Interplanetärt Internet

USA vill vara tillbaka på Månen permanent år 2020, Kina ska landsätta en man 2024 och Indien och Japan är också på gång. Elon Musk är beredd att satsa miljarder på att bosätta människor på Mars. Jag tror inte de är nöjda med: ”Sprfzztt. Sprak. Houston, do you read me?” Biip! ”Swrfzzztz. We read you, Tranquility Base.”

Vad skulle du googla på om du satt på en kraterkant och just hade hittat en lustig rymdsond som slog ned för 45 år sedan? Om du hittade Lunokhod, skulle du våga sparka på däcken?

Om människan ska börja bosätta sig på andra ställen i solsystemet kommer vi at kräva massiv datatransport, realtidsöverföring av mätdata, telemetri, medicinska data och film och det vi alla idag helt enkelt förväntar oss av vår arbetsplats: instant messaging, IP-telefoni, sociala nät och e-post.

NASA har långsamt tvingats bort från dyrbara specialbyggen vad gäller maskinvara och över till COTS, Commercial Off The Shelf. Det har visat sig fungera fint, särskilt i marsbilarna och nu är turen kommen till programvara och överföringsprotokoll.

Det börjar röra sig om väldiga datamängder som ska tvärs över solsystemet. Satelliterna som ligger i bana kring Mars överför dagligen cirka 35-40 megabyte med 3,5 Mbps. Vad kommer att hända den dag människan bosätter sig på Mars och Månen för gott och förväntar sig samma tjänster som hemma?

På den här planeten tycker vi väldigt mycket om TCP/IP och använder det i allt från brödrostar till Internet. Men TCP/IP har ett par inbyggda begräsningar som gör det svårt att föra ut det i rymden, hur gärna man än skulle vilja. De största problemen heter round trip delay och buffertstorlekar.

Nära Jorden-kommunikation

Det finns bara en nätverksutrustad permanent utpost i rymden nära Jorden idag och det är Internationella rymdstationen (ISS). Mot den använder NASA en punkt-till-punkt-förbindelse på X-bandet (8 GHz). Radioamatörer har också kommunicerat med IIS med punkt-till-punkt-förbindelser.

Så här kan det låta från IIS (från Sven Grahns samlingar)

Det kommer inte att fungera i en framtid, när kapacitetskraven ökar.

Interplanetära protokoll

Erövringar av nya himlakroppar innebär massiv datainsamling. Forskarnas törst efter data är omättlig. För varje ny farkost eller expedition tiodubblas eller hundradubblas datamängderna även om det bara är ett par år emellan dem. Det blir fler kameror, i flera våglängdsband och kanske syntetisk aperturradar, en dataproducenternas gigant.

De första sonderna som gick runt månen producerade möjligen en rasslig telefaxbild i 300 bps eller mindre. Idag kan en bildsatellit producera 60-70 gigabyte under sin livstid på 5 år. Om ett par år kanske hela Mars yta ska karteras på 25 centimeter när med radar och då talar vi terabytemängder, som ska felsäkras, överföras, ackas och nakas. Hittills har varje rymdprojekt mer eller mindre fått föra med sig sin egen kommunikationslänk.

Även om marsbilarna Spirit, Opportunity och Curiosity kunnat använda de befintliga bildsatelliterna för kommunikation mot Jorden har det inte varit huvudsyftet med själva bildsatelliterna, utan snarare ett litet påhäng. En ”kludge som ingalunda är färdigutvecklad”, som jag fick det beskrivet av JPL. Marsbilarna kör som mest 12 kbps från sin riktantenn direkt till Jorden och upplänken från Mars till satelliterna i bana runt Mars ligger på cirka 250 kbps. NASAs kommunikationsorganisation DSN klarar dock mellan 700 kbps och 1,1 Mbps till Mars.

Deep Space Network

För kommunikation med alla fjärran rymdfarkoster har NASA ett nätverk av sändar- och mottagarstationer kallat Deep Space Network (DSN) med enorma parabolantenner, en med 70 meters diameter och minst två på 34 meter – utplacerade på varsin tredjedel av Jorden så att någon antenn alltid vänder mot en farkost oavsett var i rymden den befinner sig, nämligen en i Goldstone i Kalifornien, en i Canberra i Australien och en i Madrid i Spanien. DSN kommunicerar med de ungefär 28 farkoster som just nu rör sig långväga i solsystemet.

DSN har tre uppgifter: direkt kommunikation med rymdfarkoster, riktningssökning och hastighets- och avståndsmätning (tillsammans: navigation) till rymdfarkoster, samt radioastronomi.

