火星和地球之間光速通訊有數(shù)百至上千秒延遲，未來(lái)人類在火星如何部署網(wǎng)站、

時(shí)間：2024-01-29 21:20:01 | 來(lái)源：網(wǎng)站運(yùn)營(yíng)

時(shí)間：2024-01-29 21:20:01 來(lái)源：網(wǎng)站運(yùn)營(yíng)

火星和地球之間光速通訊有數(shù)百至上千秒延遲，未來(lái)人類在火星如何部署網(wǎng)站、應(yīng)用？：Update: 星際移民中心制作了通信延遲工具：http://interimm.org/comms-latency/

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（這個(gè)問(wèn)題在星際移民中心的討論組討論過(guò)：火星全球通信系統(tǒng)以及火星行星際通信系統(tǒng) · Issue #58 · InterImm/InterImmBook · GitHub ）




說(shuō)有三個(gè)層次的問(wèn)題，如何設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)，通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)（如何部署網(wǎng)站）的問(wèn)題。一個(gè)簡(jiǎn)短的答案：

• 中繼衛(wèi)星設(shè)計(jì)：下文（傳播信號(hào)問(wèn)題一部分）中提到的太陽(yáng)極軌道中繼和 Non-Keplerian 軌道的中繼衛(wèi)星。以 Non-Keplerian 軌道上的中繼衛(wèi)星為例，從地球出發(fā)到火星，僅僅比地球火星之間的直線距離增加 2.3 光分的距離，而且是在任意時(shí)刻僅僅比直接從地球到火星直線傳播的信號(hào)多花 2.3 分鐘，非?？?。
• 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：使用 DTN 協(xié)議。下文有解釋。
• 網(wǎng)站設(shè)計(jì)：在各個(gè)行星上設(shè)立緩存服務(wù)器，平時(shí)在兩個(gè)行星的緩存服務(wù)器之間同步，而不是用戶點(diǎn)了按鈕在火星請(qǐng)求一次，再?gòu)牡厍虬褍?nèi)容傳給火星。

# 傳播信號(hào)問(wèn)題：




（之所以沒(méi)有考慮信號(hào)衰減的問(wèn)題是因?yàn)檫@并不是一個(gè)很大的問(wèn)題，現(xiàn)在就可以了。而且未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向就是激光通信，衰減的問(wèn)題至少不會(huì)成為一個(gè)障礙。關(guān)于 NASA 的激光通信的活動(dòng)請(qǐng)參考 LCRD | Goddard Space Flight Center）

1. 火星全球通信沒(méi)啥問(wèn)題，跟地球差不多吧，用衛(wèi)星來(lái)做，或者基站（沒(méi)有電離層好麻煩需要好多基站）。
2. 火星地球這種行星際通信就問(wèn)題很多?；鹦呛偷厍蛑g的通信跟兩者在軌道上的相位有關(guān)。如果中間隔了個(gè)太陽(yáng)，那通信就麻煩了。這時(shí)候需要中繼衛(wèi)星。

所以我們需要中繼衛(wèi)星，而中繼衛(wèi)星的設(shè)計(jì)方法很多，基本上分為兩類：Kepler 軌道上的中繼衛(wèi)星和非 Kepler 軌道的中繼衛(wèi)星。

• Kepler 軌道中繼衛(wèi)星的例子

大多設(shè)計(jì)都是 Kepler 軌道上的中繼衛(wèi)星，也就是不需要額外的燃料來(lái)維持軌道，而是在引力作用下自由落體圍繞天體轉(zhuǎn)動(dòng)的。具體衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)是很多種的，例如下面這種太陽(yáng)極軌道衛(wèi)星[1]：




這篇文章是一個(gè)利用太陽(yáng)的極軌道上的三顆衛(wèi)星做中繼，結(jié)合行星的同步衛(wèi)星來(lái)通信的。這種設(shè)計(jì)最少只需要三顆就可以滿足全太陽(yáng)系的中繼的需求了，但是需要三顆衛(wèi)星的相位錯(cuò)開(kāi) 120 度[1]，如下圖：




這樣在太陽(yáng)系任何一顆行星的位置都可以通過(guò)這三顆中的至少一顆來(lái)中繼。




同時(shí)這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)也很明顯，那就是太陽(yáng)極軌道衛(wèi)星的發(fā)射和維修的燃料消耗都是巨大的，好在不需要很多顆。




