Architectures réseaux pour communications interplanétaires Simon PAILLARD
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Architectures réseauxpour
communications interplanétaires
Simon PAILLARDEncadrant : Laurent FRANCKMercredi 6 septembre 2006
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ContexteContexte
Développement des missions spatiales lointaines (Vénus, Mars)
Défi des télécommunications spatiales : délai, débit, connectivité, consommation énergétique
Systèmes standardisés par le CCSDS (CFDP: plus de 250 engins spatiaux équipés)
CCSDS : Consultative Committee for Space Data SystemsCFDP : CCSDS File Delivery Protocol
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ProblématiqueProblématique
Des contraintes communes avec certains cas terrestres :capteurs, champs de bataille, systèmes à bas prix.
Multiplicité des systèmes terrestres (filaires ou radio) et spatiaux> comment les interconnecter ?> comment les interconnecter ?
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PlanPlan
Introduction Contraintes des environnements Limites des solutions traditionnelles Architecture « Delay Tolerant Network » Travaux menés et résultats Conclusion
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Contraintes desContraintes desenvironnements spatiauxenvironnements spatiaux
Délai de propagation Connectivité Débit Taux d'erreur binaire (BER)
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Contraintes : délaiContraintes : délai
Proportionnel à la distance entre l'émetteur et le récepteur
Délai sol-satellite GÉO : 125 ms Délai Terre-Mars :
jusqu'à22 minutes !
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Contraintes : connectivité (1)Contraintes : connectivité (1)
Visibilité non permanente (masquage par une planète par ex.)> intermittence des liens, partition du réseau
Jusqu'à l'absence de connectivité de bout-en-bout !
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Contraintes : connectivité (2)Contraintes : connectivité (2)
Exemple de connectivité résultante :
> très faible potentiel de transmission par rapport au coût
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Contraintes : distanceContraintes : distance
Importantes pertes en espace libre :entre la Terre et Mars (56 millions de km) en bande X (8.4Ghz) : 266 dB, soit 10-24 !
Compromis débit vs. BER(choix de modulation, code correcteur)
Ordre de grandeur : débit : 8 à 256 kb/s taux d'erreur binaire : jusqu'à 10-3
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Limites des solutions Limites des solutions traditionnelles terrestres (1)traditionnelles terrestres (1)
Série d'hypothèses optimistes non vérifiables dans tous les environnements : lien bidirectionnel délai aller-retour (RTT) faible pertes de bout en bout faibles connectivité assurée de bout en bout coût raisonnable de la bande passante même couche réseau partagée
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Limites des solutions Limites des solutions traditionnelles terrestres (2)traditionnelles terrestres (2)
Hypothèses ainsi induites : la conversation comme seul moyen de
corriger les erreurs et de gérer la sécurité une seule route entre source et destination les mécanismes de fiabilité et sécurité
peuvent n'être que de bout-en-bout
émetteur
récepteur
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ArchitectureArchitecture« Delay Tolerant Network » (1)« Delay Tolerant Network » (1)
Expression du besoin d'une architecture pour les réseaux spatiaux intermittents au sein du CCSDS
Intérêt pour l'InterPlaNetary Internet (IPN, dont Vint Cerf)
Champ d'application plus large que l'IPN Travail sous la tutelle du DTN Research
Group (Internet Research Task Force)
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Architecture DTNArchitecture DTNPrincipes (1)Principes (1)
Principe des services postaux : « store and forward »
Transmissions de messages, et non pas de paquets ou de flux
Pas d'interactivité Mécanismes de fiabilité et sécurité gérés
par chacun des noeuds traversés Réseau de réseaux régionaux
hétérogènes
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Architecture DTNArchitecture DTNPrincipes (2)Principes (2)
« store and forward » avec intermittences> capacité de transmission améliorée> capacité de transmission améliorée
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Architecture DTNArchitecture DTNPiles de protocolePiles de protocole
Protocole « bundle » de transmission des messages
Plusieurs sous-couches de convergences, adaptées aux différents environnements
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Architecture DTNArchitecture DTNDéfinition des modes de contactDéfinition des modes de contact Classification de la connectivité des liens
en présence : 4 modes
contact permanent
contact à la demande
contact intermittent opportuniste
contact intermittent planifié
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Implémentation logicielleImplémentation logicielle
Logiciels de référence sur http://dtnrg.org Démon de noeud DTN Applications :
dtnping dtnsend / dtnrecv dtncat et d'autres dtn*
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Travaux menés et résultats :Travaux menés et résultats :Portage DTN pour borne WiFiPortage DTN pour borne WiFi
Intérêt du sans-fil dans les solutions DTN faible coût, compacité, mobilité alimentation par batterie
> portage du projet DTN> portage du projet DTNpour les bornes WiFipour les bornes WiFiLinksys WRT54GLinksys WRT54G
Intégration du patch au projet officiel Travail de collaboration avec le
responsable
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Travaux menés et résultats :Travaux menés et résultats :Scénario cible (1)Scénario cible (1)
Intermittence via la couverture WiFi Dummynet : latence, BER
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Travaux menés et résultats :Travaux menés et résultats :Scénario cible (2)Scénario cible (2)
Passerelles TCP / DTN> réseau DTN transparent pour l'application de réception des données des capteurs
Preuve de fonctionnement :> les mesures des capteurs passent par le DTN
>> MAIS PAS DE MÉTRIQUE ACCESSIBLE !>> MAIS PAS DE MÉTRIQUE ACCESSIBLE !
