[논문 리뷰] Investigating operation of the Internet in orbit: Five years of collaboration around CLEO

Lloyd Wood, William D. Ivancic외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 15.

Opportunistic and Delay-Tolerant Networks참고 문헌 5인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 2003년 9월에 발사된 UK-DMC 위성에 실린 CLEO(Cisco Router in Low Earth Orbit)를 통해 저궤도 위성에서 인터넷 프로토콜의 운영 가능성을 다년간의 시범 운영을 통해 조사한다. 표준 직렬 링크를 통해 HDLC 및 프레임 레lay를 이용한 상용 IP 표준을 활용함으로써, CLEO는 재해 모니터링을 위한 IP 기반 명령, 제어 및 데이터 다운링크를 성공적으로 구현하여 우주 임무에서 상용 네트워킹 기술을 사용할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

The Cisco router in Low Earth Orbit (CLEO) was launched into space as an experimental secondary payload onboard the UK Disaster Monitoring Constellation (UK-DMC) satellite in September 2003. The UK-DMC satellite is one of an increasing number of DMC satellites in orbit that rely on the Internet Protocol (IP) for command and control and for delivery of data from payloads. The DMC satellites, built by Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL), have imaged the effects of Hurricane Katrina, the Indian Ocean Tsunami, and other events for disaster relief under the International Space and Major Disasters Charter. It was possible to integrate the Cisco mobile access router into the UK-DMC satellite as a result of the DMC satellites' adoption of existing commercial networking standards, using IP over Frame Relay over standard High-Level Data Link Control, or HDLC (ISO 13239) on standard serial interfaces. This approach came from work onboard SSTL's earlier UoSAT-12 satellite

연구 동기 및 목표

• 상용 오프더쇼프 네트워킹 하드웨어를 사용하여 우주 환경에서 인터넷 프로토콜를 운영할 수 있는지의 가능성을 평가하는 것.
• 장거리, 고지연 시간을 가진 우주 링크를 통해 IP 기반 네트워킹을 이용한 위성의 명령 및 제어를 신뢰성 있게 수행할 수 있는지 보여주는 것.
• 특히 IP over HDLC 및 프레임 레이어 프로토콜을 사용하여 위성 플랫폼에서 데이터 다운링크 및 원격 측정을 위한 표준 네트워킹 프로토콜의 유효성을 검증하는 것.
• 저궤도 위성의 극한 방사선 환경에서 상용 라우터의 장기적인 운영 안정성과 성능을 평가하는 것.
• 향후 우주 임무에서 표준화되고 상호운용 가능한 네트워킹 솔루션을 도입함으로써 임무 효율성과 확장성을 향상시키기 위한 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• CLEO 실험은 2003년 9월에 발사된 UK-DMC 위성에 Cisco 모바일 액세스 라우터를 보조 싣기형으로 탑재하였다.
• 라우터는 표준 IP over HDLC를 사용하여 직렬 인터페이스에서 작동하였으며, 기존 상용 네트워킹 표준을 그대로 활용하였다.
• 프레임 레이어는 위성 통신 링크를 통해 IP 패킷을 봉인하기 위한 데이터 링크 계층 프로토콜로 사용되었다.
• 시스템은 이미 IP를 사용해 페이로드 데이터 전달을 수행하고 있던 UK-DMC 위성의 기존 명령 및 데이터 처리 아키텍처에 통합되었다.
• 지상국은 표준 인터넷 프로토콜을 사용해 라우터와 통신함으로써 종단 간 IP 연결성을 확보하였다.
• 실험은 DMC 위성이 이미 상용 네트워킹 표준을 사용하고 있었기에 개발 복잡성과 위험을 줄이는 데 기여하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상용 오프더쇼프 IP 라우터가 다섯 년 간의 임무 기간 동안 우주 환경에서 신뢰성 있게 작동할 수 있는가?
• RQ2 지연 시간이 크게 발생하는 장거리, 고지연 우주 링크를 통해 IP 기반 통신이 실현 가능한가?
• RQ3 IP, HDLC, 프레임 레이어와 같은 표준 네트워킹 프로토콜이 위성 명령 및 제어 시스템에서 효과적으로 사용될 수 있는가?
• RQ4 방사선에 노출된 저궤도 위성 환경에서 상용 라우터의 성능 및 안정성 특성은 어떠한가?
• RQ5 기존 상용 네트워킹 표준을 우주 환경에 적용할 때 큰 수정 없이 얼마나 잘 적응할 수 있는가?

주요 결과

• CLEO 라우터는 저궤도에서 다섯 년 이상 성공적으로 작동하여 상용 네트워킹 하드웨어가 우주에서 장기적으로 신뢰성 있게 작동할 수 있음을 입증하였다.
• 위성의 통신 링크 상에서 IP 기반 명령 및 제어가 성공적으로 수행되어 표준 인터넷 프로토콜이 우주에서 사용 가능함을 확인하였다.
• IP over HDLC 및 프레임 레이어의 사용은 지구 관측 페이로드를 위한 안정적이고 일관된 데이터 다운링크를 가능하게 하였으며, 재해 모니터링 데이터까지 포함하였다.
• 실험은 상용 네트워킹 표준을 사용함으로써 특수화된 또는 맞춤형 프로토콜이 필요로 하지 않음을 검증하였다.
• 시스템은 허리케인 카트리나 및 인도양 쓰나미와 같은 사건의 데이터 전달을 성공적으로 지원하여 실제 재해 대응 상황에서의 운영 유용성을 입증하였다.
• 결과적으로 표준 상용 라우터가 장기간에 걸쳐 저궤도의 방사선 및 열 환경에 견딜 수 있음을 보여주었다.