Domingo Ortega Pérez de Villar Internet en el Espacio

Índice Internet en el espacio Internet terrestre Internet “más allá” Internet Interplanetaria ¿Por qué una red DTN? Redes DTN: almacenamiento y reenvio conectividad intermitente conexiones “Bunddle layer” Encapsulado Interantividad Nodos Transferencia bajo custodia Encaminamiento Regiones Seguridad Ejemplo Referencias

Internet “terrestre” Internet en el espacio Enlaces cableados Tecnologías inalámbricas Características: Enlaces punto-a-punto Baja latencia Baja tasa de fallos Caudales bidireccionales Caudales relativamente simétricos

Internet “más allá” Internet en el espacio Tecnologías inalámbricas Bajo consumo de energía Características de las comunicaciones: Retrasos variables Largos periodos de tiempo de incomunicación Alta tasa de errores Caudales bidireccionales asimétricos

Internet Interplanetaria Internet en el espacio Internet Interplanetaria En 1998 DARPA (“US Defense Advanced Research Project Agency”) crea un grupo de investigación en el “Jet Propulsion Laboratory” en la NASA. Objetivo: Estandarizar el conjunto de las telecomunicaciones dirigidas al espacio con las técnicas actuales. Modelo internet terrestre. La arquitectura que desarrollarían consistiría en: Usar protocolos usados en Internet para formar pequeñas redes locales con bajos retardos en entornos con poco ruido. Crear backbone inalámbrico de largo recorrido para unir estas redes locales. El resultado sería una red de internets. Para usar esta Internet interplanetaria se necesitaría superponer un nuevo protocolo “bundling”para enlazar este conjunto heterogéneo de internets

Estructura de capas Internet en el espacio Capa Aplicación: Genera y consume datos de usuario. Capa Transporte: Segmentación de los mensajes de origen a destino. Reensamblado, control errores, control de flujo. Capa de Red: Direccionamiento de los mensajes. Con fragmentación y reensamblado si se requiere. Capa de Enlace: Transmisión enlace a enlace de las piezas. Capa Física: Transmisión de flujo de bits de enlace a enlace.

¿Por qué una red tolerante a retrasos? (DTN) Internet en el espacio ¿Por qué una red tolerante a retrasos? (DTN) TCP es un protocolo interactivo: Establecimiento: 3-way “hello” handshaking Envíos y Acknowledgements Finalización: 4-way “Goodbye” handshaking Sin embargo, las asunciones en las redes actuales no se pueden portar a redes “interplanetarias” Estas redes “interplanetarias” se caracterizan por: Conexiones intermitentes. Retrasos largos o variables. Flujo de datos asimétrico. Alta tasa de fallos.

DTNs: Conectividad Intermitente Internet en el espacio DTNs: Conectividad Intermitente Un gran número de dispositivos pueden encontrarse: En movimiento  Posible obstrucción de la trayectoria de comunicación Con consumo limitado de energía  Distintos regímenes de energía (activo, en espera, apagado, …) En Internet: Paquetes que no pueden ser entregados  Descartados TCP se encargará de la retransmisión. En caso de no poder producirse  Cierre de la conexión TCP En DTNs: Se resuelve cualquier problema de intermitencia almacenando el mensaje hasta que la transmisión sea posible. (Se puede establecer un tiempo de vida para los mensajes)

DTNs: Store & Forward Internet en el espacio Las DTNs solventan los problemas anteriores: Retrasos largos o variables Tasa de transmisión asimétrica Alta tasa de fallos mediante una conmutación de mensajes del tipo store & forward. Los routers DTN necesitan sistemas de almacenamiento de memoria por: La comunicación con el siguiente enlace puede que no se pueda producir por periodos largos de tiempo. Un nodo puede ser capaz de enviar o recibir datos más rápidamente que otro. Aparte de su fiabilidad. Un mensaje puede que necesite ser retransmitido si se produce algún tipo de error en los flujos.

