星際互聯網工作原理

引言

由于互聯網的出現以及電子通信行業的其他進步，我們幾乎可以和世界上任何地方的任何人進行通話。現在，科學家和太空探索家正努力尋求實現與外太空進行即時通信的方式。互聯網下一階段的發展將把我們帶到太陽系內的遙遠區域，為人類探索火星及更遠行星的載人飛行任務，奠定通信系統的基礎。

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建立一個更好的通信系統。現在，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網即時實現。然而在太空中，由于光在信息發射器和接收器之間需要穿行數百萬公里而不是數千公里，因此信息會延遲幾分鐘甚至數小時才能到達目的地。
• 視距障礙——任何橫亙在信號發射器和接收器之間的物體都會阻斷通信。
• 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。

下個世紀來臨之前，人類將有機會登上火星。屆時我們將如何與這些相距遙遠的旅行者保持通信？科學家、工程師和程序員已經著手建立一個星際互聯網以幫助我們聯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網如何實現人人遨游太空的夢想（與互聯網的方式一樣，我們不需要離開電腦桌就可以漫游異國他鄉），以及哪些技術可以為這樣的太空通信系統提供助力。

星際互聯網的構成

回顧一下1997年火星探路者飛船的探索飛行任務，您就會知道太空探索者需要一個星際互聯網來進行外太空通信。在探路者飛船的太空飛行任務中，飛船以平均每秒300比特的速度將數據傳回地球。而在大多數情況下，您的計算機的數據傳送速度至少是它的200倍以上。火星和地球之間的互聯網將有可能使數據傳輸速度達到每秒11,000比特。盡管這個速度比計算機的傳輸速度仍然要慢很多，但它已經足夠將火星表面詳細圖片傳回地球。火星網絡的研究者們認為，傳輸速度最終將達到約每秒1兆字節（8,288,608 比特），可以讓任何人進行虛擬火星旅行。

星際互聯網就像一個經過改進的的超大型互聯網。即將建立的星際互聯網由三個基本部分組成：

• 美國國家航空航天局 (NASA) 的深空網絡（DSN）。
• 由六顆人造衛星組成的圍繞火星運轉的衛星群。
• 用于傳輸數據的新型協議。

在星際互聯網中，深空網絡將是從地球通往星際互聯網的門戶。為星際互聯網研究提供贊助的MITRE公司發表了一篇論文，在論文中，研究人員建議深空網絡的天線系統應該每天至少指向火星12小時，以保持地球和火星間的聯系。圍繞火星運轉的人造衛星應該在這兩顆行星之間提供全天候聯接。火星飛行器、探測器或太空站將提供通往星際互聯網的火星門戶。

根據火星網絡計劃，深空網絡將與由6顆微型人造衛星組成的衛星群，以及一個在火星低層軌道上運轉的大型人造衛星Marsat通信。這6顆微型人造衛星負責為火星表面或附近的航天器提供通信中繼服務，以便從火星飛行任務傳送回更多數據。Marsat從所有這些小型人造衛星收集數據并傳回地球。根據參與火星網絡計劃的人員所說，Marsat還可以讓地球和遙遠的航天器保持不間斷聯接，并能傳送關于火星的高帶寬數據和錄像。美國國家航空航天局最早將于2003年發射一顆微型人造衛星，并在2009年完成圍繞火星運行的6顆人造衛星群的部署。按計劃，2007年將在比該衛星群運行位置稍高的軌道放置Marsat。上述這些日期尚未最終確定。

程序員們正在開發一種用來傳輸信息，并能夠克服延時和中斷問題的互聯網文件傳輸協議。與在地球運作的互聯網協議 (IP) 和傳輸控制協議 (TCP) 非常類似，此協議將作為整個星際互聯網系統的主干。20世紀70年代由溫頓·瑟夫博士合作開發的IP和TCP協議是現有互聯網提供了信使服務，這兩個協議將傳輸信息拆分打包成很小的數據單位，然后傳送到指定目標。

瑟夫也是負責開發新協議的科學家團隊的成員，以便實現行星和航天器間遠距離可靠數據傳輸。這個新的太空協議必須確保即使部分數據包在傳輸過程中丟失，星際互聯網仍能正常工作。同時它還必須能夠濾除在數百萬公里的遠距離數據傳輸過程中產生的噪音。新太空協議的一種想法是數據包傳輸協議 (PTP)，該協議能夠在每個行星的網關處儲存和轉發數據。該協議將處理送到網關的信息請求，并將它轉發到最終目的地，網關隨后檢查和處理信息，并將信息按原路返回。

星級互聯網面臨的挑戰

星際互聯網能使數據在太空中更快傳遞，保證地球與數百萬公里外的探測器和其他航天器正常通信。在我們通過網絡進行虛擬火星之旅之前，工程師們需要解決如下挑戰：

• 光速延時。
• 人造衛星維護。
• 潛在的黑客入侵危機。

在地球上，連接到互聯網上的兩臺計算機相隔最多不過數千公里，因為光以 300,000公里每秒的速度傳播，所以只需一轉眼的功夫就能將數據包從一臺計算機發送到另一臺計算機。相比之下，地球與火星的兩個基站之間，距離最遠達到 4億公里，最近的也有0.56億公里。這樣遙遠的距離就需要幾分鐘或者數小時才能將無線電信號傳輸到接收站。星際互聯網將無法再現我們通常使用的互聯網實時送達的特點。儲存轉發的方式使得信息可以打包發送并克服因延時導致的數據丟失問題。

火星網絡的人造衛星遠在地球數千萬公里之外。這意味著，一旦這些衛星出問題，將很難對其進行修復，因此這些人造衛星的組件需要比圍繞地球運行的衛星的組件更為可靠。

黑客給星際互聯網帶來的威脅最大。對導航或通信系統的入侵和破壞，有可能對太空飛行任務造成嚴重災難，甚至會在載人航天飛行任務中造成人員傷亡。開發人員正在采取所有預防措施，來設計一種能控制訪問的系統。所選的協議必須能夠防止黑客入侵，這一點在地球上有點像天方夜譚。研發人員或許能以用于金融交易的加密套接字層（SSL）協議作為模型，來維護星際互聯網的安全。

星際互聯網極有可能在十年內幫助我們與火星建立網絡聯接，并在此后幾十年內將我們帶入其他行星。在未來，我們不需進入太空，就能體驗太空之旅。太空景象將出現在我們的桌面上。隨著數據傳輸速度的提高，我們很快就能對火星群山、土星環和木星大紅斑來一次虛擬太空旅行。