La NASA déploie un réseau tolérant aux délais pour améliorer les communications spatiales

Envoyer/recevoir des données sur Terre depuis n’importe quel vaisseau spatial est une tâche difficile, principalement en raison des grandes distances impliquées. Les retards et les pertes de données sont courants lors des communications sur des milliers et des millions de kilomètres. Pour minimiser autant que possible ces retards et ces pertes, la NASA travaille sur une connexion Internet fiable pour le système solaire, appelée Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN).

La NASA utilise 3 réseaux de communication pour transmettre et recevoir des signaux sur de grandes distances qui contiennent des satellites relais spatiaux et des stations au sol distribuées pour prendre en charge les missions spatiales.

• Réseau proche de la Terre (NEN)
• Réseau spatial (SN)
• Réseau de l'espace profond (DSN)

Qu'est-ce que le DTN exactement ?

La mission précédente de la NASA utilisait des liaisons à relais unique ou point à point (comme le système téléphonique) pour communiquer avec l’orbite terrestre basse ainsi qu’avec les vaisseaux spatiaux de l’espace lointain. Cependant, les futurs concepts d’exploration incluent des systèmes beaucoup plus complexes comportant plusieurs nœuds (au lieu de seulement deux). Il fonctionnera comme des réseaux Internet sur Terre, qui incluent plusieurs sauts via satellite et d'autres nœuds intermédiaires, jetant les bases du SSI (abréviation de Solar System Internet).

À l'instar d'Earth-Internet, le SSI fournira une plate-forme standard sur laquelle fonctionnera un large éventail d'applications sur des services réseau de bout en bout. Le SSI utilisera la suite de protocoles DTN dans presque tous les cas, y compris ceux présentant des interruptions de liaison fréquentes ou des temps d'éclairage plus longs, où les IP (protocoles Internet) traditionnels ne fonctionnent pas.

Le DTN est un ensemble spécifique de règles de transmission de données, souvent appelé suite de protocoles, qui étend les capacités de l'Internet conventionnel pour fonctionner dans un environnement spatial sur des distances extrêmes. Ces environnements sont généralement sujets à des perturbations fréquentes, à des taux d'erreur élevés, à de longs délais et à des liaisons unidirectionnelles.

Internet du système solaire utilisant le protocole DTN :Source de l'image – NASA

Comment fonctionne le DTN ?

Les protocoles DTN peuvent fonctionner avec les IP Earth-Internet ou fonctionner indépendamment. Il utilise une technique automatique de stockage et de transfert , garantit ainsi la livraison des données. Si le transfert de paquets n'est pas possible actuellement, le système le stocke pour une transmission future. Par conséquent, seul le tronçon suivant doit être disponible lors de l'utilisation d'un réseau tolérant aux perturbations.

Comme la suite Internet conventionnelle, DTN implique des fonctionnalités de gestion de réseau, de routage, de sécurité et de qualité de service. Bien qu'il soit conçu pour les applications spatiales, il pourrait également être bénéfique pour les applications terrestres où des taux d'erreur élevés et des interruptions fréquentes sont courants.

L'image ci-dessus montre les données transmises de l'espace à la Terre via Space habitat et 2 relais de communication, en utilisant le DTN. Les liens de communication entre les actifs ne sont pas toujours disponibles.

Actuellement, les protocoles DTN sont développés par la NASA AES (Advanced Exploration Systems) et prennent en charge la normalisation DTN par l'IETF (Internet Engineering Task Force) et le CCSDS (Committee for Space Data Systems). Tous ces protocoles DTN seront des standards internationaux ouverts. Quelques implémentations DTN existent déjà et sont accessibles au public, comme l'implémentation ION (Interplanetary Overlay Network).

Source : NASA 

Avantages

Opérations améliorées et connaissance de la situation – Le DTN offre plus d'informations sur les événements lorsque des pannes de communication se produisent en raison du transfert de la station au sol, de mauvaises conditions atmosphériques ou du relais. Le DTN réduit considérablement le besoin de planifier la station au sol pour recevoir ou envoyer des informations, ce qui prend généralement jusqu'à 5 jours de planification.

Efficacité et robustesse de Space Link – DTN fournit une transmission de données efficace et plus fiable, permettant une bande passante plus utilisable. La fiabilité de la liaison est améliorée par plusieurs chemins de réseau et actifs pour les sauts de transmission.

Sécurité – Les protocoles DTN permettent l'authentification, les contrôles d'intégrité et le cryptage sur tous les liens.

Interopérabilité et réutilisation – Les protocoles DTN permettent l’interopérabilité des engins spatiaux (exploités par toute agence spatiale gouvernementale ou privée) et des stations au sol. De plus, cela permet à la NASA d'utiliser les mêmes protocoles pour les missions à venir, qu'il s'agisse d'une mission en orbite terrestre basse ou dans l'espace lointain.

Qualité de service – Le protocole DTN permet de définir plusieurs niveaux de priorité pour différents types de données, afin de garantir que le paquet important est envoyé avant le moins important.

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Expériences

La première expérience DTN a été menée le 10 juillet 2009, qui impliquait le téléchargement d'un ensemble particulier d'images via un transfert planifié TDRSS (Tracking &Data Relay Satellite System). Au cours de cette expérience, les liaisons sol-espace et espace-sol ont été interrompues pendant quelques minutes. Cette démonstration du réseau DTN sur ISS a été un succès.

Lors du test suivant, ils ont utilisé DTN pour les opérations sans surveillance. Le test a été réalisé pendant 3 jours et pendant cette période, 14 fichiers ont été générés toutes les heures. La transmission conventionnelle a entraîné 3 504 réceptions redondantes par fichier (en moyenne), tandis que le DTN a étonnamment mieux fonctionné et n'a abouti qu'à 0,06 réceptions redondantes par fichier.

L'ISS a mis en œuvre un service DTN institutionnel en mai 2016, qui a amélioré la fiabilité de la transmission des données scientifiques de la charge utile et réduit les frais opérationnels et de planification.

Le 20 novembre 2017, un selfie pris à la station McMurdo de la National Science Foundation, en Antarctique, a été envoyé à l'ISS à l'aide de la suite de protocoles DTN. Comme vous pouvez le voir sur le selfie, les ingénieurs de la NASA Mark Sinkiat, Peter Fetterer et Salem El nimri tenaient une photo de Vint Cerf, qui a contribué au développement de la technologie.

Le logiciel DTN d'un smartphone a envoyé le selfie lors de son voyage vers l'ISS. Les paquets voyagent de la station au sol McMurdo au complexe White Sands, NASA via TDRS (Tracking &Data Relay Satellite). Ensuite, un ensemble de nœuds DTN a transmis les paquets au Marshall Space Flight Center en Alabama, qui est le point d'accès du réseau DTN. Les paquets ont été transmis à la station spatiale via une autre liaison TDRS où ils ont été acheminés vers la charge utile de démonstration TRek (Telescience Resource Kit). Le dernier nœud DTN a extrait les données d'image des paquets, et la charge utile a réassemblé la photo originale et l'a affichée à bord de l'ISS.

Lire :13 des plus grandes missions futures de la NASA

Voici quelques expériences récentes sur DTN. Pour l'instant, l'équipe de recherche AES DTN travaille avec SCaN (Space Communications and Navigation) et IPNSIG (InterPlanetary Networking Special Interest Group) pour aider à faire du SSI une réalité.