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Internet interplanetária

A Internet interplanetária é uma rede de computadores concebida no espaço, consistindo de um conjunto de nós de rede que podem se comunicar uns com os outros (entre si).[1][2] Esses nós são os orbitadores e pousadores do planeta e as estações terrestres da Terra. Por exemplo, os orbitadores coletam os dados científicos da sonda (astromóvel)[a] Curiosity em Marte através de ligações[b] de comunicação próximas a Marte, transmitem os dados para a Terra através de ligações[b] diretas dos orbitadores de Marte para estações terrestres da Terra e, finalmente, os dados são roteados pela Internet interna da Terra.[3]

A velocidade da luz, ilustrada aqui por um feixe de luz viajando da Terra para a Lua, limitaria a velocidade com que as mensagens seriam capazes de viajar na Internet interplanetária. Neste exemplo, a luz leva 1,26 segundos para viajar da Terra à Lua. Devido às vastas distâncias envolvidas, podem ocorrer atrasos muito maiores do que na Internet ligada à Terra.
A comunicação de Marte com a Terra é um exemplo simples de Internet interplanetária
Visão geral simplificada da Internet interplanetária, comunicação de Marte com a Terra

A comunicação interplanetária é muito atrasada pelas distâncias interplanetárias, portanto, um novo conjunto de protocolos e tecnologias que são tolerantes a grandes atrasos e erros são necessários.[2] A Internet interplanetária é uma rede de internets de armazenamento e transmissão que frequentemente está desconectada, tem uma conexão digital de alta velocidade e alta capacidade que forma o eixo de uma rede de área local ou ampla[c] sem fio repleta de ligações[b] sujeitas a erros e atrasos que variam de dezenas de minutos a até horas, mesmo quando há uma conexão.[4]

Desafios e razões

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Na implementação central da Internet interplanetária, os satélites orbitando um planeta se comunicam com os satélites de outro planeta. Simultaneamente, esses planetas giram em torno do Sol com longas distâncias e, portanto, muitos desafios enfrentam as comunicações. As razões e os desafios resultantes são:[5][6]

  1. O movimento e as longas distâncias entre os planetas: a comunicação interplanetária é muito atrasada devido às distâncias interplanetárias e ao movimento dos planetas. O atraso é variável e longo, varia de alguns minutos (Terra a Marte) a algumas horas (Plutão à Terra), dependendo de suas posições relativas. A comunicação interplanetária também é suspensa devido à conjunção solar, quando a radiação solar dificulta a comunicação direta entre os planetas. Como tal, a comunicação caracteriza ligações[b] com perdas e conectividade de lugação[b] intermitente.
  2. Carga útil embutida baixa: os satélites podem transportar apenas uma carga útil pequena, o que impõe desafios em termos de potência, massa, tamanho e custo para o design de hardware de comunicação. Uma largura de banda assimétrica seria o resultado dessa limitação.[7] Essa assimetria atinge proporções de até 1000:1 como parte da largura de banda de "entrada:saída"[d].
  3. Ausência de infraestrutura fixa: o gráfico dos nós participantes em um planeta específico para a comunicação de um planeta específico muda ao longo do tempo, devido ao movimento constante. As rotas de comunicação planeta a planeta são planejadas e programadas, ao invés de oportunistas.

Desenvolvimento

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A tecnologia de comunicação espacial tem evoluído constantemente de arquiteturas ponto a ponto caras e únicas, para a reutilização da tecnologia em missões sucessivas e para o desenvolvimento de protocolos padrões acordados por agências espaciais de muitos países. Esta última fase prossegue desde 1982 por meio dos esforços do Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (C.C.S.D.E.)[e] [en],[8] um órgão composto pelas principais agências espaciais do mundo. Tem 11 agências membros, 32 agências observadoras e mais de 119 associados industriais.[9]

