NASA、遅延耐性ネットワーク（DTN）で宇宙通信を強化

太陽系インターネット実現へ：DTNプロトコルで宇宙通信の遅延とデータ損失を克服

宇宙船と地球間のデータ送受信は、膨大な距離が関わるため困難です。数千万マイル離れた通信では遅延とデータ損失が常態化しています。これらを最小限に抑えるため、NASAは信頼性の高い太陽系インターネット接続、遅延/分断耐性ネットワーク（DTN：Delay/Disruption Tolerant Networking）の構築に取り組んでいます。NASAは、宇宙中継衛星と分散地上局を含む3つの通信ネットワークを使用して、宇宙ミッションを支援するため、長距離信号の送受信を行っています。

• 近地ネットワーク（NEN）
• 宇宙ネットワーク（SN）
• 深宇宙ネットワーク（DSN）

DTNとは何か

NASAの過去のミッションでは、単一中継またはポイントツーポイントリンク（電話システムのような）を用いて、低地球軌道および深宇宙宇宙船と通信していました。しかし、将来の探査概念では、単純な2ノードではなく、はるかに複雑な複数ノードシステムが含まれます。これは地球上のインターネットネットワークのように、衛星や他の中間ノードを経由する複数ホップで動作し、SSI（Solar System Internet：太陽系インターネット）の基盤を構築します。地球のインターネットと同様に、SSIはエンドツーエンドネットワークサービス上で幅広いアプリケーションが動作する標準プラットフォームを提供します。SSIは、従来のIP（インターネットプロトコル）が機能しない、頻繁なリンク断や長い光速遅延のあるケースを含め、ほぼ全てのケースでDTNプロトコルスイートを使用します。DTNは、データ伝送の特定ルールセット、いわゆるプロトコルスイートであり、従来のインターネット機能を拡張し、頻繁な分断、高エラー率、長い遅延、単方向リンクといった宇宙環境での極端な距離通信を可能にします。

DTNの仕組み

DTNプロトコルは、地球インターネットIPと連携して動作するか、独立して動作できます。自動的な格納転送技術を使用し、データ配信を保証します。パケット転送が現在不可能な場合、システムは将来の伝送のためにそれを格納します。したがって、Disruption Tolerant Networkingを使用する際は、次のホップのみが利用可能であればよいのです。従来のインターネットスイートと同様に、DTNにはネットワーク管理、ルーティング、セキュリティ、サービス品質機能が含まれます。宇宙アプリケーション向けに設計されていますが、高エラー率と頻繁な分断が一般的な地上アプリケーションでも有益です。

上図は、宇宙居住モジュールと2つの通信中継を経由して宇宙から地球へデータがDTNで伝送される様子を示しています。資産間の通信リンクは常に利用可能とは限りません。現在、DTNプロトコルはNASA AES（先進探査システム）によって開発されており、IETF（インターネット技術タスクフォース）とCCSDS（宇宙データシステム委員会）によるDTN標準化を支援しています。これら全てのDTNプロトコルはオープンな国際標準となります。いくつかのDTN実装は既に存在し、公開されています（例：ION - Interplanetary Overlay Network実装）。

利点

• 運用強化と状況認識の向上：地上局ハンドオーバー、悪天候、中継による通信断絶時にイベントへの洞察を提供。地上局スケジューリングの必要性を大幅に削減（通常最大5日分の計画が必要）。
• 宇宙リンクの効率と堅牢性：効率的でより信頼性の高いデータ伝送、より多くの可用帯域幅を実現。複数ネットワークパスと伝送ホップ用アセットでリンク信頼性を向上。
• セキュリティ：全リンクで認証、完全性チェック、暗号化を可能に。
• 相互運用性と再利用：任意の政府・民間宇宙機関が運用する宇宙船と地上局の相互運用性を実現。NASAが今後のミッション（低地球軌道でも深宇宙でも）で同じプロトコルを再利用可能。
• サービス品質：データタイプごとに複数の優先度レベルを設定し、重要パケットを低優先度より先に送信可能。

実験

最初のDTN実験は2009年7月10日に実施され、計画されたTDRSS（追跡・データ中継衛星システム）ハンドオーバー中に特定画像セットをダウンロードしました。この実験中、地上-宇宙および宇宙-地上リンクが数分間中断されました。ISSでのDTNネットワークデモンストレーションは成功しました。次のテストでは、無人運用でDTNを使用。3日間実施し、毎時14ファイル生成。従来伝送ではファイルあたり平均3,504件の冗長受信が発生したのに対し、DTNは驚異的に優れ、ファイルあたりわずか0.06件の冗長受信に抑えられました。ISSは2016年5月に組織的DTNサービスを導入し、ペイロード科学データ伝送の信頼性向上と運用オーバーヘッド・計画の削減を実現しました。2017年11月20日、南極の米国科学財団マクマード基地で撮影された自撮り写真がDTNプロトコルスイートでISSに送信されました。写真には、技術開発に貢献したVint Cerf氏の写真を持つNASAエンジニアたちが写っています。スマートフォンのDTNソフトウェアが自撮り写真をISSへ送信。パケットはマクマード地上局からホワイトサンズ複合施設、NASAへTDRS経由で移動。その後、DTNノード群がパケットをアラバマ州マーシャル宇宙飛行センター（DTNネットワークのアクセスポイント）へ転送。別のTDRSリンクで宇宙ステーションへ転送され、TRek（テレサイエンスリソースキット）デモペイロードにルーティング。最後のDTNノードがパケットから画像データを抽出し、ペイロードが元の写真を再構成して船内に表示しました。これらは最近のDTN実験の一部です。現在、AES DTN研究チームはSCaN（宇宙通信・ナビゲーション）とIPNSIG（惑星間ネットワーキング特別興味グループ）と協力し、SSI実現に向けて取り組んでいます。