科技行者对话“互联网先驱”:星际互联网究竟可不可行?

对话“互联网先驱”:星际互联网究竟可不可行?

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对话“互联网先驱”:星际互联网究竟可不可行?

2020年11月2日 14:19:50 科技行者
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Vinton Cerf曾在四十年前协助创造了互联网,如今他仍在努力帮助世界各地的人们建立联系。

来源:科技行者 2020年11月2日 14:19:50

关键字:NASA 航空航天 星际互联网 互联网 科学

Vinton Cerf,互联网之父之一,正在建立行星际互联网方面发挥着关键作用。

对话“互联网先驱”:星际互联网的探索之路

太空探索困难重重,信号传递更是一大历史性难题。宇航员需要与控制中心保持联系,最好是能够随时发起视频通话。而太空飞行器,也需要以高速、低延迟方式发送收集到的数据。起初,宇航领域设计并部署了自己的独特通信系统,虽然效果很好,但却很难规模化扩展。直到1998年的一天,“互联网先驱”Vinton Cerf设想了一种新型网络,能够提供更强大的功能以支持不断增长的太空人群与载具。

星际互联网的梦想,也由此拉开帷幕。

但将互联网扩展至太空,绝非在火箭上装Wi-Fi那么简单。科学家们面临着新的障碍:首先,通信各方之间的距离需要达到字面意义上的“天文数字”,且行星会持续移动并阻塞信号传播。地球上任何希望向太空中通信对象或其他星球发送消息的用户,都必须忍受经常中断的通信路径。

Cerf回忆起他与行星际网络特别兴趣小组的同事们的早期工作时说道,“我们首先是为互联网标准进行数学计算,这套数学模型在地球上表现良好。但着眼于无垠太空,光速的传播还是太慢了。”克服这个问题无疑是一项艰巨的任务,但这位美国计算机科学家、前斯坦福大学教授已经习惯于迎接重大挑战。

几十年前,Cerf与Robert Kahn为地面互联网开发出架构及协议套件,被称为传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)。每一位曾浏览过网络,发送过电子邮件,或者下载过应用程序的网民,都应该对他们表示感谢。但Cerf坦言,“很多人都为互联网的创立做出了贡献。”

为了在地面互联网上传输数据,TCP/IP需要路由器建立起完整的端到端路径,这些路径可以通过铜缆、光纤或蜂窝数据网络等链路转发信息包。Cerf与Kahn当初并未设计用于存储数据的互联网,部分原因在于,上世纪70年代初期内存成本太高。因此,如果沿路径的链路发生中断,路由器将直接丢弃该数据包,而后从源处重新发送该数据包。这在地球的低延迟、高连接性环境下效果很好。但是,太空网络更易受到干扰,因此需要采用完全不同的实现方法。

Cerf指出,“TCP/IP在行星际距离方面不起作用。因此,我们设计了一组可行的新协议。”

2003年,Cerf与一支研究人员小组介绍了新的捆绑协议。捆绑是一种具有中断/延迟容忍性的网络(DTN)协议,能够将互联网直接拓展到地球环境之外。与地球互联网的基础协议一样,捆绑同样采用分组交换机制,这意味着数据包将沿着路由器不断改变方向,最终遵循网络路径设置从源点被发送至目的地。但是,捆绑协议拥有地面互联网所不具备的一系列特殊属性,例如可以存储信息的节点。

Cerf解释道,例如,从地球到木星的数据包,可能需要流经火星上的中继站。但是,当数据包到达中继站时(地球距离火星约4000万英里,而地球与木星之间的距离则高达4亿英里),火星当时的朝向可能并不正确,无法将数据包立即发送至木星。

Cerf设问道,“为什么要丢弃这些信息,而不选择挂载这些数据直到两颗行星的朝向发生变化?”这种存储转发功能,使得捆绑数据包在面临大规模中断与延迟之下,仍能一次次坚定地跳转至目的地。他最近在这方面发表了主题论文,强调Loon SDN(用于管理太空移动网络的技术)在美国宇航局(NASA)下一代太空通信架构中的适用性。

除了行星际互联网之外,现年70岁的Cerf还专注于作为谷歌首席互联网布道师的其他日常工作。他喜欢这个头衔,希望通过自己布道师的身份,通过全球政策制定,将互联网传播到世界上的每一个角落。

他既乐于处理严肃工作,同时也保持着活泼的生活情趣。他的胡须一丝不苟,总是穿着三件套西装(有人说他的形象正是〈黑客帝国〉中建筑师角色的灵感来源);但他也曾在主题演讲中解开自己的衬衫,里面的T恤上写着“一切应奉IP之名!”

