文特·瑟夫的太空互联网建设计划

太空探索是困难的，尤其是因为它很难沟通。宇航员需要与任务控制中心通话，理想情况下是通过视频通信，而航天器需要传回他们收集的数据，最好是以高速和尽可能少的延迟。起初，太空任务设计并携带了他们自己独特的通信系统；这工作得足够好，但它并不完全是效率的典范。1998年的一天，互联网先驱文顿·瑟夫(Vinton Cerf)设想了一种能够提供更丰富容量的网络，以服务于越来越多的太空人员和车辆。星际互联网的梦想诞生了。

但是，将互联网扩展到太空不仅仅是在火箭上安装Wi-Fi的问题。科学家们有新的障碍需要解决：涉及的距离是天文数字，行星四处移动，可能会阻塞信号。地球上的任何人想要向另一个星球上的某人或某事发送信息，都必须与经常中断的通信路径作斗争。

“我们开始为(互联网标准)做数学计算，这些标准在地球上运行得非常好。然而，光速太慢了，“瑟夫在谈到他与星际网络特殊兴趣小组的同事们早期的工作时说。克服这个问题将是一项重大的任务，但这位美国计算机科学家和前斯坦福大学教授已经习惯于帮助实现大事。

几十年前，瑟夫和罗伯特·卡恩--“互联网之父”--为地面互联网开发了称为传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)的体系结构和协议组。任何曾经在网上冲浪、发送电子邮件或下载过应用程序的人都应该感谢他们，尽管瑟夫很快就回击了这个花哨的标题。“很多人为互联网的创建做出了贡献，”他用他一贯从容的声音说。

要在地球互联网上传输数据，TCP/IP需要完整的端到端路由器路径，这些路由器通过铜缆或光缆或蜂窝数据网络等链路转发信息包。瑟夫和卡恩没有设计互联网来存储数据，部分原因是内存在20世纪70年代初太贵了。因此，如果路径上的链路断开，路由器会丢弃该数据包，然后从源重新发送该数据包。这在地球的低延迟和高连通性环境中工作得很好。然而，太空中的网络更容易中断，需要不同的方法。

瑟夫说：“TCP/IP在星际距离上不起作用。”“所以我们设计了一套可以做到这一点的协议。”

2003年，Cerf和一小组研究人员引入了捆绑协议。捆绑是一种中断/延迟容限网络(DTN)协议，具有将互联网(字面意思)带出这个世界的能力。就像地球互联网的基础协议一样，捆绑也是分组交换的。这意味着数据包通过切换数据沿网络路径移动方向的路由器从源传输到目的地。然而，捆绑具有地面互联网所不具备的特性，例如可以存储信息的节点。

Cerf解释说，例如，从地球到木星的数据包可能会通过火星上的中继。然而，当数据包到达中继时，在4亿英里的旅程中大约4000万英里，火星可能没有正确定向，无法将数据包发送到木星。“为什么要扔掉这些信息，而不是坚持到木星出现呢？”瑟夫说。这种存储转发功能允许捆绑包一次一跳地导航到它们的目的地，即使有很大的中断和延迟。他关于这个主题的最新论文强调了Loon SDN(一种能够管理在天空中移动的网络的技术)对NASA下一代空间通信架构的适用性。

除了星际互联网，现年70多岁的瑟夫还专注于他作为谷歌首席互联网布道者的日常工作。这是他欣然接受的一个奇特的标题，洋溢着传教士的渴望，希望通过全球政策发展，将互联网传播给世界上数十亿没有互联网的人。他既雄心勃勃，又有严肃的想法，同时又保持着顽皮的一面。尽管他通常留着修剪整齐的胡子和三件套西装-有人说他是“黑客帝国”(Matrix)电影中这位神一样的建筑师的灵感来源-但他曾经发表过一次主题演讲，解开了他的夹克和衬衫，超人风格的纽扣，露出了一件T恤，上面写着：“我什么都穿！”

在瑟夫从新冠肺炎康复后不久，就在他参加虚拟海德堡桂冠论坛之前，广达杂志采访了他。为清楚起见，采访内容经过了浓缩和编辑。

1998年春天，我们九个人聚集在喷气推进实验室问：我们应该做些什么来预测25年后我们可能需要进行太空探索？阿德里安·胡克(Adrian Hooke)曾在喷气推进实验室工作，后来也在NASA总部任职，他是真正支持和推动这一点的人。他几年前去世了，但他把这个团队团结在了一起。

我们已经探索太阳系几十年了，但这次探索-无论是载人的还是机器人的-通常都涉及无线电通信，要么直接点对点，要么通过所谓的弯管：接收信号并重新广播的无线电中继，以提高信号到达地球的可能性。

我们小组问：我们能做得更好吗？我们能否利用互联网的技术来改善空间通信，特别是随着时间的推移，航天器的数量不断增加，或者我们开始在月球或火星上定居？

那么，在捆绑协议构思了20年之后，星际互联网已经启动并运行了吗？

我们不需要建造整个东西，然后希望有人使用它。我们寻求制定标准，就像我们对互联网所做的那样；免费提供这些标准；然后实现互操作性，以便不同的航天国家能够相互帮助。

我们正在为多任务基础设施采取下一个明显的步骤：设计星际主干网络的能力。你建造下一次任务所需的东西。随着航天器的建造和部署，它们携带的标准协议成为星际主干的一部分。然后，当它们完成主要的科学任务时，它们会被重新定位为骨干网络中的节点。随着时间的推移，我们共生了一个星际脊梁。

