สถานีอวกาศนานาชาติ (International Space Station) ที่โคจรอยู่ประมาณ 300 กิโลเมตรเหนือหัวเรา นอกจากจะเป็นที่อยู่อาศัยของนักบินอวกาศแล้ว มันยังเป็นพื้นที่การทำงานที่ซับซ้อน เสี่ยงอันตราย และถูกออกแบบ ควบคุม ดูแล อย่างละเอียดที่สุดแห่งหนึ่งบน (เหนือ) โลก ซึ่งก่อนหน้านี้ เราเคยทำบทความเล่าเรื่องระบบไฟฟ้าบนสถานีอวกาศนานาชาติไปแล้ว ในบทความ เจาะลึกระบบไฟฟ้าบนสถานีอวกาศนานาชาติ State of the Art แห่งการจัดการพลังงานนอกโลก ในตอนนี้ เราจะมาพูดคุยกันถึงหนึ่งระบบที่ สำคัญไม่แพ้กัน เพราะถ้าไม่มีระบบนี้ ข้อมูลบน ISS จะวิ่งไปไหนไม่ได้เลย นั่นก็คือระบบ Local Area Network และระบบ Data Pipeline บนตัวสถานี
แน่นอนว่าในการทำงานวิทยาศาสตร์ การจัดการกับ Data Pipeline นั้น สำคัญมาก ๆ เพราะข้อมูลวิทยาศาสตร์ นอกจากจะเป็นข้อมูลดิบ (เป็น Binary แล้ว) บางทีอุปกรณ์แต่ละตัวก็จะยังมี Interface ที่แตกต่างกันไป ลองนึกตัวอย่างอุปกรณ์ที่เราใช้กันบนโลก แค่สายชาร์จก็มีหลายแบบแล้ว แค่ USB ก็มีหลายหัว หลายความเร็ว หลายรูปแบบไปหมด หรือใครที่เขียนโปรแกรมลงพวก Board เช่น Raspberry Pi ก็อาจจะถนัดใช้ Pin GPIO เป็น Stage ไป หรือบางคนก็ใช้ TCP/IP ในการวิ่ง เช่น การให้ข้อมูลวิ่งเป็น Package ผ่าน Port ต่าง ๆ ซึ่งในแต่ละแบบก็จะมี Layer ของมัน ตาม OSI Layer ที่เราเคยเรียนกัน (สำหรับใครที่ไม่รู้จัก OSI Layer มันคือนิยามของการส่งผ่านข้อมููลในระดับตั้งแต่ Physical เช่น สายไฟ หัวเชื่อมต่อ ไปจนถึงระดับ Application ซึ่งเป็น Software ซึ่งจะ Build on top ต่อกันไปเรื่อย ๆ)
ทีนี้พอมาอยู่บนสถานีอวกาศนานาชาติ ซึ่งมีการทดลองต่าง ๆ เต็มไปหมด ตั้งแต่ระบบการทำงานของตัวสถานีเอง, ข้อมูลที่วิ่งเข้าออกจากใน Scientific Payload ต่าง ๆ NASA จะเลือกออกอย่างไร บทความนี้เราจะมาหาคำตอบกัน (โดยเราจะเน้นไปทางฝั่ง Physical เป็นหลักก่อนนะ)
จริง ๆ แล้วสาย Data ที่ใช้ ก็หลากหลายแล้วแต่การใช้งาน
คำตอบอาจจะน่าเศร้านิดนึง แต่ว่าจริง ๆ แล้วบน ISS ก็ใช้สายข้อมูลแบบเดียวกับที่เรา ๆ ใช้กันบนโลกนี่แหละ ตั้งแต่ USB ไปจนถึงสาย Ethernet (ที่เรียกกันติดปากว่าสาย LAN) , สาย Fiber Optic , รวมถึงเทคโนโลยี WiFi ก็ได้ถูกนำมาใช้ด้วย ซึ่งเราจะค่อย ๆ เล่าไปว่า มันใช้กันอย่างไร
