Delay and Disruption Tolerant Networks: Interplanetary and Earth-Bound -- Architecture, Protocols, and Applications 1st Edition

487 Pages·2018·30.2 MB·English

by  Aloizio Pereira da Silva (Editor), Scott Burleigh (Editor), Katia Obraczka (Editor)

Delay and Disruption
Tolerant Networks
Interplanetary and Earth-Bound –
Architecture, Protocols,
and Applications

Delay and Disruption
Tolerant Networks
Interplanetary and Earth-Bound –
Architecture, Protocols,
and Applications
Edited by
Aloizio Pereira da Silva
Scott Burleigh
Katia Obraczka
Cover artwork provided by Marion Eisenmann.
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Version Date: 20180728
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Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
DanielOberhaus
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 WhatIsDTN? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 WhatIsIPN? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 DTNApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.4 OutlineoftheRestofThisBook . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 DelayandDisruptionTolerantNetworkArchitecture . . . . . . . . . 9
AloizioP.Silva,ScottBurleigh,andKatiaObraczka
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 TheInternetArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 DTNCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 DTNArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.1 Store-Carry-and-Forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.2 NetworkofNetworks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.3 TheBundleLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 BundleProtocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6 BundleFormat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6.1 BlockProcessingControlFlags . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6.2 PrimaryandPayloadBlockFormat . . . . . . . . . . . . . 23
2.6.3 CanonicalBundleBlockFormat . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6.4 ExtensionBlock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7 BundleProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
v
vi (cid:4) Contents
2.8 BundleReception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.9 LocalBundleDelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.10 BundleFragmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.11 FragmentReassembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.12 AdministrativeRecordProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.12.1 AdministrativeRecords. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.12.2 BundleStatusReports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.12.3 GenerationofAdministrativeRecords . . . . . . . . . . . . 33
2.13 ConvergenceLayersService . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.14 BundleProtocolSecurity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.15 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 DTNPlatforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
AloizioP.SilvaandScottBurleigh
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 DTN2:ReferenceImplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1 DTN2Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3 IBR-DTN:EmbeddedSystemsandMobileNodes . . . . . . . . . 41
3.3.1 IBR-DTNArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4 ION:SpaceCommunication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.1 StructureandFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.2 ConstraintsontheDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2.1 LinkConstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2.2 ProcessorConstraints . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.3 DesignPrinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.3.1 SharedMemory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.3.2 Zero-CopyProcedures . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.3.3 HighlyDistributedProcessing . . . . . . . . . . . 50
3.4.3.4 Portability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.4 OrganizationalOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.5 ResourceManagementinION . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.5.1 WorkingMemory . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.5.2 Heap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4.6 PackageOverviews . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4.6.1 InterplanetaryCommunicationInfrastructure
(ICI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4.6.2 LickliderTransmissionProtocol(LTP) . . . . . . 58
3.4.6.3 BundleProtocol(BP) . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.6.4 AsynchronousMessageService(AMS). . . . . . 59
3.4.6.5 DatagramRetransmission(DGR) . . . . . . . . . 60
3.4.6.6 CCSDSFileDeliveryProtocol(CFDP) . . . . . . 60
3.4.6.7 BundleStreamingService(BSS) . . . . . . . . . 60
3.4.7 NetworkOperationConcepts. . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4.7.1 FragmentationandReassembly . . . . . . . . . . 61
3.4.7.2 BandwidthManagement. . . . . . . . . . . . . . 62
Contents (cid:4) vii
3.4.7.3 ContactPlans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.7.4 RouteComputation . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.7.5 DeliveryAssurance . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.7.6 RateControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4.7.7 FlowControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4.7.8 StorageManagement . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4.8 BP/LTPDetail-HowItWorks . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4.8.1 Databases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.8.2 ControlandDataFlow . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5 µDTN:SensorNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.5.1 µSensorNetworksDTNArchitecture . . . . . . . . . . . . 79
3.6 OtherImplementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6.1 Bytewalla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6.2 DTNLite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.6.3 ContikiDTN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.6.4 6LoWDTN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6.5 CoAPoverBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4 CaseStudy:InterplanetaryNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
AloizioP.SilvaandScottBurleigh
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2 DeepSpaceCommunicationsMainFeatures . . . . . . . . . . . . 91
4.3 DeepSpaceNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4 InterplanetaryNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.5 IPNArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.5.1 SolarSystemInternetworkArchitecture . . . . . . . . . . . 104
