Интернет и криптография в космосе

Интернет есть уже практически во всех уголках Земли — и не только на ее поверхности. Доступом в Сеть на борту самолета никого не удивишь, пользуются Интернетом и космонавты на борту МКС. Космические агентства уже готовятся двигаться дальше и подключить к мировой паутине другие планеты Солнечной системы.

Интернет в космосе нужен не только и не столько для работы: он помогает людям, находящимся вдали от родной планеты, поддерживать связь с домом. Рассказываем, как он работает сейчас и как будет работать в перспективе.

WWW на МКС

Экипаж Международной космической станции впервые смог выйти в Интернет в 2010 году. Доступ к мировой паутине обеспечило НАСА. Чтобы им воспользоваться, астронавты по спутниковой связи подключаются к компьютеру в Хьюстоне как к удаленному рабочему столу и уже с него выходят в Сеть. Так безопаснее: даже если кто-то из команды МКС нечаянно откроет вредоносную ссылку или файл, злоумышленники смогут добраться только до компьютера на Земле.

В честь появления Интернета на МКС астронавт НАСА Тимоти Кример (Timothy Creamer) опубликовал первый в истории твит из космоса:

Российский космоинтернет

Россия тоже планирует в обозримое время подключить к Интернету свой сегмент МКС. Для этого будут использовать систему спутников-ретрансляторов «Луч», которая пока находится на модернизации.

В прошлом году космонавты Александр Мисуркин и Антон Шкаплеров усовершенствовали антенну на станции, чтобы она могла принимать большие объемы данных со спутника, и заодно установили российский рекорд по времени работы в открытом космосе — 8 часов 12 минут.

По словам исполнительного директора «Роскосмоса» по пилотируемым космическим программам Сергея Крикалева, новое оборудование уже протестировано, так что связь с МКС через спутники «Луч» вот-вот должна заработать.

Изображение "Лаборатории Касперского"

Спутниковые загвоздки

Конечно, Интернет на МКС далеко не такой быстрый и бесперебойный, как у вас дома. У спутниковой связи, в отличие от проводной, есть как свои плюсы — например, то, что она работает там, куда не получится дотянуть провода, — так и свои сложности.

Высокий пинг и низкая скорость

Хотя станция находится на высоте около 400 км от Земли, путь, который проделывают данные, гораздо длиннее. Сначала сигнал с МКС отправляется вверх — на спутник-ретранслятор, расположенный на высоте около 35,7 тысячи километров. И только оттуда он передается вниз, на наземную станцию космической связи.

Итого, общий пробег отправленной с МКС информации и ответа на нее составляет без малого 150 тысяч километров. Это путешествие требует времени. По словам одного из сотрудников НАСА, данные с МКС передаются с задержкой примерно в полсекунды, что где-то в 20 раз больше среднего показателя для кабельного Интернета.

Кроме того, спутниковый канал связи астронавты используют не только для выхода в Интернет. Они отправляют в центр управления полетами массивы научных данных и видео с камер (его их коллеги на Земле затем транслируют в Сеть, чтобы пользователи могли наблюдать за жизнью станции и видами с нее). Через тот же спутниковый канал астронавты общаются с Землей по аудио- и видеосвязи.

В результате для твитов и запросов к сайтам используется лишь малая доля пропускной способности этого канала. При этом если на Землю спутник может передавать до 300 Мбит данных в секунду, то с Земли на спутник скорость не превышает 25 Мбит/с. В общем, соединение на МКС сравнимо по скорости с древними модемами.

А еще станция время от времени выходит из «зоны видимости» спутников. Из тех полутора часов, за которые МКС облетает Землю, она может до 15 минут оставаться без связи вообще.

Ограниченный запас топлива

С Землей спутники поддерживают постоянный контакт: они вращаются с той же скоростью, что и сама наша планета, и все время находятся над одной и той же точкой. Правда, положение спутника на орбите время от времени приходится корректировать, иначе он рискует с нее сойти и пропасть со связи. Для маневров ему необходимо топливо. Однако спутник — не машина и даже не самолет, на Землю для дозаправки его не вернешь.

Чтобы решить эту проблему, компании в разных странах ищут способы заправлять аппараты прямо в космосе. Системы для поставки топлива на спутники тестируют в американском сегменте МКС, в канадской компании MDA Corporation и британско-израильской компании Effective Space Solutions. А Европейское космическое агентство (ЕКА) разработало двигатель, способный использовать вместо топлива молекулы воздуха из верхних слоев атмосферы Земли.

Нехватка электроэнергии

Частично проблему с топливом можно решить за счет электричества: оно позволяет снизить расход топлива, при этом запас энергии возобновляется при помощи солнечных панелей. Электричество нужно и для связи с Землей и другими космическими аппаратами. Между тем часть времени спутники от Солнца заслоняет наша планета, и они работают исключительно от аккумуляторов, емкость которых ограниченна.

Российские ученые предлагают запустить на орбиту несколько десятков роботов, способных заряжать спутники, которым не хватает энергии. Эти роботы смогут преобразовывать в энергию не только солнечное излучение, но и радиосигналы с Земли. Они могут продлить срок жизни космического аппарата в 1,5 раза, а заодно облегчить его, избавив от необходимости возить «лишние» аккумуляторы и солнечные панели.

