Nachrichtenübertragung zu Weltraumsonden: Internet in Space Inhalt

DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Nachrichtenübertragung zu
Weltraumsonden:
Internet in Space
Univ.-Ass. Dipl.-Ing. Ulla Birnbacher
Institut für Nachrichtentechnik und
Wellenausbreitung, TU-Graz
Inhalt
• Einleitung/Motivation
• Grundlagen der Datenübertragung
– Schichtenmodell
– TCP/IP Protokolle
• Internet-Protokolle für Weltraumsonden
– OMNI-Projekt der NASA
– Realisierung der einzelnen Schichten
– Projektverlauf und erste Ergebnisse
24. September 2002
24. September 2002
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DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Einleitung / Motivation
Warum ist „Internet in Space“ ein
interessantes Thema?
Status
• Alte Satelliten/Sonden:
– Daten von einzelnen Meßinstrumenten separat
abgespeichert
– Datensätze mit mehreren Teilen
(Übertragungseinheiten =Rahmen) übertragen
• Neuere Satelliten/Sonden
– Consultive Committee for Space Data Systems
(CCSDS) -> einheitliche Standards
– Meßdaten im CCSDS Format abgespeichert
– mehrere CCSDS Pakete in einem Rahmen
übertragbar
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DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Hohe Kosten
• Spezielle Systeme in Ground-Control-Center
– eigenes Kommunikationsnetzwerk mit speziellen
Missions-Übertragungsformaten
– Erster Versuch von Standardisierung: CCSDS
(Spezielles Format für Weltraummissionen)
• Kommunikationsinfrastruktur sehr hoher
Wartungsaufwand ->Automatisierung
notwendig um Kosten zu reduzieren
• Entwicklungszeiten müssen reduziert werden
-> mehr off-the-shelf Hardware und Software
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Internet
•
•
•
•
Internet Protokolle = breite Verwendung
Software & Hardware = billig
keine spezielle Einschulung des Personals
Entwicklungskosten geringer, da Standardkomponenten verwendet werden können
• VISION = Forscher fragt Meßdaten direkt von
Sonde ab, wie von einem Internet-Server
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Grundlagen der Datenübertragung
Grundlagen Datenübertragung
• OSI 7 Schichtenmodell
– Referenzmodell für die Strukturierung der
unterschiedlichen Aufgaben bei der
Datenübertragung
– Wie werden Daten zwischen 2 Computern
übertragen?
• Internetprotokolle (TCP/IP Protokolle)
– entsprechen nicht dem OSI Modell
– haben sich als defacto-Standard durchgesetzt
– einheitliche Übertragung zwischen verschiedenen
Computersystemen und Netzwerken.
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
OSI 7 Schichtenmodell
Anwenderorientierte Schichten
Transportorientierte Schichten
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Vergleich OSI /TCP IP
FTP, HTTP,
SMTP,.....
TCP, UDP
IP
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Internet Protokolle: TCP/IP
• IP : Internet Protokoll (Netzwerkschicht)
• TCP: Transport Protokoll (Transportschicht)
NTP
5/6/7 - Application
FTP
4 - Transport
HTTP
SMTP
Audio
RTP
TCP
3 - Network
2 - Data Link
Video
PBP
NFS
MFTP
CFDP
UDP
IP
1394
Ethernet
HDLC
ATM
SONET
1 - Physical
Copper
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Fiber
Copper
RF
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Copper
RF
Fiber
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Netzwerkschicht
• Internet Protokoll (IP)
– einfache Übertragung von einzelnen Datenpaketen
– globale Adressierung mit Sende- und
Empfangsadresse in jedem Paket
0
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• Einheitliches
4-bit
4-bit
8-bit type of
16-bit total length (in bytes)
Header-Format vers hdr len service (TOS) 0 D M
16-bit identification
13-bit fragment offset
F F
ist für globale
8-bit time to
8-bit protocol
16-bit header checksum
Interoperabilität Live (TTL)
32-bit source IP address
essentiell!
