Skriva rapporter

							      Datornätverk i rymden




      Figur 1: Interplanetärt internet


 Niklas Hurtig, nhg06001@student.mdh.se

Tobias Johansson, tjn06001@student.mdh.se

 Vetenskapsmetodik CDT212 2009-03-09

          Mälardalens högskola




                     1
SAMMANFATTNING
Rapporten tar upp hur internet fungerar och kan komma att fungera i framtiden. Den tar
samtidigt upp de olika tekniker som används i dagsläget och möjliga kandidater till ett
framtida internet i rymden.

Med dagens teknik kan inte kommunikationen i rymden fungera autonomt utan måste
schemaläggas och styras från jorden. I närliggande framtid kommer nya tekniker ta över och
ska fungera utan någon mänsklig inblandning. Dessa tekniker måste kunna hantera de
naturliga begränsningar som finns såsom ljusets hastighet, dopplereffekt och planeters rörelser
vid överföring av data.

Just på grund att det finns begränsningar i ”mediet” behöver man utnyttja det maximalt, därav
finns det olika protokoll som klarar att hantera de besvärliga omständigheterna. Rapporten går
djupare in på två protokoll som heter CCSDS File Delivery Protocol (CFDP) och
Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN), vilka kan användas vid datatrafik i rymden.
Kommunikation med laser nämns också som ett alternativ till radiovågor eftersom man
paketerar mer data vid överföring.




                                              2
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
INLEDNING .............................................................................................................................. 3
Kort om nätverk.......................................................................................................................... 4
Datornätverk i rymden ................................................................................................................ 5
  Interplanetärt internet ............................................................................................................. 6
     CFDP ................................................................................................................................. 6
     DTN .................................................................................................................................... 7
     Kommunikation med Laser ............................................................................................ 8
SLUTSATSER ........................................................................................................................... 8
Bilaga – Förklaring av termer................................................................................................... 10
REFERENSER ........................................................................................................................... 9
  Artiklar ................................................................................................................................... 9
  Internetkällor .......................................................................................................................... 9
  Figurer .................................................................................................................................... 9




INLEDNING
Det började med en vision att koppla ihop olika stordatorer för att få dessa att kommunicera.
Det var på den amerikanska försvarsorganisationen Advanced Research Project Agency
(ARPA) som idén kläcktes på 60-talet. Datorer hade precis gjort sitt intåg på allvar i
forskarnas laboratorium och även fast dessa var primitiva och fysiskt stora med dagens mått
mätt så kunde de genomföra enklare beräkningar och även kommunicera lokalt med andra
datorer och annan utrustning. Problemet var att en terminal kopplad till en dator bara kunde
kommunicera med en annan terminal kopplad till samma dator. Skulle forskarna
kommunicera med andra datorer och deras terminaler fick de lov att byta terminal och logga
in på den i sin tur.

Robert Taylor var anställd på ARPA och fann denna stelhet irriterande. Han tyckte det vore
smidigt om en terminal kunde kommunicera med flera andra terminaler kopplade till olika
datorer. Detta synsätt var det som startade arbetet med ARPANET. Ett nätverk bland
universitet och försvarsanläggningar runtom USA. Grundidén var att nätverket skulle vara av
typen ”Packet-switched network”. Detta är den direkta motsatsen till ”Circuit-switched
network” där en anslutning tar upp hela kommunikationslinan medan dataöverföring sker. Det
kan jämföras med ett telefonsamtal där det inte går att ringa till en telefon som används. Linan
är redan upptagen. Med ett ”Packet-switched network” kunde flera simultana anslutningar ske
på samma lina och informationen skickades som små paket i liknelse med en postlåda som har
plats för många brev till olika destinationer. Detta ARPANET byggde hela fundamentet till
det som senare skulle bli internet på 90-talet[WARP].