Tidsschemat är pressat och farkosterna får dela på tiden enligt ett noggrant schema, men nödsituationer och landningar ges extra prioritet. Nedlänken från marsbilarna begränsas på grund av detta till några timmar per sol (marsdygn). Då endast en bil kan få upplänk åt gången ges kommandon åt varje bil under cirka en timme i början av varje sol.

Alla tre markstationerna arbetar med yttersta precision och utefter samma specifikationer. De är helt utbytbara. Mottagarna i nedlänken är av absolut senaste snitt, kylda med flytande helium till några få grader över absoluta nollpunkten.

Men hur vet man om DSN faktiskt kommer att nå fram till ens lilla rymdskepp? Jo, DSN har en hel serie kompendier som behandlar alla aspekter av rymdkommunikation. Det kan vara frekvenstabeller, lämplig modulation och protokoll och vilka faciliteter DSN kan erbjuda forskare och rymdskeppstillverkare. Låt oss här bara ta en titt på räckvidderna.

Diagrammet ovan gäller för ett typrymdskepp som DSN definierat och visar räckvidden med olika jordiska riktantenner och olika uteffekter. Typrymdskeppet ska ha en antenn med parabolisk reflektor (High Gain Antenna). Avståndet på Y-axeln är i astronomiska enheter (AU) där en AU är avståndet mellan Solen och Jorden.

Över 200 kilobit per sekund är möjligt när Mars är som längst bort från Jorden. Att marsbilarna bara går med 12 kbps beror på att deras riktantenner är ganska små och att man dessutom använder god säkerhetsmarginal. Med rundstrålande antenn à la marsbilarnas Low Gain Antenna går det bara att nå 20 bit per sekund när Mars är som längst borta eller 1 kilobit när den är som närmst.

Men kommunikation med Mars är ingenting i förhållande till vad DSN egentligen är kapabelt till. Mars är inte särskilt ”deep space” i jämförelse med Kuiperbältet, där Voyager-farkosterna just nu befinner sig – på 20 miljarder kilometers avstånd från Jorden. Voyager 1 och 2 har varit på väg i 40 år, men fungerar fortfarande klanderfritt. Upplänken på 16 bit per sekund sänds ut från Jorden med 325 kilowatt och man kan utan större problem ta emot nedlänken på 160 bit per sekund som inte sänds med särskilt många watt från ett avstånd som är så obegripligt stort att Solen där utifrån ser ut som vilken stjärna som helst. Den dag Voyager 1 dör, efter år 2020 på över 132 astronomiska enheters avstånd, har man fortfarande en teoretisk kapacitet på 300 bit per sekund, som ett gammaldags telefonmodem.

Går det att föreställa sig att vi har dubbelriktad, tillförlitlig kommunikation över ett avstånd på över 20 miljarder kilometer? Internet är en mikrob i jämförelse! Föreställ dig avståndet till Voyager som en meter: då skulle du behöva elektronmikroskop för att se Jorden och dess löjliga lilla Internet. Det är inte så konstigt att marsbilarna klarar sig med en 30-centimetersantenn.

Så här ser det ut i kontrollrummet, Deep Space Network Mission Control, som befinner sig hos Jet Propulsion Laboratories i Pasadena, en förort till Los Angeles. Bild: NASA.

European Space Agency (ESA) har givetvis ett ungefärligen likadant nät av sändarstationer på Jorden, men ESA och NASA lånar varandras resurser när det behövs. Även länder man inte trodde skulle ha kapacitet till rymdkommunikation, har det. Indiens ISRO har sitt eget kommunikationsnätverk, kallat Indian Deep Space Network (IDSN) med en 18-meters styrbar parabolantenn placerad i en förort till Bangalore. Vid behov lånar ISRO kapacitet av Roscosmos.

Interplanetary Backbone: Nät av Internet

NASA-folk har redan spekulerat över hur man skulle kunna binda samman andra planeter med Jorden och hur ett interplanetärt Internet skulle utföras. Lösningen kallas IBN: Interplanetary Backbone Network.

Interplanetary Backbone Network ska överbrygga de stora avstånden i rymden, medan varje planet eller måne förses med ett satellitbaserat regionnät som kommunicerar med gatewaysatelliter. I just Månens fall är det fördelaktigast med en laserstråle till Jorden.