对话“互联网先驱”:星际互联网的探索之路

图:Vinton Cerf热衷于探索太阳系,他与喷气推进实验室(JPL)、行星际网络特别兴趣小组等各方保持合作,希望为太空中的宇航员及计算机提供具备强大延迟耐受能力的互联网协议。

问:您的星际互联网念头从何而来?

Vinton Cerf:那是1998年春天,我们当时在喷气推进实验室组织了一场九人会议。有人问:从现在开始的25年当中,太空探索会发展到什么地步?曾经在JPL工作过,随后又供职于NASA总部的Adrian Hooke其实才是星际互联网的真正支持者与推动者。虽然他几年前已经去世,但正是他将这支团队团结在了一起。

我们对太阳系的研究已经持续了几十年,但无论是人类还是机器,太空探索工作总要涉及无线电通信,包括直接点对点,以及通过所谓的“弯道”路径。换言之,我们永远需要使用无线电中继站来接收信号,并对其进行再次广播,借此提高超远距离信号传递的可达性。

我们的小组问道:我们能做得更好吗?我们能否利用互联网技术改善太空通信,特别是随着航天器数量的持续增加,我们该如何在月球或者火星上部署定居点、并为其提供通信支持?这一切都还是未知数。

问:那么,从捆绑协议构思起,已经过去了几十年,星际互联网是否已经建立并开始运行?

Vinton Cerf:我们不需要也不可能亲自跟进所有工作。我们要做的,只是建立起类似于地面互联网的标准,免费发布这些标准,而后实现互操作性,最终保证各个航天国家之间能够相互帮助。

对于多任务基础设施,我们正努力迈出下一步——设计星际骨干网的功能。以此为基础,后续航天器的制造与部署,都将成为星际骨干网建设项目以及标准协议中的一部分。接下来,当这些航天器完成主体科学任务之后,便会被重新定位为骨干网中的节点。随着时间推移,我们的星际骨干网体系将逐步铺开、成型。

问:这项工作已经开始了吗?

Vinton Cerf:2004年,火星探测车本应通过深空网络将数据传输至地球,澳大利亚、西班牙与加利福尼亚州的三根70米长天线也做好了接收准备。但是,该频道的可用数据传输速率仅为每秒28KB,实在太过有限。而且在传输信号时,设备还会过热,最终导致传输被迫中断。实际数据传输速率甚至还达不到这个水平,科学家们对此感到愤怒而沮丧。

JPL的一位工程师使用一款超酷的原型软件,对亿万英里以外的流动站及轨道器进行了重新编程。我们建立起一套小型存储转发星际互联网,此网络中拥有三个基础节点:火星表面的火星车、轨道器以及地球上的深空网络。这套网络也在2004年之后一直保持运行。

问:从那时以来,星际互联网的规模也在逐渐增加,对吧?

Vinton Cerf:我们一直在完善这些协议的设计,并加以实施、测试与完善。最新协议已经在地球与国际空间站之间往来中继运行。

我们还做了不少其他测试。有人告诉我们,“你们可以把协议上传到我们的航天器上进行测试。”这是一架即将登陆彗星星体的EPOXI航天器,距离地球81光秒。面对友好的邀请,我们当然也就恭敬不如从命。

我们还在国际空间站进行了另一项测试,当时宇航员正在控制位于德国的一辆小型机器人无人车。其实一般来说,我们不会跨越超远距离进行直接操控——否则,如果我们在地球上操纵火星上的车辆,那么信号抵达火星需要20分钟。意味着地球这边转动一下方向盘,20分钟之后那边的探测车会转弯,然后直接掉到悬崖下面。又过了20分钟,地球这边才能发现造价60亿美元的设置就这样报废了。但这种直接操控能够在国际空间站与地球之间起效,因为二者的直线距离只有几百英里。这项测试的诉求,在于帮助宇航员在降落至其他星球之前绕轨道保持运行,并通过遥控在目标星球表面上实时部署远程设备。

问:用户体验如何?星际互联网的捆绑协议与地球互联网的TCP/IP在使用感受上一样吗?

