NASA, 지연 허용 네트워킹(DTN) 도입으로 우주 통신 강화

우주선에서 지구로 데이터를 송수신하는 것은 어려운 작업입니다. 주로 관련된 거리가 매우 멀기 때문입니다. 수천, 수백만 마일 통신 시 지연과 데이터 손실이 흔합니다. 이러한 지연과 손실을 최소화하기 위해 NASA는 신뢰할 수 있는 태양계 인터넷 연결인 지연/교란 허용 네트워킹(DTN)을 개발 중입니다.

NASA는 우주 중계 위성과 분산 지상국을 포함해 먼 거리 신호 송수신을 위한 3개 통신 네트워크를 사용합니다.

• 지구 근접 네트워크(NEN)
• 우주 네트워크(SN)
• 심우주 네트워크(DSN)

DTN이란 정확히 무엇인가?

이전 NASA 임무는 단일 중계 또는 지점 간 링크(전화 시스템처럼)를 사용해 저궤도 및 심우주 우주선과 통신했습니다. 그러나 미래 탐사 개념은 단지 두 개가 아닌 여러 노드를 포함하는 훨씬 더 복잡한 시스템을 포함합니다. 이는 지구의 인터넷 네트워크처럼 위성 및 기타 중간 노드를 통한 여러 홉으로 작동하며, SSI(태양계 인터넷)의 기초를 구축합니다.

지구 인터넷처럼 SSI는 다양한 애플리케이션이 엔드투엔드 네트워크 서비스에서 작동할 수 있는 표준 플랫폼을 제공합니다. SSI는 빈번한 링크 중단이나 긴 빛 지연이 있는 경우를 포함해 거의 모든 경우에 DTN 프로토콜 제품군을 사용하며, 기존 IP(인터넷 프로토콜)는 작동하지 않습니다.

DTN은 데이터를 전송하기 위한 특정 규칙 집합으로, 종종 프로토콜 제품군이라 불리며, 극한 거리에서 우주 환경에서 작동하도록 기존 인터넷의 기능을 확장합니다. 이러한 환경은 빈번한 중단, 높은 오류율, 긴 지연, 단방향 링크가 일반적입니다.

DTN 프로토콜을 사용하는 태양계 인터넷: 이미지 출처 – NASA

DTN 작동 원리

DTN 프로토콜은 지구 인터넷 IP와 함께 작동하거나 독립적으로 작동할 수 있습니다. 자동 저장 후 전달(store-and-forward) 기술을 사용해 데이터 전달을 보장합니다. 패킷 전달이 현재 불가능하면 시스템은 향후 전송을 위해 저장합니다. 따라서 교란 허용 네트워킹을 사용할 때는 다음 홉만 사용 가능하면 됩니다.

기존 인터넷 제품군처럼 DTN에는 네트워크 관리, 라우팅, 보안, 서비스 품질 기능이 포함됩니다. 우주 응용을 위해 설계되었지만, 높은 오류율과 빈번한 중단이 흔한 지상 앱에도 유용할 수 있습니다.

위 이미지는 우주 서식지와 2개 통신 중계기를 거쳐 우주에서 지구로 데이터가 DTN을 사용해 전송되는 모습을 보여줍니다. 자산 간 통신 링크는 항상 사용 가능한 것은 아닙니다.

현재 DTN 프로토콜은 NASA AES(고급 탐사 시스템)에서 개발 중이며, IETF(인터넷 공학 태스크 포스)와 CCSDS(우주 데이터 시스템 위원회)의 DTN 표준화를 지원합니다. 모든 DTN 프로토콜은 개방형 국제 표준이 될 것입니다. 몇 가지 DTN 구현이 이미 존재하며 공개되어 있습니다. 예를 들어 ION(행성 간 오버레이 네트워크) 구현이 있습니다.

