NASA despliega redes tolerantes a retrasos para mejorar comunicaciones espaciales

Enviar/recibir datos en la Tierra desde cualquier nave espacial es una tarea difícil, principalmente debido a las grandes distancias involucradas. Los retrasos y la pérdida de datos son comunes al comunicar a través de miles y millones de millas. Para minimizar estos retrasos y pérdidas, la NASA está trabajando en una conexión a internet fiable del sistema solar, llamada Red Tolerante a Retrasos/Interrupciones (DTN).

La NASA usa 3 redes de comunicación para transmitir y recibir señales a grandes distancias que contienen satélites de relevo espacial y estaciones terrestres distribuidas para apoyar misiones espaciales.

• Red de Cercanía a la Tierra (NEN)
• Red Espacial (SN)
• Red de Espacio Profundo (DSN)

¿Qué es exactamente DTN?

Las misiones previas de la NASA usaban un solo relevo o enlaces punto a punto (como el sistema telefónico) para comunicarse con naves espaciales en órbita baja terrestre y espacio profundo. Sin embargo, los conceptos de exploración futura incluyen sistemas mucho más complejos con múltiples nodos (en lugar de solo dos). Funcionará como redes de Internet en la Tierra, que incluyen varios saltos a través de satélites y otros nodos intermedios, construyendo la base para el SSI (Internet del Sistema Solar).

Al igual que Internet en la Tierra, el SSI proporcionará una plataforma estándar sobre la que una amplia gama de aplicaciones funcionarán en servicios de red de extremo a extremo. El SSI usará el conjunto de protocolos DTN en casi todos los casos, incluyendo aquellos con frecuentes interrupciones de enlace o largos tiempos de luz, donde los IPs (Protocolos de Internet) tradicionales no funcionan.

DTN es el conjunto específico de reglas para transmitir datos, a menudo llamado conjunto de protocolos, que extiende las capacidades del internet convencional para funcionar en entorno espacial a distancias extremas. Estos entornos suelen estar sujetos a frecuentes interrupciones, altas tasas de error, largos retrasos y enlaces unidireccionales.

Internet del Sistema Solar usando Protocolo DTN: Fuente de imagen – NASA

¿Cómo funciona DTN?

Los protocolos DTN pueden operar con los IPs de Internet terrestre o funcionar independientemente. Usa la técnica automática de almacenar y reenviar, garantizando así la entrega de datos. Si el reenvío de paquetes no es posible actualmente, el sistema lo almacena para transmisión futura. Por lo tanto, solo el siguiente salto necesita estar disponible al usar Redes Tolerantes a Interrupciones.

Al igual que el conjunto de internet convencional, DTN involucra gestión de red, enrutamiento, seguridad y características de calidad de servicio. Aunque está diseñado para aplicaciones espaciales, también podría ser beneficioso para aplicaciones terrestres donde las altas tasas de error y frecuentes interrupciones son comunes.

La imagen anterior muestra datos transmitidos del espacio a la Tierra a través de hábitat espacial y 2 relés de comunicación, usando DTN. Los enlaces de comunicación entre activos no siempre están disponibles.

Actualmente, los protocolos DTN están siendo desarrollados por la NASA AES (Sistemas de Exploración Avanzada), y apoyan la estandarización de DTN por el IETF (Internet Engineering Task Force) y CCSDS (Comité para Sistemas de Datos Espaciales). Todos estos protocolos DTN serán estándares internacionales abiertos. Algunas implementaciones de DTN ya existen y están disponibles públicamente, como la implementación ION (Interplanetary Overlay Network).

Fuente: NASA

Ventajas

Operaciones mejoradas y conciencia situacional – DTN ofrece más información sobre eventos cuando ocurren interrupciones de comunicación debido a traspaso de estación terrestre, malas condiciones atmosféricas o como resultado de relevo. DTN disminuye significativamente la necesidad de programar estaciones terrestres para recibir o enviar información, lo que típicamente lleva hasta 5 días de planificación.

Eficiencia y robustez del enlace espacial – DTN proporciona transmisión de datos eficiente y más fiable, permitiendo más ancho de banda usable. La fiabilidad del enlace mejora mediante múltiples rutas de red y activos para saltos de transmisión.

Seguridad – Los protocolos DTN permiten autenticación, comprobaciones de integridad y cifrado en todos los enlaces.

Interoperabilidad y reutilización – Los protocolos DTN permiten interoperabilidad de naves espaciales (operadas por cualquier agencia espacial gubernamental o privada) y estaciones terrestres. Además, permite a la NASA usar los mismos protocolos para próximas misiones, ya sea órbita baja terrestre o misión de espacio profundo.

Calidad de servicio – El protocolo DTN permite varios niveles de prioridad para diferentes tipos de datos, para asegurar que el paquete importante se envíe antes que el menos importante.

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Experimentos

El primer experimento DTN se realizó el 10 de julio de 2009, que involucró la descarga de un conjunto particular de imágenes sobre un traspaso planificado de TDRSS (Sistema de Satélite de Relevo de Seguimiento y Datos). Durante este experimento, los enlaces tierra-espacio y espacio-tierra se interrumpieron por unos minutos. Esta demostración de red DTN en ISS fue exitosa.

En la siguiente prueba, usaron DTN para operaciones desatendidas. La prueba se realizó durante 3 días, y durante este período se generaron 14 archivos cada hora. La transmisión convencional resultó en 3.504 recepciones redundantes por archivo (en promedio), mientras DTN funcionó asombrosamente mejor y resultó en solo 0,06 recepciones redundantes por archivo.

La ISS implementó un servicio institucional DTN en mayo de 2016, que mejoró la fiabilidad de la transmisión de datos científicos de carga útil y redujo la sobrecarga operativa y la planificación.

El 20 de noviembre de 2017, un selfie tomado en la Estación McMurdo de la Fundación Nacional de Ciencia, Antártida, fue enviado a la ISS usando el conjunto de protocolos DTN. Como se ve en el selfie, los ingenieros de la NASA Mark Sinkiat, Peter Fetterer y Salem El nimri sostenían una foto de Vint Cerf, quien ayudó a desarrollar la tecnología.

El software DTN en un smartphone envió el selfie en su viaje a la ISS. Los paquetes viajan desde la estación terrestre McMurdo al Complejo White Sands, NASA vía TDRS (Satélite de Relevo de Seguimiento y Datos). Luego, un conjunto de nodos DTN reenvió los paquetes al Centro de Vuelo Espacial Marshall en Alabama, que es el punto de acceso de la red DTN. Los paquetes fueron reenviados a la estación espacial vía otro enlace TDRS donde fueron enrutados a la carga útil de demostración TRek (Telescience Resource Kit). El último nodo DTN extrajo los datos de imagen de los paquetes, y la carga útil reensambló la foto original y la mostró a bordo de la ISS.

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Estos son algunos experimentos recientes en DTN. Por ahora, el equipo de investigación AES DTN está trabajando con SCaN (Comunicaciones Espaciales y Navegación) e IPNSIG (Grupo de Interés Especial de Redes Interplanetarias) para ayudar a hacer realidad el SSI.