protocollen te gebruiken voor komende missies, of het nu gaat om een missie in een lage baan om de aarde of een missie in de diepe ruimte.

Servicekwaliteit – Met het DTN-protocol kunnen verschillende prioriteitsniveaus worden ingesteld voor verschillende gegevenstypen, om ervoor te zorgen dat het belangrijke pakket vóór het minder belangrijke pakket wordt verzonden.

Lees:NASA's 10 codeerregels voor het schrijven van een veiligheidskritisch programma

Experimenten

Het eerste DTN-experiment werd uitgevoerd op 10 juli 2009, waarbij een bepaalde reeks afbeeldingen werd gedownload via een geplande TDRSS-overdracht (Tracking &Data Relay Satellite System). Tijdens dit experiment werden de grond-ruimte- en ruimte-grondverbindingen gedurende enkele minuten onderbroken. Deze DTN-op-ISS-netwerkdemonstratie was succesvol.

In de volgende test gebruikten ze DTN voor onbewaakte operaties. De test werd gedurende 3 dagen uitgevoerd en gedurende deze periode werden er elk uur 14 bestanden gegenereerd. De conventionele transmissie resulteerde (gemiddeld) in 3.504 redundante ontvangsten per bestand, terwijl DTN verbazingwekkend beter presteerde en slechts 0,06 redundante ontvangsten per bestand opleverde.

Het ISS implementeerde in mei 2016 een institutionele DTN-service, die de betrouwbaarheid van de wetenschappelijke datatransmissie verbeterde en de operationele overhead en planning verminderde.

Op 20 november 2017 werd een selfie gemaakt op het McMurdo Station van de National Science Foundation, Antarctica, naar het ISS gestuurd met behulp van de DTN-protocolsuite. Zoals je op de selfie kunt zien, hielden NASA-ingenieurs Mark Sinkiat, Peter Fetterer en Salem El Nimri een foto vast van Vint Cerf, die hielp bij de ontwikkeling van de technologie.

De DTN-software op een smartphone stuurde de selfie op weg naar het ISS. De pakketten reizen via TDRS (Tracking &Data Relay Satellite) van het McMurdo-grondstation naar White Sands Complex, NASA. Vervolgens stuurde een reeks DTN-knooppunten de pakketten door naar het Marshall Space Flight Center in Alabama, het toegangspunt van het DTN-netwerk. De pakketten werden via een andere TDRS-verbinding naar het ruimtestation doorgestuurd, waar ze naar de TRek-demonstratielading (Telescience Resource Kit) werden geleid. Het laatste DTN-knooppunt haalde de beeldgegevens uit pakketten, en de payload stelde de originele foto opnieuw samen en toonde deze aan boord van het ISS.

Lees:13 van de grootste toekomstige missies van NASA

Dit zijn enkele recente experimenten met DTN. Voorlopig werkt het AES DTN-onderzoeksteam samen met SCaN (Space Communications and Navigation) en IPNSIG (InterPlanetary Networking Special Interest Group) om de SSI werkelijkheid te maken.