32-bit destination IP address
• IP Adresse =
Options (if any)
Info für Router
Data
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20
bytes
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
IP und Weltraum?
• Verzögerungszeiten
– haben keine Auswirkungen auf IP
• IP benötigt keinen Retourkanal
• Prioritäten von Daten
– “Type of Service” Feld im IP-Header field
– Router unterstützen Prioritäten
• Overhead = zusätzlich zu übertragende
Informationsbits für Header
• Sat/Sonde mit IP-Adresse auch Kontakt zu
anderen Netzen (Bodenstationen)
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IP Overhead
• Möglichst große Paketen übertragen
User Data Sizes (bytes)
IP (20)
UDP/IP (28)
TCP/IP (40)
100
16.6%
21.8%
28.5%
500
3.8%
5.3%
7.4%
1000
1.9%
2.7%
3.8%
1400
1.4%
1.9%
2.7%
• IP-Header Compression
– Interessant für Voice over IP (VoIP) über MobilfunkNetze (IP/UDP/RTP header = 40 bytes (IP-20, UDP8, RTP-12))
– Voice samples = 20 bytes (G.729 default)
– 2/3 der VoIP Bandbreite wären für Overhead
– Header-Kompression auf 7 Byte möglich
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Mobile IP
• Mobiles Gerät (z.B: Sat) hat fixe IP-Adresse
– Wie soll Internet wissen, wohin es die Daten
schicken soll (wenn Sat nicht im Heimatnetz)?
• Mobil IP:
– Kommunikation auch in anderen Netzen (andere
Bodenstationen)
– Sat registriert sich bei speziellen Mobil-Agent im
neuen Netz
– Home-Agent im Heimatnetz wird informiert ->
sendet Daten durch IP-Tunnel, zum aktuellen
(Bodenstations-)Netz
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Transportschichte
• 2 unterschiedliche Transport-Protokolle
• UDP - User Datagram Protocol (RFC-768)
– Paketübertragung und Reihenfolge nicht garantiert
– Fehlererkennung (Prüfsumme)
• TCP - Transmission Control Protocol (RFC-793)
– Flußkontrolle, Nummerierung, Fehler-erkennung und
automatische Übertraguns-wiederholung
– zuverlässige Übertragung, Reihenfolge wird
garantiert.
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
User Datagram Protocol (UDP)
• Einfaches Übertragungsprotokoll
– schnell, da kein Verbindungsauf- und -abbau
– funktioniert auch auf uni-direktionalen
0
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Verbindungen
16-bit source port number
16-bit destination port number
– Geringer Overhead
16-bit UDP length
16-bit UDP checksum
– Verzögerungszeit
Data (if any)
hat keinen Einfluß
8
bytes
• Real-Time-Protokoll (RTP) (RFC-1889)
– basierend auf UDP
– zusätzlich Paketnummerierung, Zeitmarken, und
Überwachung der Paketübertragung
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Transmission Control Protocol
(TCP)
• Zuverlässiges Übertragungsprotokoll
– garantierte Übertragung mit nochmaliger
Anforderung bei Übertragungsfehler (ACKs)
– Flußkontrolle: reduziert Datenrate bei Verstopfung
im Netzwerk
0
15 16
31
16-bit source port number 16-bit destination port number
– Auf-/Abbau
32-bit sequence number
von Verbindungen
20
32-bit acknowledgement number
bytes
16-bit window size
– Overhead!
16-bit TCP checksum
16-bit urgent pointer
(20 Byte Header)
A P R S F
4-bit reserved U
R C S S Y I
hdr len (6 bits) G K H T N N
Options (if any)
Data (if any)
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32 bit
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
TCP über Satellit
• Wichtige Parameter für Datendurchsatz:
– Fenstergröße (Window Size) für Flußkontrolle
– Verzögerungszeit (round trip time RTT)
• Datendurchsatz (Bmax) von Windowsize/RTT
begrenzt!
