Delay Tolerant Networking

Das Delay-Tolerant Networking (DTN) ist eine Protokollarchitektur zur Überwindung der technischen Schwierigkeiten spärlich verbundener und heterogener Kommunikationsnetzwerke. Die Architektur basiert auf dem von der NASA entwickelten Interplanetary Internet (IPN), generalisiert diesen Entwurf jedoch. Im Gegensatz zum Entwurfsschwerpunkt des IPN, Weltraumkommunikation, fokussiert DTN auf Netzwerke mit geringer Ende-zu-Ende Konnektivität.

Entwicklung

Etwa gleichzeitig mit der Entwicklung mobiler Ad-hoc-Routingverfahren beauftragte die DARPA in den 1990er Jahren unabhängig davon die NASA, MITRE und andere, einen Vorschlag für ein Interplanetary Internet (IPN) zu erarbeiten. Ein grundlegender Entwurf für eine IPN-Architektur wurde von einer Gruppe um Vint Cerf unter Berücksichtigung der Störungsanfälligkeit der Netzwerkverbindungen (Packet Corruption) im All und der notwendigen Behandlung langer Nachrichtenlaufzeiten (Packet Delay) vorgelegt. Im Jahr 2002 nahm Kevin Fall einige dieser Ideen für die Entwicklung eines allgemein unterbrechungstoleranten Netzwerks auf und stellte seinen Entwurf 2003 unter dem Titel Delay Tolerant Networking und dem sich daraus ableitenden Akronym DTN auf der SIGCOMM-Konferenz vor ^[1]. In den Folgejahren wurden die Voraussetzungen für ein entsprechendes Netzwerk auf verschiedenen Konferenzen besprochen, das auch mit langen Signallaufzeiten und Verbindungsunterbrechungen umgehen kann. Dabei sollten auch die Erfahrungen mit Sensornetzwerken und mobilen Ad-hoc-Routingverfahren berücksichtigt werden. Die Routingalgorithmen und Verfahren zur Sicherstellung der Verlässlichkeit und Überprüfbarkeit der übermittelten Daten konnten im Laufe der Zeit verbessert werden.

Routing

Die Übermittlung und das Routing der zu übermittelnden Informationen von der Datenquelle bis zum Ziel sind eine grundlegende Notwendigkeit in allen Datennetzen. Dabei unterscheiden sich DTNs in erster Linie durch die fehlende dauerhafte Verbindung zwischen Datenquelle und Datenziel von anderen Datennetzen. Ad-hoc-Routingverfahren wie AODV ^[2] und DSR ^[3] konnten unter diesen Voraussetzungen nicht eingesetzt werden, weil sie versuchen, erst den vollständigen Weg von der Quelle zum Ziel zu ermitteln und die Daten erst anschließend übermitteln. Wenn eine kontinuierlichen Ende-zu-Ende-Kommunikation jedoch nur schwierig oder überhaupt nicht sichergestellt werden kann, ist der Ansatz des "store and forward"-Prinzips sinnvoller. Dabei werden die Daten in kleinen Paketen von einem Netzwerkteilnehmer zum nächst erreichbaren übertragen und jeweils gespeichert, bis die Übertragung zum Zielrechner erfolgreich bestätigt werden konnte ^[4][5][6]. Die Übertragung der Nachricht in der gleichen Version auf mehreren Wegen von der Quelle zum Ziel ist ein gängiger Ansatz, um die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Nachrichtenübertragung zu erhöhen ^[7].

Bundle-Protokolle

Die RFC 4838 und RFC 5050 wurden im Jahr 2007 veröffentlicht, sie liefern eine für die Entwicklung von Algorithmen und Anwendungen notwendige Übersicht über Anforderungen für die in einem DTN eingesetzte Software. Dieses, allgemein als Bundle-Protokoll bezeichnete Protokoll definiert eine Folge von zusammenhängenden Datenblöcken als ein Bündel, dabei enthält jedes Bündel im Gegensatz zu einem individuellen Datenblock ausreichende semantische Informationen, um eine Applikation fortzusetzen. Bündel werden zwischen den an das Netzwerk angeschlossenen Knoten nach dem Store and forward Prinzip übertragen, dabei können verschiedene Transportprotokolle verwendet werden, die auf dem IP-Protokoll basieren können, es aber nicht voraussetzen. Die Protokollebenen, die die Bündel auf ihrem lokalen Netzwerk übertragen, werden als bundle convergence layers bezeichnet. Die Bundle-Architektur funktioniert wie ein Overlay-Netzwerk, sie nutzt eine zusätzliche Namensarchitektur, die auf Endpoint Identifiers (EIDs) und auf einer groben Class of Service Einteilung aufbaut.

Das Bundle-Protokoll muss den unterschiedlichen Bedarf einzelner Anwendungen für das Senden von Bündeln über das Netzwerk ausgleichen. Auf Grund der Store and forward Natur der DTN-Protokolle profitieren Routing-Lösungen davon, das Informationen von der Applikationsebene für das Routing bekannt sind. So kann beispielsweise das Netzwerk berücksichtigen, wenn eine Anwendung darauf angewiesen ist, Daten besonders schnell, in einer Übertragung oder mit gleichbleibender Paketlaufzeit zu erhalten.