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5 RoutinginDelayandDisruptionTolerantNetworks . . . . . . . . . . 113
AloizioP.Silva,ScottBurleigh,andKatiaObraczka
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.2 InternetRouting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3 RoutinginDTN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.1 Replication–BasedRouting . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.1.1 UnlimitedReplication . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.1.2 Quota-BasedReplication . . . . . . . . . . . . . 120
5.3.2 Forwarding-BasedRoutingProtocols . . . . . . . . . . . . 124
5.4 ContactGraphRouting(CGR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.4.1 RoutingTables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.4.2 KeyConcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.4.3 DynamicRouteSelectionAlgorithm . . . . . . . . . . . . . 131
5.4.4 ContactGraphRoutingExtensionBlock. . . . . . . . . . . 133
5.4.5 CGRRouteExceptionHandling . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.4.6 CGRRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
viii (cid:4) Contents
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6 DTNCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
MariusFeldmann,FelixWalter,TomasodeCola,andGianluigiLiva
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.2 NetworkCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.2.1 FundamentalsonNetworkCoding . . . . . . . . . . . . . . 141
6.2.1.1 NetworkCodingbyExample . . . . . . . . . . . 141
6.2.1.2 BasicNetworkCodingOperationsinFiniteFields 143
6.2.1.3 AdvantagesandDrawbacksofNetworkCoding . 146
6.2.1.4 ApplicationofNetworkCoding . . . . . . . . . . 149
6.2.2 SurveyonNetworkCodingintheDTNContext . . . . . . . 150
6.2.2.1 CentralCriteriaforDifferentiation . . . . . . . . 151
6.2.2.2 ClassificationofApproachesbyKnowledge . . . 155
6.2.2.3 FurtherResearchDomains . . . . . . . . . . . . 159
6.2.2.4 OverviewofApproaches . . . . . . . . . . . . . 161
6.2.2.5 OpenResearchProblems . . . . . . . . . . . . . 162
6.2.3 ImplementationConsiderationsandCaseStudy . . . . . . . 166
6.2.3.1 ProcessingFlow . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.2.3.2 CaseStudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.3 CodingatthePhysicalLayerandPacket-LevelCoding . . . . . . . 173
6.3.1 BasicsofChannelCodingwithApplicationtoCCSDSLinks 173
6.3.1.1 BinaryLinearBlockCodes . . . . . . . . . . . . 176
6.3.1.2 ChannelCodesforTelemetry(Downlink) . . . . 177
6.3.1.3 ChannelCodesforTelecommand(Uplink) . . . . 179
6.3.1.4 ChannelCodesforPacketErasures . . . . . . . . 179
6.3.2 ErasureCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.3.2.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.3.2.2 Low-Density Parity-Check Codes for Erasure
Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.3.2.3 ErasureCodesinCCSDS . . . . . . . . . . . . . 192
6.3.3 ApplicationtoDTN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.3.3.1 PositioningofErasureCodesintheProtocolStack 193
6.3.3.2 ExemplaryProtocolDesign . . . . . . . . . . . . 197
6.3.3.3 PerformanceResults . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7 DTNforSpacecraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
KeithScott
7.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.2 CurrentModelforSpaceMissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.3 DTNModelforSpaceMissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.3.1 SpaceInternetworkingProtocolAlternatives . . . . . . . . 212
7.3.2 SpaceInternetworkingCONOPS . . . . . . . . . . . . . . 213
7.4 DTNCapabilitiesforSpaceMissions . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Contents (cid:4) ix
7.4.1 CustodyTransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.4.2 ConvergenceLayerArchitectureandLTP . . . . . . . . . . 218
7.4.3 AggregateCustodySignaling . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.4.4 Delay-TolerantPayloadConditioning(DTPC). . . . . . . . 220
7.4.5 DTPCandLTPTogether . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.4.6 ExtendedClassofService . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.5 BenefitsofDTNtoSpaceMissions . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.5.1 AutomatedDataTransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.5.2 Rate-Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.5.3 In-SpaceCross-Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.6 StandardSSIApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.7 DTNonSpaceMissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.7.1 DINET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.7.2 DTNontheInternationalSpaceStation . . . . . . . . . . . 226
7.7.3 EO-1,IRIS,andTDRSSDemonstrations . . . . . . . . . . 227
7.7.4 LLCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.7.5 ISSDTNGateways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
7.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8 Delay-TolerantSecurity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
EdwardBirrane
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.2 CommonSecurityServices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.2.1 Confidentiality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.2.2 Integrity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.2.3 Authentication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.2.4 Availability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.2.5 CipherSuites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.3 SecurityChallengesSpecifictoDTNs . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.3.1 SecurityNetworkingAssumptions . . . . . . . . . . . . . . 240
8.3.1.1 Rapid,Round-TripCommunications . . . . . . . 240
8.3.1.2 NamingandAddressing . . . . . . . . . . . . . . 241
8.3.1.3 Stateful,Session-BasedDataExchange . . . . . . 241
8.3.1.4 HomogenousDataRepresentation . . . . . . . . 242
8.3.2 RelevantDTNCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.3.2.1 LinkCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.3.2.2 InternetworkingCharacteristics . . . . . . . . . . 244
8.3.3 SecurityConstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.3.3.1 UnreliableAccesstoOracles . . . . . . . . . . . 247
8.3.3.2 LogicalSecurityPolicies . . . . . . . . . . . . . 247
8.3.3.3 Unreliable/InsecureLinkLayers . . . . . . . . . 248
8.3.3.4 MultipleDataRepresentations . . . . . . . . . . 248
8.4 TheEnd-to-EndSecurityModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
8.4.1 AMulti-LayeredApproach. . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
8.4.1.1 LinkLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251