• Standard Fenstergröße = 8192 Byte
• Verzögerungszeit (z.B. GEO-Sat) = 500 ms
Bmax =
WindowSize 8192 Byte
=
= 91,4kbit / s
RTT
0,7 s
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TCP Tuning: Window Size
• Bsp: GEO-Sat (RTT = 500 ms)
Window Size
(Byte)
8192
91,4 kbit/s
16384
182,8 kbit/s
32768
365,7 kbit/s
65536
731,4 kbit/s
24. September 2002
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Übertragungskapazität
bei td=0,7s
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
TCP Tuning for SPACE
• Anpassen der „Window size“
• Erweiterungen
– RFC 1323 (TCP Extension for High Performance):
32-bit für Window Size, Fast Retransmit und Fast
Recovery Algorithmen bei Paketverlust
– RFC 2018 (TCP Selective Acknowledgements):
SACK bestätigt erhaltene Datenblöcke, fehlende
Pakete können einzeln nachgesendet werden;
Sender muß nicht in SlowStart!
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TCP/IP im Weltraum?
• Wie wirken sich Verzögerunszeiten aus?
– UDP: kein Einfluß!
– LEO-Orbit nur 4 - 32 ms Round-Trip-Time.
– TCP bereits bis Geo-Orbit mit 500 Mbits/s eingesetzt
• Wie wirkt sich Rauschen aus?
– Nur TCP Durchsatz beeinflußt, IP und UDP nicht.
– Fehlerkorrektur (PHY) wird verwendet um BER zu
verbessern (10-5 spezifiziert, 10-7 is typisch).
– Telefonleitung haben BER von 10-5!
– TCP-Erweiterungen für effiziente Fehlerbehandlung
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Vergleich Verzögerungszeiten
Orbit
Distance (Km)
ISS
400 - 2000
LEO
600 - 3000
MEO
6000 - 12,000
GEO 1-way
36,000
240 ms
GEO 2-way
72,000
480 ms
Lunar
384,000
L1/L2
1,500,000
Mars
78M - 376M
Light Speed
3 - 15 ms
4 - 20 ms
40 - 80 ms
2.6 sec
10.0 sec
9 - 50 min.
• Verzögerungszeiten oft geringer als im Internet!
Internet
Distance (Km)
GSFC-APL
32
.212 ms
35 ms
GSFC-JSC
1600
10.6 ms
55 ms
GSFC-UK
800
28.6 ms
90 ms
GSFC-NASDA
10,700
71.4 ms
245 ms
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Light Speed RTT
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Measured Round Trip Time
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TCP/IP im Weltraum (2)?
• Sind Satelliten und Sonden nicht in Leistung,
CPU und Bandbreite beschränkt?
– Vergleichbar mit Internetzugang über Mobiltelefone
• Sind die Verbindungen für IP nicht zu variabel
und mit Unterbrechung behaftet?
