NASA implanta rede tolerante a atrasos para aprimorar as comunicações espaciais

Enviar/receber dados na Terra a partir de qualquer nave espacial é uma tarefa difícil, principalmente devido às grandes distâncias envolvidas. Atrasos e perda de dados são comuns na comunicação através de milhares e milhões de quilômetros. Para minimizar esses atrasos e perdas, a NASA está trabalhando em uma conexão confiável à Internet para o sistema solar, chamada Rede Tolerante a Atrasos/Interrupções (DTN).

A NASA usa 3 redes de comunicação para transmitir e receber sinais através de grandes distâncias que contêm satélites retransmissores espaciais e estações terrestres distribuídas para apoiar missões espaciais.

• Rede Perto da Terra (NEN)
• Rede Espacial (SN)
• Rede do Espaço Profundo (DSN)

O que exatamente é DTN?

A missão anterior da NASA usava relé único ou links ponto a ponto (como o sistema telefônico) para se comunicar com a órbita baixa da Terra, bem como com naves espaciais profundas. No entanto, os futuros conceitos de exploração incluem sistemas muito mais complexos com múltiplos nós (em vez de apenas dois). Operará como redes de Internet na Terra, que incluem vários saltos via satélite e outros nós intermediários, construindo a base para o SSI (abreviação de Solar System Internet).

Tal como a Earth-internet, o SSI fornecerá uma plataforma padrão sobre a qual uma ampla gama de aplicações funcionará em serviços de rede ponta a ponta. O SSI usará o conjunto de protocolos DTN em quase todos os casos, incluindo aqueles com links frequentes ou interrupções de luz mais longas, onde os IPs (protocolos de Internet) tradicionais não funcionam.

DTN é o conjunto específico de regras para transmissão de dados, muitas vezes chamado de conjunto de protocolos, que amplia as capacidades da Internet convencional para funcionar em ambiente espacial através de distâncias extremas. Esses ambientes geralmente estão sujeitos a interrupções frequentes, altas taxas de erro, longos atrasos e links de direção única.

Internet do Sistema Solar usando Protocolo DTN:Fonte da Imagem – NASA

Como funciona a DTN?

Os protocolos DTN podem operar com os IPs da Internet da Terra ou funcionar de forma independente. Ele usa a técnica de armazenar e encaminhar automática , garante assim a entrega dos dados. Se o encaminhamento de pacotes não for possível no momento, o sistema o armazena para transmissão futura. Portanto, apenas o próximo salto precisa estar disponível ao usar a rede tolerante a interrupções.

Assim como o pacote convencional de Internet, o DTN envolve recursos de gerenciamento de rede, roteamento, segurança e qualidade de serviço. Embora tenha sido projetado para aplicações espaciais, também pode ser benéfico para aplicativos terrestres, onde altas taxas de erros e interrupções frequentes são comuns.



A imagem acima mostra os dados sendo transmitidos do espaço para a Terra via Habitat Espacial e 2 relés de comunicação, usando DTN. Os links de comunicação entre os ativos nem sempre estão disponíveis.

Atualmente, os protocolos DTN estão sendo desenvolvidos pela NASA AES (Advanced Exploration Systems) e apoiam a padronização DTN pela IETF (Internet Engineering Task Force) e CCSDS (Committee for Space Data Systems). Todos esses protocolos DTN serão padrões internacionais abertos. Algumas implementações de DTN já existem e estão disponíveis publicamente, como a implementação de ION (Interplanetary Overlay Network).

Fonte:NASA 

Vantagens

Operações aprimoradas e consciência situacional – O DTN oferece mais informações sobre eventos quando ocorrem interrupções de comunicação devido à transferência da estação terrestre, más condições atmosféricas ou como resultado de retransmissão. O DTN diminui significativamente a necessidade de programar a estação terrestre para receber ou enviar informações, o que normalmente leva até 5 dias de planejamento.

Eficiência e Robustez do Link Espacial – DTN fornece transmissão de dados eficiente e mais confiável, permitindo largura de banda mais utilizável. A confiabilidade do link é melhorada por múltiplos caminhos de rede e ativos para saltos de transmissão.

Segurança – Os protocolos DTN permitem autenticação, verificações de integridade e criptografia em todos os links.

Interoperabilidade e reutilização – Os protocolos DTN permitem a interoperabilidade de naves espaciais (operadas por qualquer agência espacial governamental ou privada) e estações terrestres. Além disso, permite que a NASA use os mesmos protocolos para missões futuras, seja uma missão em órbita baixa da Terra ou no espaço profundo.

Qualidade de serviço – O protocolo DTN permite definir vários níveis de prioridade para diferentes tipos de dados, a fim de garantir que o pacote importante seja enviado antes do menos importante.

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Experiências

O primeiro experimento DTN foi conduzido em 10 de julho de 2009, que envolveu o download de um determinado conjunto de imagens em uma transferência planejada de TDRSS (Tracking &Data Relay Satellite System). Durante este experimento, os links terra-espaço e espaço-solo foram interrompidos por alguns minutos. Esta demonstração da rede DTN-on-ISS foi bem-sucedida.

No teste seguinte, eles usaram DTN para operações autônomas. O teste foi realizado durante 3 dias, e nesse período foram gerados 14 arquivos a cada hora. A transmissão convencional resultou em 3.504 recepções redundantes por arquivo (em média), enquanto o DTN teve um desempenho surpreendentemente melhor e resultou em apenas 0,06 recepções redundantes por arquivo.

A ISS implementou um serviço DTN institucional em maio de 2016, que melhorou a fiabilidade da transmissão de dados científicos de carga útil e reduziu as despesas operacionais e o planeamento.



Em 20 de novembro de 2017, uma selfie tirada na Estação McMurdo da National Science Foundation, na Antártida, foi enviada para a ISS usando o conjunto de protocolos DTN. Como você pode ver na selfie, os engenheiros da NASA Mark Sinkiat, Peter Fetterer e Salem El Nimri seguraram uma foto de Vint Cerf, que ajudou a desenvolver a tecnologia.

O software DTN em um smartphone enviou a selfie em sua jornada até a ISS. Os pacotes viajam da estação terrestre McMurdo para o Complexo White Sands, da NASA, via TDRS (Tracking &Data Relay Satellite). Em seguida, um conjunto de nós DTN encaminhou os pacotes para o Marshall Space Flight Center no Alabama, que é o ponto de acesso da rede DTN. Os pacotes foram encaminhados para a estação espacial através de outro link TDRS, onde foram encaminhados para a carga de demonstração TRek (Telescience Resource Kit). O último nó DTN extraiu os dados da imagem dos pacotes e a carga remontou a foto original e a exibiu a bordo da ISS.

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Estas são algumas experiências recentes em DTN. Por enquanto, a equipe de pesquisa da AES DTN está trabalhando com o SCaN (Space Communications and Navigation) e o IPNSIG (InterPlanetary Networking Special Interest Group) para ajudar a tornar o SSI uma realidade.