                                                                       3
Kort om nätverk
Datornätverk kommunicerar baserad på en standard som heter OSI som står för Open System
Interconnection vilken är indelad i sju lager. Det första lagret är det rent fysiska lagret.
Elektroniska signaler skickas och mottas i en nätverkskabel av något slag. Lager två är det
lager som switchar jobbar på och protokollen MAC och LLC arbetar på. På lager tre är det
dominerande protokollet IP som står för Internet Protocol. IP sköter adresseringen av
utrustning anslutna till internet.

Lager fyra innehåller transportprotokoll så som TCP, UDP och RTS. TCP som står för
Transport Control Protocol är det vanligaste att kombinera med adresseringsprotokollet IP och
kallas för TCP/IP. Lager fem till sju är lager som applikationen som används hanterar och
innehåller bl.a. sessioner och kryptering.[OSI] En variant av OSI-modellen men som bygger
på samma tänk är TCP/IP-modellen. Lager 1 och 2 i OSI-modellen motsvarar lager 1 i
TCP/IP-modellen och lager 5, 6 och 7 i OSI-modellen motsvarar lager 4 i TCP/IP-modellen.
Se figur 2 och 3.




    Figur 2: OSI-modellens sju lager              Figur 3: TCP/IP modellens fyra lager




                                              4
Datornätverk i rymden
Idag är internet det dominerande kommunikationsnätverket och används av mer än en miljard
människor över hela världen. Varje dator som är ansluten till internet har en IP-adress för att
kunna kommunicera, protokollet som används heter IPv4 och har maximalt ca: fyra miljarder
adresser. Ett problem är att dessa adresser håller på att ta slut om tillväxten av antalet anslutna
enheter fortsätter som hittills. Med det nya protokollet IPv6 finns det teoretiskt lika många
adresser som det finns sandkorn i Saharaöknen. När hela jorden är uppkopplad till samma
globala nätverk, vad blir nästa steg?

Det finns ett ställe där internet inte än har nått trots sin utbredning och det är rymden.
Människan har haft utrustning i rymden ända sedan den fjärde oktober 1957 då Sputnik
skickades upp i omloppsbana runt jorden[NASP] och med det behovet av att kommunicera
med dem. Idag finns tusentals satelliter i omloppsbana runt jorden och med det har behovet av
att kommunicera med dem ökat. Kommunikation med satelliter har förekommit ända sedan
den första satelliten skickades upp men den typen av kommunikation är inte av den dynamiska
typen som internet bygger på. Satelliterna som är uppskickade nu kan inte kommunicera
direkt med varandra utan allt skickas ner till jorden där trafiken dirigeras till sin rätta
destination. Trafiken är av typen simplex vilket betyder att data bara kan skickas åt ett håll i
taget, att jämföra med en walkie-talkie där bara en sida kan prata i taget. Det är alltså en stel
typ av kommunikation och är inte en del av internet. [IDG]

Den teknik som används för att kommunikation sker på rätt sätt på internet är
kommunikationsstacken TCP/IP som använder sig av adresser, portar och sessioner.
Problemet med kommunikation i rymden är avståndet som är mycket större än på jorden. Med
jordnära satelliter fungerar det bra med TCP/IP men när kommunikationen ska ske med
månen eller t.o.m. Mars är inte TCP/IP en bra lösning p.g.a. avstånd och förseningar.
Vid kommunikation med exempelvis Mars är fördröjningen för stor för att TCP/IP ska
fungera som det var tänkt. Även planeternas rörelse gentemot varandra påverkar bärvågens
frekvens p.g.a. dopplereffekten. Se figur 3.