– Vergleichbar mit Notebooks, Mobiltelefonen, Autos
– Mobile-IP, DHCP
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
OMNI Projekt der NASA
http://ipinspace.gsfc.nasa.gov
Herausforderungen für NASA
• Zukunft
– höhere Datenraten, größere Entfernungen,
Kommunikation zwischen Sat/Sonden
– Mehrere Sat/Sonden -> komplexere Topologien
– Weniger Ressourcen, kürzere Entwicklungszeiten
• Zur Zeit ist Weltraumkommunikation sehr
arbeitsintensiv -> Automatisierung notwendig
um Kosten zu reduzieren
• Entwicklungszeiten müssen reduziert werden
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Ziele von OMNI
• „Erste Ende-zu-Ende Demonstration von
Weltraumsonden als Internetknoten“
• Durch Einsatz von IP-Technologie:
–
–
–
–
Entwicklungskosten für Missionen senken
Flexibilität erhöhen
Daten beliebig weiterleiten (routen)
Schnittstellen zu anderen Applikationen
• Billige off-the-shelf Produkte (NetzwerkHardware & -Software) können verwendet
werden
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Internet im Weltraum
NASDA
Inst. A
Inst. B
(IP addr)
(IP addr)
C&DH
C&DH
(IP addr)
Internet
Router
RF
(IP addr)
Multiple Address
Spacecraft
RF
Single Address
Spacecraft
IP in
HDLC
frames
RF Equip
Data
Services
(File &)
(Packet)
Space IP
Routing
Principal
Investigator
Private IP
Network
Ground IP
Routing
Legacy Systems
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Collaborative
Investigator
Security Firewall
Ground Stations
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Dial-up
Scientist
ESA
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Control Center/
Data Distribution Facility
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
OMNI Konzept
• Subsysteme entsprechend Schichtenmodell
mit Standard Netzwerk-Schnittstellen
– zahlreiche Hersteller
– einfacher Upgrades in Zukunft
– einfacheres Design -- kleinere Subsysteme
• Isolation der Weltraum-spezifischen Details
auf physikalische Schicht
– Bestehende Antennen und HF-Geräte: OK
– einfachere HF-Verbindung mit Standard
Netzwerk-Schnittstellen für Sender/Empfänger:
(fehlt noch)
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OMNI Konzept (2)
• Mobilität der Satelliten mit Standard Mobile-IP
Lösungen berücksichtigen
• UDP als Alternative zu TCP
• Ground-Control verwendet bereits IP-HW.
– CCSDS Pakete über IP übertragen
• Wenn nur noch IP verwendet wird
-> einfachere Hardware in Bodenstation
– Ziel: Empfänger und Decoder mit einfacher
Schnittstelle zu Standard-Router
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
End-to-End Space Link Evolution
Spacecraft/
Balloon/
Field Site
Legacy
Data C&
Data
1553 DH CCSDS
Current
Data C&
Data
1553 DH CCSDS
Control Center/
Data Processing
Data
CCSDS
4800BB
Data
CCSDS
4800BB
Data
CCSDS
4800BB
GW
GW
Scientist
GW
Data
IP
Data
IP
Dial-up
Scientist
Data
Data
Data
IP
Data
IP
Data
Data
IP
Data
Data
Data
Data
IP to
Instrument
IP
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Data
Data
IP
Data
Data
IP to
Satellite
Data C&
1553 DH
Tracking
Station
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End-to-End IP-Netzwerk
Ground Station
Spacecraft
Instrument Subsystems
Application
Application
TCP
TCP
UDP
UDP
Application
Router
Router
IP
IP
TCP
UDP
IP
IP
Ethernet
Ethernet
Ethernet
HDLC
HDLC
HDLC
Ethernet
Ethernet
LAN
LAN
LAN
RF
RF
WAN
LAN
LAN
• Alle höheren Schichten
setzen auf IP auf.
IP
IP Network
User
• Untere Schichten = weltraumspezifisch
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Schichten sind wichtig
• Weltraumspezifische Probleme isoliert
– Höhere Schichten: unabhängige Implementierung
Delay Sensitive
FTP
5/6/7 - Application
NTP
SMTP
Audio
MDP
1355
1394
Ethernet
CFDP
UDP
Path
ATM
POS
SCPS-FP
SCPS-TP
IP
3 - Network
2 - Data Link
Video
RTP
TCP
4 - Transport
CCSDS
Delay Tolerant
HTTP
HDLC
SCPS-NP
CCSDS
SONET
1 - Physical
Copper
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Fiber
RF
Fiber
Copper
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RF
Space
Specific
Link
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Schichten sind wichtig (2)
• Beliebges Modulations-/Codier-/FEC-Verfahren
um Bits zu übertragen
• Wichtig: Phy-layer Codierung getrennt von
Data-Link-Rahmen
• Durch Standard Datenrahmen können off-theshelf Produkte in Bodenstationen eingesetzt
werden.
