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Interplanetares Internet

Konzept
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Als interplanetares Internet (auch englisch Deep Space Internet „Tiefrauminternet“) werden Internet-ähnliche Netzwerke zur Datenübertragung im interplanetaren Raum des Sonnensystems bezeichnet.[1][2]

NASA-Vision eines interplanetaren Internet

Netzwerkprotokolle für interplanetares Internet

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Technische Herausforderungen

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Die Lichtgeschwindigkeit (dargestellt als Lichtstrahl von der Erde zum Mond) begrenzt die Geschwindigkeit, mit der Informationen übertragen werden. In diesem Beispiel dauert es 1,26 Sekunden von der Erde zum Mond. Aufgrund der enormen Entfernungen treten deutlich längere Verzögerungen auf als bei erdgebundenem Internet.

Aufgrund der großen Strecken, die von den Signalen im Weltraum zurückgelegt werden, müssen die verwendeten Netzwerkprotokolle besonders tolerant gegenüber Verzögerungen sein.[1] Während beim erdgebundenen und erdnahen Internet Verzögerungen in der Datenübertragung vernachlässigbar sind, wird ein interplanetares Internet durch lange Übertragungsunterbrechungen und Verzögerungen im Minuten- bis Stundenbereich vor besondere Herausforderungen gestellt. Die beteiligten Knoten müssen daher die zu übertragenden Daten über relativ lange Zeiträume zwischenspeichern, bis der Empfänger den Erhalt bestätigt.[3]

Entwicklung

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Während zu Beginn der Raumfahrt noch Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit Ad-hoc-Protokollen vorherrschte, wurde mit zunehmender Kooperation verschiedener Nationen in der Raumfahrt die Notwendigkeit standardisierter Kommunikationsprotokolle offenbar. Die Entwicklung dieser Protokolle obliegt seit 1982 dem Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS).[4]

Obwohl die Standardisierung der Kommunikationsprotokolle für die Raumfahrt zu Beginn parallel zu, aber getrennt von der Entwicklung des Internets verlief, näherten sich die Protokolle seit Mitte der 1990er Jahre einander an. So wurde am 2. Januar 1996 ein Dateitransfer zu dem Satelliten STRV-1b über das File Transfer Protocol durchgeführt, welches auf dem TCP/IP-ähnlichen Space Communications Protocol Specifications (SCPS) Protokollstack aufsetzte.[5][6] Die Satelliten der Disaster Monitoring Constellation kommunizieren mit ihren Bodenstationen direkt mittels IP.[7][8]

Die Internetprotokolle sind jedoch nur zur Datenübertragung über relativ kurze Distanzen, wie beispielsweise in den Erdorbit, geeignet. Zum Einsatz unter Weltraumbedingungen mit hohen Übertragungsfehlerraten und Verzögerungen bei der Kommunikation über lange Strecken werden neue Protokolle gebraucht, um die Regionen, innerhalb derer die Kommunikation über Internetprotokolle abgewickelt werden kann, zu verbinden. „Region“ ist ein natürlicher Begriff in der Architektur von Weltraumnetzen und bezeichnet ein Gebiet, in dem die Charakteristika der Kommunikation, wie Sicherheit und Verfügbarkeit von Ressourcen, homogen sind.[9] Das interplanetare Internet wird daher auch als „Netz der regionalen Internets“ bezeichnet.

Aus diesem Grund wurde am Jet Propulsion Laboratory der NASA unter der Leitung von Vinton Cerf und Adrian Hooke[10] mit der Entwicklung von Delay Tolerant Networking begonnen.

Dies führte zur Entwicklung des Bundle-Protokolls, das oberhalb der Transportschicht sogenannte bundle convergence layers einführt und Datenblöcke zu Bündeln aggregiert, die genügend Informationen enthalten, dass eine Anwendung weitere Arbeitsschritte ausführen kann. Beispielsweise würde ein Bündel eine komplette Webseite umfassen, die der Webbrowser des Empfängers dann darstellen kann. Die Bundle-Architektur bildet dabei zwischen den verschiedenen Regionen ein Overlay-Netzwerk, das Daten zwischen den Regionen nach dem Prinzip “Store and forward” überträgt. Das Bundle-Protokoll stellt dabei verzögerungstolerante Ende-zu-Ende-Dienste wie Routing, Verfügbarkeit und Sicherheit bereit.[11]

Die Interplanetary Internet Special Interest Group der Internet Society arbeitete an Protokollen und Standards zum Thema interplanetares Internet.[12] Die Delay-Tolerant Networking Research Group ist die vorrangige Forschungsgruppe im Gebiet Delay Tolerant Networking (DTN).

