星际互联网工作原理

引言

由于互联网的出现以及电子通信行业的其他进步，我们几乎可以和世界上任何地方的任何人进行通话。现在，科学家和太空探索家正努力寻求实现与外太空进行即时通信的方式。互联网下一阶段的发展将把我们带到太阳系内的遥远区域，为人类探索火星及更远行星的载人飞行任务，奠定通信系统的基础。

­ ­环绕火星运转的人造卫星可以通过星际互联网将信息送回地球。

如果想更多了解其他行星，我们就需要为将来的太空飞行任务建立一个更好的通信系统。现在，由于以下几方面原因，太空通信与地面通信相比，速度就像蜗牛一样慢：

• 距离——在地球上，我们之间的距离还不到一光秒，这就使得地球上的通信几乎可以通过互联网即时实现。然而在太空中，由于光在信息发射器和接收器之间需要穿行数百万公里而不是数千公里，因此信息会延迟几分钟甚至数小时才能到达目的地。
• 视距障碍——任何横亘在信号发射器和接收器之间的物体都会阻断通信。
• 重量——高能天线能提高外太空探测飞船的通信能力，但由于太空飞船的有效载荷必须够轻，且需有效使用，因此高能天线的重量并不适合航天器。

下个世纪来临之前，人类将有机会登上火星。届时我们将如何与这些相距遥远的旅行者保持通信？科学家、工程师和程序员已经着手建立一个星际互联网以帮助我们联系太空探测器和太空旅行者，并将更多的信息送回地球。如果你一直梦想遨游太空，本文将为您介绍星际互联网如何实现人人遨游太空的梦想（与互联网的方式一样，我们不需要离开电脑桌就可以漫游异国他乡），以及哪些技术可以为这样的太空通信系统提供助力。

星际互联网的构成

回顾一下1997年火星探路者飞船的探索飞行任务，您就会知道太空探索者需要一个星际互联网来进行外太空通信。在探路者飞船的太空飞行任务中，飞船以平均每秒300比特的速度将数据传回地球。而在大多数情况下，您的计算机的数据传送速度至少是它的200倍以上。火星和地球之间的互联网将有可能使数据传输速度达到每秒11,000比特。尽管这个速度比计算机的传输速度仍然要慢很多，但它已经足够将火星表面详细图片传回地球。火星网络的研究者们认为，传输速度最终将达到约每秒1兆字节（8,288,608 比特），可以让任何人进行虚拟火星旅行。

六颗这样的微型卫星可能会被送入火星低层轨道以增加从火星飞行任务传回的数据。

星际互联网就像一个经过改进的的超大型互联网。即将建立的星际互联网由三个基本部分组成：

• 美国国家航空航天局 (NASA) 的深空网络（DSN）。
• 由六颗人造卫星组成的围绕火星运转的卫星群。
• 用于传输数据的新型协议。

­ 将使用DSN的天线阵通过星际互联网发送和接收数据。

深空网络是NASA用来跟踪数据和控制星际航天器导航系统的国际天线网络。该网络旨在支持与航天器进行不间断无线电通信。不过，近期有些太空飞行任务已与深空网络失去联系，其中包括1999年的火星气候轨道探测船和火星极地登陆者飞行计划。深空网络由位于加利福尼亚、澳大利亚和西班牙的三处全球基地共同组成。每个基地都配备有一座直径为34米的高能天线、一座直径为34米的波束波导天线（加利福尼亚有三座）、一座直径为26米的天线、一座直径为70米的天线和一座直径为11米的天线。

在星际互联网中，深空网络将是从地球通往星际互联网的门户。为星际互联网研究提供赞助的MITRE公司发表了一篇论文，在论文中，研究人员建议深空网络的天线系统应该每天至少指向火星12小时，以保持地球和火星间的联系。围绕火星运转的人造卫星应该在这两颗行星之间提供全天候联接。火星飞行器、探测器或太空站将提供通往星际互联网的火星门户。

根据火星网络计划，深空网络将与由6颗微型人造卫星组成的卫星群，以及一个在火星低层轨道上运转的大型人造卫星Marsat通信。这6颗微型人造卫星负责为火星表面或附近的航天器提供通信中继服务，以便从火星飞行任务传送回更多数据。Marsat从所有这些小型人造卫星收集数据并传回地球。根据参与火星网络计划的人员所说，Marsat还可以让地球和遥远的航天器保持不间断联接，并能传送关于火星的高带宽数据和录像。美国国家航空航天局最早将于2003年发射一颗微型人造卫星，并在2009年完成围绕火星运行的6颗人造卫星群的部署。按计划，2007年将在比该卫星群运行位置稍高的轨道放置Marsat。上述这些日期尚未最终确定。

程序员们正在开发一种用来传输信息，并能够克服延时和中断问题的互联网文件传输协议。与在地球运作的互联网协议 (IP) 和传输控制协议 (TCP) 非常类似，此协议将作为整个星际互联网系统的主干。20世纪70年代由温顿·瑟夫博士合作开发的IP和TCP协议是现有互联网提供了信使服务，这两个协议将传输信息拆分打包成很小的数据单位，然后传送到指定目标。

瑟夫也是负责开发新协议的科学家团队的成员，以便实现行星和航天器间远距离可靠数据传输。这个新的太空协议必须确保即使部分数据包在传输过程中丢失，星际互联网仍能正常工作。同时它还必须能够滤除在数百万公里的远距离数据传输过程中产生的噪音。新太空协议的一种想法是数据包传输协议 (PTP)，该协议能够在每个行星的网关处储存和转发数据。该协议将处理送到网关的信息请求，并将它转发到最终目的地，网关随后检查和处理信息，并将信息按原路返回。

星级互联网面临的挑战

星际互联网能使数据在太空中更快传递，保证地球与数百万公里外的探测器和其他航天器正常通信。在我们通过网络进行虚拟火星之旅之前，工程师们需要解决如下挑战：

• 光速延时。
• 人造卫星维护。
• 潜在的黑客入侵危机。

在地球上，连接到互联网上的两台计算机相隔最多不过数千公里，因为光以 300,000公里每秒的速度传播，所以只需一转眼的功夫就能将数据包从一台计算机发送到另一台计算机。相比之下，地球与火星的两个基站之间，距离最远达到 4亿公里，最近的也有0.56亿公里。这样遥远的距离就需要几分钟或者数小时才能将无线电信号传输到接收站。星际互联网将无法再现我们通常使用的互联网实时送达的特点。储存转发的方式使得信息可以打包发送并克服因延时导致的数据丢失问题。

火星网络的人造卫星远在地球数千万公里之外。这意味着，一旦这些卫星出问题，将很难对其进行修复，因此这些人造卫星的组件需要比围绕地球运行的卫星的组件更为可靠。

黑客给星际互联网带来的威胁最大。对导航或通信系统的入侵和破坏，有可能对太空飞行任务造成严重灾难，甚至会在载人航天飞行任务中造成人员伤亡。开发人员正在采取所有预防措施，来设计一种能控制访问的系统。所选的协议必须能够防止黑客入侵，这一点在地球上有点像天方夜谭。研发人员或许能以用于金融交易的加密套接字层（SSL）协议作为模型，来维护星际互联网的安全。

星际互联网极有可能在十年内帮助我们与火星建立网络联接，并在此后几十年内将我们带入其他行星。在未来，我们不需进入太空，就能体验太空之旅。太空景象将出现在我们的桌面上。随着数据传输速度的提高，我们很快就能对火星群山、土星环和木星大红斑来一次虚拟太空旅行。