Eftersom det inte finns något accessnät på en nyerövrad planet blir all internetåtkomst på exempelvis Mars satellitaccess. Avsikten är att låta ett antal kommunikationssatelliter gå i låg bana över planeten och agera stamnät.

De innehåller egna routrar och kan mellanlagra trafik och skicka mellan varandra. Annars kan ett datapaket inte komma från planetens ena sida till den andra. Här kan vanligt TCP/IP fungera alldeles utmärkt, eftersom 400 kilometer upp till en satellit inte är någon sak att överbrygga.

I en något högre bana ligger en (eller flera redundanta) gateway-satelliter med egen store-and-forward och sköter länken mot Jorden. Gatewayen tar all trafik som ska mot Jorden, skalar bort IP och åsätter ett tåligare, mera felsäkrat protokoll, såsom CFDP (CCSDS File Delivery Protocol). CFDP är konstruerat ungefär som FTP med kommandon som cp, mv, rm, mkdir etc.

Har man tillräckligt lång fördröjning så duger inte vanlig TCP. Avståndet mellan Jorden och Mars är som störst 375 miljoner kilometer och med en möjlig kapacitet på 700 kbps kommer cirka 2,4 gigabit data att ligga ”utsmetat” i rymden mellan planeterna. Bufferten i sändaren bör helst vara dubbelt så stor, sådär 5 gigabyte, men med tanke på att omfrågningstiden inte kan understiga 42 minuter kan det knappast bli tal om ett protokoll som arbetar med omfrågning.

TCP/IP kan inte ens töjas så långt under gällande standard. RFC793 anger att räknarna som säger hur många byte som skickats (Sequence number) och mottagits (Acknowledgement number) ska vara 32 bit, en gigabyte, fast egentligen bara hälften är användbart. Window, antalet byte som mottagarens buffert rymmer, är bara 16 bitar, 64 kbyte.

Man kommer att tvingas till ett protokoll med inbyggd, massiv felrättningsförmåga.

Dopplerskiftet när Jorden och Mars rör sig mot eller från varandra kan inte ignoreras. Avståndet mellan planeterna varierar mellan 75 och 375 miljoner kilometer och den resulterande hastighetsskillnaden blir ± 14,5 km/s. Med ljusets 300.000 km/s blir det 0,00483%. På X-bandets 8 GHz bärvågsfrekvens skulle det bli ± 387 kHz vilket kan få en smalbandig mottagare att missa. Bittakten 700 kbps kommer dock bara att avvika ± 33 bps, vilket man kanske kan glömma i sammanhanget. Simulant: Thord Nilson.

CFDP löser alla dessa problem elegant. Protokollstacken har en del som vänder mot applikationen på Mars och en del som vänder mot maskinvaran i datalänken (radiosändare, laser). En applikation kan begära sändning trots att länken inte är uppe. När delar av en fil anländer kan applikationen få dem direkt, även om filen inte är fullständig.

Överföringen behöver inte gå mot en enda satellit eller markstation utan kan spänna över flera mottagare, vid flera olika tidpunkter (naturligt, eftersom satelliter och markstationer ibland är på andra sidan planeten). CFDP kan hoppa över flera noder och fungerar alltså även om ändstationerna inte kan ”se” varandra, om Solen skull ligga i vägen osv.

Det viktiga i CFDPs funktion är att varje hopp mellan noder felsäkras i sig. Det sker ingen felsäkring mellan ändpunkterna, bara en rapportering av att meddelandet slutligen kommit fram.

Vid kommunikation långt bortom Jorden uppkommer nya problem man inte haft förut. Solens radiostrålning för till exempel in brus i sändningen, och Solen är ingen dålig strålare.

ACK-NAK-sändningar blir svåra att genomföra eftersom avsänt data kan förloras på grund av störningar, dessutom flera gånger i följd. Bekräftelsen (ACK) kan också förloras flera gånger. Förbindelsen kan tappas mellan det att data sändes tills det tas emot vilket kan fördröja en del data eller NAK flera timmar, upp till flera dagar.

Av denna anledning går det inte att förlita sig på att alla datapaket ska komma fram i samma ordning eller ens samma dag som de sändes. Eftersom överföringstiden är så lång kan flera omsändningar faktiskt vara på väg genom rymden medan den mottagande datorn startar om. Buffertminnet bör därför ligga i icke-flyktigt minne så att datorn kan fortsätta där den var efter omstart. Att begära omsändning på grund av att man själv startat om är inte lämpligt.