所以在沒(méi)有太陽(yáng)遮擋火星地球通信的時(shí)候，可以直接地球和火星之間，但是在太陽(yáng)遮擋了地球和火星通信的時(shí)候，需要使用太陽(yáng)極軌道中繼衛(wèi)星。所需要多花的時(shí)間可以忽略不計(jì)。

• 非 Kepler 軌道中繼衛(wèi)星的例子
  

第二篇參考文獻(xiàn)提到了很多的不在 Keplerian 軌道的通信衛(wèi)星。如果使用太陽(yáng)帆的話，倒也不需要攜帶燃料。不過(guò)這是理論階段，并不知道太陽(yáng)帆衛(wèi)星作為軌道維持的動(dòng)力能不能成功。

之所以叫做 Non-Keplerian 軌道上的衛(wèi)星，是因?yàn)檫@些衛(wèi)星并不是單單在引力作用下運(yùn)行的，而是有個(gè)持續(xù)的推動(dòng)力。例如這里面的兩顆衛(wèi)星的額外的推動(dòng)力至少有個(gè)向上的分力。




上圖中，Sun-Mars L1/L2Hover 那個(gè)在軌道上方 0.176AU 的地方。Sun-Earth L1/L2 Hover 那個(gè) 0.116AU。論文[2]中提到使用太陽(yáng)帆或者離子發(fā)動(dòng)機(jī)都行。由于火星太陽(yáng)拉氏點(diǎn)（1、2）距離火星很近（大約都是距離火星 0.007AU），相比于這個(gè)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的其它的距離要小得多，所以在下面的示意圖中，全部使用近似在火星上方的示意圖。地球同。










總之中繼衛(wèi)星基本上是必備品。上面的 Non-Keplerian 衛(wèi)星是一種比較省錢(qián)而且延時(shí)小的設(shè)計(jì)，由于中繼衛(wèi)星一直在火星和地球正上方，基本上信號(hào)是往上，到達(dá)衛(wèi)星，然后直線到達(dá)火星上面的中繼衛(wèi)星，再由中繼衛(wèi)星下來(lái)。從地球出發(fā)到火星，僅僅比地球火星之間的直線距離增加 2.3 光分的距離，而且是在任意時(shí)刻僅僅比直接從地球到火星直線傳播的信號(hào)多花 2.3 分鐘，非?？?。




不過(guò)，在沒(méi)有太陽(yáng)遮擋的時(shí)候（火星地球在太陽(yáng)同一側(cè)的時(shí)候），是不需要這兩顆中繼衛(wèi)星的，直接通信是最省的方案。只有在有太陽(yáng)遮擋的時(shí)候才啟用上述兩顆 Non-Keplerian 中繼衛(wèi)星。







# 通信協(xié)議問(wèn)題




如果是網(wǎng)絡(luò)通信的話，是需要很小心的，因?yàn)樘胀ㄐ诺膬傻叵嗑嗪苓h(yuǎn)，而且丟包率很高，傳統(tǒng)的通信方式，會(huì)比較費(fèi)時(shí)間或者通信終端。（ @葉名琛 提到了這個(gè)問(wèn)題。）




所以 InterPlanetary Networking Special Interest Group (IPNSIG) 重新設(shè)計(jì)了一個(gè)星際網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，叫做 DTN 協(xié)議，Delay-Tolerant Networking，這個(gè)協(xié)議并不假定連續(xù)的 N-N 鏈接（星際中容易丟包），如果暫時(shí)找不到目標(biāo)，數(shù)據(jù)并不會(huì)丟掉，而是儲(chǔ)存起來(lái)，直到下次能夠跟其他地方建立連接。因?yàn)樘罩衼G包或者被遮擋而不能通信的情況很多。所以 DTN 比較適合行星際的通信。 實(shí)際上如果可能，可以在很多衛(wèi)星上裝上這樣的模塊，形成一個(gè)行星際網(wǎng)絡(luò)。




NASA 已經(jīng)在火星探測(cè)器上測(cè)試過(guò) DTN 協(xié)議了。DTN 的創(chuàng)始人之一在一次 TED 演講中向大家展示了未來(lái)星際網(wǎng)絡(luò)的愿景：利用 DTN 協(xié)議把太陽(yáng)系的各個(gè)探測(cè)器聯(lián)系起來(lái)，每個(gè)都可以作為中繼，最終形成一個(gè)太陽(yáng)系的行星際網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，然后利用這個(gè)結(jié)構(gòu)可以向恒星際擴(kuò)展（因?yàn)檫@樣的話整個(gè)太陽(yáng)系就成為一個(gè)巨型的接收器）。