A evolução dos padrões do sistema de dados espaciais ocorreu em paralelo com a evolução da Internet, frutífera com a polinização cruzada conceitual, mas em grande parte como uma evolução separada. Desde o final da década de 1990, os protocolos familiares de Internet e os protocolos de enlace espacial do Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (C.C.S.D.E.)[e] se integraram e convergiram de várias maneiras. Por exemplo, a transferência de arquivos (P.T.F.)[f] para o STRV 1B [en] da órbita terrestre bem sucedida em 2 de janeiro de 1996, que executou o protocolo de transferência de arquivos (P.T.F.)[f] sobre as Especificações do protocolo de comunicações espaciais (E.P.C.E.)[g] do tipo Protocolo de Internet versão 4 (P.I.v.4) do Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (C.C.S.D.E.)[e].[10][11] O uso do protocolo de Internet sem o Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (C.C.S.D.E.)[e] ocorreu em espaçonaves (em demonstrações no satélite UoSAT-12 e operacionalmente na Constelação de monitoramento de desastres (C.M.D.)[h], por exemplo). Tendo atingido a era em que a rede e o Protocolo de Internet (P.I.) a bordo de uma espaçonave demonstraram ser viáveis e confiáveis, um estudo prospectivo maior do quadro foi a próxima fase.[carece de fontes?]

 
Reunião da Corporação de Internet para atribuição de nomes e números (C.I..A.N.N.)[i], Los Angeles, Estados unidos da américa, 2007. A marquise presta uma homenagem humorística ao filme de Ed Wood, Plano 9 do espaço sideral (1959), e ao sistema operacional Plan 9 da Bell Labs, ao mesmo tempo que menciona o pioneiro da Internet Vint Cerf usando uma paródia de, o então atual filme, Surf's Up (2007).

O estudo da Internet interplanetária no Laboratório de propulsão a jato (L.P.J.)[j] da Administração aeronáutica e espacial nacional (A.A.E.N.)[k] foi iniciado por uma equipe de cientistas do Laboratório de propulsão a jato (L.P.J.)[j] liderada por Vinton Cerf e o falecido Adrian Hooke [en].[12] Cerf é um dos pioneiros da Internet na Terra e foi nomeado cientista visitante ilustre no Laboratório de propulsão a jato (L.P.J.)[j] em 1998. Hooke foi um dos fundadores e diretores do Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (C.C.S.D.E.)[e].[13]

Embora os protocolos das Especificações do protocolo de comunicações espaciais (E.P.C.E.)[g] do tipo Protocolo de Internet (P.I.) sejam viáveis para saltos curtos, como os da estação terrestre para o orbitador, do astromóvel (rover) para a sonda, da sonda para o orbitador, da sonda para o sobrevôo e assim por diante, uma rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l] é necessária para obter informações de uma região do sistema solar para outra. Se torna aparente que o conceito de uma região é um fator arquitetônico natural da Internet interplanetária.[carece de fontes?]

Uma região é uma área onde as características de comunicação são as mesmas. As características da região incluem comunicações, segurança, manutenção de recursos, talvez propriedade e outros fatores. A Internet interplanetária é uma "rede de internets regionais".[14]

O que é necessário, então, é uma maneira padrão de obter comunicação ponta a ponta por meio de várias regiões em um ambiente desconectado e de atraso variável usando um conjunto generalizado de protocolos. Exemplos de regiões podem incluir a Internet terrestre, uma região na superfície da Lua ou de Marte ou uma região terra-órbita.[carece de fontes?]

O reconhecimento desse requisito levou ao conceito de um "pacote" como uma forma de alto nível de abordar o problema generalizado de armazenamento e encaminhamento. Pacotes são uma área de desenvolvimento de protocolo novo nas camadas superiores do Modelo de Interconexão de sistemas abertos (I.S.A.)[m], acima da camada de transporte com o objetivo de abordar a questão de empacotar informações de armazenamento e envio para que possam atravessar de forma confiável ambientes radicalmente diferentes, constituindo uma "rede de internets regionais".[carece de fontes?]

A rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l] foi projetada para permitir comunicações padronizadas em longas distâncias e com atrasos. Em seu núcleo está algo chamado Protocolo de pacote (P.P.)[n], que é semelhante ao Protocolo de Internet (ou IP) que serve como o coração da Internet aqui na Terra. A grande diferença entre o Protocolo de Internet (P.I.)[o] regular e o Protocolo de pacote (P.P.)[n] é que o Protocolo de Internet (P.I.)[o] assume um caminho de dados de ponta a ponta contínuo, enquanto o Protocolo de pacote (P.P.)[n] é construído para levar em conta erros e desconexões (falhas que comumente afetam as comunicações no espaço profundo).[15]

A camada de serviço de pacote, implementada como conjunto do Protocolo de pacote (P.P.)[n] para rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l], fornecerá serviços de protocolo tolerante a atrasos de propósito geral em suporte a uma gama de aplicações: transferência de custódia, segmentação e remontagem, confiabilidade de ponta a ponta, segurança de ponta a ponta e roteamento de ponta a ponta entre eles. O protocolo de pacote foi testado pela primeira vez no espaço no satélite UK-DMC [en] em 2008.[16][17]

Um exemplo de uma dessas aplicações ponta a ponta em uma missão espacial é o Protocolo de entrega de arquivos do Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (P.E.A.C.)[p] [en], usado na missão impacto profundo. O Protocolo de entrega de arquivos do Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (P.E.A.C.)[p] é um padrão internacional para transferência automática e confiável de arquivos em ambas as direções. O Protocolo de entrega de arquivos do Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (P.E.A.C.)[p] não deve ser confundido com o Protocolo de distribuição de arquivos coerente [en], que tem o mesmo acrônimo (em inglês) e é um protocolo experimental documentado pela Força tarefa de engenharia da Internet (F.T.E.I.)[q] para implementar rapidamente arquivos em vários alvos em um ambiente altamente conectado.[carece de fontes?]

Além de copiar de forma confiável um arquivo de uma entidade (como uma nave espacial ou estação terrestre) para outra entidade, o Protocolo de entrega de arquivos do Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (P.E.A.C.)[p] tem a capacidade de transmitir de forma confiável pequenas mensagens arbitrárias definidas pelo usuário, nos metadados que acompanham o arquivo, e transmitir comandos de forma confiável relacionados ao gerenciamento do sistema de arquivos que devem ser executados automaticamente na entidade de ponto final remoto (como uma nave espacial) após a recepção bem sucedida de um arquivo.[carece de fontes?]

Danuri

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Para testar o sistema experimental de "Internet espacial", Danuri (O.L.D.C. – Orbitador lunar desbravador da Coreia)[r] [en] encaminhou com sucesso uma série de fotos tiradas, bem como vários arquivos de vídeo (incluindo "Dynamite" do BTS), a partir do espaço sideral para a Terra, no Ministério da ciência e tecnologia da informação e comunicação (M.C.T.I.)[s] [en] da Coreia, no Instituto de pesquisa aeroespacial da Coreia (I.P.A.C.)[t] e no Instituto de pesquisa em eletrônica e telecomunicações (I.P.E.T.)[u] [en] em 7 de novembro de 2022.[18][19]

Protocolo

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O padrão de telemetria de pacotes do Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (C.C.S.D.E.)[e] [en] define o protocolo usado para a transmissão de dados de instrumentos de espaçonaves pelo canal do espaço profundo. Sob este padrão, uma imagem ou outros dados enviados de um instrumento de nave espacial são transmitidos usando um ou mais pacotes.

Definição de pacote do Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (C.C.S.D.E.)

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Um pacote é um bloco de dados com comprimento que pode variar entre pacotes sucessivos, variando de 7 a 65.542 bytes, incluindo o cabeçalho do pacote.

  • Os dados compactados são transmitidos por meio de quadros, que são blocos de dados de comprimento fixo. O tamanho de um quadro, incluindo o cabeçalho do quadro e as informações de controle, pode variar até 2.048 bytes.
  • Os tamanhos dos pacotes são fixos durante a fase de desenvolvimento.

