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惑星間インターネットは、宇宙に構想されたコンピュータネットワークであり、互いに通信できるネットワークノードのセットで構成されています。 [1] [2]これらのノードは、惑星の周回衛星と着陸船、および地球の地上局です。たとえば、周回衛星は火星のキュリオシティローバーから火星近傍通信リンクを介して科学データを収集し、火星周回衛星から地球の地上局への直接リンクを介してNASA深宇宙ネットワーク経由でデータを地球に送信し、最終的にデータは地球の内部インターネットを介して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ため、大きな遅延やエラーに耐えられる新しいプロトコルと技術が必要です。 [2]惑星間インターネットは、頻繁に切断されるインターネットのストアアンドフォワード ネットワークであり、エラーが発生しやすいリンクと、接続がある場合でも数十分から数時間に及ぶ遅延を伴う無線バックボーンを備えています。[4]
2024年現在、ネットワークの実現に向けて取り組んでいる機関や企業には、NASA、ESA、SpaceX、Blue Originなどがある。[5] [6]
課題と理由
惑星間インターネットのコア実装では、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を回っているため、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]
- 惑星間の移動と長距離: 惑星間の距離と惑星の移動により、惑星間通信は大幅に遅延します。遅延は変動し、長く、惑星間の相対的な位置に応じて、数分 (地球から火星) から数時間 (冥王星から地球) に及びます。惑星間通信は、太陽の合によっても中断されます。合のときは、太陽の放射により惑星間の直接通信が妨げられます。そのため、通信は損失の多いリンクと断続的なリンク接続を特徴とします。
- 搭載可能なペイロードが少ない：衛星は小さなペイロードしか搭載できないため、通信ハードウェアの設計において電力、質量、サイズ、コストの面で課題が生じます。この制限により、帯域幅が非対称になります。[9] この非対称性は、ダウンリンク：アップリンクの帯域幅の割合として最大1000：1の比率に達します。
- 固定インフラストラクチャの不在: 特定の惑星間通信に参加するノードのグラフは、絶え間ない動きにより、時間の経過とともに変化し続けます。惑星間通信のルートは、日和見的ではなく、計画され、スケジュールされます。
惑星間インターネットの設計では、正常に動作し、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ります。また、システム内で利用可能なわずかなリソースを効率的に使用する必要があります。
発達
宇宙通信技術は、高価でユニークなポイントツーポイントアーキテクチャから、連続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、世界の主要な宇宙機関で構成される組織である宇宙データシステム諮問委員会（CCSDS）[10]の努力によって1982年から続いています。CCSDSには11の加盟機関、32のオブザーバー機関、119を超える産業界の協力機関があります。[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んでおり、概念的な相互作用は実り多いものもあったが、大部分は独立した進化であった。1990年代後半以降、一般的なインターネットプロトコルとCCSDSの宇宙リンクプロトコルは、いくつかの方法で統合され、収束してきた。たとえば、 1996年1月2日に地球を周回するSTRV 1BへのFTPファイル転送が成功したが、これはCCSDSのIPv4に似た宇宙通信プロトコル仕様（SCPS）プロトコル上でFTPを実行した。[12] [13] CCSDSを使用しないインターネットプロトコルの使用は、宇宙船上で行われており、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が行われている。宇宙船上のネットワークとIPが実現可能で信頼できることが示された時代に達したため、より大きな視点での将来を見据えた研究が次の段階となった。[要出典]
NASAジェット推進研究所（JPL）での惑星間インターネット研究は、インターネットの先駆者であるヴィントン・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ました。[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の創設者およびディレクターの一人でした。[15]
IP のような SCPS プロトコルは、地上局から軌道衛星、ローバーから着陸機、着陸機から軌道衛星、探査機からフライバイなどの短いホップには適していますが、太陽系のある領域から別の領域に情報を取得するには、遅延耐性のあるネットワークが必要です。領域の概念は、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ります。 [引用が必要]
地域とは、通信の特性が同じであるエリアのことである。地域特性には、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る。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」である。[16]
そこで必要なのは、一般化されたプロトコル スイートを使用して、切断された可変遅延環境の複数の領域を介したエンドツーエンドの通信を実現する標準的な方法です。領域の例としては、地上インターネット領域、月や火星の表面領域、または地上から軌道までの領域などが挙げられます。[引用が必要]
