Link and Routing Issues for Internet Protocols in Space. Telematiksysteme in der Raumfahrt. Universität Würzburg Lehrstuhl für Informatik VII Robotik und.

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1 Link and Routing Issues for Internet Protocols in Space. Telematiksysteme in der Raumfahrt. Universität Würzburg Lehrstuhl für Informatik VII Robotik und Telematik Edem Dimitri Missoh. 08.01.2004

2 Gliederung Einführung. Ziel der Einsetzung von Internet-Technologien für die Raumfahrt. Mögliche Architektur. Die Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Die Vermittlungsschicht (Network Layer) Versuche des OMNI-Projektes. Der Boden-Basierte Versuch. Der Weltraums-Basierte Versuch. Schlusswort.

3 Einführung Das Ziel dieser Arbeit ist eine Diskussion über die verschiedenen Möglichkeiten die man hat, um die schon vorhandenen Internet-Technologien für die Raumfahrt anzuwenden. Hier wird ausschließlich über die drei unteren Schichten des ISO/OSI-Model gesprochen, und zwar die Bitübertragungsschicht (Physical Layer), die Sicherungsschicht (Data Link Layer) und die Vermittlungsschicht (Network Layer).

4 Ziel und Vorteile der Einsetzung von Internet-Technologien für die Raumfahrt Wiederverwendung von schon vorhandenen Technologien (Protokolle, Router, etc..). Reduzierung der Kosten (keine Entwicklung von Raumfahrt spezifische Technologien). Möglichkeit mehrere Raumfahrt-, Bodenstationsgeräte, Raumfahrzeuge, einfach zu vernetzten.

5 IP-Protokoll als Basis der neue Architektur. Als Basis für die neue Architektur wird das IP- Protokoll benutzt wegen: Globale Adressierung Mechanismen zur automatischen Routing zwischen verschiedenen Netwerkknoten Robustheit.

6 Mögliche Architektur Raumfahrtzeuge mit einer IP-Adresse Diese Topologie ist der aktuellen Raumfahrzeuge ähnlich Kommunikation zwischen Messgeräte und dem C&DH (command and data handling) wie in der herkömmlichen Satelliten. Raumfahrtzeuge mit mehrere IP-Adresse LAN Struktur auf dem Raumfahrtzeug Hier benötigt man einen onboard Router zur Weiterleitung von Daten.

7 Zwei Modelle für IP- Basierte Raumfahrzeuge

8 UoSAT-12 mit onboard LAN.

9 Das ISO-Architekturmodell Nach dem ISO- Architekturmodell wird eine Aufteilung von Kommunikationsfunktion en in sieben logischen Schichten empfohlen.

10 Unterschied zum Internet Schicht Modell

11 Zentrale Rolle der Vermittlungsschicht. Die wichtigste Komponente dieser Architektur ist die Vermittlungsschicht. Sie verbindet alle anderen Protokolle zusammen, ermöglich eine globale Adressierung zum Versenden von Datenpakete, und isoliert gleichzeitig die darüber und darunter liegenden Schichten.

12 IP-Technologien für die zukunftige Weltraummissionen Vorschlag für eine Schichten-Topologie für den Einsatz von IP-Technologien in den Weltraummissionen.

13 Die drei wesentlichen Schichten Die Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Aktivierung/Deaktivierung eines Übertragungsabschnittes Festlegung der elektrischen, mechanischen und funktionellen Eigenschaften des Übertragungsabschnitts Leitungscodierung und Impulsformung, Signalerkennung und Wiedergewinnung. Funktionen:

14 Die drei wesentlichen Schichten Die Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Manschester Codierung für 10 Mbps Ethernet 4B/5B für 100 Mbps Ethernet und FDDI(Fiber Data Distributed Interface) 8B/10B für Gigabit Ethernet und SONET(Synchronous Optical Network) BPSK(Biphase shift keying) und QPSK(quadrature phase shift keying) Modulation und Codierung:

15 Die drei wesentlichen Schichten Die Bitübertragungsschicht (Physical Layer) convolutional coding akzeptiert beliebige Bitslänge und addiert nach einem vordefinierten Algorithmus, die redundante Bits R-S-Coding(Reed-Solomon) Datenblöcke von fester Größe fügt am Ende des Blockes Checksymbole Bitfehler verringern durch Einfügen von redundanten Bits zu den Nutzbits. Diese Methode trägt den Name von FEC (forward-error-correction). Die bekanntesten sind hier:

16 Unterschied zu den heutigen Raumfahrtkommunikations- Systeme In den aktuellen Raumfahrtkommunikationssystemen bilden die Datenkapselung (in der Sicherungsschicht) und die Codierung (in der Bitübertragungsschicht) einen Block. Das Ziel ist aber jetzt die von dem ISO/OSI- Modell vorgeschlagene Trennung zwischen diese beiden Schichten zu respektieren (siehe nächste Abbildung ).