Vinton Cerf:星际互联网的操作感受没有那么强的交互感。用户要么处于翻页模式,要么处于“回看过去一段时间内录制内容”模式。这更像是在查阅电子邮件。

捆绑协议的重点在于,勇敢承认过高的延迟令实时交互变得不可能实现。而这也给协议的设计带来了限制。

问:看起来您已经解决了核心问题,目前还有什么其他障碍吗?

Vinton Cerf:在技术设计上建立协议是一回事,但实际实施协议又是另一回事。对新事物的尝试往往充满阻力,因为“新”本身就代表着可能存在风险、难以判断是否切实有效。除非冒险,否则我们无法做出充分证明。

我们正努力说服设计太空任务的人员对这些协议进行充分测试。这是一个艰难的过程,还有很多工作要做。我们必须为支持太空探索的商业企业提供现成功能,也必须向负责任务设计的科学家们证明“这就是我们的现有能力。”

只有这样,我们才能做出雄心勃勃的尝试,充分测试星际骨干网的设计假设。正所谓大胆假设、小心求证,如果被假设本身所限制,由此设计出的通信能力也必然非常有限。

问:星际互联网会催生出新的太空探索方法,进而带来新的发现吗?

Vinton Cerf:星际互联网是一套用于支持星际活动的基础设施,可能属于研究性项目,但有朝一日也有望实现商业化。它的基础设施属性与地球上的互联网一样。互联网没有发明或者发现任何东西,它只是人们进行协作并发现新事物的载体。

问:那么,DTN协议在地球上会不会带来重要启示呢?

Vinton Cerf:瑞典的一位工程师曾打算使用DTN协议跟踪拉普兰地区的驯鹿。驯鹿这种动物喜欢四处游荡,总是在无线电系统中进进出出。这是一种难以预测的环境,不同于能够准确计算的轨道力学与相对稳定的接触环境。为了验证DTN协议对这类环境的适应能力,我们正在拉普兰地区进行测试。

另外,在海洋研究当中,科学家们往往会在海洋表面或者海床上部署用于生成及存放数据的食品,但却未必能始终与其保持连接。在地球观测层面,传感器可以部署在林地中,但同样无法持续广播。这些场景当然需要一种协议,能够将暂时无法实时发送的数据存放起来。事实上,任何依靠电池供能的设备,出于能源效率的考虑,都不应该采取持续传输方式。

间歇性存储转发功能在地球上当然也很有用,特别是在发生重大灾难之后,人们可能没有充分的通信功能可以使用。在这类资源不足的场景下,不妨在TCP/IP之外使用DTN,以提供快速恢复模式进行全面覆盖。

问:对于地球互联网,从TCP/IP转向DTN是否具有现实意义?

Vinton Cerf:我们已经证明,尽管DTN协议的运行成本要高于传统TCP/IP协议,但其传输速度确实更快。但是,我觉得不少场景其实很难引入DTN,具体还是要看当地TCP/IP的部署情况。

互联网行业还发展出另一种名为QUIC的协议,不仅能够提高数据传输速率,还能够更快从故障或中断中恢复。但是,这种演进与DTN并没有什么关系。

另一方面,对于联网性能较差的手机,DTN功能也许能够帮上大忙。目前我们正在研究如何在移动环境下使用DTN协议。

问:作为互联网之父与互联网布道师,您对于自己的造物是否抱有忧虑?

Vinton Cerf:互联网滥用确实是个问题。误导性消息与恶意软件比比皆是,攻击活动、网络钓鱼、勒索软件等等,明显都背离了网络基础设施的设计初衷。这令人痛苦,但这也正是人的本性所在。

我们需要在网络环境中建立深层治理,但这项工作困难重重。中国建立起一整套庞大的防火墙体系,将所有国内用户托管于其中。虽然这不一定是最好的解决方案,但问题就在那里,总要为此做点什么。在不走极端的情况下,我们到底该如何应对?我自己没有确切的答案——我很希望有这样的答案,但很遗憾确实没有。

这件事确实给我造成了很大的困扰。长久以来,我们一直在关注星际互联网这类纯科学成果,虽然这些成果确实让人耳目一新,但后续的治理与运营才是最重要的工作。