Die NASA setzt verzögerungstolerante Netzwerke ein, um die Weltraumkommunikation zu verbessern

Das Senden/Empfangen von Daten auf der Erde von jedem Raumschiff ist eine schwierige Aufgabe, vor allem wegen der großen Entfernungen. Bei der Kommunikation über Tausende und Millionen Kilometer hinweg kommt es häufig zu Verzögerungen und Datenverlusten. Um diese Verzögerungen und Verluste so gering wie möglich zu halten, arbeitet die NASA an einer zuverlässigen Internetverbindung zum Sonnensystem, genannt Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN).

Die NASA nutzt drei Kommunikationsnetzwerke zum Senden und Empfangen von Signalen über große Entfernungen, die Weltraumrelaissatelliten und verteilte Bodenstationen zur Unterstützung von Weltraummissionen umfassen.

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

Was genau ist DTN?

Die vorherige NASA-Mission nutzte einzelne Relais- oder Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (wie das Telefonsystem), um mit Raumfahrzeugen in der erdnahen Umlaufbahn und im Weltraum zu kommunizieren. Zukünftige Explorationskonzepte umfassen jedoch ein viel komplexeres System mit mehreren Knoten (statt nur zwei). Es wird wie Internetnetzwerke auf der Erde funktionieren, die mehrere Sprünge über Satellit und andere Zwischenknoten umfassen und die Grundlage für das SSI (kurz für Solar System Internet) bilden.

Wie Earth-Internet wird das SSI eine Standardplattform bereitstellen, auf der eine breite Palette von Anwendungen für End-to-End-Netzwerkdienste arbeiten wird. Das SSI verwendet in fast allen Fällen die DTN-Protokollsuite, auch bei häufigen Verbindungsunterbrechungen oder längeren Lichtzeiten, bei denen herkömmliche IPs (Internetprotokolle) nicht funktionieren.

DTN ist das spezifische Regelwerk für die Datenübertragung, oft auch Protokollsuite genannt, das die Möglichkeiten des herkömmlichen Internets erweitert, um in Weltraumumgebungen über extreme Entfernungen hinweg zu funktionieren. Diese Umgebungen sind in der Regel häufigen Störungen, hohen Fehlerraten, langen Verzögerungen und Verbindungen in nur einer Richtung ausgesetzt.

Internet des Sonnensystems mit DTN-Protokoll:Bildquelle – NASA

Wie funktioniert DTN?

Die DTN-Protokolle können mit den Earth-Internet-IPs oder unabhängig davon arbeiten. Es nutzt die automatische Store-and-Forward-Technik , gewährleistet somit die Zustellung der Daten. Wenn die Paketweiterleitung derzeit nicht möglich ist, speichert das System sie für eine zukünftige Übertragung. Daher muss bei Verwendung von störungstolerantem Netzwerk nur der nächste Hop verfügbar sein.

Wie eine herkömmliche Internet-Suite umfasst DTN Netzwerkverwaltungs-, Routing-, Sicherheits- und Servicequalitätsfunktionen. Obwohl es für Weltraumanwendungen konzipiert ist, könnte es auch für terrestrische Anwendungen von Vorteil sein, bei denen hohe Fehlerraten und häufige Störungen üblich sind.

Das Bild oben zeigt die Daten, die mithilfe von DTN über Space Habitat und zwei Kommunikationsrelais vom Weltraum zur Erde übertragen werden. Die Kommunikationsverbindungen 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 die IETF (Internet Engineering Task Force) und CCSDS (Committee for Space Data Systems). Alle diese DTN-Protokolle werden offene internationale Standards sein. Einige DTN-Implementierungen existieren bereits und sind öffentlich verfügbar, beispielsweise die ION-Implementierung (Interplanetary Overlay Network).

Quelle:NASA 

Vorteile

Verbesserte Abläufe und Situationsbewusstsein – Das DTN bietet mehr Einblick in Ereignisse, wenn Kommunikationsausfälle aufgrund der Übergabe der Bodenstation, schlechter atmosphärischer Bedingungen oder als Folge einer Weiterleitung auftreten. DTN verringert die Notwendigkeit, Bodenstationen für den Empfang oder Versand von Informationen zu planen, was normalerweise bis zu fünf Planungstage in Anspruch nimmt, erheblich.

