Nu handlar det om 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 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 mjukvara och överföringsprotokoll.
Om vi befolkar asteroidbältet så blir väl stomnätet där ett ringnät. Annars är väl stjärnnät ett måste? (R.Strömgren)
Det börjar röra sig om väldiga datamängder som ska tvärs över halva 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. Det största problemen heter round trip delay och buffertstorlekar.
Sunets världsrekord töjer gränserna
För att nu börja här på Jorden så kan man konstatera att helt vanliga standardkonfigurerade datorer är väldigt dåliga på att överföra större datamängder över långa avstånd. Sunet (Swedish University Network) har ett antal världsrekord i dataöverföring på fiberoptiska nät, som töjer ganska ordentligt på gränserna.
De körde till exempel 840 gigabyte data från Luleå till San José i Kalifornien på mindre än 30 minuter. Sänd- och mottagningsfönstren fick sättas upp till 150 megabyte för att man skulle kunna sända tillräckligt mycket data i ett svep utan att behöva stanna och vänta på ACK vilket är det som drar ned kapaciteten och omöjliggör höghastighetsöverföringar.
Så här såg de två viktigaste parametrarna ut vid försöket:
# net.inet.tcp.sendspace=150000000 # Size of transmit window, 150MB
# net.inet.tcp.recvspace=150000000 # Size of receive window, 150MB
Då har vi satt fingret på problemet för jord-bruk. När IP ska upp i satellitbaserade nät tillstöter ytterligare problem, som Cisco och Seakr Engineering har kastat sig över i ett nytt spännande projekt.
Cisco och IRIS
Amerikanska försvaret funderar på att låta sina trupper över hela jorden kommunicera över IP som routas via satellit. Fördelen med det är man kan sluta med dyrbara speciallösningar och börja med kommersiell utrustning, COTS.
Försvaret kallar projektet för IRIS, Internet Routing In Space och det hela ska börja med att Seakr Engineering Inc. monterar en rymdtålig router i en geostationär satellit, Intelsat-14 som kommer att skjutas upp år 2009. Programvaran i routern ska också vara COTS och kommer från Cisco.
Cisco och Seakr ska bygga en IP-router och montera i en Inmarsat-satellit.
Routingen kommer att ske mellan de olika upp- och nedlänkar som satelliten har, nämligen en C-bands-lob och två Ku-bands-lober. På så sätt optimeras länkarnas användning, gentemot om satelliten vore av den vanliga ”stendumma” typen där varenda upplänkad signal skulle ha behövt gå ned till Jorden på en nedlänk, routas och sen skickas upp igen för att därefter ta ytterligare en nedlänk i anspråk för att nå den slutliga mottagaren.
Dessutom kommer routern att ingå som en del av systemägarens markbaserade routernät, och övervakas och uppgraderas på samma sätt. Det kommer också att spara pengar.
IP-trafik över satelliter är inget nytt. Det har man hållit på med sedan 70-talet, men inte förrän nu kommer satelliter att själva fungera som delar av Internet.
FM-Satkom
Det svenska försvaret var en av pionjärerna med IP-baserad satellittrafik i sitt FM-Satkom-system. Det används idag för kommunikation mellan Sverige och trupper i utlandsstyrkorna, Balkan, Afghanistan och så vidare. Försvaret har ingen egen satellit utan köper länkar från Sirius eller Inmarsat, allt efter det täckningsområde som behövs.
Kommunikation och routing emellan flera satelliter är inte aktuellt. Men varför är det alltid punkt-till-punkt som gäller? Varför kan man inte ha ett nät av satelliter med egna routrar, eget store-and-forward, som kan koppla trafik emellan sig, utan att behöva slösa en kanal till Jorden för data som bara ska ned och sen upp till nästa satellit? Varför inte bygga trådlösa stamnät i rymden?
Satellit-satellit: Iridium
Iridiumsatelliterna ligger på 760 kilometers höjd i cirkulära banor och går ett varv runt Jorden på 100 minuter. Det finns 66 satelliter och avsikten är att så fort en försvinner bortom horisonten så ska en ny komma fram. Iridiumkonsortiet gick visserligen i konkurs 1999, men satelliterna räddades, tjänsten återstartades 2001 och fungerar alltjämt utmärkt.
Iridium-satelliterna routar redan telefonsamtal genom rymden, utan behov av basstation.
Ett samtal mellan två Iridiumelefoner hanteras över huvud taget inte av någon markstation utan kopplas direkt mellan satelliterna. Det är först när data ska till någon markbunden tjänst som det måste routas vidare till en ”Iridium gateway” i Arizona eller Virginia.
Telefonerna arbetar på L-bandet (1616-1626,5 MHz) medan upp- och nedlänkarna till markstationerna sker på Ka-bandet 18-20 GHz.
En användare med en PC ansluten till sin Iridiumtelefon och lämplig PC-klient kan få kontakt med en markstation och därmed med Internet. I det här fallet handlar det inte om ett IP-nät utan telefonen fungerar som ett 2400 bps modem och dataförbindelsen routas som ett telefonsamtal. 2400 bps är inte särskilt mycket, men det kan vara en hel del om man står på toppen av Everest eller på Sydpolen.