DTNs: Conexiones Internet en el espacio Las conexiones pueden ser: Predichas. Bajo demanda. Casuales: Cuando un nodo detecta otro nodo con el cual se quiere comunicar, se comunica. (-) Consumo de energía. Programadas: En el espacio: prácticamente todo se encuentra en movimiento. Latencias importantes. En la mayoría de los casos se puede calcular la disponibilidad de los nodos para la Comunicación  Se programan las comunicaciones. (+)ahorro de energía

DTNs: La capa de mensaje (“BUNDDLE layer”) Internet en el espacio DTNs: La capa de mensaje (“BUNDDLE layer”) La fórmula usada para soportar el store & forward es añadiendo un nuevo protocolo a las capas de internet. La capa física, de enlace, de red y de transporte (capas inferiores) serían específicas de cada región (dependiendo de las característica de cada una) La nueva capa se colocaría justamente encima de éstas.  las aplicaciones se pueden comunicar entre varias regiones. La nueva capa se encarga del store & forward de bien los mensajes o fragmentos de los mismos entre los nodos. Este protocolo es común a todas las regiones que conforman la DTN

DTNs:Encapsulado Internet en el espacio Mensajes (“Bunddles”) están compuestos de: Los datos de la aplicación. La información de control que suministra la aplicación para la aplicación de destino. Una cabecera, que es insertada por este mismo protocolo. Los mensajes pueden ser arbitrariamente largos. La capa de mensaje (“bunddle layer”) puede fragmentar los mensajes generados por la aplicación. En caso de que se fragmenten los mensajes, será el mismo protocolo, en el destino, quien se ocupe del reensablado.

DTNs: Interactividad Internet en el espacio TCP  Muchos “viajes” de ida y vuelta en la comunicación punto a punto + Enlaces conectados intermitentemente, grandes retrasos, … -------------------------------------------------------------------------------------------------- = No viable Las sesiones que se crean en DTN no contienen o contienen mínimamente comunicaciones de ida y vuelta. Cualquier Acknowledgement por parte del receptor es opcional (dependiendo del tipo de servicio solicitado).

DTN: Nodos Internet en el espacio Nodos DTN: Host: Envía o recibe mensajes, pero no los reenvía. Requieren almacenamiento persistente. Opcionalmente soportan transmisión bajo custodia (“custody transfers”). Routers: Opera en la misma región DTN y opcionalmente puede hacer de host. Gateways: Opera entre dos o mas regiones DTN y opcionalmente puede hacer de host. Accede a las capas inferiores y hace conversiones pertinentes al enviar mensajes entre distintas regiones

DTN: Transferencias bajo custodia Internet en el espacio DTN: Transferencias bajo custodia DTNs deben soportar conexiones entre dos nodos. No hay ningún protocolo de la capa de transporte en DTNs que soporten conexiones punto a punto.  La capacidad de conexión nodo a nodo se debe implementar en la “bunddle layer”. La “bunddle layer” soporta las retransmisiones nodo a nodo en terminos de transferencias bajo custodia. Las transferencias bajo custodia son concertadas entre las “bunddle layers” de los sucesivos nodos cuando la aplicación inicia la conexión.

DTN: Transferencias bajo custodia Internet en el espacio DTN: Transferencias bajo custodia Cuando un nodo envia un mensaje bajo custodia al siguiente nodo, le solicita una firma de la custidia e inicia un time-to-ack. Si el siguiente nodo acepta la custodia, envia un Ack al emisor. En caso contrario, se agota el time-to-ack, y el emisor emite de nuevo. El nodo que contiene el mensaje custodiado, lo deberá conservar hasta que otro nodo acepte la custodia o bien se agote el TTL del mensaje. El time-to-ack debe ser lo suficientemente grande como para poder permitir a los protocolos de transporte subyacentes completar la transmision. Las transferencias bajo custodia no aseguran un servicio garantizado punto a punto.

Internet Vs. Routing DTN Internet en el espacio Internet Vs. Routing DTN Internet (TCP & IP): TCP opera en los extremos del camino proporcionando conexión punto a punto. IP opera en todos los nodos del camino.

Ethernet en tiempo real Internet Vs. Routing DTN DTN: Todos los nodos implementan la “bunddle layer” y la capa de transporte Los gateways en DTN pueden soportar distintos conjuntos de protocolos de transporte, red, enlace y físco, tal y como se muestra en la figura con el fin de poder enviar mensajes entre regiones con distintas configuraciones

DTN: Regiones Internet en el espacio Una DTN es una red de redes. Cada una de las redes conforma una región con unas características de comunicación homogéneas. Cada región tiene su propio identificador. Estos identificadores son comunmente conocidos y es una parte del identificador de cada nodo. Los Gateways en las DTN forman parte de dos o mas regiones

DTN: Seguridad Internet en el espacio En redes DTN, no sólo se autentica la identidad de los usuarios y la integridad de los mensajes, los routers y gateways por los que transcurre el mensajes también se tienen que autenticar. Se evita tráfico ilegal. Se conservan recursos. En este tipo de redes todos los nodos poseen su juego de claves y sus certificados. Los emisores firman los mensajes con su clave privada creando una firma digital específica para los mensajes. El receptor puede confirmar la identidad del emisor, la integridad del mensaje y el CoS estipulado, usando la clave pública del emisor. Así, usando una clave pública: Emisor envía mensaje junto con su clave específica para el mensaje. El siguiente nodo verifica la id del emisor y la CoS. Reemplaza la firma del emisor con su propia firma y encamina de nuevo el mensaje. En cada forwarding se realizan los mismos pasos