Como os comprimentos dos pacotes são variáveis, mas os comprimentos dos quadros são fixos, os limites dos pacotes geralmente não coincidem com os limites dos quadros.

Notas de processamento de telecomunicações

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Os dados em um quadro são normalmente protegidos contra erros de canal por códigos de correção de erros.

  • Mesmo quando os erros do canal excedem a capacidade de correção do código de correção de erros, a presença de erros é quase sempre detectada pelo código de correção de erros ou por um código de detecção de erros separado.
  • Os quadros para os quais erros incorrigíveis são detectados são marcados como não decodificáveis e, normalmente, são excluídos.

Lidando com a perda de dados

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Quadros inteiros não decodificáveis excluídos são o principal tipo de perda de dados que afeta os conjuntos de dados compactados. Em geral, haveria pouco a ganhar tentando usar dados compactados de um quadro marcado como não decodificável.

  • Quando erros estão presentes em um quadro, os bits dos pixels de sub banda já estão decodificados antes do primeiro erro de bit permanecer intacto, mas todos os bits decodificados subsequentes no segmento geralmente serão completamente corrompidos; um único erro de bit costuma ser tão prejudicial quanto muitos erros de bit.
  • Além disso, os dados compactados geralmente são protegidos por códigos de correção de erros de bloco longo e poderosos, que são os tipos de códigos com maior probabilidade de gerar frações substanciais de erros de bits em todos os quadros que não podem ser decodificados.

Assim, os quadros com erros detectados seriam essencialmente inutilizáveis, mesmo se não fossem excluídos pelo processador de quadros.

Essa perda de dados pode ser compensada com os mecanismos a seguir.

  • Se um quadro errôneo escapar da detecção, o descompressor usará cegamente os dados do quadro como se fossem confiáveis, enquanto no caso de quadros errôneos detectados, o descompressor pode basear sua reconstrução em dados incompletos, mas não enganosos.
  • No entanto, é extremamente raro que um quadro incorreto não seja detectado.
  • Para quadros codificados pelo código Reed–Solomon do Comitê consultivo para sistemas de dados espaciais (C.C.S.D.E.)[e] , menos de 1 em 40.000 quadros errôneos podem escapar da detecção.

Implementação

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Orbitador de telecomunicações de Marte

O grupo de interesse especial da Internet interplanetária da Sociedade da Internet tem trabalhado na definição de protocolos e padrões que tornariam a a rede interplanetária[w] possível.[20] O Grupo de pesquisa em rede tolerante a atrasos (G.P.R.T.A.)[x] é o principal grupo de pesquisa em redes tolerantes a atrasos (R.T.A.)[l]. Esforços de pesquisa adicionais enfocam vários usos da nova tecnologia.ref>Burleigh, S.; Cerf, V.; Crowcroft, J.; Tsaoussidis, V. (2014). «Space for Internet and Internet for space». Ad hoc networks. 23: 80–86. doi:10.1016/j.adhoc.2014.06.005. Consultado em 8 de maio de 2019. Cópia arquivada em 8 de maio de 2019 </ref>

O orbitador de telecomunicações de Marte cancelado foi planejado para estabelecer uma ligação[b] de Internet interplanetária entre a Terra e Marte, a fim de apoiar outras missões a Marte. Em vez de usar frequência de rádio (F.R.)[y], ela teria usado comunicações ópticas [en] usando feixes de laser para suas taxas de dados mais altas. "O Lasercom envia informações usando feixes de luz e elementos ópticos, como telescópios e amplificadores ópticos, em vez de sinais de frequência de rádio (F.R.)[y] amplificadores e antenas"[21]

O laboratório de propulsão a jato (L.P.J.)[j] da Administração aeronáutica e espacial nacional (A.A.E.N.)[k] testou o protocolo de rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l] com seu experimento Rede de impacto profundo (R.I.P.)[z] a bordo da espaçonave Impacto profundo/EPOXI em outubro de 2008.[22]

