接通星際因特網(wǎng)

人類如果想繼續(xù)探索更遠(yuǎn)的行星，必須能夠在動輒相距數(shù)十萬千米的兩個行星間隨時保持通信。大量的數(shù)據(jù)傳輸需要我們建立超大型的網(wǎng)絡(luò)。以目前的標(biāo)準(zhǔn)，至少要能在火星上隨時收發(fā)郵件。再厲害點(diǎn)，從火星向地球搞個視頻直播都不是問題。

去火星屬于長途奔襲，而且一旦到了，一年半載也回不來?！耙归L”，其間忍受無聊寂寞的“夢”自然多。為了避免宇航員出現(xiàn)心理問題，美國宇航局曾經(jīng)想過建一個虛擬社區(qū)，讓去火星的宇航員習(xí)慣通過網(wǎng)絡(luò)與親友進(jìn)行虛擬溝通。其實(shí)如果網(wǎng)絡(luò)足夠暢通，何必還要虛擬的溝通，直接視頻聊天不就行了，甚至裝幾個網(wǎng)游，到時候娛樂只怕太多。但現(xiàn)實(shí)的情況是，星球之間過于遙遠(yuǎn)的距離讓事情并沒有想象中簡單。要實(shí)現(xiàn)與地球上的因特網(wǎng)相似的網(wǎng)絡(luò)通信，需要特別打造一套行星際網(wǎng)絡(luò)(InterPlanetary Network，IPN)。

嘗試在外星互聯(lián)

盡管從20 世紀(jì)50 年代開始，精彩紛呈的太空計劃就不斷地創(chuàng)造出奇跡。擁有火星探測能力的歐洲和美國，多年以來各自發(fā)射了很多探測器，但是歷次任務(wù)的通信結(jié)構(gòu)都是以任務(wù)專用的方式獨(dú)立構(gòu)建的，始終沒有成功地進(jìn)行過通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通。直到4 年以前，雙方借助“勇氣號”火星車和“火星快車”軌道探測器進(jìn)行了一次簡單的嘗試。

2004 年2 月6 日，著陸不久的“勇氣號” 開始不緊不慢地在火星表面尋找水的痕跡。此時，先一步抵達(dá)火星的軌道探測器“火星快車”已經(jīng)飛了一些日子，這天恰好要經(jīng)過“勇氣號”的上空。通常情況下，無論是飛船還是衛(wèi)星，與地面控制中心的通信都是“單線聯(lián)系”——地面給出指令，外太空執(zhí)行，然后返回探測數(shù)據(jù)。但是既然歐航局和美國的探測器有這樣一次難得的際會，雙方就想借機(jī)試驗(yàn)一下，美國人的指令由歐洲人來發(fā)，返回的數(shù)據(jù)也要拐個彎。這么遠(yuǎn)的距離，通過太空建立的國際聯(lián)系成不成，數(shù)據(jù)能否完整傳輸，都是未知數(shù)。

此次數(shù)據(jù)傳輸非常成功，沒有丟失一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，也沒有出現(xiàn)冗余數(shù)據(jù)?！坝職馓枴钡捻?xiàng)目主管詹尼佛#8226; 特羅斯佩爾（Jennifer Trosper）甚至認(rèn)為：“我們已經(jīng)在火星建立了一個行星際國際通信網(wǎng)絡(luò)。”不過也許因?yàn)檎麄€過程頗顯乏味，似乎也不能看出任何網(wǎng)絡(luò)的意思，“勇氣號”與“火星快車”之間的歷史性問候被大多數(shù)媒體忽略了。

行星際網(wǎng)絡(luò)開始受到媒體的關(guān)注，多半是因?yàn)橛邢駵仡D#8226; 瑟夫（Vinton Cerf）這樣人物的參與。這位至今仍然在谷歌就職，年逾六十的掌門級人物被尊稱為因特網(wǎng)之父。1999 年，正值網(wǎng)絡(luò)泡沫愈演愈烈的當(dāng)口，有媒體注意到瑟夫加入了美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）下屬的一個工程師團(tuán)隊(duì)。“我在想因特網(wǎng)已經(jīng)成形了，接下來我們需要什么？結(jié)果發(fā)現(xiàn)答案是星際骨干網(wǎng)絡(luò)。”在和《連線》雜志談到自己的想法時他如是說。

