NASA、遅延耐性ネットワークを導入して宇宙通信を強化

地球上で宇宙船からデータを送受信することは、主に長距離が必要なため、困難な作業です。 数千マイル、数百万マイルを越えて通信する場合、遅延やデータ損失がよく発生します。こうした遅延と損失を最小限に抑えるために、NASA は遅延/中断耐性ネットワーキング (DTN) と呼ばれる、信頼性の高い太陽系インターネット接続の開発に取り組んでいます。

NASA は、宇宙ミッションをサポートするために、宇宙中継衛星と分散地上局を含む長距離にわたる信号の送受信に 3 つの通信ネットワークを使用しています。

• ニアアースネットワーク (NEN)
• スペース ネットワーク (SN)
• 深宇宙ネットワーク (DSN)

DTN とは正確には何ですか?

NASA の以前のミッションでは、単一のリレーまたはポイントツーポイント リンク (電話システムなど) を使用して、地球低軌道や深宇宙探査機と通信していました。ただし、将来の探査コンセプトには、(2 つだけではなく) 複数のノードを備えた、より複雑なシステムが含まれています。これは地球上のインターネット ネットワークのように動作し、衛星やその他の中間ノードを経由するいくつかのホップを含み、SSI (Solar System Internet の略) の基盤を構築します。

Earth-internet と同様に、SSI は、幅広いアプリケーションがエンドツーエンドのネットワーク サービスで動作するための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、頻繁なリンクや長時間の光時間の中断を含むほとんどすべてのケースで DTN プロトコル スイートを使用します。

DTN は、データを送信するための特定のルールのセットであり、多くの場合プロトコル スイートと呼ばれ、従来のインターネットの機能を拡張して、宇宙環境で非常に離れた場所でも動作するようにします。これらの環境は通常、頻繁な中断、高いエラー率、長い遅延、および単方向リンクの影響を受けます。

DTN プロトコルを使用した太陽系インターネット:画像ソース – NASA

DTN の仕組み

DTN プロトコルは、アース インターネット IP と連携して動作することも、独立して動作することもできます。自動ストアアンドフォワード技術を使用します。 したがって、データの配信が保証されます。パケット転送が現在不可能な場合、システムは将来の送信に備えてパケットを保存します。したがって、中断耐性のあるネットワーキングを使用する場合、ネクストホップのみが使用可能である必要があります。

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、およびサービス品質機能が含まれます。これは宇宙アプリケーション向けに設計されていますが、高いエラー率と頻繁な中断が一般的な地上アプリケーションにも有益である可能性があります。

上の画像は、DTN を使用して、宇宙ハビタットと 2 つの通信リレーを介して宇宙から地球にデータが送信されている様子を示しています。アセット間の通信リンクは常に利用できるとは限りません。

現在、DTN プロトコルは NASA AES (Advanced Exploration Systems) によって開発されており、IETF (Internet Engineering Task Force) および CCSDS (Committee for Space Data Systems) による DTN 標準化をサポートしています。これらすべての DTN プロトコルはオープンな国際標準になります。 ION (惑星間オーバーレイ ネットワーク) 実装など、いくつかの DTN 実装はすでに存在しており、一般公開されています。

出典:NASA

利点

運用と状況認識の強化 – DTN は、地上局のハンドオーバー、悪天候、または中継の結果として通信障害が発生した場合に、イベントに対するより多くの洞察を提供します。 DTN を使用すると、通常、計画に最大 5 日かかりますが、情報を送受信するために地上局をスケジュールする必要性が大幅に軽減されます。

スペースリンクの効率と堅牢性 – DTN は効率的で信頼性の高いデータ伝送を提供し、より多くの帯域幅を使用できるようにします。リンクの信頼性は、送信ホップ用の複数のネットワーク パスと資産によって向上します。

セキュリティ – DTN プロトコルにより、すべてのリンクで認証、整合性チェック、暗号化が可能になります。

相互運用性と再利用 – DTN プロトコルにより、宇宙船 (政府または民間宇宙機関が運用) と地上局の相互運用性が可能になります。さらに、NASA は、地球低軌道ミッションであろうと深宇宙ミッションであろうと、今後のミッションに同じプロトコルを使用できるようになります。

サービスの品質 – DTN プロトコルでは、重要なパケットが重要性の低いパケットよりも先に送信されるように、さまざまなデータ タイプに複数の優先レベルを設定できます。

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実験

最初の DTN 実験は 2009 年 7 月 10 日に実施されました。これには、計画された TDRSS (追跡およびデータ中継衛星システム) ハンドオーバーを介して特定の画像セットをダウンロードすることが含まれていました。この実験中、地上から宇宙へのリンク、および宇宙から地上へのリンクが数分間中断されました。この DTN-on-ISS ネットワークのデモンストレーションは成功しました。

次のテストでは、DTN を無人操作に使用しました。テストは 3 日間実施され、この期間中 1 時間ごとに 14 個のファイルが生成されました。従来の送信では、ファイルあたり (平均) 3,504 回の冗長受信が発生しましたが、DTN は驚くほどパフォーマンスが良く、ファイルあたりの冗長受信はわずか 0.06 回でした。

ISS は 2016 年 5 月に組織的な DTN サービスを導入しました。これにより、ペイロード科学データの送信の信頼性が向上し、運用上のオーバーヘッドと計画が削減されました。

2017 年 11 月 20 日、南極にある国立科学財団の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 スイートを使用して ISS に送信されました。自撮り写真でわかるように、NASA エンジニアのマーク シンキアット、ピーター フェッターラー、セイラム エル ニムリは、テクノロジーの開発に貢献したヴィント サーフの写真を掲げていました。

スマートフォンの DTN ソフトウェアは、ISS への移動中に自撮り写真を送信しました。パケットは、マクマード地上局から TDRS（追跡およびデータ中継衛星）経由で NASA のホワイト サンズ コンプレックスに送信されます。次に、一連の DTN ノードがパケットを、DTN ネットワークのアクセス ポイントであるアラバマ州のマーシャル宇宙飛行センターに転送しました。パケットは別の TDRS リンクを介して宇宙ステーションに転送され、そこで TRek (テレサイエンス リソース キット) のデモンストレーション ペイロードにルーティングされました。最後の DTN ノードはパケットから画像データを抽出し、ペイロードは元の写真を再構築して ISS に表示しました。

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これらは DTN に関する最近の実験です。現在、AES DTN 研究チームは、SCaN (Space Communications and Navigation) および IPNSIG (InterPlanetary Networking Special Interest Group) と協力して、SSI の実現を支援しています。