この要件の認識により、一般化されたストア アンド フォワード問題に対処する高レベルの方法として「バンドル」の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で新しいプロトコル開発の領域であり、ストア アンド フォワード情報をバンドルして、まったく異なる環境を確実に横断し、「地域インターネットのネットワーク」を構成するという問題を解決することを目的としています。[引用が必要]
遅延耐性ネットワーク（DTN）は、長距離や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、これは地球上のインターネットの中心となるインターネット 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 は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 はエラーや切断（深宇宙通信でよく見られる不具合）を考慮して構築されていることです。[17]
遅延耐性ネットワーク用のバンドル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組み立て、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、エンドツーエンドのルーティングなど、さまざまなアプリケーションをサポートする汎用の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衛星で初めて宇宙でテストされました。 [18] [19]
宇宙ミッションで使用されたエンドツーエンドのアプリケーションの例として、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) があります。CFDP は、双方向の自動で信頼性の高いファイル転送の国際標準です。CFDP を、同じ頭字語を持つコヒーレント ファイル配布プロトコルと混同しないでください。コヒーレント ファイル配布プロトコルは、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。[引用が必要]
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にファイルを確実にコピーするだけでなく、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したり、ファイルの受信に成功したときにリモート 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 システム管理に関連するコマンドを確実に送信したりする機能を備えています。[引用が必要]
ダヌリ
韓国の月探査機「ダヌリ」は、「宇宙インターネット」の実験システムをテストするため、2022年11月7日に韓国科学技術情報通信部、韓国航空宇宙研究院（KARI）、電子通信研究院（ETRI）で、 BTSの「ダイナマイト」を含む多数の写真と複数の動画ファイルを宇宙から地球に送信することに成功した。[20] [21]
プロトコル
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標準は、深宇宙チャネルを介した宇宙船の計器データの送信に使用されるプロトコルを定義します。この標準では、宇宙船の計器から送信される画像やその他のデータは、1 つ以上のパケットを使用して送信されます。
CCSDS パケット定義
パケットは、パケット ヘッダーを含めて 7 ～ 65,542 バイトの範囲で連続するパケット間で長さが異なるデータ ブロックです。
- パケット化されたデータは、固定長のデータ ブロックであるフレームを介して送信されます。フレーム ヘッダーと制御情報を含むフレームのサイズは、最大 2048 バイトです。
- パケット サイズは開発段階で固定されます。
パケット長は可変ですが、フレーム長は固定されているため、通常、パケット境界はフレーム境界と一致しません。
通信処理ノート
フレーム内のデータは通常、エラー訂正コードによってチャネル エラーから保護されます。
- チャネル エラーがエラー訂正コードの訂正能力を超えた場合でも、エラーの存在はエラー訂正コードまたは別のエラー検出コードによってほぼ常に検出されます。
- 修正不可能なエラーが検出されたフレームはデコード不能としてマークされ、通常は削除されます。
データ損失の処理
削除されたデコード不可能なフレーム全体は、圧縮されたデータ セットに影響を与える主なデータ損失の種類です。一般に、デコード不可能としてマークされたフレームの圧縮データを使用することで得られるメリットはほとんどありません。
- フレームにエラーが存在する場合、サブバンド ピクセルのビットは、最初のビット エラーがそのまま残る前にすでにデコードされていますが、セグメント内の後続のデコードされたビットはすべて完全に破損しているのが通常です。1 つのビット エラーは、多くの場合、多数のビット エラーと同様に破壊的です。
- さらに、圧縮データは通常、強力な長いブロック長のエラー訂正コードによって保護されています。これは、デコードできないフレーム全体でビット エラーがかなりの割合で発生する可能性が最も高いタイプのコードです。
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、本質的に使用できなくなります。
このデータ損失は、次のメカニズムによって補うことができます。
- エラーのあるフレームが検出されない場合、デコンプレッサはフレーム データを信頼できるものとして盲目的に使用しますが、エラーのあるフレームが検出された場合、デコンプレッサは不完全ではあるが誤解を招かないデータに基づいて再構築を行うことができます。
- ただし、エラーのあるフレームが検出されないことは非常にまれです。