เรื่องของเรื่องต้องย้อนกลับไปตั้งแต่สมัยที่ ISS ถูกออกแบบขึ้นมา ซึ่งเป็นในช่วงปี 1900s – 2000s ในตอนนั้น Windows ยังเป็น Windows NT อยู่เลย (และ NASA ก็เลือกให้เป็น Computer หลักบน ISS) ด้วย โดยเอกสารการออกแบบระบบคอมพิวเตอร์บน ISS – Operations Local Area Network (OPS LAN) Interface Control Document ได้ระบุไว้ว่า Station Support Computers ซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์หลักของสถานี ถูกเชื่อมต่อเข้ากับระบบต่าง ๆ ด้วยระบบที่ NASA เรียกว่า Operations Local Area Network (OPS LAN) ซึ่งระบบนี้ก็คือ Backbone หลักของ Data Pipeline บน ISS นั่นเอง (ย้ำอีกครั้งว่าบทความนี้เราจะเน้นฝั่ง Physical เป็นหลัก)
เอกสารระบุว่า ตัวสายและ Interface ที่ใช้นั้นเป็น Multipoint Ethernet ใช้ Protocol IEEE 802.3 (ตอนนั้น ISS ใช้ 802.3 แบบ 10BASE2 คือสาย Coax ความเร็วประมาณ 1.25 MB/s และ Ethernet 10BASET ที่หน้าตาคล้ายกับปัจจุบัน) และระบุว่ามีการใช้งาน 802.11 (WiFi) ด้วย ซึ่งน่าจะว้าวมากในตอนนั้นเพราะโลกเริ่มรู้จัก WiFi แล้ว (Steve Jobs เพิ่งเปิดตัว WiFI, Airport บน iBook ปี 1999) – แต่อุปกรณ์ WiFi ในตอนนั้นมีแต่เครื่องอ่าน Barcode เท่านั้น และคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ก็ใช้การเชื่อมต่อแบบ Eterhnet หมด โดย WiFi จะเชื่อมต่อผ่านการ์ด WiFi ชื่อ Proxim RangeLAN2 ได้ความเร็วประมาณ 1.6Mbps (0.2 MBps) ซึ่งก็คือกากมาก
ต้องบอกก่อนว่า สาย Ethernet แบบ 10BAS2 นั้นหน้าตาอาจจะไม่คุ้น เพราะสายที่เราจะคุ้นกันเป็นสายแบบ twisted-pair ที่ใช้หัวแบบ RJ-45 ที่เราคุ้นชินกัน (ซึ่งก็คือสายแบบ 10BASET)
ซึ่งในตอนนั้นคือช่วงที่ ISS ถูกส่งขึ้นไปใหม่ ๆ ปัจจุบัน ISS ไม่ได้ใช้เทคโนโลยีอะไรแบบนั้นแล้ว (บางส่วน) ในการอัพเกรดแต่ละครั้ง ก็จะมีการปรับปรุงความสามารถของการส่งข้อมูลภายในตัวสถานี
ตัวอย่างการวาง Interface ของอุปกรณ์ต่าง ๆ
อีกปัจจัยนึงที่สำคัญก็คือนอกจากระบบที่เป็น Backbone ให้กับตัวสถานีแล้ว NASA ยังต้อง Handle อุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ถูกส่งขึ้นไปหลังจากนั้น โดยเฉพาะอุปกรณ์ในฝั่งฟิสิกส์ ที่ Genrerate Data เยอะซะเหลือเกิน จะเยอะอะไรมากมาย ซึ่งความยากมันอยู่ตรงที่ คอมพิวเตอร์บนสถานีอวกาศนานาชาติในตอนนั้น ยังไม่มีกำลังการประมวลผลที่จะ Filter ข้อมูลที่จะเอาได้ ก็เลยต้องปล่อย Data จำนวนมหาศาลวิ่งผ่าน Pipeline ไปก่อน แล้ว Downlink ลงโลก