17 Trennung von HDLC Framing und RS Coding

18 Die drei wesentlichen Schichten Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Steuerung des Auf/Abbaus von DL-Verbindungen (Data Link Verbindungen) Kanalcodierung, Fehlererkennung und Recovery- Mechanismen zur Fehlerbehebung (z.B. Wiederholungsaufforderung) Linkbasierte Datenflusssteuerung (link-by-link data flow control), logische Ablaufsteuerung, Reihenfolgesteuerung Funktionen:

19 Die drei wesentlichen Schichten Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Ethernet an Bord des Raumfahrzeug HDLC und POS (vom Raumfahrtzeug zur Bodenstation) HDLC over HSSI (High Speed Serial Interface) und SONET im Boden-Basierten Netzwerk SpaceWire und FireWire (noch nicht vollständig implementiert) Einsatz für die Raumfahrttechnik:

20 Einsatz für die Raumfahrttechnik Studien haben gezeigt, dass man die Antwortzeit von Ethernet-Basierte Vernetzungen (für schwach überlastete Netwerke) unter 2 Millisekunden halten kann. Bei schwer belasteten < 30 Millisekunden. Auch neue Programmiersprachen und API für die höheren Level werden für die auf Ethernet- Basierte real-time Anwendung entwickelt.

21 Die drei wesentlichen Schichten Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Vom Raumfahrtzeug zur Bodenstation (HDLC). Einfaches Format Sehr kleines overhead Kompatibilität mit zahlreicher kommerzieller Hardware (wie Router). Das HDLC (High Level Data Link Control) wurde für folgende Gründe gewählt:

22 Die drei wesentlichen Schichten Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Das HDLC Protokoll Bitorientiertes, synchrones Datenübertragungsprotokoll Codierung mit Fehlererkennung und Wiederholungsaufforderung Unterstützung von Punkt-zu-Punkt- und Mehrpunktverbindungen Eigenschaften:

23 Rahmenaufbau von HDLC

24 Die drei wesentlichen Schichten Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Das HDLC Protokoll Wie wird die Rahmentrennung gemacht? ''Bit-stuffing''- oder ''Zero insertion''-Verfahren Bitfolge ''0111 1110'' als Rahmentrennung (Flag); diese Bitfolge darf sonst im Rahmen nicht auftreten. Um dies zu gewährleisten: fügt Sender bei Nutzdaten (vor der Paktierung) nach ''11111'' stets eine 0 ein entfernt Empfänger (bei der Bearbeitung der Nutzdaten) nach ''11111'' stets die 0

25 Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Verbesserung der Framerückgewinnung Das Benutzen von data link framing mit einem einzigen Byteflag (wie HDLC) ist ein Problem auf Medien mit sehr hohen Geräuschen (z.B im Weltraum) Dieses Problem ist aber mehr oder weniger gelöst wenn man vorher eine FEC wie convolutional- oder Reed-Solomon Coding auf der unteren Schicht benutzt. Das 16-bits CRC-Mechanismus (Cyclic Redundancy Coding) vom HDLC-Protokoll kann dann benutz werden um korrekte Frame innerhalb des gestörten R-S-Block zu erkennen, und es zu extrahieren.

26 Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Datenkapselung bei HDLC die Kapselung muss auf Halbduplex Verbindungen funktionieren können man muss in der Lage sein die Kapselung an jede Knoten (Router, Switch, etc…) des Netwerks behandeln zu können, da man nicht gewährleisten kann, dass alle Hardwareteile von der gleiche Firma stammen. Für die Raumfahrttechnik müssen die Kapselungsmethoden folgende wichtig Eigenschaften erfüllen:

27 Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Datenkapselung bei HDLC Diese Kriterien schließen schon Protokolle wie SLIP (Serial Line IP) und PPP (Point-to- Point) aus, die eine full-duplex Verbindung brauchen Dies führt zum Wahl von der IEFTF- Kapselung für multi-protocol over frame- relay/HDLC (siehe RFC 2427) einfügen einer 4 Byte Information in dem Header jedes HDLC-Frame

28 Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Framing für höhere Datenraten(>45 Mbps) Ein Problem beim framing mit HDLC tritt aber ein, wenn man eine Datenrate größer als 45 Mbps erreichen will. Lösung ist ATM (Asynchronous Transfer Mode) mit SONET als Schnittstelle zu verwenden als Framing Mechanismen für die IP-Pakete. Damit können Geschwindigkeiten von 155 Mbps, 622 Mbps und 2,4 Gbps erreicht werden.