- CCSDSリード・ソロモン符号で符号化されたフレームの場合、エラーのあるフレームのうち検出されないのは 40,000 個中 1 個未満です。
- リード・ソロモン コードを使用しないすべてのフレームは、巡回冗長検査(CRC) エラー検出コードを使用します。このコードの未検出フレーム エラー率は 32,000 分の 1 未満です。
実装
インターネット協会の惑星間インターネット特別利益グループは、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。[22]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）を研究する主要なグループです。追加の研究努力は、新しい技術のさまざまな用途に焦点を当てています。[23]
キャンセルされた火星通信軌道船は、他の火星ミッションをサポートするために、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計画だった。RFを使用する代わりに、より高いデータレートの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。「レーザーコムは、RF信号、増幅器、アンテナではなく、光線と望遠鏡や光増幅器などの光学要素を使用して情報を送信します。」[24]
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ました。[25]
2009年5月、DTNはISSに搭載されたペイロードに展開されました。 [ 26] 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Commercial Generic Bioprocessing Apparatus（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Payload Operations Control Center（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。[27] [28] 2012年10月、ISSステーションの司令官であるSunita Williamsは、ドイツの欧州宇宙運用センターにある、 BeagleBoardコンピューターとウェブカメラを備えた「猫サイズ」のLego Mindstormsロボットである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。 [ 29 ]これらの初期実験は、DTNによってネットワークを深宇宙に拡張し、他の惑星や太陽系の重要な地点を探索する将来のミッションへの洞察を提供します。宇宙探査に必要と考えられているDTNは、運用資産からのデータ返却をタイムリーに可能にし、リスクとコストの削減、乗組員の安全性の向上、NASAやその他の宇宙機関の運用認識と科学的成果の向上につながります。[31]
DTN には、惑星間インターネットのほかにも、センサー ネットワーク、軍事および戦術通信、災害復旧、過酷な環境、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。[32]遠隔地の前哨基地の例として、電気があり、1 台以上のコンピューターがあるが、通信接続がない、孤立した北極の村や遠く離れた島を想像してください。村に簡単なワイヤレス 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、そりや船が次に訪れたときに、ネットワークに接続された最も近い場所にリクエストを転送してもらい、戻ったときに返信を受け取ることができます。
地球の軌道
地球の軌道は十分近いため、従来のプロトコルを使用することができます。たとえば、国際宇宙ステーションは、2010年1月22日に最初の自力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。[33]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、実装するための便利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バージョンを使用して、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配置された教育用ローバー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可能性のあるテクノロジーを実証しました。[34]
参照
参考文献
- ^ Jackson, Joab (2005年8月). 「The Interplanetary Internet」. IEEE Spectrum . doi :10.1109/MSPEC.2005.1491224. S2CID 45962718. 2023年1月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年2月2日閲覧。
- ^ ab Boucher, Marc (2000年2月28日). 「Generation InterPlanetary Internet」. SpaceRef . 2024年12月2日閲覧。
{{cite web}}: CS1 maint: url-status (link) - ^ Krupiarz, C.; Birrane, Edward J.; Ballard, Benjamin W.; Benmohamed, L.; Mick, A.; Stambaugh, Katherine A.; Tunstel, E. (2011). 「惑星間インターネットの実現」(PDF) . Johns Hopkins APL Technical Digest . 30 (2): 122–134. S2CID 46026742. 2021年8月18日時点のオリジナルより アーカイブ(PDF) . 2021年10月23日閲覧。