• IP bietet global Adressierung and Konnektivität
• R&D arbeitet, um IP in schlechtere
Kommunikationsumgebungen einzusetzen.
(z.B: Mobiltelefone, Autos, Armbanduhren, etc.)
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Schlüssel-Komponenten
• Strahlungsverträgliche LAN Komponenten
– für Ethernet, 1355 - Spacewire , 1394 - Firewire
• Strahlungsverträgliche serielle Schnittstellen
– für HDLC, ATM, Packet over SONET
• Bodenstation:
– GRID, Standard Satellitenmodems
• Kleinere, leichtere, billigere und
umkonfigurierbare Sender und Empfänger
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OMNI Ansätze für einzelne
Schichten
NTP
5/6/7 - Application
FTP
4 - Transport
HTTP
SMTP
Audio Video
RTP
TCP
3 - Network
2 - Data Link
PBP
NFS
MFTP
CFDP
UDP
IP
1394
Ethernet
HDLC
ATM
SONET
1 - Physical
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Copper
Fiber
Copper
RF
Copper
RF
Fiber
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Physical Layer
• Bitübertragung über Medium
• HF-System muß für Weltraum ausgelegt sein
und ist dann unabhängig von höheren
Schichten
HTTP
NTP
FTP
5/6/7 - Application
SMTP
Audio
RTP
TCP
4 - Transport
Video
MDP
UDP
IPsec (AH/ESP)
IP
3 - Network
2 - Data Link
1355
1394
Ethernet
ATM
POS
HDLC
SONET
1 - Physical
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Copper
Fiber
RF
Fiber
Copper
RF
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Physical Layer (2):
Weltraum-spezifische Details
• Übertragung über große Distanzen mit
bestimmter Datenrate
– Antenne (Größe, Gewinn, Ausleutzone)
– Sender/Empfänger: Modulation, Leistung
– Fehlerkorrektur,...
• Konstellationen (mehrere Sat bzw. Sonden)
– Frequenzeinteilungen
– Verbindungen zwischen Konstellationsknoten
• Internat. Vereinbarung über Frequenzzuteilung
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24. September 2002
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Physical Layer (3)
• Weltraum Kommunikation= hohe
Rauschleistungen
• Hohe Bitfehlerraten mit Fehlerkorrektur (FEC)
verbessern
– Convolutional coding - bit level FEC
– Reed/Solomon coding - block level FEC
• PHY Layer: Herausfoderungen unabhängig
von darüber liegenden Protokollen (TDM,
CCSDS, IP) - “space is space”
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Data link Layer
• Senden: Pakete oberer Schichten einrahmen
+ Fehlerkorrektur anfügen
• Empfangen: Rahmen extrahieren, Fehlererkennung, Rahmen nach oben weiter reichen
HTTP
FTP
5/6/7 - Application
NTP
SMTP
Audio
TCP
4 - Transport
Video
RTP
MDP
UDP
IPsec (AH/ESP)
IP
3 - Network
2 - Data Link
1355
1394
Ethernet
ATM
POS
HDLC
SONET
1 - Physical
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Copper
Fiber
RF
Graz in Space
Fiber
Copper
RF
40
20
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Data Link Framing
• Frame Relay/HDLC basierend
– IETF Multi-Protocol Encapsulation over Frame
Relay (RFC 2427)
– keine Flußkontrolle -> unabhängig von Verzögerung
IP Hdr
(20B)
Network Layer
IP Packet Data
IP Packet
Link Layer
Flag
(1B)