Einsätze

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Ein Beispiel für eine Internetprotokoll-basierte Ende-zu-Ende-Anwendung bei einer Weltraummission ist das CCSDS File Delivery Protocol (CFDP), ein zuverlässiges Dateiübertragungsprotokoll, das bei der Deep Impact-Mission eingesetzt wurde.[13]

Das Bundle-Protokoll wurde erstmals im Jahr 2008 auf einem UK-DMC-Satelliten getestet.[7][8]

Die NASA setzte die DTN-Tests mit der Deep Impact-Sonde Epoxi fort.[14][15] Der Mars-Rover Curiosity, zwei Sonden in der Umlaufbahn des Mars und der Satellit Epoxi, der um die Sonne kreist, verwenden bereits das Protokoll. Epoxi versendete so bereits Daten über eine Entfernung von 32 Millionen Kilometer.[2] Weitere DTN-Tests über eine Distanz von gut 1,2 Millionen Kilometern wurden am 25. August und am 28. Oktober 2022 mit einer entsprechenden Nutzlast auf dem südkoreanischen Mondorbiter Danuri durchgeführt.[16]

Mitte der 2020er Jahre ist die PACE-Mission zur Ermittlung der Gesundheit des Ozeans geplant. Diese verwendet Delay Tolerant Networking zur Datenübertragung.[17][18]

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Einzelnachweise

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  1. ↑ a b Generation InterPlanetary Internet. SpaceRef
  2. ↑ a b n-tv NACHRICHTEN: So arbeitet das interplanetare Internet. Abgerufen am 20. Januar 2020.
  3. ↑ The Interplanetary Internet: A Communications Infrastructure for Mars Exploration. (Memento vom 24. Juli 2011 im Internet Archive) (PDF) - 53rd International Astronautical Congress - The World Space Congress, 19 Oct 2002/Houston, Texas
  4. ↑ CCSDS.org - The Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS)
  5. ↑ The Space Technology Research Vehicles: STRV-1a, b, c and d (PDF; 286 kB), Richard Blott and Nigel Wells, AIAA Small Satellite Conference, Logan, Utah, 1996.
  6. ↑ Appendix F, 710.0-G-0.3: Space Communication Protocol Specification (SCPS) - Rationale, Requirements, and Application Notes. (PDF) Draft Green Book, Issue 0.3. April 1997.
  7. ↑ a b L. Wood et al.: Use of the Delay-Tolerant Networking Bundle Protocol from Space (Memento vom 13. Mai 2008 im Internet Archive). Conference paper IAC-08-B2.3.10, 59th International Astronautical Congress, Glasgow, September 2008.
  8. ↑ a b Surrey Satellite Technology Ltd: UK-DMC satellite first to transfer sensor data from space using 'bundle' protocol. 11. September 2008, archiviert vom Original am 26. April 2012; abgerufen am 23. Dezember 2021 (englisch).
  9. ↑ Adrian Hooke: Interplanetary Internet. 2003 (archive.org [PDF]).
  10. ↑ Meet the Area Directors – Adrian Hooke. (Memento vom 5. März 2007 im Internet Archive) CCSDS.org
  11. ↑ Brittany Sauser: "Einfach neue Software hochladen". Interview mit Vint Cerf. 19. November 2008, abgerufen am 6. Mai 2012: „Jeder Knoten wird die Identität jedes anderen Knotens, mit dem er kommuniziert, vorher verifizieren und die Weiterleitung von Daten verweigern, wenn er ihn nicht zweifelsfrei erkennt.“
  12. ↑ InterPlanetary Internet
  13. ↑ CCSDS Recommendations and Reports - Space Internetworking Services Area. CCSDS.org
  14. ↑ Werner Pluta: NASA testet Internet im All. 19. November 2008, abgerufen am 6. Mai 2012.
  15. ↑ NASA Successfully Tests First Deep Space Internet NASA Press Release 08-298, November 2008.
  16. ↑ Park Si-soo: South Korea’s Danuri orbiter demonstrates ‘space internet’ en route to moon. In: spacenews.com. 15. November 2022, abgerufen am 15. November 2022 (englisch).
  17. ↑ Lynn Jenner: Disruption Tolerant Networking to Demonstrate Internet in Space. 16. Juli 2018, abgerufen am 20. Januar 2020 (englisch).
  18. ↑ Sara Blumberg: OCI Instrument Passes Key Review. In: pace.oceansciences.org. 23. Mai 2022, abgerufen am 15. November 2022 (englisch).
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