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Travaux menés et résultats :Travaux menés et résultats :Modélisation intermittenceModélisation intermittence
WiFi : pas de contrôle de l'intermittence> modélisation par script interposé
Scénarios de référence retenus :
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Travaux menés et résultats :Travaux menés et résultats :Type de trafic et métriquesType de trafic et métriques
Métrique de performances : goodput (débit applicatif)
Mesure du goodput :envoi continu (back to back)SINON > SINON >
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Travaux menés et résultats :Travaux menés et résultats :Envoi continu et mesuresEnvoi continu et mesures
Choix de la couche de convergence UDP pas d'interactivité
Résultats et problèmes soulevés messages tronqués à 50ko ! détection de faux bundles dupliqués
> sur 40000 bundles, 200 reçus désactivation de la suppression des
dupliqués> génération spontanée de paquets entre la source et le destinataire.
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Travaux menés et résultats :Travaux menés et résultats :Envoi continu et mesuresEnvoi continu et mesures
Choix de la couche de convergence TCP, sensible à la latence> intercation des mécanismes TCP
Résultats et problèmes soulevés fermeture problématique par le script d'une
connexion TCP active en envoi continu erreur de segmentation de la pile DTN en envoi discontinu, on vérifie le résultat du
premier scénario :> gestion de l'intermittence vérifiée, pas > gestion de l'intermittence vérifiée, pas d'évaluation quantitived'évaluation quantitive
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ConclusionConclusion
Problématiques de recherche encore ouvertes : multicast, routage, LTP
Intérêt d'un standard au champ d'application large> Fort potentiel de développement d'applications asynchrones à bas coût
Manque de maturité du logiciel référence> performances difficiles à quantifier
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ContributionsContributions
Portage pleinement fonctionnel de la suite logicielle DTN pour l'architecture MIPS et le système OpenWrt basé sur µClibc
Réalisation de passerelles TCP Crossbow (réseau de capteurs) <-> DTN
Livrable 2 de l'action R&T CNES « Communications asynchrones en environnement intermittent et contraint »
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RéférencesRéférences
1. Consultative Committee for Space Data Systems, http://www.ccsds.org
2. Delay Tolerant Networking Research Group, Internet Research Task Force, http://dtnrg.org/
3. S. Burleigh et. al., « Delay-Tolerant Networking: An Approach to Interplanetary Internet », IEEE Communications Magazine, Juin 2003
4. V. Cerf et. al., « Delay Tolerant Network Architecture », draft-irtf-dtnrg-arch-05.txt, Septembre 2006
5. K. Scott, S. Burleigh, « Bundle Protocol Specification », draft-irtf-dtnrg-bundle-spec-04.txt, Mai 2006
6. Forrest Warthman, « Delay-Tolerant Networks (DTNs): A Tutorial », v1.1, Mars 2003
7. Michael Demmer, Eric Brewer, Kevin Fall, Sushant Jain, Melissa Ho, Robin Patra, « Implementing Delay Tolerant Networking », tech. report IRBTR-04-020, Intel Research Berkeley, http://www.dtnrg.org/papers/demmer-irb-tr-04-020.pdf, Décembre 2004
8. Interplanetary Internet, http://ipnsig.org/
9. Philo Juang, Hidekazu Oki, Yong Wang, Margaret Martonosi, Li-Shiuan Peh, Daniel Rubenstein, « Energy-Efficient Computing for Wildlife Tracking: Design Tradeoffs and Early Experiences with ZebraNet », http://www.princeton.edu/~mrm/zebranet.html, ASPLOS-X conference, San Jose, Octobre 2002
10. CNES, ENST, TÉSA, « Communications asynchrones en environnement intermittent et contraint », Livrable 1
11. Robert RUMEAU, Laurent FRANCK, « Comparaison entre les reseaux mobiles ad hoc et les réseaux tolérants au délai »
12. OpenWrt, Wireless Freedom, http://openwrt.org
13. OpenWrt building packages howto, http://wiki.openwrt.org/BuildingPackagesHowTo
14. Dummynet, http://www.dummynet.com/
15. A. Lindgren et A. Doria, « Probabilistic Routing Protocol for Intermittently Connected Networks », draft-lindgren-dtnrg-prophet-02.txt, Mars 2006
16. Jeff Thorn, « Deciphering TinyOS Serial Packets », Octave Tech Brief #5-01, Mars2005, http://weblog.cs.uiowa.edu/294s05-project/uart/slides/deciphering-serial-packets.pdf
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AnnexeAnnexeStructure des bundles (1)Structure des bundles (1)
Entête d'un bundle+----------------+----------------+----------------+----------------+ | Version | Proc. Flags | COS Flags | SRR Flags | +----------------+----------------+----------------+----------------+ | [Header length] | +----------------+----------------+---------------------------------+ | Destination scheme offset | Destination SSP offset | +----------------+----------------+----------------+----------------+ | Source scheme offset | Source SSP offset | +----------------+----------------+----------------+----------------+ | Report-to scheme offset | Report-to SSP offset | +----------------+----------------+----------------+----------------+ | Custodian scheme offset | Custodian SSP offset | +----------------+----------------+----------------+----------------+ | | + Creation Timestamp (8 bytes) + | | +---------------------------------+---------------------------------+ | Lifetime | +----------------+----------------+----------------+----------------+ | Dictionary length | +----------------+----------------+----------------+----------------+ | Dictionary byte array (variable) | +----------------+----------------+---------------------------------+ | [Fragment offset] | +----------------+----------------+---------------------------------+ | [Total application data unit length] | +----------------+----------------+---------------------------------+
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AnnexeAnnexeStructure des bundles (1)Structure des bundles (1)
Charge utile d'un bundle+----------------+----------------+----------------+----------------+ | Header type | Proc. Flags | Header length(*****) | +----------------+----------------+----------------+----------------+ | | | Bundle Payload (variable) | | | / / / / | | +-------------------------------------------------------------------+