Link and Routing Issues for Internet Protocols in Space. Telematiksysteme in der Raumfahrt....

Link and Routing Issues for Internet Protocols in Space.

Telematiksysteme in der Raumfahrt.

Universität WürzburgLehrstuhl für Informatik VIIRobotik und Telematik

Edem Dimitri Missoh.08.01.2004

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.

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).

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.

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.

Mögliche Architektur

Raumfahrtzeuge mit einer IP-AdresseDiese Topologie ist der aktuellen Raumfahrzeuge ähnlichKommunikation zwischen Messgeräte und demC&DH (command and data handling) wie in der

herkömmlichen Satelliten. Raumfahrtzeuge mit mehrere IP-Adresse

LAN Struktur auf dem RaumfahrtzeugHier benötigt man einen onboard Router zur

Weiterleitung von Daten.

TDRSS(White Sands)

Ground Stations

TDRSS

Control Center/Data Distribution Facility

PrincipalInvestigator

Dial-upScientist

Private IPNetwork

Internet

Security Firewall

CollaborativeInvestigator

RF Equip

Data Services(File &)(Packet)

Ground IP Routing

Space IPRouting

C&DH(IP addr)

RF

C&DH(IP addr)

RF

Router

Inst. B(IP addr)

Inst. A(IP addr)

RF Equip

Data Services(File &)(Packet)

Ground IP Routing

Space IPRouting

Single AddressSpacecraft

IP in HDLC frames

Multiple AddressSpacecraft

ESANASDA

Zwei Modelle für IP-Basierte Raumfahrzeuge

UoSAT-12 mit onboard LAN.

Das ISO-Architekturmodell

Nach dem ISO-Architekturmodell wird eine Aufteilung von Kommunikationsfunktionen in sieben logischen Schichten empfohlen.

Unterschied zum Internet Schicht Modell

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.

HDLC

RF

IP

TCP

Ethernet

3 - Network

4 - Transport

5/6/7- Application

2 - Data Link

1 - Physical

UDP

1394 ATMSONET

Copper Fiber

FTP HTTP SMTP

NTP

NFS CFDP

Copper RFCopper Fiber

PBP MFTP

RTP

Audio Video

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

LAN(Ethernet)

LAN(Ethernet)WAN

(RF)

EndSystem

Space Router Ground Router

IP

T

A

Ethernet

Ethernet

Ether

Ether

IP

HDLC

RF

HDLC

RF

IP

Ether

Ether

IP

T

A

Ethernet

Ethernet

EndSystem

3 - Network

4 - Transport

5 - Application

2 - Data Link

1 - Physical

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:

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:

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:

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 ).

Trennung von HDLC Framing und RS Coding

Data bitstreamRS Chk

symData bitstream Data bitstream

Inter-frame gap

4bytes

1115bytes

160bytes

HDLC frame

RS Chksym

RS Chksym

8-n bytes 1-n bytes

RS Sync

Physical Link Coding

Data Link Framing

HDLCIP

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:



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:

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.


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:



Das HDLC Protokoll

Bitorientiertes, synchrones Datenübertragungsprotokoll

Codierung mit Fehlererkennung und Wiederholungsaufforderung

Unterstützung von Punkt-zu-Punkt- und Mehrpunktverbindungen

Eigenschaften:

Rahmenaufbau von HDLC



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


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.


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:


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


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.


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).


Nachteile von POS

Alles kann leider nicht perfekt sein

beim Einsatz von POS muss eine PPP Header am Ende des Pakets addiert werden.


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%).

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:

Die drei wesentlichen SchichtenDie 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.

Die drei wesentlichen SchichtenDie Vermittlungsschicht (Network Layer)Das Internet Protokoll (IP)

Datagram Header (IP)

Die drei wesentlichen SchichtenDie 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.

Die drei wesentlichen SchichtenDie 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.

Die drei wesentlichen SchichtenDie Vermittlungsschicht (Network Layer)Mobile IP (RFC 2002)

Homeagent

Foreignagent

Home ground station150.15.15.x

subnet

150.15.15.18Spacecraft address

Foreign ground station200.20.20.x

subnet

ControlCenter

100.10.10.xsubnet

Mobile IP Tunnel

Mobile IP für Raumfahrtzeuge

Die drei wesentlichen SchichtenDie 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)

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)

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)

100 500 1000 1400

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%

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

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

Versuche des OMNI-Projektes Der Boden-Basierte Versuch

Das OMNI-Bus für den Boden-Basierten Versuch.

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.

Versuche des OMNI-Projektes Der Weltraums-Basierte Versuch

PA Transmitter

AX.25Front-end

9.6 Kbps

RS-530Sync

Ethernet / Internet

Router

LNA Receiver

Modem

Addition to support IP

UHF

VHF

38.4 Kbps

Diese Abbildung zeigt wo man an die Bodenkontrollstation die Änderungen durchgeführt hat:

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

HTML-Seite vom UoSAT-12 Server.

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

Abbildung zusammengefasst

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

16:43:00 16:45:00 16:47:00 16:49:00 16:51:00 16:53:00 16:55:00 16:57:00

GMT

RT

T (

se

c.)

0

50

100

150

200

250

300

350

An

ten

na

Ele

va

tio

n (

de

g.)

GSFC-UO12 RTT (sec)

SSTL-UO12 RTT (sec.)Calc. SSTL-UO12 RTT (sec.)Elevation (deg.)

Poly fit (5th) SSTL-UO12

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:

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.

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