打造地球-火星“星际互联网”

2015年7月1日8880

虽然看起来很遥远,但人类移民火星似乎只是个时间问题,但关键在于,火星离地球相距非常远,如果以后有人生活上去了,如何才能做好跨行星际的互联网,尤其是网站部署?

你别说,这样的问题还真有人很认真地研究过,并提出了很完整的解决方案。

简单地说,这里边有三个层次的问题,即如何设计通信网络、通信协议和网络延时(如何部署网站)。先上一个简短的答案:

中继卫星设计 :下文(传播信号问题一部分)中提到的一种Non-Keplerian轨道的卫星。从地球出发到火星,仅仅比地球火星之间的直线距离增加2.3光分的距离,而且是在任意时刻仅仅比直接从地球到火星直线传播的信号多花2.3分钟,非常快。

网络协议 :使用DTN协议。下文有解释。

网站设计 :在各个行星上设立缓存服务器,平时在两个行星的缓存服务器之间同步,而不是用户点了按钮在火星请求一次,再从地球把内容传给火星。

【传播信号问题】

火星全球通信没啥问题,跟地球差不多吧,用卫星来做,或者基站(没有电离层好麻烦需要好多基站)。

火星地球这种行星际通信就问题很多。火星和地球之间的通信跟两者在轨道上的相位有关。如果中间隔了个太阳,那通信就麻烦了,这时候需要中继卫星。

所以我们需要中继卫星,而中继卫星的设计方法很多,基本上分为两类:Kepler轨道上的中继卫星和非Kepler轨道的中继卫星。

Kepler轨道中继卫星的例子

大多设计都是Kepler轨道上的中继卫星,也就是不需要额外的燃料来维持轨道,而是在引力作用下自由落体围绕天体转动的。具体卫星的轨道设计是很多种的,例如下面这种太阳极轨道卫星:

这篇文章是一个利用太阳的极轨道上的三颗卫星做中继,结合行星的同步卫星来通信的。这种设计最少只需要三颗就可以满足全太阳系的中继的需求了,但是需要三颗卫星的相位错开120度 ,如下图:

这样在太阳系任何一颗行星的位置都可以通过这三颗中的至少一颗来中继。

同时这种设计的缺点也很明显,那就是太阳极轨道卫星的发射和维修的燃料消耗都是巨大的,好在不需要很多颗。

所以在没有太阳不会遮挡火星地球通信的时候,可以直接地球和火星之间,但是在太阳遮挡了地球和火星通信的时候,需要使用太阳极轨道中继卫星,所需要多花的时间可以忽略不计。

非Kepler轨道中继卫星的例子

第二篇参考文献提到了很多的不在Keplerian轨道的通信卫星。如果使用太阳帆的话,倒也不需要携带燃料,不过这是理论阶段,并不知道太阳帆卫星作为轨道维持的动力能不能成功。

上图中,Sun-Mars那个在轨道上方0.176AU(天文单位)的地方,Sun-Earth那个0.116AU。论文中提到使用太阳帆或者离子发动机都行。

参与

总之中继卫星基本上是必备品。 上面的Non-Keplerian卫星是一种比较省钱而且延时小的设计,由于中继卫星一直在火星和地球正上方,基本上信号是往上,到达卫星,然后直线到达火星上面的中继卫星,再由中继卫星下来。

从地球出发到火星,仅仅比地球火星之间的直线距离增加2.3光分的距离,而且是在任意时刻仅仅比直接从地球到火星直线传播的信号多花2.3分钟,非常快。

不过,在没有太阳遮挡的时候(火星地球在太阳同一侧的时候),是不需要这两颗中继卫星的,直接通信是最省的方案。只有在有太阳遮挡的时候才启用上述两颗Non-Keplerian中继卫星。

【通信协议问题】

如果是网络通信的话,是需要很小心的,因为太空通信的两地相距很远,而且丢包率很高,传统的通信方式,会比较费时间或者通信终端。

所以恒星际网络特别兴趣小组(IPN
SIG)重新设计了一个星际网络协议,叫做DTN协议,Delay-Tolerant
Networking。这个协议并不假定连续的N-N链接(星际中容易丢包),如果暂时找不到目标,数据并不会丢掉,而是储存起来,直到下次能够跟其他地方建立连接。

因为太空中丢包或者被遮挡而不能通信的情况很多,所以DTN比较适合行星际的通信。实际上如果可能,可以在很多卫星上装上这样的模块,形成一个行星际网络。

NASA已经在火星探测器上测试过DTN协议了。 DTN的创始人之一在一次TED演讲中向大家展示了未来星际网络的愿景:利用DTN协议把太阳系的各个探测器联系起来,每个都可以作为中继,最终形成一个太阳系的行星际网络基础结构,然后利用这个结构可以向恒星际扩展,因为这样的话整个太阳系就成为一个巨型的接收器。

【网站的部署】

其它的问题还有很多,比较重要的一个是延时的问题。由于人类传播信息的速度有限,所以从一个地方到另一个地方会花费时间,而行星际通信里面就会凸显出来。

下面是从2014年6月30日到2016年6月19日之间,地球和火星之间的距离变化,横轴是时间,纵轴是距离,单位是AU,而光前进一个AU所需要的时间大约是8分钟。

可以想想这样的延时下面,地球的Dota玩家和火星的Dota玩家之间连线是不太现实了,即使是玩回合制的游戏也是很沉闷无聊的。

现在终于到了最关键的问题:如何部署网站、应用,让两边的人都容易打开,并且信息延迟最小?

当然,中继卫星越多,差不多会越省时间。实际上在这个回答上面提到的Non-Keplerian卫星也会很节省时间并且省钱(卫星少,要知道发射这种卫星非常费钱)。再把图贴一遍。

对于普通的网站,我们现今地球上也有类似的情况,曾经有那样的说法:世界上最遥远的距离是电信和网通之间的距离(虽然现在已经没有什么距离了)。所以我们需要专门的线路为不同的星球上的人服务。

例如在火星上缓存地球上的网站;或者由网站购买火星服务器,直接在火星上提供服务。

不过,使用cache,在行星开放建设的早期,可能只能用户自己解决,就是其它行星上用自己的服务器cache网页。

不过随着行星开发,后来应该会有专门的cache服务商,或者网络提供方或者运营商会直接提供这样的行星之间无缝连接,例如有的互联网公司可以购买了火星的服务器来托管一份网站镜像,对于交互式的网站(比如社交网站)更加方便了。

不过这就需要火星有个独立的信息基础架构。

顺便说一下,Mars
One的设想是,在火星上安装一个缓存服务器,先把网站缓存在火星服务器上,火星上的人浏览的时候从缓存服务器获取网页。这在早期确实是一个比较实惠的方案。

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