29 Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Nachteile von ATM Der große overhead von 10% spielt aber gegen den Einsatz von ATM Eine Möglichkeit dieses Problem zu überwinden heißt POS (Packet over SONET). (Paket muss nicht wie beim ATM fragmentiert werden).

30 Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Nachteile von POS Alles kann leider nicht perfekt sein  beim Einsatz von POS muss eine PPP Header am Ende des Pakets addiert werden.

31 Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Warum HDLC? Satellitensystemingenieure sind während der Entwicklung mit einem großen Problem konfrontiert, und zwar das Prozess und Byte overhead das mit dem Protokoll verbunden ist Für das Netzwerk an Bord ist das kein Problem da die Bandbreite keine großen Beschränkungen hat Das ist aber nicht den Fall für RF-Verbindungen wo die Bandbreite stark vom Abstand, Strom, und Signalqualität abhängt HDLC stellt also hier eine sehr leicht effiziente Möglichkeit (overhead von 1-3%).

32 Die drei wesentlichen Schichten Die Vermittlungsschicht (Network Layer) wichtigste Aufgabe: Routing (Bestimmung von Paketleitwegen vom Ursprungs-zum Bestimmungsort) Linkbasierte Datenflusssteuerung und Überlaststeuerung da die Grenze zwischen Netzbetreiber und Netznutzer oft zwischen den Schichten 3 und 4 verläuft, enthält Schicht 3 oft eine Abrechnungsfunktion (Gebührenerfassung). Beispiel: CCITT-Netzschnittstelle X.25, IP. Funktionen:

33 Die drei wesentlichen Schichten Die Vermittlungsschicht (Network Layer) Das Internet Protokoll (IP) IP (Internet Protocol) bildet zusammen mit TCP das zentrale Protokollpaar der TCP/IP Architektur. Die Transporteinheit im IP ist das Datagramm. Sein Aufbau wird in 32 Bit-Blöcken dargestellt, wobei der Header mindestens 20Bytes umfasst.

34 Die drei wesentlichen Schichten Die Vermittlungsschicht (Network Layer) Das Internet Protokoll (IP) Datagram Header (IP)

35 Die drei wesentlichen Schichten Die Vermittlungsschicht (Network Layer) Das Internet Protokoll (IP) Problemen die während das Routing von Daten zwischen das Raumfahrtzeug und die Bodenkontrollzentren auftreten: Das Download stellt kein Problem dar. Das Upload ist komplizierter, da das Raumfahrtzeug verschiedene Subnetzen überfliegen kann. Mögliche Lösungen: DHCP, Mobile IP.

36 Die drei wesentlichen Schichten Die Vermittlungsschicht (Network Layer) Das Internet Protokoll (IP) Mobile IP (RFC 2002) Bei diesem Protokoll wird ein Anfangsprotokoll benutzt um festzustellen ob das Raumfahrtzeug Kontakt zu seinem Home ground station hat oder zu einem fremden Subnetz. Falls er nur eine fremde Bodenstation erreichen kann, bildet diese fremde Station ein Tunnel zur Home Bodenstation.

37 Die drei wesentlichen Schichten Die Vermittlungsschicht (Network Layer) Mobile IP (RFC 2002) Mobile IP für Raumfahrtzeuge

38 Die drei wesentlichen Schichten Die Vermittlungsschicht (Network Layer) Mobile Routing oben behandelte Lösung von mobilen Knoten für Raumfahrtzeug mit einer einzigen IP-Adresse hat. Was ist aber wenn man an Bord des Raumfahrtzeugs ein LAN hat? den gesamt Netzwerk so zu implementieren, dass er in der Lage ist für jede Schnittstelle an Bord des Raumfahrtzeugs (mit eigene IP- Adresse) den „tunneling“ zu erlauben Mobile Routing (IETF)

