还记得科幻大片《星际效应》，主角库柏亲眼看到女儿墨菲和儿子汤姆的影片，体会跨越时空的思念和绝望时，痛哭流涕的模样吗？
令人佩服的是，这镜头准确描绘不可抵抗的宇宙物理法则之下，跨越时空的资讯传递有多艰难缓慢。相对论的铁律无法折弯，当库柏收到黑洞另一边传来的影片，儿女早已长大成人，永远失去陪伴他们成长的重要时光。
天上一日，人间十年，导演仅用一次非常人性化的镜头，完美契合电影“穿越时空的爱”主题，令人印象深刻。
而现实世界，人类还没有发明出穿越黑洞的资讯交换方式（就算有也无法测试），就连飞行器和地面、航太器通讯，很大程度仍然靠射频讯号，复杂程度并没有想像高，但不同系统不相通。简单来说，太空没有统一网络。
那为什么不为星际通讯创造星际网络？
TCP/IP 协定共同发明者、图灵奖得主、被誉为“互联网之父”之一的 Vint Cerf（Vinton Gray Cerf），从 1998 年就开始想这个问题了。
今年 76 岁高龄的他，本就有高血压和冠状动脉疾病，属于高危险族群，今年 3 月更感染武汉肺炎，所幸痊愈。
近日 Cerf 因自己带头的星际网络协定 DTN，接受 Quanta Magazine 采访。
Cerf 表示，对今日的互联网深感担忧，认为充斥假资讯、病毒软件和网络攻击。这也是为什么他将大部分精力移转到全新“星际网络”计划──或更准确说，为未来的星际网络设计最关键的底层协定，就像 TCP/IP 之于我们熟悉的网络。
“和地球网络相比，星际网络是很令人耳目一新的课题，让我们聚焦纯粹的科学结果。”
为什么需要星际网络？
如果你几个月前看过 SpaceX 和 NASA 合作首次民间航太公司载人上太空的发射直播，可能会记得，各阶段需要多次检查，是以语音沟通，一边说一句话后，要过好几秒才能收到另外一边的回答。
这还只是地球轨道。未来人类要重返月球，要去火星建立基地，还要执行更多载人飞往更远太空的各种工作。考虑到地球、太空飞行器、卫星、其他星球的相对位置，以及天文级的距离，通话延迟可能会变成几十秒，甚至几分钟。
科学探索总会有各种艰难的条件限制，过去几十年，科学家也不得不适应这种超慢、无法立即得到结果的沟通习惯。以 NASA 的勇气号火星车为例，因地面卫星站的天气，再加上距离远等各因素，从发出指令到收到回答，中间要经过几十分钟。更别提火星车的资料带宽只有 28Kbps，还一开天线就过热。
这种感觉，可是连不上 Zoom 就抱怨的人想像不到的。
▲ 火星车传回的火星地表拼接照。
习惯了几乎无延迟网络的地球人，将来上天后要怎么办？所以，要有星际网络。
1998 年，NASA 阿波罗计划的元老成员、太空通讯专家 Adrian Hooke 召集 Cerf 等 8 人，探讨一大课题：未来的太空探索需要什么，有哪些是现在就能开始做的？
重要问题之一，就是提高太空通讯效率。Hooke 小组思考，能否结合地球网络的技术和逻辑，改善太空通讯？
可以这样理解：当时的太空通讯系统，大部分为割裂和各自独立。比方说 A 国发射一颗担负某特定工作的卫星，B 国另一项工作临时需要中继通讯，A 国卫星正好在中间，但两个系统的通讯方式不相容，无法合作。
半世纪以前，地球为数不多的网络也是这样。Cerf 被誉为网络之父，正是因 TCP/IP 为底层协定，才成就后来的全球互联网。到了太空，人类也需要和 TCP/IP 扮演相似角色的底层协定，就将是搭建星际网络的基石。
Hooke 主导后来的星际网络底层协定计划，Cerf 成为团队的重要技术专家，一直贡献所长，到今天持续超过 20 年。
其实两人在各自领域的地位也颇相似。Hooke 的职业生涯主导和参与开发许多太空通讯技术协定和国际标准，还创办国际太空机构合作组织 CCSDS，致力推动各国官方太空组织合作，包括各国太空飞行器共用通讯协定。Hooke 已于 2012 年去世，Cerf 则继续老朋友的研究。
多年探讨和研发过程，团队总结出三大太空通讯挑战，也是需要星际网络的理由：
- 物理限制：星球有不同自转和公转情况，变化间距很大，导致星际通讯时间长、窗口短、传送不稳定。根据估算，地球和火星的通讯时间至少数分钟，和冥王星则长达数小时。如果碰到太阳喷发，错过最佳时机，等下一次窗口开放又不知要到什么时候。
- 传送量小：受制于卫星品质、功耗、成本等硬件设计因素，目前传统太空通讯资料负载量很小，且带宽不对称，甚至可达上下行 1:1,000。
- 没有固定基础设施：由于第一条星球 A 到星球 B 的太空通讯，网络线节点随时变化，因此没有固定中继点可随时连线两星球这种事。
