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

L'envoi et la réception de données sur Terre depuis un engin spatial est une tâche difficile, principalement en raison des grandes distances impliquées. Les délais et les pertes de données sont courants lors des communications à travers des milliers et des millions de kilomètres. Pour rendre ces délais et pertes aussi minimes que possible, la NASA travaille sur une connexion Internet fiable du 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 soutenir les missions spatiales.

• Near Earth Network (NEN)
• Space Network (SN)
• Deep Space Network (DSN)

Qu'est-ce que le DTN exactement ?

Les missions précédentes de la NASA utilisaient un relais unique ou des liaisons point-à-point (comme le système téléphonique) pour communiquer avec les engins spatiaux en orbite basse terrestre ainsi qu'en espace profond. Cependant, les concepts d'exploration futurs incluent des systèmes beaucoup plus complexes ayant de multiples nœuds (au lieu de seulement deux). Il fonctionnera comme les réseaux Internet sur Terre, qui incluent plusieurs sauts via satellite et autres nœuds intermédiaires, construisant la base pour le SSI (Solar System Internet).

Comme l'Internet terrestre, le SSI fournira une plateforme standard sur laquelle une large gamme d'applications fonctionneront sur des services de réseau de bout en bout. Le SSI utilisera la suite de protocoles DTN dans presque tous les cas, y compris ceux avec des perturbations de liaison fréquentes ou de longs délais de lumière, où les IPs (protocoles Internet) traditionnels ne fonctionnent pas.

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

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

Comment fonctionne le DTN ?

Les protocoles DTN peuvent fonctionner avec les IPs de l'Internet terrestre ou travailler indépendamment. Il utilise la technique automatique store-and-forward, garantissant ainsi la livraison des données. Si le transfert de paquet n'est pas actuellement possible, le système le stocke pour une transmission future. Par conséquent, seul le prochain saut doit être disponible lors de l'utilisation du Disruption Tolerant Networking.

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

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

Actuellement, les protocoles DTN sont en cours de développement par la NASA AES (Advanced Exploration Systems), et ils soutiennent la standardisation du DTN par l'IETF (Internet Engineering Task Force) et le CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems). Tous ces protocoles DTN seront des normes internationales ouvertes. Quelques implémentations DTN existent déjà et sont publiquement disponibles, comme l'implémentation ION (Interplanetary Overlay Network).

Source : NASA

Avantages

Opérations améliorées et conscience situationnelle – Le DTN offre plus de visibilité sur les événements lorsque des pannes de communication surviennent en raison du transfert de station au sol, de mauvaises conditions atmosphériques ou comme résultat de 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 du lien spatial – Le DTN fournit une transmission de données efficace et plus fiable, permettant une bande passante plus utilisable. La fiabilité du lien est améliorée par de multiples chemins de réseau et actifs pour les sauts de transmission.

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

Interopérabilité et réutilisation – Les protocoles DTN permettent l'interopérabilité des engins spatiaux (exploités par n'importe quel gouvernement ou agence spatiale 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 orbite terrestre basse ou d'une mission en espace profond.

Qualité de service – Le protocole DTN permet plusieurs niveaux de priorité à définir pour différents types de données, afin de s'assurer 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 lors d'un transfert planifié TDRSS (Tracking & Data Relay Satellite System). Pendant cette expérience, les liaisons sol-espace et espace-sol ont été interrompues pendant quelques minutes. Cette démonstration de réseau DTN sur l'ISS a été couronnée de succès.

Dans le test suivant, ils ont utilisé DTN pour des opérations sans surveillance. Le test a duré 3 jours, et pendant cette période, 14 fichiers étaient générés chaque heure. La transmission conventionnelle a entraîné 3 504 réceptions redondantes par fichier (en moyenne), tandis que DTN a performé de manière étonnamment meilleure et n'a résulté qu'en 0,06 réceptions redondantes par fichier.

L'ISS a mis en œuvre un service DTN institutionnel en mai 2016, ce qui a amélioré la fiabilité de la transmission des données scientifiques de charge utile et réduit les frais généraux opérationnels et la 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 en utilisant la suite de protocoles DTN. Comme on peut 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 aidé à développer la technologie.

Le logiciel DTN sur un smartphone a envoyé le selfie dans 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 transféré les paquets au Marshall Space Flight Center en Alabama, qui est le point d'accès au réseau DTN. Les paquets ont été transférés vers la station spatiale via un autre lien TDRS où ils ont été routés 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.

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Ce sont quelques expériences récentes sur le 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.