2004年，火星漫游者本应通过深空网络-澳大利亚、西班牙和加利福尼亚州的三个70米长的大型天线-直接将数据传回地球。然而，该信道的可用数据速率是每秒28千比特，这并不多。当他们打开收音机时，它们过热了。他们不得不后退，这意味着返回的数据会更少。这让科学家们脾气暴躁。

喷气推进实验室的一名工程师使用原型软件--这太酷了！--从数亿英里之外对火星车和轨道器进行了重新编程。我们建立了一个小型的存储转发星际互联网，基本上有三个节点：火星表面的漫游车，轨道器和地球上的深空网络。从那以后就一直在运行。

我们一直在改进这些协议的设计、实施和测试。最新的协议是在地球和国际空间站之间来回运行中继。我们还做了其他一些很酷的测试。一艘名为EPOXI的宇宙飞船正要去访问几颗彗星，当时距离地球约81光秒，我们被告知，“如果你上传你的协议并在那艘宇宙飞船上进行测试，我们没有问题。”所以我们也这么做了。

我们在国际空间站做了另一项测试，宇航员在那里控制着德国的一个小型机器人运载器。通常情况下，你不会这么做：如果你试图在火星上驾驶一辆车，你的信号需要20分钟才能到达那里，你可能会转动方向盘，20分钟后，汽车转向并坠落悬崖。然后，20分钟后，你发现你刚刚丢了价值60亿美元的车。它在国际空间站和地球之间工作，因为它只有几百英里。想象宇航员没有真正降落在地球上的任务并不是完全疯狂的。他们只需绕着它运行，并在地面上实时部署远程设备。

用户体验如何？星际互联网的捆绑协议感觉与地球互联网的TCP/IP协议相同吗？

过不了多久，您就不再处于交互模式。您要么处于超时模式，要么处于类似于电子邮件的hi-this-is-a-nice-video-recording-I-recorded-several-hours-ago模式。协议的导向是认识到延迟消除了交互的可能性。这对协议设计施加了限制。

看起来你已经解决了主要问题，但还有什么问题要解决吗？

就技术设计和实现协议达成一致是一回事。这是让它们在需要的地方投入使用的另一种方式。做新东西有很多阻力，因为“新”的意思是：“那可能有风险！”和“让我看看它是如何工作的！”除非你冒这个险，否则你不能证明这一点。

我们正在努力说服设计太空任务的人，让他们相信这些东西经过了充分的测试。这是一场艰苦的战斗，还有很多事情要做。我们必须让支持太空探索的商业公司拥有现成的能力。我们必须让设计任务的科学家说：“这就是我们现在的能力。”

那样的话，你就可以更加雄心勃勃，并利用我们拥有星际主干这一假设。如果你一开始就假设你没有，那么你就会设计一项通信能力有限的任务。

星际互联网会允许新的太空探索方法，从而可能产生新的发现吗？

星际互联网是一个旨在支持星际活动的基础设施，这些活动可能是研究，但有朝一日也可能是商业化的。它是一种基础设施，就像互联网是一种基础设施一样。互联网不会发明或发现任何东西。它只是一种媒介，人们可以通过它进行协作工作，并可以发现新事物。

瑞典的一位工程师有了尝试DTN协议来追踪拉普兰驯鹿的想法，那里的萨米人部落已经放牧了8000年。驯鹿四处游荡，时而保持无线电联系。这是一个不可预测的环境，这与你可以计算轨道力学并预测可能发生的接触的环境有很大的不同。在通信难以预测的情况下，这种机会主义的能力正在拉普兰接受测试。

此外，在海洋研究中，你有仪器在海洋表面或海底产生和积累数据，但你不一定与它们有连续的连接。对于地球观测，传感器可以间歇性地扫描森林，但不能连续广播。在完全连接的互联网环境中，您可以在生成数据时将其删除。但这在断断续续连接的环境中是行不通的。你需要一个协议，上面写着：“不要惊慌！没关系，抓紧就行了。“。此外，电池驱动的设备不应该在本可以更高效的时候不断传输。

存储转发、间歇性功能在陆地上非常有用，特别是在发生重大灾难之后，此时您可能没有太多通信能力。可以在资源不足以提供TCP/IP样式的覆盖的快速恢复模式中使用DTN。

那么，对于地球上所有的互联网来说，从TCP/IP转换到DTN有意义吗？

我们已经展示了，即使DTN协议比传统的TCP/IP协议有更多的开销，您也可以让它们高速工作。但是，要在所有地方引入DTN将是非常困难的，因为看看有多少TCP/IP。在互联网方面，也有另一套称为Quic的协议的演变，它不仅实现了更快的数据速率，还实现了从故障或断开连接中更快的恢复。然而，这种演变并不是朝着DTN的方向发展的。

另一方面，对于连通性仍然不确定的手机来说，DTN功能可能相当不错。我们现在正在研究在移动环境中实现DTN。

作为互联网之父和布道者，您对自己的创作有什么顾虑吗？

互联网的滥用。错误信息和恶意软件。有害的攻击。网络钓鱼攻击。勒索软件。意识到人们会利用这样的基础设施，它有如此多的希望，带来了如此多的成果，并用它做坏事，这是痛苦和令人痛心的。不幸的是，这是人类的本性。

我们需要在线环境中的额外治理，但这很难做到。中国人建造了一道巨大的防火墙，然后将里面的所有人都置于监视之下。这不一定是我们其他人想要生活的社会，但我们仍然必须应对这个问题。我们怎么才能在不走到那个极端的情况下应付呢？我没有一个好的答案。我希望我知道。

这件事现在在我的脑海中挥之不去。事实上，星际之间的东西是一个令人耳目一新的转变，因为在那里，我们几乎纯粹在考虑科学结果。