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惑星間インターネットは、宇宙空間に構築されたコンピュータネットワークであり、相互に通信可能なネットワークノードの集合から構成されています。 [ 1 ] [ 2 ]これらのノードは、惑星の周回機や着陸機、そして地球の地上局です。例えば、周回機は火星近傍の通信リンクを介して火星のキュリオシティ探査車から科学データを収集し、 NASAディープスペースネットワークを介して火星周回機から地球の地上局への直接リンクを介してデータを地球に送信し、最終的に地球の内部インターネットを経由してデータがルーティングされます。[ 3 ]
惑星間通信は惑星間の距離によって大きく遅延する。データ伝送速度は光速までしか出せないため、大きな遅延やエラーに耐性のある新しいプロトコルと技術が必要となる。 [ 2 ]惑星間インターネットは、接続が切断されることが多く、エラーが発生しやすいリンクが多数存在する無線バックボーンを持ち、接続があっても数十分から数時間にも及ぶ遅延が発生する、ストアアンドフォワード型のインターネットネットワークとして構想されている。[ 4 ]
2024年現在、このネットワークの実現に向けて活動している機関や企業には、NASA、ESA、SpaceX、Blue Originなどがある。[ 5 ] [ 6 ]
惑星間インターネットの中核的な実装では、惑星を周回する衛星が他の惑星の衛星と通信します。同時に、これらの惑星は太陽の周りを長距離で公転しているため、通信には多くの課題があります。その理由と結果として生じる課題は次のとおりです。[ 7 ] [ 8 ]
惑星間インターネットの設計は、正常に機能し、他の惑星との良好な通信を実現するために、これらの課題に対処する必要がある。また、システム内で利用可能な限られたリソースを効率的に活用する必要もある。
宇宙通信技術は、高価で一点もののポイントツーポイントアーキテクチャから、連続するミッションでの技術の再利用、そして多くの国の宇宙機関が合意した標準プロトコルの開発へと着実に進化してきました。この最後の段階は、世界の主要宇宙機関で構成される宇宙データシステム諮問委員会（CCSDS）[ 10 ]の努力により、1982年以来続いています。CCSDSには11の加盟機関、32のオブザーバー機関、そして119を超える産業界の協力者がいます。[ 11 ]
宇宙データシステム標準の進化は、インターネットの進化と並行して進み、実りある概念の相互交流はあったものの、大部分は独立した進化として進んできました。1990年代後半以降、馴染みのあるインターネットプロトコルとCCSDS宇宙リンクプロトコルは、いくつかの方法で統合および収束してきました。たとえば、 1996年1月2日に地球周回軌道上のSTRV 1BへのFTPファイル転送が成功し、CCSDS IPv4ライクな宇宙通信プロトコル仕様（SCPS）プロトコル上でFTPを実行しました。[ 12 ] [ 13 ] CCSDSなしのインターネットプロトコルの使用は、宇宙船で行われており、たとえばUoSAT-12衛星でのデモンストレーションや、災害監視コンステレーションでの運用などがあります。宇宙船上でのネットワークとIPが実現可能で信頼できることが実証された時代に達したため、より大きな全体像を将来を見据えた研究が次の段階となりました。
NASAのジェット推進研究所（JPL）における惑星間インターネット研究は、インターネットのパイオニアであるヴィントン・サーフと故エイドリアン・フックが率いるJPLの科学者チームによって開始された。[ 14 ]サーフは1998年にJPLの著名な客員科学者に任命され、フックはCCSDSの創設者兼ディレクターの一人であった。[ 15 ]
地上局から軌道衛星、探査車から着陸機、着陸機から軌道衛星、探査機からフライバイなど、短距離通信であればIPライクなSCPSプロトコルで十分だが、太陽系のある領域から別の領域へ情報を伝達するには、遅延耐性のあるネットワークが必要となる。領域という概念は、惑星間インターネットの自然なアーキテクチャ要素であることが明らかになる。
地域とは、通信特性が同じ領域のことです。地域の特性には、通信、セキュリティ、リソースの維持、所有権、その他の要素が含まれます。惑星間インターネットは「地域インターネットのネットワーク」です。[ 16 ]