               Figur 4: Dopplereffektens påverkan på frekvensen. Frekvensen
               på ljudet från den gröna bilen som står still är annorlunda mot
               ljudet från den röda bilen som färdas mot mikrofonen

Det kan i slutändan påverka integriteten på det data som skickas. Den mängd data som skulle
behöva buffras vid respektive planets länksatellit är alldeles för stor för att fungera med
TCP/IP. I den tänkta utbyggnaden av internet i rymden finns det inte plats för TCP/IP-stacken
utan helt nya protokoll måste införas för att fortsätta expansionen till andra delar av
solsystemet. [IDG]
                                                 5
Interplanetärt internet
Tanken med internet i rymden är att slippa de provisoriska och högst differentierade lösningar
som finns med dagens kommunikation med rymdfärjor och rymdstationer. Forskare på NASA
i USA pratar om ett stamnät i rymden kallat Interplanetary Backbone Network (IBN) eller
Interplanetärt internet på svenska. IBN bygger på att skicka ut kommunikationssatelliter i
första hand runt Mars och månen och att dessa ska bilda ett stamnät runt himlakropparna.
Dessa satelliter är inte av den typen att all data måste skickas till jorden för att dirigeras vidare
utan den tekniken ska byggas in direkt så att de även kan kommunicera sinsemellan.
Satelliterna i omloppsbana har en länk till en så kallad gateway-satellit som vidarebefordrar
all trafik till jorden. Som nämnt tidigare kan inte kommunikationen baseras på TCP/IP-
stacken utan andra tekniker har tagits fram för att lösa de problemen.[IDG]


CFDP
Ett protokoll som kan klara att kommunicera över stora avstånd via radiovågor är CFDP vilket
står för CCSDS File Delivery Protocol. CCSDS eller The Consultative Commitee for Space
Data Systems är en organisation grundad 1982 av de stora nationella rymdmyndigheterna och
arbetar med konsultation och standardisering till hjälp för olika rymduppdrag [CCSDS].
Utvecklingen av CFDP började 2002 och var designat för att ersätta andra ”hemmabyggda”
kommunikationsprotokoll i olika rymdfarkoster. CFDPs huvudsakliga jobb är att leverera filer
mellan noder där varje nod är av typen ”store-and-forward” vilket innebär att all data sparas
för att vidarebefordras när det är möjligt. De protokoll vi använder idag på jorden baseras på
att länken som data skickas över är Full-Duplex, vilket innebär att data kan skickas i båda
riktningarna samtidigt utan kollisioner. CFDP är designat så att det ska klara av både Half-
Duplex och Simplex p.g.a. kommunikation med t.ex. dagens kommunikationssatelliter.

För att minimera trafiken på länken och ”overhead” så kan CFDP skalas ner till att endast
omfatta det som behövs för överföringen. CFDP arbetar på lager 4 i OSI-modellen och kräver
underliggande nätverksprotokoll för att leverera data. CCSDS har egna lager 2 och 3 protokoll
men teoretiskt kan CFDP köras ovanpå TCP/IP, det är dock inte en bra lösning då TCP/IP har
problem med avstånden och fördröjningarna som nätverk i rymden innebär.

CFDP fungerar så att det börjar kopieringen av filer från en nod t.ex. jorden till nod nummer
två t.ex. (ISS) Internationella rymdstationen. CFDP-protokollet på ISS börjar i sin tur
kopieringen av det data som levererats till ISS vidare till nod tre som kan vara en rymdfärja
eller en bas på månen. Sessionen är alltså inte end-to-end utan varje nod från källan till
destinationen har en egen session med nästa i kedjan. Det kan vara så att en nod försvinner
under tiden en fil överförs från källan till destinationen. En satellit kanske hamnar bakom
horisonten på en planet, då bryts anslutningen men data sparas ner i den sista noden i kedjan
för att återupptas när satelliten har kontakt med noden igen. Data sparas på en hårddisk eller
motsvarande för att inte försvinna vid en systemomstart. Eftersom CFDP är ett
filöverföringsprotokoll kan man inte använda CFDP med data som strömmas eller andra typer
av operationer än filöverföring.[CFDP]




                                                  6
DTN
Det finns ytterligare protokoll som klarar av extrema förhållande och en av dem är allmänt
känt som DTN (Disruption/Delay tolerant Networking) [DTN09]. Protokollet gör det möjligt
att använda en slags store-and-forward funktion och bundle-kapacitet av paket som skickas.
DTN är ett mycket adaptivt och klarar av att implementeras ovan på andra mycket mindre
eller mer avancerade protokoll, eftersom det använder sig av convergence-layers till specifika
protokoll. Convergence-layer är ett lager i en stack t.ex. TCP/IP som gör det möjligt för
protokoll på olika lager i TCP/IP-modellen att kommunicera med varandra.