Em maio de 2009, a rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l] foi implantada em uma carga útil a bordo da Estação espacial internacional (E.E.I.)[aa][23] A Administração aeronáutica e espacial nacional (A.A.E.N.)[k] e a Bioserve space technologies, um grupo de pesquisa da universidade do Colorado, têm testado continuamente a rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l] em duas cargas úteis do Aparelho de bioprocessamento genérico comercial (A.B.G.C.)[ab]. O CGBA-4 e o CGBA-5 servem como plataformas computacionais e de comunicação que são remotamente controladas a partir do Centro de controle de operações de carga útil (C.C.O.G.)[ac] da BioServe em Boulder, Colorado.[24][25] Em outubro de 2012, a comandante da Estação espacial internacional (E.E.I.)[aa] Sunita Williams, operou remotamente o Protótipo de comunicações e operações Meteron (P.C.I.M.)[ad], um robô Lego Mindstorms "do tamanho de um gato" equipado com um computador BeagleBoard e webcam,[26] localizado no Centro de operações espaciais europeu na Alemanha em um experimento usando a rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l].[27] Esses experimentos iniciais fornecem uma visão sobre as missões futuras onde a rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l] permitirá a extensão de redes no espaço profundo para explorar outros planetas e pontos de interesse do sistema solar. Visto como necessário para a exploração espacial, a rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l] permite o retorno de dados de ativos operacionais em tempo hábil, o que resulta em redução de risco e custo, aumento da segurança da tripulação e maior consciência operacional e retorno científico para a Administração aeronáutica e espacial nacional (A.A.E.N.)[k] e agências espaciais adicionais.[28]

A rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l] tem várias arenas principais de aplicação, além da Internet interplanetária, que incluem redes de sensores, comunicações militares e táticas, recuperação de desastres, ambientes hostis, dispositivos móveis e postos avançados remotos.[29] Como um exemplo de posto avançado remoto, imagine uma aldeia ártica isolada, ou uma ilha distante, com eletricidade, um ou mais computadores, mas sem conectividade de comunicação. Com a adição de um ponto de acesso sem fio simples na vila, além de dispositivos habilitados para rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l] em, digamos, trenós puxados por cães ou barcos de pesca, um residente seria capaz de verificar seu correio eletrônico (e-mail) ou clicar em um artigo da Wikipédia e ter seus pedidos encaminhados para o local da rede mais próximo na próxima visita do trenó ou barco e obter as respostas em seu retorno.

Órbita terrestre

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A órbita da Terra está suficientemente próxima para que os protocolos convencionais possam ser usados. Por exemplo, a Estação espacial internacional está conectada à Internet terrestre regular desde 22 de janeiro de 2010, quando o primeiro tweet não assistido foi postado.[30] No entanto, a estação espacial também serve como uma plataforma útil para desenvolver, experimentar e implementar sistemas que constituem a Internet interplanetária. A administração nacional aeronáutica e espacial (A.A.E.N.)[k] e a Agência espacial europeia (A.E.E.)[ae] usaram uma versão experimental da Internet interplanetária para controlar um rover educacional, localizado no centro de operações espaciais europeu em Darmstadt, Alemanha, a partir da Estação espacial internacional (E.E.I.)[aa]. O experimento usou o Protocolo de rede tolerante a atrasos (R.T.A.)[l] para demonstrar a tecnologia que um dia poderia permitir comunicações semelhantes à Internet que podem suportar habitats ou infraestrutura em outro planeta.[31]