比方说地球某美国装置想连线澳洲网络，中间可能有无数中继路线可选（如下图）。而在太空，两个装置建立通讯，需要根据星球运动和各种情况，提前规划和安排。
那么，Cerf 团队提出的星际网络，究竟是什么样的？
DTN：干扰／延迟容忍网络
2003 年 Hooke、Cerf 等人共同发表论文《延迟容忍网络：星际网络的达成方式》，正式提出 DTN（delay-tolerant networking 延迟容忍网络）为星际网络的协定标准。
DTN 协定采用和互联网相似逻辑：将封包当成基本传送单位，采用分组交换通讯方式（packet switching，也即资料传送时分成若干段，每段为一包）；整个网络架构有多个节点。
不一样之处在于，地球网络的节点只负责转寄，不负责储存资讯，如果整条路径某一点断了，或遇到塞车，节点会抛弃封包──就是常说的“丢包”现象。
为了解决前面提到的太空通讯三点挑战，DTN 的设计要求每个路线也要有储存资料的能力。比方说从地球传资料到木星，中间需要一台火星路由器。考虑到行星自转情况，或当时火─土相对位置并不合适，导致资料无法传送，DTN 的设计就是要求火星路由不要抛弃封包，而是储存封包，改天再传送。
下图是 DTN 的网络架构示意图，可看到每个节点都不是简单点，而是代表行星的圆圈，考虑到自转及公转情况不同，和另一颗行星的通讯路径和带宽都会有变化。
理想情况下，如果够多行星（包括地面和轨道）有够多节点，不敢说任两颗行星随时都能连线，至少太空通讯的窗口会更多更久，通讯可更频繁。
但很少人知道的是，Cerf 等人提出的 DTN 概念 15 年前就有人使用了。
为了解决前面提到的火星车资料传送问题，NASA JPL 工程师透过类似“OTA 固件升级”的方式，远端改写火星车和发射到火星轨道的卫星通讯协定。
结果火星车加上卫星，再加上澳洲、西班牙和美国 3 台地面卫星站，就成为迷你版 DTN 式星际网络。
Cerf 团队还在国际太空站做了测试，让太空站的太空人透过采用 DTN 为底层协定的通讯方式，成功遥控位于德国的机器人。
此测试对未来人类探索火星等地外行星有很大意义，毕竟科学家在地球遥控火星车只延迟 20 分钟，但很可能一次操作传过去，几十分钟后发现探测车掉下悬崖，几十亿元就泡汤了。未来当太空人上火星，可以不用登陆，直接在火星轨道操纵火星车落地就行。
除此之外，NASA 的深度撞击号探测器执行探测哈特雷二号彗星的工作时，机上也搭载 DTN 通讯协定，帮助 Cerf 团队拓展协定的测试范围。
深度撞击号 2013 年传回约 700 公里以外拍摄的哈特雷二号彗星照片，这也是自从人类 1986 年透过天文望远镜首次发现哈特雷二号以来，拍到最清晰的照片：
▲ 照片经增强处理。
2018 年，Cerf 和 Google 同事 Brian Barritt（Cerf 另一个身份是 Google 副总裁兼首席网络布道师）共同发表一篇论文，介绍设计的 Loon SDN──管理 DTN 网络装置的软件定义网络和云端服务。
Loon SDN 的名字可能有点眼熟，这是因技术底层来自原 Google X 实验室（Google 重组后改名为 X 登月实验室）的气球上网计划 Project Loon。Loon SDN 能根据情况按需求配置无线网络架构，在地球大气层和太空节点间传输封包。
这可看做太空 AWS 或微软 Azure 等云端计算平台，管理太空通讯就像管理千里外的服务器轻松。软件即服务的时代，NASA 下一代太空通讯架构设计，也向这方向靠近。
尝试新技术总会遇到挑战，但 Cerf 对 DTN 很有信心。他认为这协定已得到够多测试，也努力说服更多太空机构和商业航太公司整合 DTN 到他们的系统。
他经常听到“这太冒险了！”“给我证明你这东西有用！”之类的话。只有说服这些人，让更多搭载 DTN 的太空飞行器──无论来自哪个国家、哪家公司，负责什么工作──飞上天，才能建立真正的星际网络。
总是西装三件套的 Cerf 给人“绅士”印象很强，其实他也有件有名 T 恤，上面写着一句双关语“I P on Everything”。
因 Cerf 共同创造的 TCP/IP 协定，地球的每个网络连线装置都有自己的位址。如果 DTN 理想能达成，Cerf 又会有新名言诞生了：I P on everything, even in space.
（本文由 品玩 授权转载；首图来源：NASA）