其實(shí)早在構(gòu)想因特網(wǎng)的架構(gòu)時，星際網(wǎng)絡(luò)的概念就已經(jīng)在瑟夫等人的頭腦中略具雛形，只是時機(jī)還不成熟。1998 年，瑟夫把自己關(guān)于星際網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想告訴了噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的艾德里安#8226; 虎克（Adrian Hooke）。從20 世紀(jì)90 年代初開始，虎克就一直在為新的太空任務(wù)努力設(shè)計一種成本更低、更有效率的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。于是兩個人開始了最初的合作。沒過多久，瑟夫的老東家，國防部高級研究計劃署（DARPA）也認(rèn)識到這個項(xiàng)目所具有的前瞻性，于是決定為該項(xiàng)目投資50 萬美元，作為啟動資金。從而以噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為核心的IPN 研究才算是正式開始。

組建超大型星際網(wǎng)絡(luò)

“勇氣號”所實(shí)現(xiàn)的互聯(lián)，充其量只能算是IPN部分功能的雛形。就在“勇氣號”抵達(dá)火星前不久，當(dāng)時的美國總統(tǒng)布什宣布了一個新的空間探測設(shè)想。美國準(zhǔn)備從2020 年人類重返月球開始，逐漸實(shí)現(xiàn)一個持續(xù)的和經(jīng)濟(jì)可承受的將人類的存在擴(kuò)展到整個太陽系的計劃。這實(shí)際上為IPN 的發(fā)展規(guī)劃了一個更為具體的目標(biāo)。瑟夫認(rèn)為，那意味著在整個太陽系實(shí)現(xiàn)不間斷、高帶寬、低成本的通信。

瑟夫所設(shè)想的IPN 最終將接入我們現(xiàn)有的因特網(wǎng)。屆時地球上的學(xué)者能夠隨時連線正在火星巡視的探測器，查找有關(guān)火星地貌的最新資料。而宇航員能夠在外太空發(fā)送和接收電子郵件，以及下載音樂甚至電影?！爸劣谀芊裢嬗螒蛭也惶隙ā?，瑟夫補(bǔ)充說，“每一次火星任務(wù)都會歷時3 年，其間有太多溝通的需要了。電子郵件功能，我想這是主要的?！?/p>

瑟夫所給出這些的功能需要進(jìn)行大量的信息交換，必然要由一個超大型的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。

在這個體系中，深空網(wǎng)絡(luò)將是從地球通往星際網(wǎng)絡(luò)的門戶。它由數(shù)個碩大的天線組成。在美國的加利福尼亞、澳大利亞和西班牙，分別建有數(shù)個直徑在數(shù)十米的大型天線。它們每天必須有超過12 個小時以上的時間指向火星，與圍繞火星運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星、探測器和太空站保持全天候的聯(lián)接，進(jìn)行不間斷的無線電通信。地球上的因特網(wǎng)將通過這個門戶接入整個IPN。

體系中的另一個元素將是由圍繞星球的衛(wèi)星群、太空站以及在行星表面上工作的探測器等等組成的行星外部網(wǎng)絡(luò)和行星網(wǎng)絡(luò)。以火星網(wǎng)絡(luò)為例，未來將有圍繞火星的6 顆小衛(wèi)星以及一個在低層軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)的大型通信衛(wèi)星，它們負(fù)責(zé)為火星表面和附近的航天器提供通信中繼服務(wù)，收集所有的數(shù)據(jù)，然后把包括圖像和視頻在內(nèi)的信息傳送回地球。