ตัวอย่างโครงการของ ISS ที่เป็นงานด้านฟิสิกส์ก็เช่นงาน AMS หรือ Alpha Magnetic Spectrometer ซึ่งเป็นการเอา Detector ขึ้นไปไว้ในอวกาศ โดยข้อมูลจาก AMS Website ระบุไว้ว่าตัวชุด AMS นั้นเชื่อมต่อเข้ากับ ISS ด้วยทางวิ่ง Data 2 ทางด้วยกัน ได้แก่ High Rate Data Link และ Low Rate Data Link โดยตัว HR นั้น จะวิ่งอยู่ที่ 100 Mb/s ก่อนที่ ISS จะ Downlink ลงมาที่โลก (ผ่านเสาสัญญาณกลางของ ISS) โดยมีตัว Laptop (ซึ่งใช้ ThinkPad) เชื่อมคอย Monitor ผ่าน Interface เป็น Ethernet
อีกตัวอย่างที่อยากยกมาแนะนำก็เช่น การทดลองเล็ก ๆ ต่าง ๆ ซึ่งปกติ จะมี Computer ที่เป็นตัว Control เป็นหลักอยู่ แล้วตัวย่อย ๆ ก็จะเชื่อมต่อผ่าน Interface ต่าง ๆ หนึ่งในนั้นก็คือ Universal Serial Bus หรือ USB ซึ่งจริง ๆ ก็เป็นเรื่องที่ดี เพราะทุกวันนี้ การส่งการทดลองไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ ไม่ได้ยากเท่ากับสมัยก่อน
ยกตัวอย่างเช่นบริการจาก Nanoracks ซึ่งเป็น Platform ที่ใช้สำหรับทำการทดลองบนสถานีอวกาศนานาชาติ สมมติเราต้องการจะส่ง Payload ของเราขึ้นไปเชื่อมต่อ เราสามารถเลือกได้ตั้งแต่การเชื่อมต่อผ่าน Ethernet หรือเชื่อมต่อผ่าน USB (พร้อมไฟเลี้ยง 5v) ก็ได้ สะดวกมาก ๆ โดยที่เราไม่ต้องไปเชื่อมกับระบบ Backbone ของ ISS โดยตรง แล้ว Nanorack จะทำหน้าที่จัดการกับข้อมูลที่เราจะ Downlink ลงโลกแทน เหมือนมีตัวกลางในการให้บริการอีกที ซึ่งเวลาเราศึกษา Guideline มาทำโปรแกรม เราก็ศึกษาแค่ Manual ของ Nanorack พอ
ถ้าอยากเห็นภาพ เราแนะนำให้ไปอ่าน User Manual ของ Nanoracks ได้ที่ Nanoracks Internal Manual
ลองยกตัวอย่างว่าถ้าเราต้องการจะส่งการทดลองขึ้นไปบนสถานีอวกาศนานาชาติ จากเดิมที่เราจะต้องเรียนรู้โครงสร้างทั้งหมดของตัวสถานี ตอนนี้เราก็แค่เรียนรู้กับ Platform ก็พอ ก็เหมือนกับเมื่อก่อนที่เวลาที่เราจะทำเว็บไซต์ เราอาจจะต้องเข้าใจ HTML เข้าใจเรื่อง Front-end, Back-end แต่สมัยนี้เราสามารถสร้างเว็บไซต์ด้วย Platform ต่าง ๆ หรือสร้าง Page Facebook ขึ้นมาได้โดยที่ไม่ต้องศึกษา Front-end, Back-nd
ส่วนเรื่องของ WiFI (802.11) นั้น อย่างที่บอกไปว่ามีไปแบบงั้น ๆ อ้างอิงจาก รายงานของ WiFi Alliance ที่ระบุว่ามีการนำ Acess Point ตัวแรกที่ได้ใช้งานแบบจริงจังตัวแรกก็คือ Netgear RangeMax b/g ได้ความเร็วประมาณ 240 Mbps เรียกได้ว่าเป็นการเปิดฉากการใช้งาน WiFi บน ISS จริงจัง ในช่วงประมาณปี 2008
สาย LAN 10 เส้นมัดติดกัน
หลังจากที่เราพูดถึงเรื่องโครงสร้างการวิ่งคร่าว ๆ ของ Data บน ISS กันไปแล้ว เราจะมาเข้าประเด็นกันซักทีว่า ISS จัดการ Data Flow ในลักษณะของ Physical ได้อย่างไร ซึ่งเราก็ได้เรียนรู้ไปแล้วว่า ISS นั้น ก็ใช้สาย Ethernet ธรรมดา ๆ แบบเดียวกับที่เราใช้บนโลกนี่แหละ แต่สิ่งที่น่าสนใจก็คือ ในตอนแรกเริ่ม ISS ใช้สาย Cat3 ซึ่งทำความเร็วได้ไม่มากนัก