そこで必要となるのは、汎用的なプロトコル群を用いて、分断された可変遅延環境において、複数の領域を介したエンドツーエンド通信を実現するための標準的な方法である。領域の例としては、地上インターネット、月面や火星の表面、あるいは地上から軌道上への通信領域などが挙げられる。
この要件が認識されたことで、一般的なストアアンドフォワード問題に対処するための高レベルな方法として「バンドル」という概念が生まれました。バンドルは、OSIモデルの上位層、トランスポート層より上の層における新しいプロトコル開発の分野であり、ストアアンドフォワード情報をバンドル化することで、「地域インターネットのネットワーク」を構成する根本的に異なる環境を確実に通過できるようにすることを目的としています。
遅延耐性ネットワーク(DTN) は、長距離および時間遅延を介した標準化された通信を可能にするために設計されました。その中核となるのはバンドル プロトコル (BP) であり、これは地球上のインターネットの中核を成すインターネット プロトコル (IP) に似ています。通常のインターネット プロトコル (IP) とバンドル プロトコルの大きな違いは、IP がシームレスなエンドツーエンドのデータ パスを前提としているのに対し、BP は、深宇宙通信でよく発生するエラーや切断などの不具合を考慮するように構築されている点です。[ 17 ]
遅延耐性ネットワーク用のバンドリングプロトコルスイートとして実装されたバンドルサービスレイヤリングは、保管転送、セグメンテーションと再構成、エンドツーエンドの信頼性、エンドツーエンドのセキュリティ、およびそれらの間のエンドツーエンドルーティングなど、さまざまなアプリケーションをサポートする汎用遅延耐性プロトコルサービスを提供します。バンドルプロトコルは、2008年にUK-DMC衛星で宇宙空間で初めてテストされました。 [ 18 ] [ 19 ]
宇宙ミッションで使用されたエンドツーエンドアプリケーションの一例として、ディープインパクト彗星ミッションで使用されたCCSDSファイル配信プロトコル（CFDP）が挙げられます。CFDPは、双方向の自動的かつ信頼性の高いファイル転送のための国際標準規格です。CFDPは、同じ略称を持つCoherent File Distribution Protocol （CFDP）と混同しないように注意が必要です。Coherent File Distribution Protocolは、高度にネットワーク化された環境で複数のターゲットにファイルを迅速に展開するためのIETF文書化された実験的プロトコルです。
CFDPは、あるエンティティ（宇宙船や地上局など）から別のエンティティへファイルを確実にコピーする機能に加え、ファイルに付随するメタデータでユーザーが定義した任意の小さなメッセージを確実に送信する機能、およびファイルの受信が成功した際にリモートエンドポイントエンティティ（宇宙船など）で自動的に実行されるファイルシステム管理関連のコマンドを確実に送信する機能を備えています。
宇宙データシステム諮問委員会（CCSDS）のパケットテレメトリ規格は、深宇宙チャネルを介して宇宙機の機器データを送信するために使用されるプロトコルを定義しています。この規格では、宇宙機の機器から送信される画像やその他のデータは、1つまたは複数のパケットを使用して送信されます。
パケットとは、パケットヘッダーを含めて、連続するパケットごとに長さが異なり、7バイトから65,542バイトの範囲で変化するデータのブロックのことです。
パケット長は可変であるのに対し、フレーム長は固定されているため、パケット境界は通常、フレーム境界と一致しない。
フレーム内のデータは通常、誤り訂正符号によってチャネルエラーから保護されている。
削除されたデコード不能なフレーム全体が、圧縮データセットに影響を与える主なデータ損失の種類です。一般的に、デコード不能とマークされたフレームから圧縮データを使用しようとしても、得られるメリットはほとんどありません。
したがって、エラーが検出されたフレームは、フレームプロセッサによって削除されなかったとしても、実質的に使用できないことになる。
このデータ損失は、以下のメカニズムによって補償することができます。
