Per andare coraggiosamente dove nessun protocollo Internet è mai arrivato prima
L'esplorazione dello spazio è difficile, anche a causa di quanto sia difficile comunicare. Gli astronauti devono parlare con il controllo della missione, idealmente tramite videocomunicazione, ei veicoli spaziali devono restituire i dati raccolti, preferibilmente ad alta velocità e con il minor ritardo possibile. All'inizio, le missioni spaziali progettavano e trasportavano i propri distinti sistemi di comunicazione; funzionava abbastanza bene, ma non era esattamente un esempio di efficienza. Poi un giorno nel 1998, il pioniere di Internet Vinton Cerf ha immaginato una rete che potesse offrire una capacità più ricca per servire il crescente numero di persone e veicoli nello spazio. È nato il sogno di un Internet interplanetario.
Ma estendere Internet allo spazio non è solo questione di installare il Wi-Fi sui razzi. Gli scienziati hanno nuovi ostacoli da affrontare: le distanze coinvolte sono astronomiche ei pianeti si muovono, potenzialmente bloccando i segnali. Chiunque sulla Terra che voglia inviare un messaggio a qualcuno o qualcosa su un altro pianeta deve fare i conti con percorsi di comunicazione spesso interrotti.
"Abbiamo iniziato a fare i conti per il che aveva funzionato perfettamente bene qui sulla Terra. Tuttavia, la velocità della luce era troppo lenta ", ha detto Cerf dei suoi primi lavori con i colleghi dell'InterPlanetary Networking Special Interest Group . Superare questo problema sarebbe un'impresa importante, ma questo scienziato informatico americano ed ex professore di Stanford è abituato a contribuire a far accadere grandi cose.
Decenni fa, Cerf e Robert Kahn – i "padri di Internet" – svilupparono la suite di architettura e protocollo per Internet terrestre nota come Transmission Control Protocol / Internet Protocol (TCP / IP). Chiunque abbia mai navigato sul Web, inviato un'e-mail o scaricato un'app deve ringraziarlo, anche se Cerf si affretta a respingere il titolo di fantasia. "Molte persone hanno contribuito alla creazione di Internet", ha detto con la sua solita voce misurata.
Per trasferire dati su Internet terrestre, il protocollo TCP / IP richiede un percorso end-to-end completo di router che inoltrano pacchetti di informazioni attraverso collegamenti come cavi in rame o in fibra ottica o reti di dati cellulari. Cerf e Kahn non hanno progettato Internet per memorizzare i dati, in parte perché la memoria era troppo costosa all'inizio degli anni '70. Quindi, se un collegamento lungo un percorso si interrompe, un router scarta il pacchetto e successivamente lo invia nuovamente dalla sorgente. Funziona bene nell'ambiente terrestre a basso ritardo e ad alta connettività. Tuttavia, le reti nello spazio sono più soggette a interruzioni e richiedono un approccio diverso.
"TCP / IP non funziona a distanze interplanetarie", ha detto Cerf. "Quindi abbiamo progettato una serie di protocolli che lo fanno."
Nel 2003, Cerf e un piccolo team di ricercatori hanno introdotto i protocolli bundle . Il bundling è un protocollo di rete (DTN) a tolleranza di interruzione / ritardo con la capacità di portare Internet (letteralmente) fuori dal mondo. Come i protocolli alla base di Internet terrestre, il raggruppamento è a commutazione di pacchetto. Ciò significa che i pacchetti di dati viaggiano dalla sorgente alla destinazione tramite router che cambiano la direzione in cui i dati si muovono lungo il percorso della rete. Tuttavia, il raggruppamento ha proprietà che l'Internet terrestre non ha, come i nodi che possono memorizzare informazioni.