Effizienz und Robustheit von Space Link – DTN sorgt für eine effizientere und zuverlässigere Datenübertragung und ermöglicht so eine größere nutzbare Bandbreite. Die Verbindungszuverlässigkeit wird durch mehrere Netzwerkpfade und Ressourcen für Übertragungssprünge verbessert.

Sicherheit – DTN-Protokolle ermöglichen Authentifizierung, Integritätsprüfungen und Verschlüsselung auf allen Verbindungen.

Interoperabilität und Wiederverwendung – DTN-Protokolle ermöglichen die Interoperabilität von Raumfahrzeugen (die von einer staatlichen oder privaten Raumfahrtbehörde betrieben werden) und Bodenstationen. Darüber hinaus ermöglicht es der NASA, dieselben Protokolle für bevorstehende Missionen zu verwenden, unabhängig davon, ob es sich um eine erdnahe Umlaufbahn oder eine Weltraummission handelt.

Servicequalität – Das DTN-Protokoll ermöglicht die Festlegung mehrerer Prioritätsstufen für verschiedene Datentypen, um sicherzustellen, dass das wichtige Paket vor dem weniger wichtigen gesendet wird.

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Experimente

Das erste DTN-Experiment wurde am 10. Juli 2009 durchgeführt, wobei ein bestimmter Satz von Bildern über eine geplante TDRSS-Übergabe (Tracking &Data Relay Satellite System) heruntergeladen wurde. Während dieses Experiments wurden die Boden-Weltraum- und Weltraum-Boden-Verbindungen für einige Minuten unterbrochen. Diese DTN-on-ISS-Netzwerkdemonstration war erfolgreich.

Im nächsten Test nutzten sie DTN für den unbeaufsichtigten Betrieb. Der Test wurde 3 Tage lang durchgeführt und in diesem Zeitraum wurden stündlich 14 Dateien generiert. Die herkömmliche Übertragung führte zu durchschnittlich 3.504 redundanten Empfängen pro Datei, während DTN eine erstaunlich bessere Leistung erbrachte und nur zu 0,06 redundanten Empfängen pro Datei führte.

Die ISS implementierte im Mai 2016 einen institutionellen DTN-Dienst, der die Zuverlässigkeit der wissenschaftlichen Nutzlastdatenübertragung verbesserte und den Betriebsaufwand und die Planung reduzierte.

Am 20. November 2017 wurde ein Selfie, das an der McMurdo-Station der National Science Foundation in der Antarktis aufgenommen wurde, mithilfe der DTN-Protokollsuite zur ISS gesendet. Wie Sie auf dem Selfie sehen können, hielten die NASA-Ingenieure Mark Sinkiat, Peter Fetterer und Salem El Nimri ein Foto von Vint Cerf hoch, der bei der Entwicklung der Technologie mitgewirkt hat.

Die DTN-Software auf einem Smartphone schickte das Selfie auf die Reise zur ISS. Die Pakete werden über TDRS (Tracking &Data Relay Satellite) von der McMurdo-Bodenstation zum White Sands Complex der NASA übertragen. Anschließend leitete eine Reihe von DTN-Knoten die Pakete an das Marshall Space Flight Center in Alabama weiter, das den Zugangspunkt des DTN-Netzwerks darstellt. Die Pakete wurden über eine weitere TDRS-Verbindung an die Raumstation weitergeleitet, wo sie zur Demonstrationsnutzlast TRek (Telescience Resource Kit) weitergeleitet wurden. Der letzte DTN-Knoten extrahierte die Bilddaten aus den Paketen, und die Nutzlast setzte das Originalfoto wieder zusammen und zeigte es an Bord der ISS an.

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Dies sind einige aktuelle Experimente zu DTN. Derzeit arbeitet das AES DTN-Forschungsteam mit SCaN (Space Communications and Navigation) und IPNSIG (InterPlanetary Networking Special Interest Group) zusammen, um zur Verwirklichung des SSI beizutragen.