แม้จะมีการอัพเกรดมาเป็น Cat 4, 5 ตามลำดับ แต่ยิ่ง ISS โตขึ้น มีงานวิจัยและข้อมูลที่ต้อง Handle มากขึ้น ก็จำเป็นต้องใช้ Bandwidth สูงขึ้นมาก วิศวกรจึงแก้ปัญหาด้วยการเอาสาย Ethernet 10BaseT แบบที่เราใช้ ๆ กัน มามัดติดกัน 10 เส้น แล้วแทนที่จะใช้หัวการเชื่อมต่อเป็น RJ45 (ก็แน่หล่ะ จะเข้าหัวยังไง) ก็ใช้เป็นหัวต่อแบบพิเศษแทน ตัวอย่างในภาพก็เช่น ชุดการทดลอง Vegie สำหรับปลูกผักบน ISS เราจะเห็นสายสีเขียว ๆ หน้าตาเหมือน Ethernet ซึ่งใช่ มันคือ Ethernet
ไม่ใช่แค่ภายในเท่านั้น แต่สำหรับโครงสร้างภายนอกตัวสถานีก็มีการวางสาย Ethernet เหมือนกัน โดยจะเพิ่มการ Shield เพื่อป้องกันรังสีต่าง ๆ มากกว่าที่ใช้ภายในตัวสถานี (ที่รัดแค่ Cable Tie อย่างเดียว)
ในปี 2020 ได้มีการทำ Space Walk เพื่อปรับปรุงสายบนสถานีอวกาศนานาชาติให้กลายเป็นสาย CAT6 ทำให้ไม่ต้องใช้วิธีการมัดสายรวมกันแล้ว รวมถึงการเดินสายนอกสถานีเพื่อไปเชื่อมต่อกับตัว WiFi Acess Point ซึ่งใช้ใน Application ต่าง ๆ นอกตัวสถานี ระบบดังกล่าวชื่อว่า NASA’s External Wireless Communication (EWC) system โดยได้เคยมีการทดสอบกับยาน HTV (ยานอวกาศส่งเสบียง) ว่าสัญญาณแรงแค่ไหน โดยใช้ยานค่อย ๆ ถอยห่างออกจากตัว AP เรื่อย ๆ
โดยตัวระบบ EWC นั้น ใช้สำหรับการทำ Live ต่าง ๆ เราจะสังเกตว่าปกติเวลานักบินอวกาศออกไปทำ Space Walk นักบินอวกาศจะติดเอากล้อง Go Pro ติดออกไปด้วย แล้วเชื่อมต่อ WiFi เพื่อ Stream ภาพเอา (นักบินอวกาศเคยลืมใส่ SD Card ในกล้องมาแล้ว – ฮา)
เราอาจจะคิดว่าเทคโนโลยีอวกาศจะต้องเป็นอะไรที่เข้าใจยาก อยู่เหนือเทคโนโลยีที่เราใช้กันบนโลก แต่จริง ๆ แล้วถ้าเราศึกษาจริง ๆ เราจะพบว่ามันก็เหมือนกันนั่นแหละ ตั้งแต่ Windows, สาย LAN , ThinkPad, WiFi, Linux, Raspberri Pi, SD Card, Go Pro ทั้งหมดที่เราพูดมา ก็ล้วนแต่เป็นสิ่งที่เราเจอกันในชีวิตประจำวัน สิ่งนี้บ่งบอกว่าจริง ๆ แล้ว ถ้าเราจะทำงานอวกาศเราไม่จำเป็นต้องศึกษาอะไรเหนือกว่าที่เรารู้เลย เราแค่ต้องรู้จักกับมันมาก ๆ และมีวิธีคิดที่รัดกุมขึ้น แล้วค่อยอัพมันให้กลายเป็น Space Grade ซึ่งสิ่งนี้นี่แหละที่เราคิดว่าทำให้คนรู้สึกว่าอวกาศไกลตัว คนธรรมดา ๆ ทั่วไป ๆ จะทำงานอวกาศได้อย่างไร จนอวกาศดูเหมือนเป็นศาสตร์ที่อยู่ห่างไกลออกไป
เรียบเรียงโดย Spaceth.co