當(dāng)然，除了這些硬件之外，對星際網(wǎng)絡(luò)來說最重要的將是一種能夠克服長時間延時和中斷問題的新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這也是瑟夫與虎克的團(tuán)隊(duì)的主要任務(wù)。地球上的因特網(wǎng)仍然在使用的是TCP/IP 協(xié)議，它會把所有在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒉鸱殖啥鄠€很小的數(shù)據(jù)包，然后再送達(dá)目的地。問題是它對延時和中斷的忍受程度較低。這對地球上數(shù)千千米距離的通信來說不是大問題，但星球之間動輒就有幾十萬千米，信息從一點(diǎn)到另一點(diǎn)所需的時間會延長許多。比如火星與地球之間的信息來回，大致需要20 到50 分鐘。假使宇航員突然想下載一首MP3， 用TCP/IP 協(xié)議， 也許等一輩子也下不完。瑟夫等人在開發(fā)的星際網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議與TCP/IP 協(xié)議相似，但能夠確保即使部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失，整個網(wǎng)絡(luò)仍然能正常工作。虎克介紹說，當(dāng)有數(shù)據(jù)包丟失的時候，新的協(xié)議不會通過反復(fù)地發(fā)送數(shù)據(jù)而堵塞網(wǎng)絡(luò)，而是更加智能地及時發(fā)現(xiàn)被丟失的數(shù)據(jù)。新的數(shù)據(jù)包也比地球上的更精簡。專用的網(wǎng)關(guān)會在地球和外星之間翻譯這些數(shù)據(jù)。瑟夫則補(bǔ)充認(rèn)為，今后所有新發(fā)射的航天器都應(yīng)該帶有一個IPN地址，一個“.mars”的域名，分別作為IPN 中的一個節(jié)點(diǎn)組成與地球上的因特網(wǎng)類似的分組交換網(wǎng)絡(luò)。2008 年11 月，JPL 已經(jīng)利用這種容斷網(wǎng)絡(luò)(DTN，Disruption-Tolerant Networking) 在地球和3200 萬千米以外的一個航天器之間相互傳輸了一批空間圖像。

一次商業(yè)遠(yuǎn)征

這是一個理想的架構(gòu)。雖然星際網(wǎng)絡(luò)仿照地球上的因特網(wǎng)構(gòu)建，但是它要面對一些特殊的工程學(xué)難題?！耙蛱鼐W(wǎng)要同時應(yīng)付數(shù)量龐大的訪問，但這不是星際網(wǎng)絡(luò)主要的困難?！?虎克對此解釋說，星際網(wǎng)絡(luò)將面對的是嘈雜而遼闊的太空，信號會因此變得微弱，這直接影響到網(wǎng)絡(luò)帶寬。舉例來說，以目前的技術(shù)和傳輸功率，火星軌道衛(wèi)星向地球傳送數(shù)據(jù)的速率大致是250 Kbps，而在火星表面工作的火星車，因?yàn)橛兄鹦谴髿獾淖韪?，速率則只有10 Kbps，還比不上過去所使用的撥號上網(wǎng)。這需要今后的衛(wèi)星和探測器擁有更強(qiáng)大的發(fā)射功率。虎克估計到2010 年以前，火星車能夠追上衛(wèi)星的速率，而衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)1 Mbps。瑟夫更加樂觀，他相信2020 年以前光通信將會替代無線電通信成為主流，而這會極大地提高星際網(wǎng)絡(luò)的速度。

在高談闊論星際網(wǎng)絡(luò)的未來時，不禁有一個問題要問：因特網(wǎng)從構(gòu)想到普及用了20 年時間，這是因?yàn)榫W(wǎng)景公司推出的萬維網(wǎng)服務(wù)讓因特網(wǎng)最終實(shí)現(xiàn)了可商用。星際網(wǎng)絡(luò)呢？不要忘了溫頓#8226; 瑟夫是谷歌的一分子，而谷歌早就推出了太空望遠(yuǎn)鏡服務(wù)，讓普通人在家也能夠欣賞壯觀的宇宙照片。此外谷歌還拿出了兩千萬美元推動谷歌登月大賽。如火如荼的2.0 版本的太空探索恰好需要尖端的通信服務(wù)作為保障。因此未來星際網(wǎng)絡(luò)的商用化并不是問題。事實(shí)上，它將成為推動星際網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的原動力之一。至少從目前來看，積極參與其中的企業(yè)有可能在虛擬太空游領(lǐng)域占得更多先機(jī)。

瑟夫本人認(rèn)為星際網(wǎng)絡(luò)研究的不確定和風(fēng)險性是確實(shí)存在的，但它就像19 世紀(jì)初美國著名的路易斯與克拉克遠(yuǎn)征，是不得不發(fā)。有意思的是，那正是一次不折不扣的商業(yè)探險，促使美國人從法國手里買來了路易斯安那，國土擴(kuò)張了一倍。在出發(fā)之前，當(dāng)時的杰斐遜總統(tǒng)曾叮囑路易斯，他的任務(wù)是探索可作為商業(yè)用途的交通水路，而且“必須利用各種方法與我們保持聯(lián)系?！?/p>