星際互聯(lián)網(wǎng)工作原理
1. 引言 2. 星際互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成 3. 星級(jí)互聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)由于互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)以及電子通信行業(yè)的其他進(jìn)步,我們幾乎可以和世界上任何地方的任何人進(jìn)行通話?,F(xiàn)在,科學(xué)家和太空探索家正努力尋求實(shí)現(xiàn)與外太空進(jìn)行即時(shí)通信的方式?;ヂ?lián)網(wǎng)下一階段的發(fā)展將把我們帶到太陽系內(nèi)的遙遠(yuǎn)區(qū)域,為人類探索火星及更遠(yuǎn)行星的載人飛行任務(wù),奠定通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
-環(huán)繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星可以通過星際互聯(lián)網(wǎng)將信息送回地球。 |
如果想更多了解其他行星,我們就需要為將來的太空飛行任務(wù)建立一個(gè)更好的通信系統(tǒng)?,F(xiàn)在,由于以下幾方面原因,太空通信與地面通信相比,速度就像蝸牛一樣慢:
- 距離——在地球上,我們之間的距離還不到一光秒,這就使得地球上的通信幾乎可以通過互聯(lián)網(wǎng)即時(shí)實(shí)現(xiàn)。然而在太空中,由于光在信息發(fā)射器和接收器之間需要穿行數(shù)百萬公里而不是數(shù)千公里,因此信息會(huì)延遲幾分鐘甚至數(shù)小時(shí)才能到達(dá)目的地。
- 視距障礙——任何橫亙在信號(hào)發(fā)射器和接收器之間的物體都會(huì)阻斷通信。
- 重量——高能天線能提高外太空探測飛船的通信能力,但由于太空飛船的有效載荷必須夠輕,且需有效使用,因此高能天線的重量并不適合航天器。
下個(gè)世紀(jì)來臨之前,人類將有機(jī)會(huì)登上火星。屆時(shí)我們將如何與這些相距遙遠(yuǎn)的旅行者保持通信?科學(xué)家、工程師和程序員已經(jīng)著手建立一個(gè)星際互聯(lián)網(wǎng)以幫助我們聯(lián)系太空探測器和太空旅行者,并將更多的信息送回地球。如果你一直夢想遨游太空,本文將為您介紹星際互聯(lián)網(wǎng)如何實(shí)現(xiàn)人人遨游太空的夢想(與互聯(lián)網(wǎng)的方式一樣,我們不需要離開電腦桌就可以漫游異國他鄉(xiāng)),以及哪些技術(shù)可以為這樣的太空通信系統(tǒng)提供助力。
星際互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成
回顧一下1997年火星探路者飛船的探索飛行任務(wù),您就會(huì)知道太空探索者需要一個(gè)星際互聯(lián)網(wǎng)來進(jìn)行外太空通信。在探路者飛船的太空飛行任務(wù)中,飛船以平均每秒300比特的速度將數(shù)據(jù)傳回地球。而在大多數(shù)情況下,您的計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速度至少是它的200倍以上?;鹦呛偷厍蛑g的互聯(lián)網(wǎng)將有可能使數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到每秒11,000比特。盡管這個(gè)速度比計(jì)算機(jī)的傳輸速度仍然要慢很多,但它已經(jīng)足夠?qū)⒒鹦潜砻嬖敿?xì)圖片傳回地球?;鹦?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)的研究者們認(rèn)為,傳輸速度最終將達(dá)到約每秒1兆字節(jié)(8,288,608 比特),可以讓任何人進(jìn)行虛擬火星旅行。
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星際互聯(lián)網(wǎng)就像一個(gè)經(jīng)過改進(jìn)的的超大型互聯(lián)網(wǎng)。即將建立的星際互聯(lián)網(wǎng)由三個(gè)基本部分組成:
- 美國國家航空航天局 (NASA) 的深空網(wǎng)絡(luò)(DSN)。
- 由六顆人造衛(wèi)星組成的圍繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星群。
- 用于傳輸數(shù)據(jù)的新型協(xié)議。
將使用DSN的天線陣通過星際互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 |
在星際互聯(lián)網(wǎng)中,深空網(wǎng)絡(luò)將是從地球通往星際互聯(lián)網(wǎng)的門戶。為星際互聯(lián)網(wǎng)研究提供贊助的MITRE公司發(fā)表了一篇論文,在論文中,研究人員建議深空網(wǎng)絡(luò)的天線系統(tǒng)應(yīng)該每天至少指向火星12小時(shí),以保持地球和火星間的聯(lián)系。圍繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星應(yīng)該在這兩顆行星之間提供全天候聯(lián)接。火星飛行器、探測器或太空站將提供通往星際互聯(lián)網(wǎng)的火星門戶。
根據(jù)火星網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃,深空網(wǎng)絡(luò)將與由6顆微型人造衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群,以及一個(gè)在火星低層軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)的大型人造衛(wèi)星Marsat通信。這6顆微型人造衛(wèi)星負(fù)責(zé)為火星表面或附近的航天器提供通信中繼服務(wù),以便從火星飛行任務(wù)傳送回更多數(shù)據(jù)。Marsat從所有這些小型人造衛(wèi)星收集數(shù)據(jù)并傳回地球。根據(jù)參與火星網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的人員所說,Marsat還可以讓地球和遙遠(yuǎn)的航天器保持不間斷聯(lián)接,并能傳送關(guān)于火星的高帶寬數(shù)據(jù)和錄像。美國國家航空航天局最早將于2003年發(fā)射一顆微型人造衛(wèi)星,并在2009年完成圍繞火星運(yùn)行的6顆人造衛(wèi)星群的部署。按計(jì)劃,2007年將在比該衛(wèi)星群運(yùn)行位置稍高的軌道放置Marsat。上述這些日期尚未最終確定。
