[论文解读] Investigating operation of the Internet in orbit: Five years of collaboration around CLEO

Lloyd Wood, William D. Ivancic+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2012

Opportunistic and Delay-Tolerant Networks参考文献 5被引用 11

一句话总结

本文通过在英国-DMC卫星上为期五年的低地球轨道（CLEO）部署思科路由器，研究了互联网协议在太空环境中的运行可行性。通过在标准串行链路上使用HDLC和帧中继的商用IP标准，CLEO成功实现了基于IP的指令、控制和数据下行链路，用于灾害监测，证明了在太空任务中使用现成网络技术的可行性。

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

研究动机与目标

• 评估使用商用现成网络硬件在太空环境中运行互联网协议的可行性。
• 证明可通过长距离、高延迟的太空链路，使用基于IP的网络实现卫星的可靠指令与控制。
• 验证标准网络协议（特别是IP over HDLC和帧中继）在卫星平台上用于数据下行链路和遥测的适用性。
• 评估商用路由器在低地球轨道恶劣辐射环境下的长期运行稳定性与性能。
• 为未来太空任务建立基础，以采用标准化、互操作的网络解决方案，提升任务效率与可扩展性。

提出的方法

• CLEO实验将一台思科移动接入路由器作为次要有效载荷，于2003年9月搭载在英国-DMC卫星上发射升空。
• 路由器通过串行接口使用标准IP over HDLC运行，利用现有的商用网络标准。
• 帧中继被用作数据链路层协议，用于封装IP数据包以通过卫星通信链路传输。
• 该系统被集成到英国-DMC卫星已有的指令与数据处理架构中，该架构已使用IP进行有效载荷数据传输。
• 卫星地面站使用标准互联网协议与路由器通信，实现了端到端的IP连接。
• 实验依赖于DMC卫星预先采用的商用网络标准，降低了开发复杂度与风险。

实验结果

研究问题

• RQ1 商用现成IP路由器能否在五年任务周期内可靠地运行于太空环境？
• RQ2 在具有显著传播延迟的长距离、高延迟太空链路上，基于IP的通信是否可行？
• RQ3 IP、HDLC和帧中继等标准网络协议能否在卫星指令与控制系统中有效使用？
• RQ4 商用路由器在低地球轨道辐射暴露下运行的性能与稳定性特征如何？
• RQ5 现有商用网络标准在无需重大修改的情况下，能在多大程度上适配用于太空？

主要发现

• CLEO路由器在低地球轨道成功运行超过五年，证明了商用网络硬件在太空环境中的长期可靠性。
• 通过卫星通信链路实现了基于IP的指令与控制，证实了在太空中使用标准互联网协议的可行性。
• 使用IP over HDLC和帧中继实现了地球观测有效载荷的稳定且一致的数据下行链路，包括灾害监测数据。
• 实验验证了商用网络标准无需定制或专用协议即可用于太空。
• 该系统成功支持了诸如卡特里娜飓风和印度洋海啸等事件的数据传输，证明了其在现实世界灾害响应中的实用价值。
• 结果表明，标准商用路由器能够长期承受低地球轨道的辐射与热环境。