Un pacchetto di dati che viaggia dalla Terra a Giove potrebbe, ad esempio, passare attraverso un relè su Marte, ha spiegato Cerf. Tuttavia, quando il pacchetto arriva al relè, a circa 40 milioni di miglia nel viaggio di 400 milioni di miglia, Marte potrebbe non essere orientato correttamente per inviare il pacchetto su Giove. "Perché buttare via le informazioni, invece di tenerle attaccate fino a quando non compare Giove?" Cerf ha detto. Questa funzione di archiviazione e inoltro consente ai pacchetti di navigare verso le loro destinazioni un salto alla volta, nonostante grandi interruzioni e ritardi. Il suo articolo più recente sull'argomento evidenzia l'applicabilità di Loon SDN – tecnologia in grado di gestire una rete che si muove nel cielo – all'architettura di comunicazioni spaziali di nuova generazione della NASA.
Oltre a Internet interplanetario, Cerf, che ora ha 70 anni, si concentra anche sul suo lavoro quotidiano come capo evangelista di Internet per Google. Questo è un titolo stravagante che abbraccia, traboccante dell'entusiasmo di un predicatore di diffondere Internet, attraverso lo sviluppo di politiche globali, a miliardi di persone in tutto il mondo senza di esso. È allo stesso tempo ambizioso con idee serie, pur mantenendo un lato giocoso. Anche se in genere sfoggia una barba ben curata e un completo a tre pezzi – alcuni dicono che sia l'ispirazione per l' architetto simile a un dio nei film di Matrix – una volta ha iniziato un discorso di apertura sbottonandosi giacca e camicia, in stile Superman, per rivelare una maglietta con la scritta: "IP SU TUTTO!"
Quanta Magazine ha incontrato Cerf poco dopo essersi ripreso da COVID-19 e poco prima della sua partecipazione al Virtual Heidelberg Laureate Forum. L'intervista è stata condensata e modificata per chiarezza.
Da cosa è nata l'idea di un Internet interplanetario?
Nella primavera del 1998, nove di noi si sono riuniti al Jet Propulsion Laboratory per chiedere: cosa dovremmo fare in previsione di ciò di cui potremmo aver bisogno per l'esplorazione spaziale tra 25 anni? Adrian Hooke , che era al JPL e poi ha prestato servizio anche al quartier generale della NASA, è stato il ragazzo che ha davvero accettato e ha spinto. È morto qualche anno fa, ma ha tenuto insieme questa squadra.
Abbiamo esplorato il sistema solare per decenni, ma l'esplorazione – sia con equipaggio che robotica – ha tipicamente coinvolto la comunicazione radio, diretta punto a punto o attraverso quello che viene chiamato un tubo piegato: un relè radio che raccoglie il segnale e lo ritrasmette per aumentare la probabilità che raggiunga la Terra.
Il nostro gruppo ha chiesto: Potremmo fare di meglio? Potremmo usare la tecnologia di Internet per migliorare la comunicazione spaziale, soprattutto quando il numero di veicoli spaziali aumenta nel tempo o quando iniziamo a mettere insediamenti sulla Luna o su Marte?
Quindi, un paio di decenni dopo aver concepito i protocolli bundle, Internet interplanetario è attivo e funzionante?
Non dobbiamo costruire l'intera cosa e poi sperare che qualcuno la usi. Abbiamo cercato di mettere in atto degli standard, come abbiamo fatto per Internet; offrire questi standard liberamente; e quindi raggiungere l'interoperabilità in modo che le varie nazioni che viaggiavano nello spazio potessero aiutarsi a vicenda.
Stiamo compiendo il prossimo passo ovvio per l'infrastruttura multi-missione: progettare la capacità per una rete dorsale interplanetaria. Costruisci ciò che è necessario per la prossima missione. Man mano che i veicoli spaziali vengono costruiti e dispiegati, portano i protocolli standard che diventano parte della spina dorsale interplanetaria. Quindi, quando finiscono la loro missione scientifica primaria, vengono riproposti come nodi nella rete dorsale. Nel tempo accumuliamo una spina dorsale interplanetaria.
Questo riutilizzo è già iniziato?