程序員們正在開發(fā)一種用來傳輸信息,并能夠克服延時(shí)和中斷問題的互聯(lián)網(wǎng)文件傳輸協(xié)議。與在地球運(yùn)作的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 和傳輸控制協(xié)議 (TCP) 非常類似,此協(xié)議將作為整個(gè)星際互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主干。20世紀(jì)70年代由溫頓·瑟夫博士合作開發(fā)的IP和TCP協(xié)議是現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)提供了信使服務(wù),這兩個(gè)協(xié)議將傳輸信息拆分打包成很小的數(shù)據(jù)單位,然后傳送到指定目標(biāo)。
瑟夫也是負(fù)責(zé)開發(fā)新協(xié)議的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的成員,以便實(shí)現(xiàn)行星和航天器間遠(yuǎn)距離可靠數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)新的太空協(xié)議必須確保即使部分?jǐn)?shù)據(jù)包在傳輸過程中丟失,星際互聯(lián)網(wǎng)仍能正常工作。同時(shí)它還必須能夠?yàn)V除在數(shù)百萬公里的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生的噪音。新太空協(xié)議的一種想法是數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議 (PTP),該協(xié)議能夠在每個(gè)行星的網(wǎng)關(guān)處儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。該協(xié)議將處理送到網(wǎng)關(guān)的信息請求,并將它轉(zhuǎn)發(fā)到最終目的地,網(wǎng)關(guān)隨后檢查和處理信息,并將信息按原路返回。
星級(jí)互聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)
星際互聯(lián)網(wǎng)能使數(shù)據(jù)在太空中更快傳遞,保證地球與數(shù)百萬公里外的探測器和其他航天器正常通信。在我們通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬火星之旅之前,工程師們需要解決如下挑戰(zhàn):
- 光速延時(shí)。
- 人造衛(wèi)星維護(hù)。
- 潛在的黑客入侵危機(jī)。
在地球上,連接到互聯(lián)網(wǎng)上的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)相隔最多不過數(shù)千公里,因?yàn)楣庖?300,000公里每秒的速度傳播,所以只需一轉(zhuǎn)眼的功夫就能將數(shù)據(jù)包從一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)。相比之下,地球與火星的兩個(gè)基站之間,距離最遠(yuǎn)達(dá)到 4億公里,最近的也有0.56億公里。這樣遙遠(yuǎn)的距離就需要幾分鐘或者數(shù)小時(shí)才能將無線電信號(hào)傳輸?shù)浇邮照?。星際互聯(lián)網(wǎng)將無法再現(xiàn)我們通常使用的互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)送達(dá)的特點(diǎn)。儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)的方式使得信息可以打包發(fā)送并克服因延時(shí)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問題。
火星網(wǎng)絡(luò)的人造衛(wèi)星遠(yuǎn)在地球數(shù)千萬公里之外。這意味著,一旦這些衛(wèi)星出問題,將很難對(duì)其進(jìn)行修復(fù),因此這些人造衛(wèi)星的組件需要比圍繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星的組件更為可靠。
黑客給星際互聯(lián)網(wǎng)帶來的威脅最大。對(duì)導(dǎo)航或通信系統(tǒng)的入侵和破壞,有可能對(duì)太空飛行任務(wù)造成嚴(yán)重災(zāi)難,甚至?xí)谳d人航天飛行任務(wù)中造成人員傷亡。開發(fā)人員正在采取所有預(yù)防措施,來設(shè)計(jì)一種能控制訪問的系統(tǒng)。所選的協(xié)議必須能夠防止黑客入侵,這一點(diǎn)在地球上有點(diǎn)像天方夜譚。研發(fā)人員或許能以用于金融交易的加密套接字層(SSL)協(xié)議作為模型,來維護(hù)星際互聯(lián)網(wǎng)的安全。
星際互聯(lián)網(wǎng)極有可能在十年內(nèi)幫助我們與火星建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接,并在此后幾十年內(nèi)將我們帶入其他行星。在未來,我們不需進(jìn)入太空,就能體驗(yàn)太空之旅。太空景象將出現(xiàn)在我們的桌面上。隨著數(shù)據(jù)傳輸速度的提高,我們很快就能對(duì)火星群山、土星環(huán)和木星大紅斑來一次虛擬太空旅行。
評(píng)論
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