FR Hdr Encap Hdr
(2B)
(2B)
CRC-16
(2B)
Data
Flag
(1B)
Flag
(1B)
HDLC/Frame-Relay with IETF Encapsulation
Hardware HDLC Frame
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Codieren und Einrahmen
• Data Link Layer: Einrahmen (Framing)
• Fehlererkennung auf Rahmen-Ebene
• link layer Adressierung
IP
HDLC
Data Link Framing
HDLC Frame
8-n bytes
Data bitstream
Inter-frame gap
1-n bytes
RS Chk
Sym
4
bytes
R/S Sync
Data bitstream
1115
bytes
Bit level interface
RS Chk
Sym
160
bytes
Data bitstream
RS Chk
Sym
Physical Link Coding
• Physical Layer: Codierung
• z.B: Fehlerkorrektur auf Bit-Ebene
24. September 2002
24. September 2002
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DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Standard Schnittstelle zwischen
HF-Geräten und Router
Net PDU
IP
IP
Frame
HDLC Framing
HDLC Framing
101010
(bits)
R/S Encode
R/S Decode
Randomize
Derandomize
Conv. Encode
Conv. Decode
Kommerzieller
Router
Ground-station
Router Interface
Device
(GRID)
Bit sync
Modulator
Demod
Transmitter
Receiver
Upconvert
Downconvert
Bestehende
HF-Geräte
Antenna
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Ground Station Installation
Kommerzieller
Router
Internet
GR ID
Na
t o
n
i la
GCC
I s
n tru m n
e s
t
GCC
5 0 1
2
GC C
FEM
T u tip
l e
l x
r
e
X /R
T
X
.
PXI- 8
156B
PXI
1
.
.
.
.
.
.
.
.
2
3
.
4
.
5
.
6
7
Bodenstations LAN
8
C o m pa ct PC I
Ground Station
Router Interface Device
(GRID)
Antenne
Bodenstation
HF Geräte
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24. September 2002
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Eigenschaften v. GRID
• Einfacher und billiger Schnittstellen-Konverter
zwischen HF-Geräten und Router
• nur PHY-Signale (keine Info über Data link
layer Rahmen)
• Ermöglicht automatische Konfiguration von
einem externen Computer aus und bietet
Qualitätsmonitoring von Verbindungen
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Onboard LANs
• Jedes Instrument wird mit eigener IP-Adresse
am LAN angeschlossen sein.
• Entwicklung von Instrumenten mit StandardLAN-Schnittstellen -> einfachere Integration
• Optionen die untersucht werden
– IEEE-1355 (1-1.000 Mbit/s)
– IEEE-1394 FireWire (100, 200, 400 Mbit/s)
– Ethernet (10, 100, 1.000, 10.000 Mbit/s)
• dominierende LAN-Technologie in Industrie
• Hardware & Support Tools verfügbar
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Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Network Layer
• Globale Adressierung für jedes Datenpaket
• IP Pakete von Routern weiter geleitet
• Basis für Erfolg des Internet
HTTP
FTP
5/6/7 - Application
NTP
SMTP
Audio
TCP
4 - Transport
Video
RTP
MDP
UDP
IPsec (AH/ESP)
IP
3 - Network
2 - Data Link
1355
1394
Ethernet
ATM
POS
HDLC
SONET
1 - Physical
Copper
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Fiber
RF
Fiber
Copper
RF
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Network Layer(2)
• Hohe Verzögerungszeiten
– IP nicht beeinflußt, da keine Antworten notwendig
– jedes Paket wird mit Zieladresse versehen