DTN-lagret

För att klara alla fördröjnings- och störproblem på ett transparent sätt vill JPL införa ett åttonde lager i ISOs sjulagersmodell, kallat DTN-laget (Delay Tolerant Networking) mellan applikations- och transportlagren. Detta tilläggsprotokoll ska kallas ”bundling” och vara avsett att knyta samman flera Internet.

Överföringstypen mellan olika bundle-noder ska vara asynkron till sin natur, utan egentligt behov av konversation, fråga/svar eller olika typer av förhandling. Data som ska överföras måste vara förpackat i en enhet med egna inbyggda adresser, så kallade ”bundles”. Det ska fungera ungefär som e-brev med bilagor.

Bundles ska kunna överföras mellan bundle-noder på det regionala nätet (planetära nätet, jordiska Internet etc), där det kommer att ske med det regionala protokollet, exempelvis IP. Routingen ut och in mellan det regionala och det interplanetära nätet sker via en router på DTN-lagret. Bundles måste alltså innehålla både en adress i regionen och ett regions-ID så man vet vilket Internet (Mars eller Jorden eller Månen) bundlen ska till.

Eftersom leveranstiden kan bli väldigt lång är det inte ens säkert att det program eller den tråd som ska ha informationen är igång när informationen kommer. Därför måste destinationsmaskinen kunna lagra data tills applikationen har startat igen, eller eventuellt kunna starta denna.

Då kommer vi till avdelningen adressering.

Super-toppdomäner

Domännamnssystemet var aldrig avsett att användas på andra planeter. Det var inte ens avsett att användas utanför USA. Tidigt i Internets historia tyckte man sig aldrig behöva något .usa eller .us. Idag har alla länder sina egna toppdomäner och vissa tjänster har fått sina (.info, .shop, .muesum, .name), men i framtiden får man tänka sig att himlakropparna kommer att få superdomäner, som .moon, .mars och .venus. .jupiter blir det aldrig något av med, men väl .europa och .titan.

Man kan mycket väl tänka sig att olika nationer delar på utrymmet i en månbas men vill behålla sin nationella identitet och ha brandväggar emellan sig. Därför kan webbadresser som www.tranquilitybase.cn.moon och www.tranquilitybase.jp.moon mycket väl samsas med NASAs månkontor www.nasa.gov.moon.

Ljusets snigelfart

Ljusets löptid är vår största fiende. Det finns en barriär mot mänsklig kommunikation: vi har inte lust att vänta. Ju mindre omedelbar kommunikationsformen är, desto längre kan vi dock tåla att vänta.

Låt oss för en stund överge den kopernikanska världsbilden med Solen i centrum och tänka som Aristoteles och sätta Jorden i centrum. Alla avstånd (blå halva) är uttryckta som ljusminuter (lm) eller ljustimmar (lt). Fälten överst (röd halva) visar de hastigheter Deep Space Network är kapabelt till idag. Solsystemet visas inte proportionellt, därför blir avståndsringarna förvrängda. Och likväl rör hon sig!

Skype-vallen går ungefär vid Månen. Turnaround-tiden till Månen är en sekund och vi kan med nöd och näppe prata bekvämt med en sekund långa luckor i samtalet. Med en laserstråle på 10 Gbps mellan Jorden och Månen kommer det inte att bli bandbreddsproblem. Det faktum att Månen alltid vänder samma sida mot Jorden underlättar anslutningen högst betydligt, även om Jorden inte alltid vänder samma sida mot Månen. Sannolikt räcker det med att var och en av Deep Space Networks tre markstationer har en lasernod också.

Push-to-talk-vallen går kanske fem gånger längre bort, fem ljussekunder eller 1,5 miljoner kilometer från Jorden. Det är ingenstans i närheten av Mars.

Längre bort blir det för tradigt att sitta och vänta på ett talat svar och chat kommer att bli det enda tänkbara.

Chat-vallen inträffar på kanske 5 ljusminuters avstånd, 90 miljoner kilometer, nästan framme vid Mars. Bortom denna är e-post och Facebook enda möjligheten, eftersom ingen har lust att sitta och vänta i realtidskonversation där svaret tar 20 minuter.

Man kommer säkerligen att konstatera att de allra flesta meddelanden och mail som skapas på Mars är avsedda att stanna på Mars och bara en mindre del av dem är avsedda för Jorden. Sannolikt kommer systemen utanför Jorden att samla ihop mail, filmer, mätdata med mera och skicka i en klump. Det kommer att bli som med Kungliga Postverket, posten från Jorden kommer att komma vid en bestämd tid på dagen.

