NASA setzt Delay-Tolerant Networking ein, um Weltraumkommunikation zu verbessern

Daten von Raumschiffen zur Erde zu senden oder zu empfangen ist schwierig, hauptsächlich wegen der großen Entfernungen. Verzögerungen und Datenverlust sind bei Kommunikation über Tausende und Millionen Kilometer alltäglich. Um diese Verzögerungen und Verluste so gering wie möglich zu halten, arbeitet die NASA an einer zuverlässigen solaren System-Internetverbindung, genannt Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN).

Die NASA nutzt 3 Kommunikationsnetzwerke für Signalübertragung über große Distanzen, die Weltraumrelais-Satelliten und verteilte Bodenstationen enthalten, um Weltraummissionen zu unterstützen:

• Near Earth Network (NEN)
• Space Network (SN)
• Deep Space Network (DSN)

Was genau ist DTN?

Frühere NASA-Missionen nutzten einzelne Relais oder Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (wie das Telefonsystem) zur Kommunikation mit Low-Earth-Orbit- und Deep-Space-Raumschiffen. Zukünftige Erkundungskonzepte umfassen jedoch komplexere Systeme mit mehreren Knoten (statt nur zwei). Sie werden wie Internetnetzwerke auf der Erde funktionieren, die mehrere Hops über Satelliten und andere Zwischenknoten beinhalten und das Fundament für das SSI (Solar System Internet) bilden.

Wie das Erd-Internet wird das SSI eine Standardplattform bieten, auf der eine breite Palette von Anwendungen mit End-to-End-Netzwerkdiensten arbeiten. Das SSI wird in fast allen Fällen das DTN-Protokollsuite nutzen, einschließlich solcher mit häufigen Linkunterbrechungen oder langen Lichtlaufzeiten, wo traditionelle IPs (Internet Protocols) nicht funktionieren.

DTN ist der spezifische Regelsatz für Datenübertragung, oft als Protokollsuite bezeichnet, der die Fähigkeiten des konventionellen Internets erweitert, um in der Weltraumumgebung über extreme Distanzen zu funktionieren. Diese Umgebungen unterliegen häufigen Störungen, hohen Fehlerraten, langen Verzögerungen und Einweg-Links.

Solar System Internet mit DTN-Protokoll: Bildquelle – NASA

Wie DTN funktioniert

Die DTN-Protokolle können mit Erd-Internet-IPs arbeiten oder unabhängig operieren. Sie nutzen die automatische Store-and-Forward-Technik, die die Datenzustellung garantiert. Wenn Paketweiterleitung momentan nicht möglich ist, speichert das System sie für spätere Übertragung. Daher muss nur der nächste Hop verfügbar sein, wenn Disruption Tolerant Networking verwendet wird.

Wie die konventionelle Internet-Suite umfasst DTN Netzwerkmanagement, Routing, Sicherheit und Quality-of-Service-Features. Obwohl für Weltraumanwendungen konzipiert, könnte es auch für terrestrische Apps nützlich sein, wo hohe Fehlerraten und häufige Unterbrechungen üblich sind.

Die obige Abbildung zeigt Datenübertragung vom Weltraum zur Erde über Space Habitat und 2 Kommunikationsrelais mittels DTN. Die Kommunikationslinks zwischen Assets sind nicht immer verfügbar.

Derzeit werden die DTN-Protokolle von der NASA AES (Advanced Exploration Systems) entwickelt, und sie unterstützen die DTN-Standardisierung durch IETF (Internet Engineering Task Force) und CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems). Alle DTN-Protokolle werden offene internationale Standards sein. Einige DTN-Implementierungen existieren bereits und sind öffentlich verfügbar, wie ION (Interplanetary Overlay Network).

Quelle: NASA

Vorteile

Verbesserte Operationen und Situationsbewusstsein – DTN bietet mehr Einblick in Ereignisse bei Kommunikationsausfällen durch Bodenstationen-Übergabe, schlechte atmosphärische Bedingungen oder Relais. DTN verringert die Notwendigkeit der Planung von Bodenstationen für Empfang/Sendung erheblich, was typischerweise bis zu 5 Tage Planungszeit beansprucht.

Weltraumlink-Effizienz und Robustheit – DTN ermöglicht effizientere und zuverlässigere Datenübertragung, wodurch mehr nutzbare Bandbreite freigesetzt wird. Die Linkzuverlässigkeit wird durch mehrere Netzwerkpfade und Assets für Übertragungshops verbessert.

Sicherheit – DTN-Protokolle erlauben Authentifizierung, Integritätsprüfungen und Verschlüsselung auf allen Links.

Interoperabilität und Wiederverwendbarkeit – DTN-Protokolle ermöglichen Interoperabilität von Raumschiffen (betrieben von jeder Regierungs- oder privaten Raumfahrtbehörde) und Bodenstationen. Zudem kann die NASA dieselben Protokolle für zukünftige Missionen nutzen, ob Low-Earth-Orbit oder Deep-Space.

Quality of Service – DTN-Protokolle ermöglichen mehrere Prioritätsstufen für verschiedene Datentypen, um sicherzustellen, dass wichtige Pakete vor weniger wichtigen gesendet werden.

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Experimente

Das erste DTN-Experiment fand am 10. Juli 2009 statt und beinhaltete den Download eines bestimmten Bildersets über einen geplanten TDRSS-Handover (Tracking & Data Relay Satellite System). Währenddessen wurden Ground-to-Space- und Space-to-Ground-Links für einige Minuten unterbrochen. Diese DTN-on-ISS-Netzwerkdemonstration war erfolgreich.

Im nächsten Test nutzten sie DTN für unbeaufsichtigte Operationen. Der Test dauerte 3 Tage, und stündlich wurden 14 Dateien generiert. Konventionelle Übertragung ergab durchschnittlich 3.504 redundante Empfänge pro Datei, während DTN erstaunlich besser abschnitt und nur 0,06 redundante Empfänge pro Datei ergab.

Die ISS implementierte im Mai 2016 einen institutionellen DTN-Service, der die Zuverlässigkeit der Payload-Wissenschaftsdatenübertragung verbesserte und operativen Overhead und Planung reduzierte.

Am 20. November 2017 wurde ein Selfie, aufgenommen an der McMurdo-Station der National Science Foundation in der Antarktis, via DTN-Protokollsuite zur ISS gesendet. Auf dem Selfie halten NASA-Ingenieure Mark Sinkiat, Peter Fetterer und Salem El Nimri ein Foto von Vint Cerf, der die Technologie mitentwickelte.

Die DTN-Software auf einem Smartphone sendete das Selfie auf seine Reise zur ISS. Die Pakete reisten von der McMurdo-Bodenstation zum White Sands Complex, NASA via TDRS (Tracking & Data Relay Satellite). Dann leitete ein Satz DTN-Knoten die Pakete zum Marshall Space Flight Center in Alabama weiter, dem Zugangspt des DTN-Netzwerks. Die Pakete wurden via weiteren TDRS-Link zur Raumstation weitergeleitet, wo sie zum TRek (Telescience Resource Kit) Demonstrations-Payload geroutet wurden. Der letzte DTN-Knoten extrahierte die Bilddaten aus den Paketen, und das Payload setzte das Originalfoto zusammen und zeigte es an Bord der ISS an.

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Dies sind einige jüngste DTN-Experimente. Derzeit arbeitet das AES DTN-Forschungsteam mit SCaN (Space Communications and Navigation) und IPNSIG (InterPlanetary Networking Special Interest Group) zusammen, um das SSI Realität werden zu lassen.