- ^ 「惑星間インターネット: 火星探査のための通信インフラストラクチャ」(PDF)。第53回国際宇宙会議。テキサス州ヒューストン: 世界宇宙会議。2002年10月19日。2011年7月24日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
- ^ ケビン・ホールデン・プラット。「SpaceX、ブルーオリジン、火星・地球間の惑星間インターネット拡大を目指して競争」フォーブス。 2024年5月15日閲覧。
- ^ 「火星リレーネットワーク：惑星間インターネット - NASAサイエンス」。science.nasa.gov 。 2024年5月15日閲覧。
- ^ Yang, G.; Wang, R.; Zhao, K.; Zhang, X.; Li, W.; He, X. (2018年12月1日). 「深宇宙通信におけるDTNプロトコルのキューイング分析」. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine . 33 (12): 40–48. doi :10.1109/MAES.2018.180069. ISSN 1557-959X. S2CID 67876545. 2021年12月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年2月1日閲覧。
- ^ Alhilal, A.; Braud, T.; Hui, P. (2019年8月14日). 「空はもはや限界ではない：惑星間インターネットの将来のアーキテクチャ」. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine . 34 (8): 22–32. doi :10.1109/MAES.2019.2927897. ISSN 1557-959X. S2CID 54217081. 2020年10月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年10月24日閲覧。
- ^ Zhao, K.; Wang, R.; Burleigh, SC; Sabbagh, A.; Wu, W.; Sanctis, M. De (2016年10月1日). 「深宇宙通信のためのバンドルプロトコルのパフォーマンス」. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems . 52 (5): 2347–2361. Bibcode :2016ITAES..52.2347Z. doi :10.1109/TAES.2016.150462. ISSN 1557-9603. S2CID 25304383. 2021年12月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年2月1日閲覧。
- ^ 「CCSDS.org - 宇宙データシステム諮問委員会 (CCSDS)」。2008年7月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2006年5月15日閲覧。
- ^ “CCSDSについて”。2021年2月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年2月20日閲覧。
- ^ Blott, Richard; Wells, Nigel (1996). 「宇宙技術研究用ロケット: STRV-1a、b、c、d」(PDF) 。AIAA 小型衛星会議。ユタ州ローガン。2008 年 8 月 27 日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。2009 年3 月 5 日閲覧。
- ^ 付録 F、CCSDS 710.0-G-0.3: 宇宙通信プロトコル仕様 (SCPS) - 根拠、要件、およびアプリケーション ノート、Wayback Machineに 2016 年 3 月 4 日にアーカイブ、ドラフト グリーン ブック、第 0.3 版。1997 年 4 月。
- ^ 「CCSDS.org — CCSDS Hall of Fame — Adrian Hooke」。2017年11月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年11月5日閲覧。
- ^ 「Adrian Hooke、CCSDS創設者および生涯リーダー」。宇宙データシステム諮問委員会。 2023年4月29日閲覧。
- ^ Scott Burleigh; et al., Interplanetary Internet (PDF) 、 2012年3月12日時点のオリジナル(PDF)よりアーカイブ
- ^ 「宇宙ステーションの宇宙飛行士が『惑星間インターネット』経由で地球上でロボットを運転」Space.com 2012年11月9日。2012年11月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年11月29日閲覧。
- ^ Wood, Lloyd; Ivancic, Will; Eddy, Wesley; Stewart, Dave; Northam, James; Jackson, Chris; Da, Alex; Da Silva Curiel, Alex (2008 年 9 月). 「宇宙からの遅延耐性ネットワーク バンドル プロトコルの使用」(PDF) .第 59 回国際宇宙会議. グラスゴー. 2021 年 6 月 24 日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2021 年6 月 18 日閲覧。