Перегрев

Космические ретрансляторы, постоянно работающие на полную мощность, сталкиваются с проблемой перегрева. Поскольку воздуха на орбите нет, вентиляторы, которые используются для охлаждения компьютеров на поверхности планеты, тут не помогут. В итоге, несмотря на то что в космосе гораздо холоднее, чем на поверхности нашей планеты, проблему с отводом тепла от оборудования решать гораздо сложнее.

Чтобы спутник не перегрелся, его оборудуют радиаторами — устройствами, преобразующими тепло в излучение. Чем мощнее спутник, тем крупнее должен быть радиатор. Так, для охлаждения 25-киловаттных спутников связи нового поколения ученые создали радиатор размером 4 x 1 метр.

Космическое излучение

Еще одна проблема — космическое излучение, которое мешает работе любой электроники. На Земле от него защищают магнитное поле и атмосфера планеты. На орбите этой защиты нет, поэтому электроника, используемая в космических аппаратах, как правило, делается из расчета на то, что ей придется противостоять радиации. И тем не менее космическое излучение остается одной из ключевых проблем для спутников.

На МКС, по словам космонавта Павла Виноградова, ноутбуки очень быстро выходят из строя, несмотря на то что сами модули станции неплохо защищены. Страдают и камеры: изображение быстро покрывается битыми пикселями. Кроме того, космическое излучение вносит серьезные помехи в передаваемые спутниками сигналы и может повредить отдельные сегменты памяти устройств.

Изображение "Лаборатории Касперского"

Радиация против криптографии

Воздействие излучения — одна из причин, по которым информация между Землей и многими космическими аппаратами передается в незашифрованном виде: если радиация повредит участок памяти, в котором хранится ключ шифрования, связь нарушится.

Причем эта проблема касается не только и не столько спутников-ретрансляторов, через которые экипаж МКС подключается к Интернету, — они как раз более-менее защищены. А вот о большинстве других аппаратов на орбите Земли этого не скажешь.

Отсутствие шифрования — вопрос больной, ведь спутники, как и наземные компьютеры, могут атаковать злоумышленники. Недавно в Европейском космическом агентстве запустили эксперимент, который направлен на то, чтобы исправить эту ситуацию. Исследователи тестируют два способа обеспечить надежное шифрованное сообщение со спутниками и сохранить их стоимость в пределах разумного.

«Зашить» в оборудование вспомогательный криптографический ключ. Если основной ключ будет поврежден, система сгенерирует новый на основе вспомогательного. Однако таких ключей можно создать лишь ограниченное количество.

Использовать несколько идентичных вычислительных блоков. Если в одном из них произойдет сбой, то можно переключиться на его полную копию, а тем временем перезагрузить первый и восстановить его работоспособность.

Устройство, на котором будут проверять работоспособность этих методов, в апреле этого года отправилось на МКС, где будет работать без перерыва не менее года. Оно базируется на серийном мини-компьютере Raspberry Pi Zero, благодаря чему стоит относительно недорого.

Правда, рассчитывать на то, что все общение со спутниками станет безопасным в ближайшее время не стоит: то, что уже запущено в космос, так просто не проапгрейдить.

Инопланетный Интернет

Пока одни исследователи улучшают защиту и пропускную способность спутников, другие задумываются о создании межпланетного Интернета. Проблемы, которые для этого необходимо решить, во многом схожи с теми, с которыми сталкивается экипаж МКС, а вот масштабы — совсем другие.

К примеру, до Марса сигнал идет от 3 до 22 минут в зависимости от положения Красной планеты относительно Земли. Это вам не полсекунды задержки. Кроме того, каждые два года на две недели прямая связь между Марсом и Землей прерывается: сигналы не проходят из-за Солнца, которое оказывается в это время между планетами.

Изображение "Лаборатории Касперского"

Есть у космического Интернета и специфические черты. Например, все узлы такой сети находятся в постоянном движении. В таких условиях технологии земного Интернета не годятся. Поэтому ученые разрабатывают альтернативные схемы обеспечения связи между Землей, Марсом, Луной и другими небесными телами. Эти схемы предполагают:

1. Внедрение протоколов передачи данных, рассчитанных на длительные задержки, значительно большую долю ошибок и регулярную недоступность узлов. Так, НАСА разработало модель передачи данных Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN). Согласно этой модели, промежуточные узлы сети (например, спутники) хранят информацию до тех пор, пока не получится передать ее следующему узлу.
2. Отказ от радиоволн, на которых сейчас строится общение со спутниками, и передача данных при помощи оптических (в частности, лазерных) излучений. Во-первых, оптическая связь позволяет ускорить передачу данных в десятки раз. Во-вторых, оптические приемники и передатчики компактнее и потребляют меньше энергии, что особенно важно для спутников-ретрансляторов.
3. Размещение спутников таким образом, чтобы они могли передавать сигнал вокруг Солнца даже тогда, когда Земля и Марс (или другие планеты — участницы космической Сети) расположены по разные стороны от светила.

Будущее ближе, чем кажется

Как видите, переписка в соцсетях и даже общение по видеосвязи с марсианами — не такая уж фантастика. Конечно, чтобы провести Интернет в открытый космос, человечеству еще придется потрудиться, но первые шаги в этом направлении уже сделаны.

Источник: «Лаборатория Касперского»