Ejemplo Internet Interplanetario Internet en el espacio Ejemplo Internet Interplanetario Envío de un mensaje desde la Tierra a Marte. Previamente, las “bunddle layer” de todos los nodos de la red, se sincronizan entre si. Creación del mensaje: La aplicación invoca a la bunddle layer. La bunddle layer verifica la firma, crea el mensaje, almacena el resultado en la memoria persistente.

Ejemplo Internet Interplanetario Internet en el espacio Ejemplo Internet Interplanetario Transmisión del emisor: La bunddle layer consulta su tabla de rutas y determina que el siguiente nodo capaz de aceptar la custodia del mensaje es el Gateway de la Tierra. {earth.sol.int, ipngw1.jpl.nasa.gov:6769} Descubre protocolo transporte utilizado en esta región:TCP. Transmite una copia del mensaje y comienza a contar el time-to-ack para una posible retransmisión. Espera hasta recibir el ack por parte del gateway.

Ejemplo Internet Interplanetario Internet en el espacio Ejemplo Internet Interplanetario Process & Forwardind del 1er salto: Cuando el Gateway de la tierra recibe el bundle: Cierra conexión TCP, Verifica el emisor, Reemplaza la firma, Almacena el mensaje. El protocolo bundle consulta su tabla de rutas y descubre el siguiente nodo capaz de soportar la transmisión por cusodia del mensaje: {mars.sol.int, ipngw2.jpl.nasa.mars.org:6769} Compruba cuando puede realizar el envío. Confirma que es viable con el actual TTL del mensaje y encola el mensaje para salida. Entonces es cuando envía la aceptación de custodia del mensaje. El receptor de este Ack podrá entonces borrar el mensaje.

Ejemplo Internet Interplanetario Internet en el espacio Ejemplo Internet Interplanetario Segundo salto: Procesamiento y reenvio: Cuando el Gateway de Marte recibe el mensaje: termina la sesion de transporte de largo recorrido, Comprueba la firma del gateway de la tierra, Confirma que la fuente es legítima, Reemplaza la firma por la suya propia, Almacena el mensaje en memoria. El gateway de Marte consulta su tabla de rutas y determina el destino: siguiente salto: Modifica los protocolos de transporte al apropiado de esa región, Confirma que mensaje dentro del TTL Acepta la custodia del mensaje Actualiza la información de la cabecera bunddle Gateway establece contacto con el destino usando el protocolo de transporte.

Ejemplo Internet Interplanetario Internet en el espacio Ejemplo Internet Interplanetario Recepción del mensaje: Cuando la capa bunddle del destinatario recibe el mensaje: Cierra sesion protocolo transporte Comprueba la firma del gateway de Marte. Comprueba que el mensaje es legítimo. Almacena el mensaje. Acepta la custodia y envía Ack. La capa bunddle entonces transfiere el mensaje a la aplicación correspondiente

Ethernet en tiempo real Referencias Internet Research Task Force Research Group. (DTNRG) www.dtnrg.org DTN Architecture Document: drfct-irtf-dtnrg-arch-01 Delay-Tolerant Networking: An Approach to Interplanetary Internet: Scott Burleigh, Adrian Hooke, and Leigh Torgerson, Jet Propulsion Laboratory http://www.dtnrg.org/papers/ieee-comsoc-article.pdf InterPlaNetary Internet: state-of-the-art and research challenges: Ian F. Akyildiz, Chao Chen, Jian Fang, Weilian Su http://www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/space.pdf Technologies for the InterPlanetary Network: Dr. James R. Lesh Chief Technologist & Manager, Technology Office Interplanetary Network and Information Systems Directorate Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology http://www.ipnsig.org/reports/Lesh-IPN-Technologies.pdf TOWARDS AN INTERPLANETARY INTERNET: A PROPOSED STRATEGY FOR STANDARDIZATION Adrian J. Hooke Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology Pasadena, California, USA http://www.ipnsig.org/reports/SpaceOps-Oct-2002.pdf Delay-Tolerant Networks (DTNs): Forrest Warthman Warthman Associates http://ipnsig.org/reports/DTN_Tutorial11.pdf http://ipnsig.org/reports/draft-irtf-ipnrg-arch-01.txt www.scholar.google.com