NASA, 우주 통신 향상을 위해 지연 허용 네트워킹 배포

우주선에서 지구로 데이터를 보내고 받는 것은 주로 먼 거리로 인해 어려운 작업입니다. 수천, 수백만 마일에 걸쳐 통신할 때 지연과 데이터 손실이 흔히 발생합니다. 이러한 지연과 손실을 가능한 한 최소화하기 위해 NASA는 지연/중단 허용 네트워킹(Delay/Disruption Tolerant Networking, DTN)이라는 안정적인 태양계 인터넷 연결을 개발하고 있습니다.

NASA는 우주 임무를 지원하기 위해 우주 중계 위성과 분산 지상국을 포함하는 장거리 신호 송수신을 위해 3개의 통신 네트워크를 사용합니다.

• NEN(근거리 지구 네트워크)
• 우주 네트워크(SN)
• 딥 스페이스 네트워크(DSN)

DTN이 정확히 무엇인가요?

NASA의 이전 임무에서는 단일 릴레이 또는 지점 간 링크(예:전화 시스템)를 사용하여 저궤도 및 심우주 우주선과 통신했습니다. 그러나 미래 탐사 개념에는 (2개가 아닌) 여러 노드를 갖는 훨씬 더 복잡한 시스템이 포함됩니다. 이는 위성 및 기타 중간 노드를 통한 여러 홉을 포함하여 지구상의 인터넷 네트워크처럼 작동하여 SSI(Solar System Internet의 약자)의 기반을 구축합니다.

지구 인터넷과 마찬가지로 SSI는 광범위한 응용 프로그램이 종단 간 네트워크 서비스에서 작동하는 표준 플랫폼을 제공합니다. SSI는 기존 IP(인터넷 프로토콜)가 작동하지 않는 링크가 자주 중단되거나 조명 시간이 더 오래 중단되는 경우를 포함하여 거의 모든 경우에 DTN 프로토콜 제품군을 사용합니다.

DTN은 프로토콜 모음이라고도 불리는 데이터 전송을 위한 특정 규칙 집합으로, 극한 거리에 걸쳐 우주 환경에서 작동하도록 기존 인터넷의 기능을 확장합니다. 이러한 환경은 일반적으로 빈번한 중단, 높은 오류율, 긴 지연 및 단일 방향 링크의 영향을 받습니다.

DTN 프로토콜을 사용하는 태양계 인터넷:이미지 출처 – NASA

DTN은 어떻게 작동하나요?

DTN 프로토콜은 지구-인터넷 IP와 함께 작동하거나 독립적으로 작동할 수 있습니다. 자동 저장 및 전달 기술을 사용합니다. , 따라서 데이터 전달을 보장합니다. 현재 패킷 전달이 가능하지 않은 경우 시스템은 향후 전송을 위해 이를 저장합니다. 따라서 Disruption Tolerant Networking을 사용할 때는 다음 홉만 사용할 수 있어야 합니다.

기존 인터넷 제품군과 마찬가지로 DTN에는 네트워크 관리, 라우팅, 보안 및 서비스 품질 기능이 포함됩니다. 우주 애플리케이션용으로 설계되었지만 오류율이 높고 중단이 자주 발생하는 지상파 앱에도 유용할 수 있습니다.

위 이미지는 DTN을 사용하여 우주 서식지와 2개의 통신 릴레이를 통해 우주에서 지구로 데이터가 전송되는 것을 보여줍니다. 자산 간의 통신 링크가 항상 사용 가능한 것은 아닙니다.

현재 DTN 프로토콜은 NASA AES(Advanced Exploration Systems)에서 개발 중이며, IETF(Internet Engineering Task Force) 및 CCSDS(Committee for Space Data Systems)에서 DTN 표준화를 지원하고 있습니다. 이러한 모든 DTN 프로토콜은 개방형 국제 표준이 될 것입니다. ION(행성 간 오버레이 네트워크) 구현과 같은 몇 가지 DTN 구현이 이미 존재하며 공개적으로 사용 가능합니다.

