Колония на спутнике Сатурна, Энцеладе, иллюстрация Isaac Fryxelius, источник
Основное ограничение
Наука сегодняшнего дня не только не знает способа, но и прямо запрещает передачу информации быстрее скорости света. Так что если отбросить чудесные ансибли (или аналоги) из фантастики, то именно скорость света, незаметная в земных условиях, будет оказывать наибольшее влияние на организацию информационной инфраструктуры будущего.
Начнем с простого. Среднее расстояние до Луны составляет примерно 380 тысяч километров, то есть 1,26 световой секунды в одну сторону. Соответственно, селенит, живущий в лунном мегаполисе, будет способен участвовать практически во всех обычных интернет-активностях на Земле, кроме требовательных ко времени реакции игр вроде шутеров. Зашедший на земные сервера селенит (и наоборот) вполне может стать персонажем анекдотов. Уже с Марсом ситуация кардинально иная — минимальное расстояние до Земли составляет примерно пять световых минут, а максимальное — в районе 20. Невозможно сидеть в Интернете в привычном режиме, когда ссылка на сервере на другой планете открывается от 10 до 40 минут (ваш запрос должен уйти на сервер, а ответ — прийти с него). От Земли до Юпитера в одну сторону от 33 до 53 минут. До Сатурна — от 67 до 94 минут. А если захотят обменяться информацией два обитателя с противоположных сторон пояса Койпера, то в одном направлении свет будет идти 15 часов.
Такое время задержки кажется некомфортным для современного человека, привыкшего к круглосуточно доступному быстрому интернету, но это только кажется страшным. Даже если отбросить тот факт, что вплоть до последней четверти двадцатого века скорость передачи информации была гораздо меньше, интернет на Церере или Энцеладе может только не очень значительными особенностями отличаться от земного. А используемые при этом решения могут вызвать теплое чувство у тех, кто помнит распространение интернета в России в нулевых годах.
Удаленная колония практически наверняка будет иметь быстрый локальный интернет со всеми прелестями видеоконференций с играми и дата-центр с обновляемым кэшем/буфером/зеркалом какой-то части глобального интернета, в зависимости от местных возможностей. При этом очевидным будет неравенство типов данных: полная современная Википедия занимает 20 гигабайт, ее будущий аналог вместе с библиотеками мира, картинными галереями и всем тем разумным, добрым и вечным, о чем мечтали пионеры интернета, можно будет без проблем хранить даже на самом захудалом астероиде, но вот существующие уже сейчас зеттабайты видео получится разместить далеко не везде. Если же местному пользователю потребуется отсутствующая на месте информация, то, учитывая невозможность интерактивного взаимодействия на межпланетных расстояниях, логично присылать ему контент про запас — на несколько кликов вглубь или связанные темы. Это будет немного похоже на то, как жители многоэтажки нулевых скинулись на интернет, играют, общаются и потребляют контент из локальной сети, а при необходимости робот пришлет тебе архив нужного сайта.
Привычные сейчас вещи вроде удаленной работы могут выглядеть очень похоже — проверять пулл-реквест, правки или другой контент от коллеги-марсианина можно совершенно так же, как и от землянина в другом часовом поясе, разве что на ежедневном митинге с ним не пообщаешься. Также определенная ирония заключается в том, что современные принципы работы соцсетей могут оставить привычным ощущение сидения в интернете — раз твою ленту все равно формируют алгоритмы, какая разница, на какой планете и сколько часов назад сделан предлагаемый следующим контент?
Но необходимо отметить, что описанная выше картина является оптимистичной, если между планетами будут реализованы каналы связи очень большой пропускной способности.
Инфраструктура
Фото Robert Kerton, CSIRO
На фотографии выше комплекс дальней связи в Канберре, один из трех центров сети дальней космической связи NASA. В него входят четыре антенны диаметром от 34 до 70 метров, плюс, в качестве приемника может использоваться отдельно расположенная антенна радиообсерватории Паркса. Сеть дальней космической связи NASA позволяет получать информацию с находящегося на орбите Марса MRO со скоростью от 0,5 до 4 мегабит в секунду, но скорость падает до сотни килобит в секунду на расстоянии до Юпитера и единиц — до Плутона. Такие характеристики, прямо скажем, оптимизма межпланетному интернету не придают. Но, к счастью, есть варианты получше.