Det som skiljer DTN mest från andra nätverksprotokoll är sättet den hanterar paket. När man
skickar paket i ett vanligt nätverk på jorden finns oftast möjligheten att skicka det igen utifall
det inte kommer fram på mottagarens sida. I rymden vill man göra allt för att undvika
återsändning och därför minskar man antalet paket som skickas och buntar ihop data, vilket
betyder att mindre paket sammanfogas till relativt stora paket. Detta kallas bundling. Då man
använder sig av den här tekniken slipper man otaligt många headers, vilka bara innehåller
information om paketet.

Gruppen som har utvecklat DTN har valt att lägga in ett extra lager i TCP/IP-stacken som
ligger mellan applikationslagret och transportlagret, kallat Bundle-layer. Lösningen vid
överföring med långa spartider i noder, är att använda sig av custody transfer vilket betyder att
när en nod tagit emot en hel bundle tar den över ansvaret. Det bundle-paket som skickades får
en ny ansvarstagare och den ursprungliga källan kan terminera den upprättade sessionen. När
den nya noden har ansvaret får den avgöra vilken väg det nya bundle-paketet ska ta för att nå
sin destination.

Användningsområdet för den här tekniken är just datatrafik i rymden, men det betyder inte att
man kommer att kunna surfa på internet om man sitter på Mars. Däremot kan det tillämpas för
filöverföring och specialiserade sessioner som använder sig av bundle-layer för att hantera
tidsfördröjning.

Nackdelar med den här tekniken är att det just nu är ett utkast till protokollet vilket betyder att
den inte är den slutgiltiga lösningen. Det som inte riktigt är som det borde enligt artikeln ”A
Bundle of Problems” är pålitlighet, feldetektering och checksums-prestanda. Checksum är ett
värde i headern som står för ett unikt värde och används för att kontrollera att det är ett korrekt
paket som har anlänt.

DTN saknar helt checksum och förlitar sig på att applikationen tar hand om feldetektering, det
medför att om något bundle-paket har blivit korrupt upptäcks det inte förens vid destinationen.
Resultatet blir att paketet måste skickas om, ifall avståndet är andra sidan solsystemet betyder
det extremt onödiga fördröjningar. Eftersom DTN är en standard finns den att läsa mer under
RFC3848, vilket är den mest framgångsrika form av standardisering.[ABOF]




                                                 7
Kommunikation med Laser
Det är möjligt att kommunicera med t.ex. Mars m.h.a. laser och genom det få mycket högre
överföringshastighet än med trådlösa nätverk i form av radiovågor. Problemet är att
utrustningen måste vara mycket känslig då laserstrålen ska pricka en mycket liten yta över ett
mycket stort avstånd och det mellan två planeter som båda rör sig med flera kilometer per
sekund. Både laser och radiovågor rör sig med ljusets hastighet men laser kan paketera mer
data i överföringen så hastigheten kan bli från 10 till 1000 gånger högre enligt en forskargrupp
på NASA. Idag finns inte tekniken som gör kommunikation med laser möjlig men forskning
pågår och problemet kommer förmodligen att lösas i framtiden.[LASER]

SLUTSATSER
Det mest självklara med internet i rymden är att det är en ständig utveckling, som precis har
börjat och det finns mycket kvar att utveckla för framtiden. De tekniker som finns i dagsläget
är helt klart inte de mest funktionella men klarar sig eftersom det inte är så stor mängd data.
Begränsningen som ligger kvar är ljusets hastighet, dopplereffekten, kosmisk stålning och
andra begränsningar därför får man utveckla tekniker som trycker in mer data per sändning.
Nuvarande utveckling är att ändra tekniken där bitarna sänds t.ex. genom laser och ändra
sättet man skickar paket genom det. Hur man skickar paket har stor betydelse för
fördröjningar, pålitlighet och prestanda.