Nel 2004, i rover su Marte avrebbero dovuto trasmettere i dati alla Terra direttamente attraverso la rete dello spazio profondo: tre grandi antenne di 70 metri in Australia, Spagna e California. Tuttavia, la velocità dati disponibile del canale era di 28 kilobit al secondo, il che non è molto. Quando hanno acceso le radio, si sono surriscaldate. Dovevano fare marcia indietro, il che significava che sarebbero tornati meno dati. Ciò ha reso gli scienziati scontrosi.
Uno degli ingegneri del JPL ha utilizzato un prototipo di software: è fantastico! – per riprogrammare i rover e gli orbiter da centinaia di milioni di miglia di distanza. Abbiamo costruito un piccolo Internet interplanetario store-and-forward con essenzialmente tre nodi: i rover sulla superficie di Marte, gli orbitanti e la rete dello spazio profondo sulla Terra. Da allora è in funzione.
E da allora è diventato più grande, giusto?
Abbiamo perfezionato il design di quei protocolli, implementandoli e testandoli. Gli ultimi protocolli stanno eseguendo collegamenti avanti e indietro tra la Terra e la Stazione spaziale internazionale. Abbiamo fatto altri test davvero interessanti. Un veicolo spaziale, EPOXI , che stava per visitare un paio di comete era a circa 81 secondi luce dalla Terra quando ci è stato detto: "Per noi va bene se carichi i tuoi protocolli e li provi su quella navicella". Quindi abbiamo fatto anche quello.
Abbiamo fatto un altro test all'ISS, dove gli astronauti stavano controllando un piccolo veicolo robotico in Germania. Normalmente, non lo faresti: se stai cercando di guidare un veicolo su Marte e ci vogliono 20 minuti perché il tuo segnale arrivi lì, potresti girare il volante e, 20 minuti dopo, l'auto gira e supera un scogliera. Poi, 20 minuti dopo, scopri di aver appena perso il tuo veicolo da 6 miliardi di dollari. Ha funzionato tra la ISS e la Terra perché sono solo poche centinaia di miglia. Non è del tutto assurdo immaginare una missione in cui gli astronauti non atterrano effettivamente sul pianeta. Semplicemente orbitano attorno ad esso e distribuiscono apparecchiature remote sulla superficie in tempo reale.
E l'esperienza dell'utente? I protocolli bundle per l'Internet interplanetario hanno la stessa sensazione di TCP / IP per l'Internet terrestre?
Non ci vuole molto prima che tu non sia più in modalità interattiva. O sei in modalità over-and-out, o sei in modalità hi-this-is-a-nice-video-recording-I-registrato-diverse-ore fa, che è come l'email. I protocolli erano orientati al riconoscimento che il ritardo elimina la possibilità di interazione. Ciò pone vincoli ai progetti del protocollo.
Sembra che tu abbia risolto i problemi principali, ma ci sono ancora problemi da risolvere?
Una cosa è trovare un accordo sul progetto tecnico e implementare i protocolli. È qualcos'altro per utilizzarli dove sono necessari. C'è molta resistenza a fare qualcosa di nuovo perché "nuovo" significa: "Potrebbe essere rischioso!" e "Fammi vedere che funziona!" Non puoi dimostrarlo a meno che non corri il rischio.
Stiamo lavorando duramente per convincere le persone che progettano missioni spaziali che il materiale è adeguatamente testato. È stata una battaglia in salita e c'è ancora molto da fare. Dobbiamo convincere le società commerciali che supportano l'esplorazione spaziale ad avere capacità pronte all'uso. E dobbiamo convincere gli scienziati che progettano le missioni a dire: "Questo è ciò di cui siamo capaci ora".
In questo modo, puoi essere più ambizioso e trarre vantaggio dal presupposto che abbiamo una spina dorsale interplanetaria. Se inizi con la presunzione di non farlo, allora progetterai una missione con capacità di comunicazione limitate.
L'Internet interplanetario consentirà nuovi approcci all'esplorazione dello spazio che potrebbero portare a nuove scoperte?
