Αρχιτεκτονική δρομολογητών για τη διαμεταγωγή διαστημικών δεδομένων

Abstract

In the present thesis, we study the problem of the dissemination of an ever increasing volume of scientific data produced by space missions to end- users. In this context, we propose solutions that aim to improve current space data dissemination paradigms, increasing the volume of space data that reach interested parties. To achieve that, we extract the network requirements set by current and future space missions, before proceeding with the design, implementation and evaluation of network architectures and mechanisms. We leverage Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN), an architecture that has recently emerged to interconnect space assets into the Interplanetary Internet (IPN).Initially, we focus on Deep Space missions, aiming to implement a network architecture that can increase data volumes transported to Earth by making more efficient use of network resources in Space and on Earth.After studying Deep Space missions such as ESA's Mars Express and NASA's Mars Odyssey, we design an architecture based on the Bundle Protocol. We develop this architecture within the SPICE DTN Testbed, a state-of-the-art testbed that has been specifically built to support the emulation of space communications. We adapt the proposed architecture to support policies imposed by ESA and propose a mechanism that improves end-to-end reliability.We then target low budget LEO missions and propose solutions that allow the dissemination of space data to multiple end-users. After studying dissemination models based on the number of end-nodes that receive data directly from the satellite, the reliability required, and the distribution method (broadcasting or unicasting), we analyze them in terms of protocols used. We first focus on the space segment of the communication and configure the CFDP accordingly. Then we design a peer-to-peer architecture to support dissemination of data over terrestrial networks. We couple this with a DTN- based space segment to propose a novel architecture that, based on our simulation results, can efficiently support low budget communications.Finally, studying current space missions, we identify a lack in support for different types of data produced by scientific instruments. To this end, we propose a routing mechanism that takes into consideration the application requirements to route data efficiently. We evaluate these modifications in the routing protocol over realistic scenarios using the SPICE DTN Testbed.

Στόχος της παρούσας Διατριβής είναι η μελέτη του προβλήματος του διαμοιρασμού όλο και περισσότερων δεδομένων που παράγονται στο Διάστημα. Στο πλαίσιο αυτό, προτείνουμε λύσεις που στοχεύουν στη βελτίωση των μεθόδων διαμοιρασμού επιστημονικών διαστημικών δεδομένων, με τελικό σκοπό την αύξηση της ποσότητας δεδομένων, επεξεργασμένων και ανεπεξέργαστων, που καταλήγουν σε ερευνητικά κέντρα. Επιχειρούμε να το πετύχουμε αυτό εξάγοντας τις δικτυακές απαιτήσεις τρεχουσών αλλά και μελλοντικών διαστημικών αποστολών, ενώ στη συνέχεια σχεδιάζουμε, υλοποιούμε και αποτιμούμε την απόδοση δικτυακών αρχιτεκτονικών και επιμέρους μηχανισμών που καλύπτουν αυτές τις ανάγκες, στοχεύοντας σε αποστολές που αντιμετωπίζουν τις μεγαλύτερες προκλήσεις συνδεσιμότητας. Αρχικά επικεντρώνουμε την προσοχή μας σε αποστολές που βρίσκονται στο βαθύ Διάστημα. Στόχος μας είναι η υλοποίηση μιας αρχιτεκτονικής που μπορεί να αυξήσει την ποσότητα των δεδομένων που μεταφέρονται, κάνοντας αποδοτικότερη χρήση των δικτυακών πόρων, τόσο στο διαστημικό σκέλος όσο και στο επίγειο. Αφού εξάγουμε τις δικτυακές απαιτήσεις που προκύπτουν από αποστολές όπως το Mars Express της ESA και το Mars Odyssey της NASA, προχωράμε στο σχεδιασμό μιας αρχιτεκτονικής βασισμένης στο πρωτόκολλο Bundle. Προσαρμόζουμε την αρχιτεκτονική ώστε να καλύπτει τις πολιτικές διαμοιρασμού και προστασίας δεδομένων της ESA και προτείνουμε έναν μηχανισμό που συμπληρώνει την από-κόμβο-σε-κόμβο αξιοπιστία που προσφέρει το πρωτόκολλο Bundle, παρέχοντας αξιοπιστία από-άκρο-σε-άκρο.Στρέφουμε την προσοχή μας σε αποστολές χαμηλού κόστους που βρίσκονται σε χαμηλή τροχιά γύρω από τη Γη και προτείνουμε τρόπους με τους οποίους δορυφόροι μπορούν να διαμοιράσουν τα επιστημονικά δεδομένα που έχουν συλλέξει σε πολλαπλούς χρήστες. Αυτά τα μοντέλα επικοινωνίας μπορούν να είναι πολύ χρήσιμα για την επικοινωνιακή υποστήριξη μικροδορυφόρων. Αφού περιγράψουμε τα διαφορετικά μοντέλα που προκύπτουν με βάση κάποιες παραμέτρους, προχωράμε στην ανάλυσή τους σε επίπεδο πρωτοκόλλων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Προχωρώντας στο δεύτερο σκέλος, το διαμοιρασμό δηλαδή των δεδομένων στους ενδιαφερόμενους φορείς, σχεδιάζουμε μια peer-to-peer αρχιτεκτονική, αντίστοιχη του πρωτοκόλλου BitTorrent στοχεύοντας αφενός μεν στη μείωση του δικτυακού φόρτου που επιβαρύνει τους αρχικούς παραλήπτες των δεδομένων, αφετέρου δε στην επιτάχυνση τις διαδικασίας διαμοιρασμού. Καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαμοιρασμού δεδομένων μπορεί να αποτελέσει μια αποδοτική λύση, δεδομένου και του μειωμένου οικονομικού κόστους που απαιτείται για την εφαρμογή του.Τέλος, μελετώντας τις διαστημικές αποστολές και τα δεδομένα που παράγουν, διαπιστώνουμε ότι δεν αρκούν οι μηχανισμοί προτεραιοτήτων που παρέχει η DTN αρχιτεκτονική για να καλύψει τις απαιτήσεις διαφορετικών τύπων δεδομένων. Έτσι, προτείνουμε ένα μηχανισμό δρομολόγησης που είναι σε θέση να βελτιστοποιεί διαφορετικούς αντικειμενικούς στόχους, ανάλογα με τις απαιτήσεις που θέτει η εφαρμογή αποστολής δεδομένων. Ελέγχουμε τη λειτουργικότητα των επεκτάσεων του μηχανισμού δρομολόγησης υλοποιώντας ρεαλιστικά σενάρια επικοινωνιών με τη χρήση του testbed.