Därför kan CFDP och DTN lösa några av framtidens problem med internet i rymden, det finns
dock ingen teknik som är fullständig och än så länge är det inte i närheten av de datamängder
vi har på jorden.




                                               8
REFERENSER

Artiklar
[ABOF] Lloyd Wood, Wesley M.Eddy, Peter Holliday, ”A Bundle of Problems” Lloyd
Wood’s publications (online) December 2008, [cited 4 Februari 2009]
<http://personal.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/publications/wood-ieee-aerospace-2009-bundle-
problems.pdf>
[CFDP] CCSDS 720.1-G-3 “Report Concerning Space Data System Standards, CCSDS FILE
DELIVERY PROTOCOL (CFDP)-PART 1:INTRODUCTION AND OVERVIEW” CCSDS
Secretariat April 2007, [cited 9 mars 2009]

Internetkällor
[CCSDS] CCSDS ”Default”<http://public.ccsds.org/default.aspx> Citerad: 25 februari 2009
Uppdaterad: 2009
[DTN09] DTNRG ”About” <http://www.dtnrg.org/wiki/About> Citerad: 12 februari 2009
Uppdaterad: 3 januari 2009
[NASP] NASA ” Sputnik and The Dawn of the Space Age” <http://history.nasa.gov/sputnik/>
Citerad: 25 Februari 2009 Uppdaterad: 10 oktober 2007
[WARP] Wikipedia ”ARPANET” <http://en.wikipedia.org/wiki/ARPANET> Citerad: 25
februari 2009 Uppdaterad: 5 mars 2009
[OSI] Wikipedia “OSI-modellen” <http://sv.wikipedia.org/wiki/OSI-modellen> Citerad: 9
mars 2009 Uppdaterad: 23 februari 2009
[IDG] IDG ”Interplanetärt internet” <http://www.idg.se/2.1085/1.106378/interplanetart-
internet> Citerad: 9 mars 2009 Uppdaterad: 6 juli 2007
[LASER] ”Record Set For Space Laser Communication” <
http://www.space.com/missionlaunches/060104_laser_comm.html> Citerad: 9 mars 2009
Uppdaterad: 5 januari 2006


Figurer
[Figur 1] http://www.idg.se/polopoly_fs/1.106423!imageManager/4a445481.jpg
[Figur 2] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/26/Osi-model-jb-se-ls.png
[Figur 3] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5b/InternetProtocolStack.png
[Figur 4] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/Doppler-effect-two-police-
cars-diagram.png




                                              9
Bilaga – Förklaring av termer
     Full-Duplex: Innebär att data kan skickas åt båda hållen samtidigt i en länk.
     Half-Duplex: Innebär att data kan skickas åt ett håll i taget i en länk.
     Simplex: Innebär att data bara kan skickas åt ett håll, t.ex. från en rymdfarkost som
      skickar tillbaka bilder men som inte kan ta emot data.
     Overhead: Innebär den mängd information som omkapslar en datamängd. Det kan vara
      information om vad paketet innehåller för typ av data, käll- och destinationsadresser,
      prioritet, diverse attribut, o.s.v. Overhead betyder i princip storleken på all den
      information som inte är egentlig data såsom headers.
     Bundle: Buntar ihop flera paket till ett större för att undvika overhead.
     Header: Den inledande delen i ett paket som bl.a. innehåller information om vart
      paketet kommer ifrån och vart det ska.




                                            10