Eng

Межпланетный интернет. Как гуглить на Марсе

Добрый день, дорогие читатели блога #КосмосИзДома! С вами ведущий экскурсовод Александр Яровитчук. Если вы видите эти строки, то знаете, что такое интернет, и пользуетесь им. Также я догадываюсь, что вы сейчас находитесь на Земле или не более чем в 40 000 км от поверхности планеты.

Интернет уже добрался до космонавтов на МКС, но пока он не проведен к другим планетам. И хотя на Марсе и Луне некому пользоваться браузером, уже сейчас ученые, инженеры и программисты задумываются о том, как связать объекты в Солнечной системе виртуальной сетью. Об идеях, как можно реализовать межпланетный интернет, далее и пойдет речь.

Главная проблема интернета в космосе – расстояние. Только до Луны около 390 тыс. км, а до Марса в лучшем случае 79 млн км. С помощью каких технологий можно передать сигнал на такое расстояние, какой должен быть маршрут, как уменьшить задержку сигнала и не потерять данные в процессе? На эти вопросы попробуем дать ответ.

С технологией разобраться проще всего. Конечно, сетевой кабель или оптоволокно проложить между планетами не получится, но есть технологии передачи информации с помощью электромагнитных волн. Чем короче волна (свет, ультрафиолет и т.д.), тем больше информации можно передать, но такие волны сильно рассеиваются в атмосфере, и нужно много энергии, чтобы их создать. Сейчас исследуются возможности использовать лазеры для направленной передачи. Такая технология называется FSO (free-space optics), но пока она не находит широкого применения.

Проект российского марсохода с системой оптической связи FSO

Для нее требуется так называемая остронаправленная антенна. Длинные радиоволны лучше подходят для передачи на большие расстояния, но скорость интернета будет крайне низкой. Оптимальный вариант — радиоволны ультравысокой (300—3000 МГц) или сверхвысокой (3—30 ГГц) частоты.

Система связи УКВ «Заря» для космических кораблей (от 30 МГц до 3000 ГГц)

Есть еще технология квантовой запутанности, но о ней чуть позже.

Теперь поговорим о маршруте. Земля и Марс вращаются вокруг своей оси и обращаются вокруг Солнца. Напрямую можно передавать данные только в определенные промежутки времени. С вращением вокруг оси разобраться просто. Есть даже два способа. Первый — это расположить пункты приема передачи по всей планете. Тогда, как бы Земля ни была повернута к Марсу, найдется пункт для приема. Проблема только в точках приема в океане, но и она решаема при помощи специальных судов.

Макет научно-исследовательского судна (НИС) «Космонавт Владимир Комаров», созданного для связи с космическими аппаратами

Второй способ – использовать геостационарные спутники. Такие на Земле применяются для осуществления непрерывного телерадиовещания. Геостационарная орбита хороша тем, что спутник, будучи на ней, обращается вокруг планеты с той же скоростью, что и планета вокруг оси. Относительно пункта на Земле космический аппарат будто зависает на одном месте. При этом орбита очень высокая: для Земли – 36 тыс. км. Сама планета не будет сильно мешать получению и отправке данных. Достаточно трех спутников, чтобы покрыть все направления.

Макет геостационарного спутника-ретранслятора «Луч-5А». Благодаря ему на российском сегменте МКС есть интернет

Так как Марс тоже вращается, вокруг него также нужно запустить три спутника. Для Марса геостационарная орбита (ареостационарная) будет на высоте 17 тыс. км.

С обращением вокруг Солнца чуть сложнее справиться. Светило сильно мешает, когда Марс и Земля находятся в противоположных от него точках.

Оррери павильона «Космос». Положения Марса и Земли не самые удачные для связи.

Есть возможность справиться и с этим – использовать так называемые точки Лагранжа L4 и L5. Орбита космического аппарата, который будет находиться в данной точке, точно такая же, что и у Земли, но только с опережением и отставанием на угол в 45 градусов относительно Солнца. Если запустить туда ретрансляторы, то при любом расположении планет они смогут передавать сигнал. В итоге для обеспечения непрерывного интернета нам потребуется как минимум 8 аппаратов: 3 геостационарных + 3 ареостационарных + 2 в точках Лагранжа.