출처:NASA 

장점

향상된 운영 및 상황 인식 – DTN은 지상국 핸드오버, 열악한 대기 조건 또는 중계 결과로 인해 통신 중단이 발생한 경우 이벤트에 대한 더 많은 통찰력을 제공합니다. DTN은 일반적으로 계획하는 데 최대 5일이 소요되는 정보 수신 또는 전송을 위해 지상국을 예약해야 하는 필요성을 크게 줄여줍니다.

스페이스 링크 효율성 및 견고성 – DTN은 효율적이고 보다 안정적인 데이터 전송을 제공하여 더 많은 사용 가능한 대역폭을 제공합니다. 다중 네트워크 경로와 전송 홉용 자산을 통해 링크 안정성이 향상됩니다.

보안 – DTN 프로토콜은 모든 링크에 대한 인증, 무결성 검사 및 암호화를 허용합니다.

상호 운용성 및 재사용 – DTN 프로토콜은 우주선(정부 또는 민간 우주 기관에서 운영)과 지상국의 상호 운용성을 가능하게 합니다. 또한 이를 통해 NASA는 지구 저궤도 임무든 심우주 임무든 향후 임무에 동일한 프로토콜을 사용할 수 있습니다.

서비스 품질 – DTN 프로토콜은 중요한 패킷이 덜 중요한 패킷보다 먼저 전송되도록 하기 위해 다양한 데이터 유형에 대해 여러 가지 우선순위 수준을 설정할 수 있도록 합니다.

읽기:안전에 중요한 프로그램 작성을 위한 NASA의 10가지 코딩 규칙

실험

첫 번째 DTN 실험은 2009년 7월 10일에 수행되었으며, 여기에는 계획된 TDRSS(추적 및 데이터 중계 위성 시스템) 핸드오버를 통해 특정 이미지 세트를 다운로드하는 작업이 포함되었습니다. 이 실험 동안 지상에서 우주로, 우주에서 지상으로의 연결이 몇 분 동안 중단되었습니다. 이번 DTN-on-ISS 네트워크 시연은 성공적이었습니다.

다음 테스트에서는 무인 작업을 위해 DTN을 사용했습니다. 테스트는 3일간 진행되었으며, 이 기간 동안 매시간 14개의 파일이 생성되었습니다. 기존 전송에서는 파일당 평균 3,504개의 중복 수신이 발생한 반면, DTN은 놀라울 정도로 뛰어난 성능을 발휘하여 파일당 0.06개의 중복 수신에 그쳤습니다.

ISS는 2016년 5월에 기관용 DTN 서비스를 구현하여 페이로드 과학 데이터 전송의 신뢰성을 향상하고 운영 오버헤드 및 계획을 줄였습니다.

2017년 11월 20일, 남극 국립과학재단의 맥머도 기지에서 찍은 셀카가 DTN 프로토콜 제품군을 사용하여 ISS로 전송되었습니다. 셀카에서 볼 수 있듯이 NASA 엔지니어인 Mark Sinkiat, Peter Fetterer 및 Salem El nimri는 기술 개발에 도움을 준 Vint Cerf의 사진을 들고 있었습니다.

스마트폰의 DTN 소프트웨어는 ISS로 여행하는 동안 셀카를 보냈습니다. 패킷은 TDRS(추적 및 데이터 중계 위성)를 통해 McMurdo 지상국에서 NASA의 White Sands Complex로 이동합니다. 그런 다음 DTN 노드 세트는 DTN 네트워크의 액세스 포인트인 앨라배마에 있는 마샬 우주 비행 센터로 패킷을 전달했습니다. 패킷은 TRek(Telescience Resource Kit) 데모 페이로드로 라우팅되는 또 다른 TDRS 링크를 통해 우주 정거장으로 전달되었습니다. 마지막 DTN 노드는 패킷에서 이미지 데이터를 추출하고, 페이로드는 원본 사진을 재조립하여 ISS에 표시했습니다.

읽기:NASA의 가장 큰 미래 임무 13가지

이것은 DTN에 대한 최근 실험입니다. 현재 AES DTN 연구팀은 SSI를 현실화하기 위해 SCaN(우주 통신 및 항법) 및 IPNSIG(행성 간 네트워킹 특별 관심 그룹)과 협력하고 있습니다.