Ver também

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Notas

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  1. ↑ do inglês rover
  2. ↑ do inglês backbone
  3. ↑ do inglês downlink:uplink
  4. ↑ a b c d e f g do inglês C.C.S.D.S. – Consultative committee for space data systems
  5. ↑ a b do inglês F.T.P. – file transfer protocol
  6. ↑ a b do inglês S.C.P.S. – Space communication protocol specification
  7. ↑ do inglês D.M.C. – disaster monitoring constellation
  8. ↑ do inglês I.C.A.N.N. – Internet corporation for assigned names and numbers
  9. ↑ a b c d do inglês J.P.L. – jet propulsion laboratory
  10. ↑ a b c d e do inglês N.A.S.A. – National aeronautics and space administration
  11. ↑ a b c d e f g h i j k l m n do inglês D.T.N. – delay-tolerant networking
  12. ↑ do inglês O.S.I. – open systems interconnection
  13. ↑ a b c d do inglês B.P. – bundle protocol
  14. ↑ a b do inglês I.P. – Internet protocol
  15. ↑ a b c d do inglês C.F.D.P. – CCSDS file delivery protocol
  16. ↑ do inglês I.E.T.F. – Internet engineering task force
  17. ↑ do inglês K.P.L.O. – Korea pathfinder lunar orbiter
  18. ↑ do inglês M.S.I.T. – Ministry of science and ICT (com I.C.T. significando Information and communication technology)
  19. ↑ do inglês K.A.R.I. – Korea aerospace research institute
  20. ↑ do inglês E.T.R.I. – electronics and telecommunications research institute
  21. ↑ do inglês C.R.C. – cyclic redundancy check
  22. ↑ do inglês I.P.N. – interplanetary networking
  23. ↑ do inglês D.T.N.R.G. – delay-tolerant networking research group
  24. ↑ a b do inglês R.F. – radio frequency
  25. ↑ do inglês D.I.N.E.T. – deep impact networking
  26. ↑ a b c do inglês I.S.S. – .international space station
  27. ↑ do inglês C.G.B.A. – commercial generic bioprocessing apparatus
  28. ↑ do inglês POCC – payload operations control center
  29. ↑ do inglês M.o.c.u.p. – Meteron operations and communications prototype
  30. ↑ do inglês E.S.A. – European space agency

Referências

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  2. ↑ a b «Generation InterPlanetary Internet - SpaceRef - Your space reference» (em inglês). 28 de fevereiro de 2000. Consultado em 11 de abril de 2007. Cópia arquivada em 17 de janeiro de 2023 
  3. ↑ Krupiarz, C.; Birrane, Edward J.; Ballard, Benjamin W.; Benmohamed, L.; Mick, A.; Stambaugh, Katherine A.; Tunstel, E. (2011). «Enabling the interplanetary Internet» (PDF). Johns Hopkins APL technical digest (em inglês). 30 (2): 122–134. Consultado em 23 de outubro de 2021. Cópia arquivada (PDF) em 18 de julho de 2021 
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  7. ↑ Zhao, K.; Wang, R.; Burleigh, S. C.; Sabbagh, A.; Wu, W.; Sanctis, M. De (1 de outubro de 2016). «Performance of bundle protocol for deep-space communications». IEEE Transactions on aerospace and electronic systems (em inglês). 52 (5): 2347–2361. Bibcode:2016ITAES..52.2347Z. ISSN 1557-9603. doi:10.1109/TAES.2016.150462. Consultado em 1 de fevereiro de 2021. Cópia arquivada em 7 de dezembro de 2021 
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  28. ↑ «NASA: Delay tolerant networking (DTN) - Experiment/payload overview» (em inglês). 24 de setembro de 2010. Arquivado do original em 21 de julho de 2010 
  29. ↑ «Home - Delay-tolerant networking research group» (em inglês). Arquivado do original em 13 de junho de 2006 
  30. ↑ «Twitter post» (em inglês). 22 de janeiro de 2010. Consultado em 10 de março de 2013. Cópia arquivada em 11 de agosto de 2013 
  31. ↑ Kraft, Rachel (8 de novembro de 2012). «NASA, ESA use experimental interplanetary Internet to test robot from International space station». NASA, Release 12-391. Consultado em 29 de dezembro de 2012. Cópia arquivada em 15 de junho de 2022. O movimento interplanetário é fornecido na duração de tempo calculada pela velocidade do estilingue que é definida pelo movimento planetário levando em consideração o eixo de rotação do planeta em relação ao do sol 

Ligações externas

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