インターネットソサエティのインタープラネットインターネット特別利益団体は、IPNを可能にするプロトコルと標準の定義に取り組んできました。[ 20 ]遅延耐性ネットワーク研究グループ（DTNRG）は、遅延耐性ネットワーク（DTN）を研究している主要なグループです。追加の研究努力は、この新しいテクノロジーのさまざまな用途に焦点を当てています。[ 21 ]
中止された火星通信オービターは、他の火星探査ミッションを支援するために、地球と火星の間に惑星間インターネットリンクを確立することを目的として計画されていた。RFではなく、より高いデータレートを実現するためにレーザービームを使用した光通信を使用する予定だった。「レーザー通信は、RF信号、増幅器、アンテナではなく、望遠鏡や光増幅器などの光線と光学素子を使用して情報を送信する」[ 22 ]
NASA JPLは、2008年10月にディープインパクト/ EPOXI宇宙船に搭載されたディープインパクトネットワーキング（DINET）実験でDTNプロトコルをテストした。[ 23 ]
2009 年 5 月、DTN はISSのペイロードに展開されました。[ 24 ] NASA とコロラド大学の研究グループである BioServe Space Technologies は、2 つの商用汎用バイオプロセス装置 (CGBA) ペイロードで DTN を継続的にテストしています。CGBA-4 と CGBA-5 は、コロラド州ボルダーにある BioServe のペイロード運用管制センター (POCC) から遠隔制御される計算および通信プラットフォームとして機能します。[ 25 ] [ 26 ] 2012 年 10 月、ISS ステーション司令官のSunita Williams は、ドイツの欧州宇宙運用センターにある、 BeagleBoardコンピュータとウェブカメラを搭載した「猫サイズ」のLego Mindstormsロボット Mocup (Meteron Operations and Communications Prototype) を遠隔操作し、 DTN を使用した実験を行いました。[ 27 ] [ 28 ]これらの初期実験は、DTNがネットワークを深宇宙に拡張して他の惑星や太陽系の興味深い地点を探査することを可能にする将来のミッションについての洞察を提供する。宇宙探査に必要不可欠と見なされているDTNは、運用資産からのデータ返送の迅速化を可能にし、リスクとコストの削減、乗組員の安全性の向上、NASAや他の宇宙機関の運用状況認識と科学的成果の向上につながる。[ 29 ]
DTNには、惑星間インターネットに加えて、センサーネットワーク、軍事および戦術通信、災害復旧、敵対的な環境、モバイルデバイス、遠隔地の前哨基地など、いくつかの主要な応用分野があります。[ 30 ]遠隔地の前哨基地の例として、電気と1台以上のコンピュータはあるものの通信接続のない、孤立した北極の村や遠く離れた島を想像してみてください。村にシンプルな無線ホットスポットを追加し、犬ぞりや漁船などにDTN対応デバイスを搭載すれば、住民は電子メールをチェックしたり、Wikipediaの記事をクリックしたりすることができ、そのリクエストは犬ぞりや船が次に訪れた際に最寄りのネットワーク接続された場所に転送され、帰還時に返信を受け取ることができます。
地球軌道は十分に近いため、従来のプロトコルを使用できます。たとえば、国際宇宙ステーションは、 2010 年 1 月 22 日に最初の自発的なツイートが投稿されて以来、通常の地上インターネットに接続されています。[ 31 ]しかし、宇宙ステーションは、惑星間インターネットを構成するシステムを開発、実験、実装するための有用なプラットフォームとしても機能します。NASA と欧州宇宙機関(ESA) は、惑星間インターネットの実験版を使用して、ドイツのダルムシュタットにある欧州宇宙運用センターに設置された教育用探査車を国際宇宙ステーションから制御しました。この実験では、DTN プロトコルを使用して、将来、別の惑星の居住地やインフラストラクチャをサポートできるインターネットのような通信を可能にする技術を実証しました。[ 32 ]
惑星間運動は、惑星の太陽に対する自転軸を考慮した惑星運動によって定義されるスリング速度によって計算される時間間隔で提供される。