39 Priorität. In den heutigen Raumfahrtprotokollen gibt es nur eine begrenzte Möglichkeit den Unterschied zwischen wichtige und weniger wichtige Daten zu machen. Vorteile von Internet Protokolle: DLCIs (Data Link Connection Identifier) im HDLC/Frame Relay header Type of Service Bits in dem IP-Header Prioritätsschlange in den Router, die eine Sortierung in Abhängigkeit von den benutzten Protokollen durchführen (UTP, TCP)

40 Overhead von Protokolle Beim Nutzten von Internet Technologien wird den größten Anteil des overhead durch die Protokolle der Vermittlungs- und der Transportschicht erzeugt. Größe des Nutzdaten (in Bytes) 10050010001400 IP(20)16.6%3.8%1.9%1.4% UDP/IP(28)21.8%5.3%2.7%1.9% TCP/IP(40)28.5%7.4%3.8%2.7%

41 Versuche des OMNI-Projektes Das Ziel des OMNI-Projektes von der NASA ist die Definition und die Einsetzung von einer end-to-end Kommunikation Architektur für die zukünftigen Weltraum Missionen Der Boden-Basierte Versuch Der Weltraums-Basierte Versuch

42 Versuche des OMNI-Projektes Der Boden-Basierte Versuch 1998 wurde ein Boden-Basierte Prototype für die Simulation der IP-Technologien für Weltraummissionen getestet. Mit Hilfe eines mobilen Busses wurden Daten zu einem Prototype von Kontrollzentrum in GSFC(Golddard Space Flight Center) gesendet Diese Übertragung wurde mit Hilfe der NASA’s TDRSS(Tracking and Data Relay Satellite System) Verbindung realisiert Viele Teste bestanden einfach darin einen one-way Datenstrom als UDP-Pakete von dem Bus zu White Sands durch TDRSS zu senden, und sie dann zurück zu GSFC mit der klassischen Internet Adressierung weiter zu leiten Später wurden auch Teste mit komplexere Protokolle wie FTP, NFS, Audio und Video Ströme durchgeführt

43 Versuche des OMNI-Projektes Der Boden-Basierte Versuch Das OMNI-Bus für den Boden-Basierten Versuch.

44 Versuche des OMNI-Projektes Der Weltraums-Basierte Versuch Ende 1999 hat das OMNI-Projekt auch Weltraum-Basierte Versuche mit dem Satellit UoSAT-12 durchgeführt Minimal Änderungen an der Bodenstation. Kommerzielle Router und programmierbare Switches müssten dazu addieren werden.

45 Versuche des OMNI-Projektes Der Weltraums-Basierte Versuch Diese Abbildung zeigt wo man an die Bodenkontrollstation die Änderungen durchgeführt hat:

46 Versuche des OMNI-Projektes Der Weltraums-Basierte Versuch In Februar 2000 wurden dann die ersten Teste durchgeführt. ICMP echo request (PING) wurden von der GSFC(Golddard Space Flight Center ) und die SSTL Bodenstation gesendet. Januar 2001, wurde UoSAT-12 der erste HTTP Weltraum Web- Server der Welt. Real-time Übertragung von telemetrische Daten und gespeicherte Bilder. UoSAT-12

47 HTML-Seite vom UoSAT-12 Server.

48 Versuche des OMNI-Projektes Der Weltraums-Basierte Versuch Die RTT (Run Trip Time) sind in der unteren Abbildung zusammengefasst

49 Schlusswort eine effiziente und flexible Architektur auf IP- Basierten Technologien für die zukünftigen Weltraummissionen zu entwickeln. Als Basis wurde das IP-Protokoll auf der Vermittlungsschicht gewählt. Erlaubt einfache, schnelle und vor allem kostengünstige Vernetzung von Messgeräte an Bord eines Raumfahrtzeugs, von mehreren Raumfahrtzeugen, und von Bodenstationen. Auf der zweiten Schicht der ISO/OSI-Modell wurde das HDLC wegen seiner Simplizität und kleinen overhead gewählt. Das OMNI-Projekt war in der Lage:

50 Schlusswort Um diese neuen Technologien in der Raumfahrtkommunikation einsetzen zu können, müssen: Aktualisierungen in der aktuellen Bodenstation. Erweiterung von schon existierende System für die Kompatibilität mit Mobile IP. Dies bleibt aber eine günstige Lösung für zukünftige Missionen, da man keine Weltraumspezifische Technologien neu entwickeln soll.

51 Link and Routing Issues for Internet Protocols in Space.