Скорость передачи информации определяется теоремами Шеннона-Хартли и Котельникова. Переводя их на простой язык, чем выше мощность передатчика и чувствительность приемника, чем меньше расходимость луча отправленного сигнала, чем слабее фоновый шум и чем выше частота используемого сигнала, тем больше информации можно передать. И уже сегодня ясно, что при всех удобствах радиодиапазон плохо подходит для передачи информации на межпланетные расстояния с большой скоростью.
Наиболее очевидным кандидатом на эту роль являются лазеры. Они используют меньшую длину волны, то есть большую частоту, нежели радио. Также луч лазера расходится гораздо меньше, чем даже у направленной антенны.
Наглядное сравнение расходимости луча лазера и радио, источник
Эксперимент с наблюдением лазеров космическим аппаратом провели аж в 1968 году, когда камера находящегося на Луне аппарата Surveyor 7 увидела два включенных на ночной стороне Земли лазера. В 1995 году японские инженеры впервые получили информацию с находящегося на геостационарной орбите спутника ETS-VI на скорости 1 Мбит/с. В 2013 для работавшего на лунной орбите аппарата NASA LADEE были получены рекордные характеристики 622 Мбит/с вниз и 20 наверх. Оборудование для лазерной межспутниковой связи появилось в версии 1.5 аппаратов Starlink, которые начали запускать с сентября 2021. В декабре 2021 на геостационарную орбиту отправился технологический демонстратор NASA LCRD, который должен будет продемонстрировать скорость 1,2 Гбит/с. На сегодняшний день лазерная связь еще не стала мейнстримом, но ее достоинства гарантируют ей дальнейшее развитие в ближайшие десятилетия. Но в более отдаленной перспективе может быть использован и другой диапазон.
Рентгеновское излучение имеет еще меньшую длину волны (т.е. большую частоту), слабо затухает и имеет низкую расходимость. Таким образом, рентгеновский диапазон обещает еще более высокую скорость передачи данных. На сегодняшний день технология находится на стадии ранних экспериментов, потому что нужно решить технические сложности создания мощного и эффективного излучателя, а также чувствительного приемника. Уже сейчас очевидно, что классические рентгеновские трубки в качестве излучателей не подходят. Недавно был предложен способ, при котором модулированное ультрафиолетовое излучение светодиода попадает на фотокатод, в результате чего получается поток электронов, который разгоняют, а их торможение в мишени испускает поток уже рентгеновских лучей.
Излучатель MXS (внизу) в сравнении с обычной рентгеновской трубкой (вверху), источник
На Международной космической станции с 2017 года работает рентгеновский телескоп NICER. В мае 2019 на станцию доставили пакет экспериментов STP-H6, в котором был и рентгеновский излучатель MXS. Планировалось провести эксперимент по связи в рентгеновском диапазоне на расстоянии 50 метров — STP-H6 установили в одной стороне ферменной конструкции МКС, а NICER располагался с другой. Громких победных реляций не публиковали, но можно найти информацию о наземном эксперименте на расстоянии 600 метров и полученной скорости 50 Кбит/с.
Вне зависимости от рабочего диапазона, без мощных станций, передающих информацию с большой скоростью на межпланетные расстояния, идиллия из первой части невозможна. Скорее всего, такие станции будут орбитальными — видимый свет неплохо проходит через земную атмосферу, но более эффективный с точки зрения передачи данных ультрафиолетовый диапазон, не говоря уже о рентгеновском, сильно поглощается ей.
Очевидно, что, чем более обжита планета, тем больше контента она будет производить, и тем более мощные станции будут располагаться на ее орбите. Совсем олдфаги могут помнить выходивший в 90-х “вечерний интернет” ныне почившего Антона Носика, у обитателей удаленных и малонаселенных колоний может быть что-то похожее: получили какую-то порцию контента системной инфосферы, исходя из доступных ресурсов (уже сейчас сеть дальней космической связи NASA работает по строгому графику и не может выделить всю свою мощность всем аппаратам), и ждите следующей порции.