출처: NASA

장점

운영 및 상황 인식 향상 – 지상국 인계, 열악한 대기 조건, 중계 결과로 통신 두절 시 이벤트에 대한 더 많은 통찰력을 제공합니다. DTN은 정보를 송수신하기 위한 지상국 스케줄링 필요성을 크게 줄여주며, 이는 일반적으로 최대 5일 계획이 필요합니다.

우주 링크 효율성 및 견고성 – DTN은 효율적이고 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 제공해 더 많은 가용 대역폭을 가능하게 합니다. 다중 네트워크 경로와 전송 홉용 자산으로 링크 신뢰성이 향상됩니다.

보안 – DTN 프로토콜은 모든 링크에서 인증, 무결성 검사, 암호화를 허용합니다.

상호운용성 및 재사용 – DTN 프로토콜은 우주선(모든 정부 또는 민간 우주 기관 운영)과 지상국 간 상호운용성을 가능하게 합니다. 또한 NASA가 저궤도 또는 심우주 임무 여부에 관계없이 향후 임무에 동일한 프로토콜을 사용할 수 있게 합니다.

서비스 품질 – DTN 프로토콜은 다양한 데이터 유형에 여러 우선순위 수준을 설정해 중요한 패킷이 덜 중요한 것보다 먼저 전송되도록 합니다.

참고 읽기: NASA의 안전 크리티컬 프로그램을 위한 10가지 코딩 규칙

실험

첫 DTN 실험은 2009년 7월 10일 수행되었으며, 계획된 TDRSS(추적 및 데이터 중계 위성 시스템) 인계 중 특정 이미지 세트 다운로드가 포함되었습니다. 이 실험 동안 지상-우주 및 우주-지상 링크가 몇 분간 중단되었습니다. ISS에서의 DTN 네트워크 시연은 성공적이었습니다.

다음 테스트에서는 무인 작업을 위해 DTN을 사용했습니다. 테스트는 3일간 진행되었으며, 이 기간 동안 시간당 14개 파일이 생성되었습니다. 기존 전송은 파일당 평균 3,504회 중복 수신을 초래한 반면, DTN은 놀랍게도 파일당 0.06회 중복 수신만 발생시켰습니다.

ISS는 2016년 5월 기관 DTN 서비스를 구현해 탑재체 과학 데이터 전송 신뢰성을 높이고 운영 오버헤드와 계획을 줄였습니다.

2017년 11월 20일, 남극 국립과학재단 맥머도 기지에서 찍은 셀카가 DTN 프로토콜 제품군을 사용해 ISS로 전송되었습니다. 셀카에서 NASA 엔지니어 마크 싱키아트(Mark Sinkiat), 피터 페터러(Peter Fetterer), 살렘 엘 님리(Salem El nimri)가 빈트 서프(Vint Cerf) 사진을 들고 있습니다. 그는 이 기술 개발에 기여했습니다.

스마트폰의 DTN 소프트웨어가 셀카를 ISS로 보냈습니다. 패킷은 맥머도 기지국에서 화이트 샌즈 컴플렉스, NASA로 TDRS(추적 및 데이터 중계 위성)를 통해 이동했습니다. 그런 다음 DTN 노드 세트가 패킷을 앨라배마주 마셜 우주 비행 센터로 전달했는데, 이곳이 DTN 네트워크의 액세스 포인트입니다. 패킷은 또 다른 TDRS 링크를 통해 우주 정거장으로 전달되어 TRek(원격과학 자원 키트) 시연 탑재체로 라우팅되었습니다. 마지막 DTN 노드가 패킷에서 이미지 데이터를 추출하고, 탑재체가 원본 사진을 재조립해 ISS 선내에 표시했습니다.

참고 읽기: NASA의 미래 최대 임무 13가지

이는 최근 DTN 실험 일부입니다. 현재 AES DTN 연구팀은 SCaN(우주 통신 및 항법)과 IPNSIG(행성 간 네트워킹 특별 관심 그룹)와 협력해 SSI를 현실화하고 있습니다.