Bündelprotokolle sammeln Anwendungsdaten in Bündeln, die über verschiedene Netzwerke mit einer hohen Servicepriorität übermittelt werden können. Die Servicepriorität wird generell durch die Anwendung vorgegeben, die RFC 5050 Bundle Protocol Specification sieht dafür die Prioritätsstufen 'bulk', 'normal' und 'expedited' vor.

Sicherheit

Die sichere Adressierung ist einer der Kernpunkte des Bündelprotokolls.

Die Sicherheitsansprüche für ein DTN-Netzwerk unterscheiden sich je nach Anwendung und Arbeitsumgebung, aber Authentifizierung und Vertraulichkeit spielen oft eine große Rolle. Eine bestimmte Sicherheit in einem Netz ohne permanente Verbindungen zu garantieren ist schwierig, weil damit kryptographische Protokolle oder ein Schlüsselaustausch aufwendig wird, und die Notwendigkeit besteht, das ein beliebiger Netzwerkknoten ständig andere nur temporär im Netz erreichbare Netzwerkknoten sicher erkennen muss^[8][9]. Die implementierten Lösungen wurden oft aus den mobilen Ad-Hoc-Netzwerktechniken abgeleitet und sind von Forschungen zur Datensicherheit beeinflusst worden, wie etwa der Nutzung von verteilten Zertifizierungsstellen und PKI Schemata. Aus dem DTN-Bereich selbst stammt die Anwendung der ID-basierten Kryptographie, die es Netzwerkknoten ermöglicht, mit ihrer öffentlichen ID verschlüsselte Daten zu empfangen.^[10].

Forschungsansätze

Die sich aus den Anforderungen an das DTN ergebenden Probleme werden derzeit von verschiedenen Institutionen untersucht

• The Delay Tolerant Networking Research Group.
• Technology and Infrastructure for Developing Regions Projekt bei der UC Berkeley
• Das KioskNet-Forschungsprojekt an der University of Waterloo.
• DieselNet Forschungsprojekt an der University of Massachusetts, Amherst.
• ResiliNets Research Initiative an der University of Kansas und der Lancaster University.
• Haggle Forschungsprojekt der Europäischen Union
• N4C Forschungsprojekt FP7 der Europäischen Union
• WNaN DARPA Projekt

Einige Forschungsprojekte zum DTN für ein Interplanetary Internet untersuchen bereits die Nutzung des Bundle Protocols im All:

• Das Saratoga Projekt der University of Surrey testete 2008 als erstes das Bundle-Protokoll im All mit dem UK-DMC Disaster Monitoring Constellation Satelliten.^[11][12][13]
• NASA JPL's Deep Impact Networking (DINET) Experiment an Bord der Raumfahrtsonde Deep Impact/EPOXI.^[14][15]

Einzelnachweise

1. ↑ A Delay-Tolerant Network Architecture for Challenged Internets, K. Fall, SIGCOMM, August 2003.
2. ↑ C. Perkins: The Second IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications 1999
3. ↑ D. Johnson: Mobile Computing, S. 153 - 181, Kluwer Academic 1996
4. ↑ John Burgess, Brian Gallagher, David Jensen, and Brian Neil Levine. MaxProp: Routing for vehicle-based disruption-tolerant networks. In Proc. IEEE INFOCOM, April 2006.
5. ↑ Philo Juang, Hidekazu Oki, Yong Wang, Margaret Martonosi, Li Shiuan Peh, and Daniel Rubenstein. Energy-efficient computing for wildlife tracking: design tradeoffs and early experiences with zebranet. SIGOPS Oper. Syst. Rev., 36(5):96–107, 2002.
6. ↑ Augustin Chaintreau, Pan Hui, Jon Crowcroft, Christophe Diot, Richard Gass, and James Scott. Impact of human mobility on opportunistic forwarding algorithms. IEEE Transactions on Mobile Computing, 6(6):606–620, 2007.
7. ↑ Amin Vahdat: Technical Report CS-2000-06. Duke University 2000
8. ↑ "Anonymity and security in delay tolerant networks" A. Kate, G. Zaverucha, and U. Hengartner. 3rd International Conference on Security and Privacy in Communication Networks (SecureComm 2007)
9. ↑ "Security Considerations in Space and Delay Tolerant Networks" S. Farrell and V. Cahill. Proceedings of the 2nd IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology
10. ↑ "Practical security for disconnected nodes" Seth, A. Keshav, S. 1st IEEE ICNP Workshop on Secure Network Protocols (NPSec), 2005.
11. ↑ Use of the Delay-Tolerant Networking Bundle Protocol from Space, L. Wood et al., Conference paper IAC-08-B2.3.10, 59th International Astronautical Congress, Glasgow, September 2008.
12. ↑ UK-DMC satellite first to transfer sensor data from space using 'bundle' protocol, press release, Surrey Satellite Technology Ltd, 11. September 2008.
13. ↑ CLEO Orbital Internet earns Time Magazine award, Robin Wolstenholme, Surrey Satellite Technology Ltd space blog, 14. November 2008.
14. ↑ A Better Network for Outer Space, Brittany Sauser, MIT Technology Review, 27 October 2008.
15. ↑ NASA Successfully Tests First Deep Space Internet, NASA press release 08-298, 18 November 2008.