Framtiden

Det finns egentligen ingen anledning att binda samman gateway-satelliterna i IBN med radio, när laser är så mycket effektivare. Kan man rikta en radioantenn tvärs över hela solsystemet kan man rikta en laser också. Det skulle ge betydligt högre datahastigheter till lägre kostnad. 100 Gbps är standard idag för laserlänkar i optiska fibrer, medan DSN ”ligger och segar” på 700 kbps. Laserkommunikation mellan Jorden och Internationella Rymdstationen har provats med gott resultat. Laser provades också med den svenska månsatelliten Smart-1 och det fungerade precis lika bra.

Optical Payload for Lasercomm Science (OPALS) från ISS till Jorden fungerade bra.

Förr eller senare måste vi komma på ett sätt att bryta igenom ljusvallen. Fotonspinn är en intressant tanke som i viss mån bevisats, där två fotoner genom ett kvantmekaniskt fenomen kallat ”quantum entanglement” kan bevisas inta samma (eller motsatta) spinn trots att de är fysiskt åtskilda.

Detta kan användas i kvantdatorer och kvantkryptografi och nyligen också för att genomföra kvant-teleportation, där en fotons kvanttillstånd överförs till ett annat ställe på tiden noll. Kanske det kan bli en kvant-datalänk av det i framtiden.

Vi är på god väg att befolka Månen och andra himlakroppar kommer inte att gå säkra heller. Mineralutvinning på Månen har redan studerats av japanska företag. Inom en generation bor människor säkert på Mars. En prob har förmodligen smält sig genom istäcket på Europa och förhoppningsvis hittat liv där. Jupiters månar lockar med mängder av extrema fenomen.

Asteroidbältet innehåller miljarder små kroppar som kan utnyttjas som råvaror. Hubbleteleskopet är en liten plutt mot vad som komma skall. Teleskopspeglar på 50-100 meter är planerade. Datamängderna som skapas kommer att bli häpnadsväckande. Vi har redan bättre satellitbilder av Mars än av Jorden. Upptäckarna kommer inte att nöja sig med något mindre än direktsända TV-program från Jorden, e-post, och redundanta stamnät i solsystemet.

Om vi befolkar asteroidbältet så blir väl stomnätet där ett ringnät? Annars är stjärnnät ett måste. (R.Strömgren)

Den ultimata kommunikationsgrejen, HAL 9000. Telnetskärmen är nederst till höger.

5 FAKTA

om datakommunikation i solsystemet

• TCP/IP har sin givna plats i solsystemet, men bara som regionalt nät, till exempel accessnät på en planet eller måne.
• De långa svarstiderna och störstrålning från Solen och radiokällor i Universum gör att mycket felsäkra protokoll måste till, som kan fungera med minimal omfrågning.
• JPLs CFDP är ett protokoll som klarar överföring till flera mottagarnoder utan krav på att länken ska finnas uppe hela tiden och utan krav på att alla paket kommer i rätt ordning.
• Routing satellit-till-satellit används redan nu, i Iridium-systemet, men hastigheten är låg och det handlar inte om IP.

Läs mer

Om fördröjningstoleranta nät: https://en.wikipedia.org/wiki/Delay-tolerant_networking

En populär framställning av IBN: http://ntrg.cs.tcd.ie/undergrad/4ba2.02/space/index.html

Smart damm utforskar andra planeter: http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6566317.stm

Lyssna själv på rymdsignaler, på www.svengrahn.pp.se/sounds/sounds.htm

NASAs Mars Exploration Image Gallery. Fundera på hur många terabyte det representerar: https://www.nasa.gov/mission_pages/mars/images/index.html

FAKTA: Vad slutar det med på Mars?

Den framtida amerikanska Mars-basen kanske får följande parametrar:

URL: www.marsbase.gov.mars
Dopplerskift radio (X-band, 8 GHz): ± 387 kHz
Dopplerskift bittakt: ± 33 bps
Möjlig bitrate: 700 kbps
Fördröjning: 10-20 minuter (endast e-post kommer att fungera. Surfning mot Jorden kommer att bli synnerligen obekvämt)

FAKTA: Vad slutar det med på Månen?

Den framtida månbasen kanske innehåller flera nationaliteter med olika URL:er

URL:er: www.moonbase.gov.moon, www.chingchong.cn.moon m fl.
Standard TCP/IP kan fungera
Möjlig bitrate: Radio 10 Mbps, laser 10 Gbps
Fördröjning: 1 sekund (IP-telefoni kommer att fungera, surfning blir bekvämt).