Eller, nu är det väl ingen idé med Iridium på Mount Everest eftersom hela norra sidan tydligen täcks av en GSM-bas i Nepal. Du kan ta din vanliga nalle till Himalaya.
Den första satellit som hade IP-adress var UoSAT-12, en OSCAR (Orbiting Satellite Containing Amateur Radio) som kunde visa upp både en egen webbsida och en ftp-server redan år 2001. Round trip delay var som mest 300 millisekunder och trots ett antal buggar i programvarorna kunde man konstatera att det fungerade.
Telemetri från UoSAT-12, den första satelliten med webbserver.
Man får heller inte glömma rymdbasen Esranges försök under år 2000 med webbanslutna stratosfärballonger, som kunde fara runt Nordpolen i flera månader. Forskarna kunde titta på sina experiments hemsidor eftersom ballongerna hade inbyggda webbservrar.
Nära Jorden
Det finns bara en permanent nätverksutrustad 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). I övrigt är det bara Rymdfärjan som kommer ibland, och så fort de får en möjlighet släpper de också ut sin X-bandsantenn för att skicka video med mera. Men det är primitiva engångslösningar.
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.
Även automatiska insamlingsmekanismer (smart damm och liknande) på andra planeter kommer att kräva ökad bandbredd i framtiden. Hittills har varje rymdprojekt mer eller mindre fått föra med sig sin egen kommunikationslänk.
Även om marsbilarna 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 direkt till Jorden och upplänken från Mars till satelliterna runt Mars ligger på cirka 250 kbps. NASAs kommunikationsorganisation DSN klarar dock mellan 700 kbps och 1,1 Mbps till Mars.
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.
Klicka på bilden för att förstora.
Eftersom det inte finns något accessnät på en nyerövrad planet blir all Internetåtkomst på t ex 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. Inte ens ovanlig TCP/IP. Avståndet mellan Jorden och Mars är som störst 375 miljoner kilometer och med en möjlig fart 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 är bara hälften 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. Så 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 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 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 jorden). 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 (NAK) 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 bootar 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 sjulagersmodellen, kallat DTN-laget, Delay Tolerant Networking, mellan applikations- och transportskikten. 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, Internet etc), där det kommer att ske med det regionala protokollet, exempelvis IP. Routingen ut och in mellan det regionala nätet och det interplanetära 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. Då måste destinationsmaskinen kunna lagra data tills applikationen har startat igen, eller eventuellt kunna starta denna.
Då kommer vi till avdelningen adressering.
Domäner
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 bara länderna sina egna toppdomäner, men i framtiden får man tänka sig att himlakropparna, utom Jorden (i vanlig ordning), 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 några barriärer mot mänsklig kommunikation: vi har inte lust att vänta, men ju mindre omedelbar kommunikationsformen är, desto längre kan vi 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, nederst är uttryckta som ljusminuter (lm) eller ljustimmar (lt). Fälten överst visar de hastigheter JPL DSN är kapabla till idag. Solsystemet visas inte proportionellt, därför blir avståndsringarna förvrängda. Och likväl rör hon sig!
Klicka på bilden för att förstora.
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 1 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. 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 mail enda möjligheten eftersom ingen har lust att sitta och vänta i realtidskonversation där svaret tar 20 minuter.
Man kan säkerligen 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. 40 Gbps är standard idag för laserlänkar inuti fibrer, medan DSN ”ligger och segar” på 700 kbps.
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 extreman fenomen.
Asteroidbältet innehåller miljarder små kroppar som kan utnyttjas som råvaror. Hubble 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 ju redan bättre satellitbilder av Mars än av Jorden. Upptäckarna kommer inte att nöja sig med mindre än direktsända TV-program från Jorden, e-post, och redundanta stamnät i solsystemet.
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.
Cisco och Seakr ska sätta en IP-router i en Inmarsat-satellit som ska routa självständigt från år 2009.
FAKTA: Så går du vidare
Seakr Engineering gör routrar till Inmarsat tillsammans med Cisco: www.seakr.com
Delay Tolerant Networking Research Group presenterar idéer om fördröjningstoleranta nät i allmänhet: www.dtnrg.org/wiki/Docs
En populär framställning av IBN: ntrg.cs.tcd.ie/undergrad/4ba2.02/space/index.html
UoSAT-12: www.ee.surrey.ac.uk/SSC/CSER/UOSAT/papers/
iaf96/minieis/minieis.html
Svenska försvarsmaktens FM-Satkom finns på www.fhs.mil.se/upload/5137/FM_SATKOM.pdf
Smart damm utforskar andra planeter: news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6566317.stm
Så jackar Sunet upp sina servrar för att få verkligt höga farter: proj.sunet.se/LSR
Lyssna själv på rymdsignaler, på www.svengrahn.pp.se/sounds/sounds.htm
Iridium finns och lever: www.iridium.com
FAKTA: Så 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 (varför 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 1 Gbps
Fördröjning: 1 sekund, varför IP-telefoni kommer att fungera, surfning blir bekvämt.