• Daten-Priorität
– Optionen für Priorität können eingesetzt werden
(Type of Service Feld)
– Router unterstützen Warteschlangen für
unterschiedliche Prioritäten
• Overhead
– möglichst große Pakete übertragen
– Header Compression (RFC 2507, 2508 - 7 byte headers)
24. September 2002
24. September 2002
Graz in Space
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24
DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Network Layer: Mobile IP
• Unterschiedliche Bodenstationen können
Funkkontakt mit Sat / Sonde haben
• Uplink: über andere Bodenstation
• Downlink-Daten werden normal geroutet
150.15.15.18
Spacecraft address
Control
Center
100.1010.x
subnet
24. September 2002
Home
Ground station
150.15.15.x
subnet
Foreign
Ground station
Mobile IP Tunnel
200.20.20.x
subnet
Graz in Space
49
Network Layer: Sicherheit
• Sicherheits-Aspekte können/müssen auf
mehreren Schichten berücksichtigt werden
– Verschlüsselung auf Data Link Layer
– IPSec Option für Verschlüsselung auf IP-Ebene
– Verschlüsselung auf Applikationsebene
• Vorerst werden IP-Netze im Weltraum
private IP-Netze seine
24. September 2002
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Graz in Space
50
25
DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Transport Layer
• 2 Protokolle für unterschiedl. Anforderungen
– TCP - “zuverlässige” Ende-zu-Ende Übertragung
– UDP - “send-and-forget” Übertragung (ähnlich zu
aktueller Datenübertragung (CCSDS))
HTTP
FTP
5/6/7 - Application
NTP
SMTP
Audio
TCP
4 - Transport
Video
RTP
MDP
UDP
IPsec (AH/ESP)
IP
3 - Network
2 - Data Link
1355
1394
Ethernet
ATM
POS
HDLC
SONET
1 - Physical
24. September 2002
Copper
Fiber
RF
Fiber
Copper
RF
Graz in Space
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Transport Layer: UDP
• User Datagram Protocol (UDP)
– einfaches Übertragungsprotokoll (unzuverlässig)
– für uni-direktionale Verbindungen
– Verzögerunszeit hat keinen Einfluß
• Zuverlässigkeit muß von Applikation/Benutzer
implementiert werden.
• Real-time Protocol (RTP) ergänzt
Eigenschaften für Rekonstruktion von Echtzeit Datenstrümen über UDP
24. September 2002
24. September 2002
Graz in Space
52
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DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Transport Layer: TCP
• Transmission Control Protocol (TCP)
– zuverlässige Datenübertragung (mit ACKs)
– Flußkontrolle in Abhängigkeit vom Netzwerk
• Datendurchsatz abhängig von
– Datenrate (Bandbreite) und Verzögerungszeit
– Netzwerkfehlern und Netzwerk-Verstopfung
24. September 2002
Graz in Space
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Bit-Efficiency Comparison
50.0
45.0
Command and realtime
telemetry use small packets.
Overhead not significant for
small volume of data.
40.0
Header Sizes in Bytes
Uncompressed
Compressed
TCP/IP
35.0
SCPSTP/NP
30.0
25.0
TCP/IP/HDLC
20.0
TCP/IP/CCSDS
20+ 20 = 40
4 to 7
20+ 18 = 38
8 to 10 + 4 = 14
TCP W/HDR Cmp
15.0
SCPS W/HDR Cmp
10.0
High rate, large volume data
transfers use large packets.