# 網(wǎng)站的部署




其它的問(wèn)題還有很多，比較重要的一個(gè)是延時(shí)的問(wèn)題。由于人類傳播信息的速度有限，所以從一個(gè)地方到另一個(gè)地方會(huì)花費(fèi)時(shí)間，而行星際通信里面就會(huì)凸顯出來(lái)。




下面是從 2014 年 6 月 30 日到 2016 年 6 月 19 日之間，地球和火星之間的距離變化，橫軸是時(shí)間，縱軸是距離，單位是 AU。而光前進(jìn)一個(gè) AU 所需要的時(shí)間大約是 8 分鐘?？梢韵胂脒@樣的延時(shí)下面，地球的 Dota 玩家和火星的 Dota 玩家之間連線是不太現(xiàn)實(shí)了，即使是玩回合制的游戲也是很沉悶無(wú)聊的。







在多年之內(nèi)看的話，距離也差不多是這個(gè)量級(jí)上，







現(xiàn)在終于準(zhǔn)備好了回答題目中的問(wèn)題了：

如何部署網(wǎng)站、應(yīng)用，讓兩邊的人都容易打開(kāi)，并且信息延遲最小


當(dāng)然，中繼衛(wèi)星越多，差不多會(huì)越省時(shí)間，例如 @KX Wang 的設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)甚至也不需要，實(shí)際上在這個(gè)回答上面提到的 Non-Keplerian 衛(wèi)星也會(huì)很節(jié)省時(shí)間，而且要比 @KX Wang 這個(gè)設(shè)計(jì)要稍微省錢(qián)些（要知道發(fā)射這種衛(wèi)星非常費(fèi)錢(qián)）。
















對(duì)于普通的網(wǎng)站，我們現(xiàn)今地球上也有類似的情況，曾經(jīng)有那樣的說(shuō)法：世界上最遙遠(yuǎn)的距離是電信和網(wǎng)通之間的距離（雖然現(xiàn)在已經(jīng)沒(méi)有什么距離了）。所以我們需要專門(mén)的線路為不同的星球上的人服務(wù)。




例如在火星上緩存地球上的網(wǎng)站；或者由網(wǎng)站購(gòu)買(mǎi)火星服務(wù)器，直接在火星上提供服務(wù)。




不過(guò)，使用 cache，在行星開(kāi)放建設(shè)的早期，可能只能用戶自己解決，就是其它行星上用自己的服務(wù)器 cache 網(wǎng)頁(yè)。不過(guò)隨著行星開(kāi)發(fā)，后來(lái)應(yīng)該會(huì)有專門(mén)的 cache 服務(wù)商?；蛘呔W(wǎng)絡(luò)提供方或者運(yùn)營(yíng)商會(huì)直接提供這樣的行星之間無(wú)縫連接，例如有的互聯(lián)網(wǎng)公司可以購(gòu)買(mǎi)了火星的服務(wù)器來(lái)托管一份網(wǎng)站鏡像，對(duì)于交互式的網(wǎng)站（比如社交網(wǎng)站）更加方便了。

不過(guò)這就需要火星有個(gè)獨(dú)立的 information infrastructure.







順便說(shuō)一下，Mars One 的設(shè)想是，在火星上安裝一個(gè)緩存服務(wù)器，先把網(wǎng)站緩存在火星服務(wù)器上，火星上的人瀏覽的時(shí)候從緩存服務(wù)器獲取網(wǎng)頁(yè)。這在早期確實(shí)是一個(gè)比較實(shí)惠的方案。
















參考文獻(xiàn)：

1. Concept for Continuous Inter-planetary Communications
   
2. A Novel Interplanetary Communications Relay
   
3. Introduction to Delay & Disruption Tolerant Networking (DTN)
4. InterPlanetary Networking Special Interest Group (IPNSIG) 是致力于行星際通信網(wǎng)絡(luò)的組織，他們的 DTN 協(xié)議被 NASA 采用了。
   
5. 關(guān)于火星開(kāi)發(fā)，可以關(guān)注一下星際移民中心 ：http://interimm.org/

http://interimm.org/ (二維碼自動(dòng)識(shí)別)