Отдельной интересной задачей будет маршрутизация всего этого трафика, чтобы оптимизировать пересылку контента. Также в силу орбитальной механики каждые два года Солнце оказывается на прямой линии между Землей и Марсом, что приводит к двухнедельному перерыву в работе марсоходов и орбитальных аппаратов. Пропорция “две недели каждые два года” говорит, что какие-то ретрансляционные мощности будут использоваться, но качество связи на это время наверняка будет ухудшаться — событие происходит слишком редко, чтобы выделили ресурсы на полную компенсацию эффекта.
Впрочем, гипотетически, для межпланетных ретрансляторов может быть востребована внутренняя Солнечная система — с приближением к Солнцу энергия от него растет пропорционально квадрату расстояния: Меркурий расположен в 2,5 раза ближе к Солнцу, чем Земля, а получает в 6,7 раз больше солнечной энергии.
Из сегодня в завтра
Говоря о межпланетном интернете, конечно же, нельзя не упомянуть подход Delay-Tolerant Networking (DTN). Его начали разрабатывать еще в 1970-х для случая, когда каналы связи в сети ненадежны, то появляются, то исчезают, и он пригоден не только для космического интернета, но и для земных условий. Общий принцип заключается в том, что сообщение для конечного узла может храниться на промежуточных и пересылаться, когда устанавливается связь со следующим узлом. Для того чтобы это было возможно, единица информации, сообщение, содержит в себе гораздо больше данных, чем пакеты в привычных нам сетях, чтобы промежуточные узлы понимали, что с ним делать. Называется это Bundle Protocol. На сегодняшний день выделяют три самые известные реализации протокола Bundle V6 и шесть реализаций V7. Эксперименты по связи при помощи протокола DTN в космосе проводятся с 2008 года.
Среди наиболее активных разработчиков межпланетного интернета можно назвать Консультативный комитет по космическим системам данных (The Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS) и Специальную группу по межпланетным сетевым технологиям (InterPlanetary Networking Special Interest Group IPNSIG), в состав которой входит один из пионеров интернета Винтон Серф. В июне 2021 IPNSIG выпустила документ “Стратегия по разработке межпланетного интернета для человечества”. Их видение будущего уходит вперед максимум на век и указывает на конкретную актуальную задачу — переход от существующих сегодня прямых соединений, в лучшем случае через единичные ретрансляторы, к системе связанных между собой узлов.
Изображение INPSIG/NASA
В стратегии проводятся любопытные аналогии между современным состоянием межпланетного интернета и молодостью сети Интернет. Сейчас межпланетной связью занимаются государственные агентства. Используя эту аналогию IPNSIG считает, что, спустя 30+ лет межпланетный интернет станет совместным полем деятельности государственных агентств, частных компаний и научных учреждений, а спустя 100 лет коммерциализируется и станет автономным, хотя государственные участки в нем никуда не денутся.
На сегодняшний день есть отдельные примеры коллаборации космических агентств разных стран, например, Китайское космическое агентство согласилось предоставить ретранслятор “Цюэцяо”, использующийся сейчас для связи с аппаратом “Чанъэ-4” и ровером “Юйту-2” на обратной стороне Луны, для будущих лунных миссий NASA, но понимания общей выгоды от использования стандартизованного межпланетного интернета пока не заметно. Космические агентства до сих пор предпочитают рассматривать миссии отдельно одну от другой и используют классические системы связи из-за их надежности. Такая логика понятна, но она замедляет реализацию миссий-технологических демонстраторов, которые бы показали преимущества межпланетного интернета и скорее привлекли частников. Для успешного развития также желательно, чтобы сформировалась сильная, но разнообразная группа стран и компаний, потому что одна ведущая страна или компания могут захватить контроль над стандартом.
IPNSIG не видит смысла в детальном планировании на сто лет вперед и ставит актуальную задачу на ближайшее время: масштабное тестирование протокола Bundle в земных условиях для проверки работоспособности существующих реализаций. В истории был успешный относительно похожий распределенный проект SETI@Home, так что задача является принципиально возможной. Следующими задачами являются: проверка взаимной совместимости различных протоколов, продвижение концепции межпланетного интернета, тестовые, а затем и рабочие реализации на отправляющихся в космос миссиях.
Автор: Филипп Терехов