Последняя рассматриваемая в этом блоге проблема — пинг, или задержка сигнала. Скорость света ограничена. Поэтому есть время между отправкой информации и ее получением. В лучшем случае, если Марс и Земля будут близко друг к другу (в противостоянии), то задержка составит 3 минуты, в худшем (в соединении) — более 20 минут.

И с этим справиться современными техническими методами не удастся. Но главное, что ситуация куда хуже. Современные алгоритмы, или протоколы, интернета предусматривают не один сеанс передачи, а несколько.

Чтобы загрузить самый простенький сайт, сначала отправляется запрос к службе DNS, чтобы получить IP-адрес для соединения. Потом отправляется запрос всем машинам на маршруте сети, могут ли они получать данные. После получения утвердительного ответа, отправляется запрос на получение информации, и только потом начинается передача. Затем компьютер начнет работу с полученным документом сайта со ссылками на все таблицы, программы, файлики, картиночки и т.п. и отправит запросы на их получение. Полученные листы стилей и скрипты могут ссылаться на дополнительные изображения на других серверах, и для их загрузки нужно будет проделать то же самое. Если возникнут какие-нибудь перебои на маршруте или пакет информации придет с ошибкой, все начинается заново.

Если компьютер на Марсе, а сервер с сайтом на Земле, то общее время загрузки одной странички по существующей на сегодня схеме может достичь полутора-двух часов.

Для улучшения ситуации был разработан особый протокол Delay-tolerant networking (DTN, или сети, толерантные к задержкам). Главный принцип протокола формулируется как «сохрани и передай». Каждый узел сети получает данные и их сохраняет на тот случай, если следующий узел маршрута будет недоступен. Это позволяет не начинать все заново в случае ошибки, а продолжить с того места, в котором возникла проблема.

Представление художника о сети межпланетного интернета

Также нужно постараться уменьшить время на получение IP-адреса. Протокол для других планет предполагает использование двухфазного поиска и отложенного разрешения. У сайтов на разных планетах появится дополнительный корневой суффикс, например, .earth .moon, .mars. Он будет указывать на зону нахождения сайта, и по нему запрос будет ориентироваться на первую фазу. Затем во второй фазе будет происходить поиск конкретного сервера.

Этот протокол снижает безопасность данных. Над этой проблемой продолжают думать, но пока защита имеющихся сетей между марсоходами, спутниками и наземными станциями не требуется.

Одно из решений – защита шифрованием с использованием квантовой запутанности. Если взять две связанных квантовых частицы и разнести на расстояние друг от друга, они будут чувствовать изменения друг друга. Условно говоря, если перевернуть частицу вверх ногами, другая частица сразу же отреагирует на это и изменит свое состояние, как бы далеко она ни находилась от первой. Потенциально это свойство связанных квантовых частиц можно использовать и для передачи данных мгновенно, практически телепортировать, но пока непонятно, как это реализовать.

Модель фантастического корабля «Энтерпрайз», который использует квантовую связь

Зато этим методом уже можно что-то шифровать. Если злоумышленник попробует влезть в систему и проведет там манипуляции, то связанная частица среагируют на изменение, и сразу станет понятно, что в процесс вмешиваются извне.

Многие из описанных технологий сейчас проходят испытания и внедряются, а значит, скоро сидеть в интернете можно будет не только на Земле. На всякий случай сохраните адрес нашего сайта, чтобы вы могли и на Марсе его почитать, только не забывайте про дополнительный суффикс: https://cosmos.vdnh.ru.earth/izdoma/

Сейчас, пока вы на Земле, получить интересные сведения о космосе гораздо легче — можете просто прийти на экскурсию в наш центр «Космонавтика и авиация» или читать наш блог.

Партнеры