Minimal overhead differences
5.0
0.0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Data Bytes per Packet
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Graz in Space
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27
DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Application Layer
• Anforderungen bestimmen Transportprotokoll
• Standard Applikationen vorhanden
• eigene Applikationen entwickeln
HTTP
FTP
5/6/7 - Application
NTP
SMTP
Audio
TCP
4 - Transport
Video
RTP
MDP
UDP
IPsec (AH/ESP)
IP
3 - Network
2 - Data Link
1355
1394
Ethernet
ATM
POS
HDLC
SONET
1 - Physical
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Copper
Fiber
RF
Fiber
Copper
Graz in Space
RF
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Mögliche Applikationen über IP
• Real time telemetry
– Uni-direktionale Übertragung -> UDP
– Verläßliche Übertragung -> TCP
• Zuverlässige Übertragung von technischen &
wissenschaftlichen Daten
– kurze Verzögerungszeit -> FTP über TCP
– lange Verzögerungszeit -> MDP / PBP über UDP
– Store & Forward - > SMTP über TCP, MDP über UDP
24. September 2002
24. September 2002
Graz in Space
56
28
DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Mögliche Applikationen (2)
• Synchronisierung der Borduhr
– Synchronisierung der Borduhr und Korrektur der
Drift -> NTP (Network time protocol)
• Steuerung
– Store & Forward -> SMTP (simple mail transfer protocol)
– zuverlässig in Echtzeit -> TCP
– “Blind” Echtzeit -> UDP
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Graz in Space
57
OMNI
Projektverlauf und
erste Ergebnisse
In-Orbit Tests
mit LEO-Satellit UoSat-12
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DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
OMNI-Projektverlauf
• Projektstart 1998/99
• OMNI Testbett:
– Auto mit Geräten simulierte Satellit
• Übertragungen von Forschungsschiff über
TDRSS-Satelliten (über IP)
• Demonstration auf UOSAT-12 (LEO-Orbit):
– TCP/IP, UDP, Webserver, E-Mail, Mobil IP, VPN,
IPsec
24. September 2002
Graz in Space
59
PING Test 2 - Apr. 10, 2000
0.350
350
300
0.250
250
0.200
200
0.150
150
0.100
Degrees
Round Trip Time (RTT) (seconds)
0.300
100
SSTL-UO12 RTT (sec.)
Calc. SSTL-UO12 RTT (sec.)
0.050
GSFC-UO12 RTT (sec)
50
Elevation (deg.)
Poly fit (5th) SSTL-UO12
0.000
16:43:00
0
16:45:00
16:47:00
16:49:00
16:51:00
16:53:00
16:55:00
16:57:00
GMT
24. September 2002
24. September 2002
Graz in Space
60
30
DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Sync der Borduhr via NTP
2.549
09:38 April 14, 2000
2.5
2
Time Offset
by
Ground Command
1.5
NTP
Time
Correction
1
-0.5
9:38:00
9:40:00
24. September 2002
-0.019
0.009
0.006
0.005
0.006
0.005
0.002
0.002
-0.317
0
-0.317
NTP Time
Change Enabled
0.004
0.5
0.001
NTP
Time
Correction
-0.275
Seconds Offset from USNO Timeserver
2.547
3
9:42:00
9:44:00
9:46:00
9:48:00
UTC
Graz in Space
9:50:00
9:52:00
61
Datenübertragung via FTP
4-Image Mosaic of Perth, Australia
Error-Free Images Downlinked with FTP
June 7, 2000
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24. September 2002
Graz in Space
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DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Real-Time Telemetry via UDP
– Solar-Panel Ströme bei
Übergang in Erdschatten
– December 13, 2000
C
u
r
r
e
n
t
GMT
24. September 2002
Graz in Space
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Zukünftige Arbeitsschritte
• Ground-based Flatsat Testbed
– UDP-basierender zuverlässiger File-Transfer
– Mobile IP, Mobile Router
– IPSec, VPN
• Validierung im Weltraum
–
–
–
–
UDP- basierender zuverlässiger File-Transfer
Blind Commanding
Mobile IP
SMTP-basierendes Store & Forward
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Graz in Space
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DI Ulla Birnbacher
Datenübertraung zu Weltraumsonden: Internet in Space
Weitere Ziele (bis 2005/06)
• Studien und Demonstration betreffend
Sicherheit
• Demonstration von hohen Datenraten
(Sat-Erde)
• Unterstützung für IP-Integration in zukünftige
Missionen
24. September 2002
Graz in Space
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Weitere Informationen
• Download der Präsentation
– ftp://ftp.inw.tu-graz.ac.at/vortrag/BirnbacherInternet-in-Space.pdf
– http://www.inw.tu-graz.ac.at (siehe Vorträge)
• OMNI Projekt der NASA
– http://ipinspace.gsfc.nasa.gov
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