- ^ 「UK-DMC衛星、初めて「バンドル」プロトコルを使用して宇宙からセンサーデータを転送」。Surrey Satellite Technology Ltd 2008年9月11日。2016年3月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年3月4日閲覧。
- ^ “韓国捜査局「ダヌリ」がBTSグループのミュージックビデオを送付”. 2022年11月17日. 2022年12月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年12月18日閲覧。
- ^ 우주에서 보내온 BTS 다이너마이트 뮤직비디오ㅣ다누리 우주 인터넷 탑재체、2022 年 11 月 6 日、12 月のオリジナルからアーカイブ18, 2022 、2022 年12 月 18 日に取得
- ^ 「InterPlanetary Networking Special Interest Group (IPNSIG)」。2003年3月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2005年1月13日閲覧。
- ^ Burleigh, S.; Cerf, V.; Crowcroft, J.; Tsaoussidis, V. (2014). 「Space for Internet and Internet for Space」. Ad Hoc Networks . 23 : 80–86. doi :10.1016/j.adhoc.2014.06.005. 2019年5月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年5月8日閲覧。
- ^ Townes, Stephen A.; et al. 「火星レーザー通信デモンストレーション」(PDF) 。 2009年2月27日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2008年4月28日閲覧。
- ^ 「NASA、初の深宇宙インターネットのテストに成功」NASAプレスリリース08-298。2008年11月。2010年11月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年10月12日閲覧。
- ^ ヘインズ、レスター。「NASAが『惑星間インターネット』を立ち上げる」。The Register。2017年10月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年8月10日閲覧。
- ^ Jenkins, Andrew; Kuzminsky, Sebastian; Gifford, Kevin K.; Pitts, Robert L.; Nichols, Kelvin (2010)。「遅延/中断耐性ネットワーク: 国際宇宙ステーションからの飛行テスト結果」(PDF)。2010 IEEE 航空宇宙会議。pp. 1–8。doi : 10.1109 / AERO.2010.5446948。ISBN 978-1-4244-3887-7. S2CID 14605993. 2011年9月2日時点の オリジナル（PDF）からアーカイブ。2010年10月12日閲覧。
- ^ 「BioServe Space Technologiesの自動化グループ」コロラド大学ボルダー校。2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年10月12日閲覧。
- ^ マン、アダム（2012年11月12日）。「もうすぐそこに：宇宙探査の未来があなたが考えているものではない理由」。Wired。コンデナスト。2014年2月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年11月13日閲覧。
- ^ Anna, Leach (2012年11月9日). 「宇宙からの『バンドル』信号がドイツの小型車を制御: ISSの『naut』がバンドルネットテストでレゴモーターの車輪を握る」The Register . Situation Publishing. 2017年8月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年11月11日閲覧。
- ^ 「NASA: 遅延耐性ネットワーク (DTN) - 実験/ペイロード概要」。2010 年 9 月 24 日。2010 年 7 月 21 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「ホーム - Delay-Tolerant Networking Research Group」。2006年6月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ “Twitter post”. 2010年1月22日. 2013年11月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年3月10日閲覧。
- ^ クラフト、レイチェル（2012年11月8日）。「NASA、ESA、実験的惑星間インターネットを使用して国際宇宙ステーションからのロボットをテスト」NASA、リリース12-391。2022年6月15日時点のオリジナルからアーカイブ。 2012年11月29日閲覧。
惑星間運動は、太陽の自転軸に対する惑星の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た時間間隔で提供されます。
外部リンク
- 宇宙データシステム諮問委員会 (CCSDS)
- 惑星間ネットワーキング特別利益グループ (IPNSIG) インターネット協会 SIG (旧支部)
- 遅延耐性ネットワーク研究グループ (DTNRG)
- UK-DMC衛星による初の惑星間インターネットテスト
- YouTubeの NASA ビデオ: DINET-DTN w/Vint Cerf