L'Internet interplanetaria è un'infrastruttura destinata a supportare l'attività interplanetaria, che potrebbe essere la ricerca ma un giorno potrebbe anche essere la commercializzazione. È un'infrastruttura allo stesso modo in cui Internet è un'infrastruttura. Internet non inventa né scopre nulla. È semplicemente il mezzo attraverso il quale le persone possono fare un lavoro collaborativo e scoprire cose nuove.
E sulla Terra, i protocolli DTN potrebbero essere utili anche qui?
Un ingegnere in Svezia ha avuto l'idea di provare i protocolli DTN per rintracciare le renne in Lapponia, dove la tribù Sami pascola da 8000 anni. Le renne vagano e entrano ed escono dal contatto radio. È un ambiente imprevedibile, molto diverso da un ambiente in cui è possibile calcolare la meccanica orbitale e prevedere i probabili contatti che potrebbero verificarsi. Questa capacità opportunistica, quando le comunicazioni sono meno prevedibili, è ciò che viene testato in Lapponia.
Inoltre, nella ricerca oceanica, hai strumenti che generano e accumulano dati sulla superficie dell'oceano o sul fondo del mare, ma non hai necessariamente una connettività continua con essi. Per le osservazioni della Terra, i sensori potrebbero esplorare una foresta in modo intermittente ma non essere trasmessi continuamente. In un ambiente Internet completamente connesso, ti sbarazzi dei dati mentre li produci. Ma ciò non funzionerà in un ambiente con connettività intermittente. Hai bisogno di un protocollo che dica: "Niente panico! Va bene, tienilo stretto. " Inoltre, i dispositivi a batteria non dovrebbero trasmettere costantemente quando potrebbero essere più efficienti.
La capacità di immagazzinamento e inoltro intermittente è molto utile a livello terrestre, specialmente dopo un grave disastro quando potresti non avere molte capacità di comunicazione. È possibile utilizzare DTN in una modalità di ripristino rapido in cui le risorse non sono sufficienti per fornire una copertura in stile TCP / IP.
Quindi avrebbe senso passare da TCP / IP a DTN per tutta l'Internet della Terra?
Abbiamo dimostrato che è possibile far funzionare i protocolli DTN ad alta velocità, anche se hanno un overhead maggiore rispetto ai tradizionali protocolli TCP / IP. Ma sarebbe molto difficile introdurre DTN ovunque, perché guarda quanto TCP / IP c'è. C'è stata anche un'evoluzione sul lato Internet verso un altro set di protocolli chiamato QUIC che raggiunge non solo velocità di trasferimento dati più elevate, ma anche un ripristino più rapido da guasti o disconnessioni. Tuttavia, questa evoluzione non è nella direzione di DTN.
D'altra parte, per i cellulari, dove la connettività è ancora incerta, la funzionalità DTN potrebbe essere piuttosto buona. Stiamo ora esaminando l'implementazione di DTN nell'ambiente mobile.
Come padre ed evangelizzatore di Internet, hai qualche preoccupazione per la tua creazione?
L'abuso di Internet. Disinformazione e malware. Attacchi dannosi. Attacchi di phishing. Ransomware. È doloroso e angosciante rendersi conto che le persone prenderanno un'infrastruttura come questa, che ha così tante promesse e ha dato così tanto, e faranno cose cattive con essa. Sfortunatamente, questa è la natura umana.
Abbiamo bisogno di una governance aggiuntiva nell'ambiente online, ma è difficile. I cinesi hanno costruito un grande firewall e poi hanno messo sotto sorveglianza tutta la loro gente. Non è necessariamente una società in cui tutti noi vorremmo vivere, eppure dobbiamo ancora affrontare il problema. Come possiamo farcela senza arrivare a quell'estremo? Non ho una buona risposta. Mi piacerebbe aver fatto.
Questo è molto nella mia mente in questo momento. In effetti, le cose interplanetarie sono un rinfrescante spostamento da quello perché lì stiamo pensando quasi esclusivamente ai risultati scientifici.
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/vint-cerfs-plan-for-building-an-internet-in-space-20201021/ in data Wed, 21 Oct 2020 14:00:18 +0000.