Entwicklung und Implementierung eines SCTP-Convergence-Layers für das Bundle ProtocolDevelopment and implementation of an SCTP convergence layer for the Bundle Protocol

Einleitung

Im Rahmen des DFG-Forschungsprojektes Controlling Concurrent Change ensteht eine Middleware für sicherheitsrelevante, eingebettete Systeme für den Einsatz in Fahrzeugen ebenso wie bspw. Payload-Systemen in Satteliten. Ziel ist es, diese Plattformen mit neuen Software-Modulen versorgen zu können, wenn sich diese bereits im Einsatz befinden, ohne dass erneut aufwändige Integrations- und Sicherheits-Tests im Labor durchgeführt werden müssen. Hierzu garantiert die Plattform durch Methoden des sog. Contracting die kontinuierliche Funktionsweise der Plattform unter Aspekten wie Verfügbarkeit, Safety, Timing und Security.

Die angestrebte Communication and Interaction Platform wird dabei verschiedene Methoden der Kommunikation zwischen Plattform-Komponenten und Software-Modulen sowie die externe Kommunikation zusammenfassen. Insbesondere für die externe Kommunikation soll dabei das nachrichten-orientierte Stream Control Transmission Protocol (SCTP, RFC4960) verwendet werden. SCTP bietet gegenüber klassischen Transport-Protokollen wie TCP einige deutliche Vorteile, etwa eine erhöhte Zuverlässigkeit durch Mechanismen wie Multi-Homing mit automatischem Failover, Multi-Streaming (mehrere unabhängige Datenübertragungen innerhalb einer Verbindung), Vier-Wege-Handshake, etc.

In einem Delay Tolerant Network (DTN) werden größere Datenmengen zu Bündeln zusammengefasst und nach dem Store-Carry-Forward-Prinzip an das gewünschte Ziel übertragen. Die Software IBR-DTN ist eine Implementierung des Bundle Protocols (RFC5050) für verschiedene Plattformen wie Linux, Android, MacOS X, aber auch eingebettete Systeme wie Raspberry Pi und BeagleBone. Aufgrund seiner Verzögerungs- und Unterbrechungstoleranz ist DTN für den Einsatz in der Fahrzeug-zu-Fahrzeug- (V2V) und ganz allgemein in der Fahrzeug-zu-X-Kommunikation (V2X) besonders geeignet.

Das Bundle Protocol kann bereits als sog. Overlay Network über Protokolle wie TCP, UDP, IEEE 802.15.4, etc. betrieben werden.

Aufgabenstellung

In dieser Arbeit soll für das Bundle Protocol ein weiteres Convergence Layer über das Protokoll SCTP entworfen und in IBR-DTN implementiert werden. Das Übertragungsprotokoll für Bundles über SCTP sowie die Einbindung unter IBR-DTN soll dabei explizit die besonderen Eigenschaften ausnutzen, die durch SCTP zur Verfügung stehen:

• Während klassische Convergence Layers wie beispielsweise das TCP-CL Mechanismen einsetzen, um unterschiedliche Bundles als eigenständige Einheiten in einem Stream übertragen zu können, soll so über SCTP direkt die Möglichkeit genutzt werden, dass jedes Bundle eine eigene SCTP-Nachricht darstellen kann. Gleichzeitig wird dennoch eine Methode zur Signalisierung der erfolgreichen Übertragung eines Bundles über das SCTP-Convergence-Layer (ACK) auf Ebene des Application Layers benötigt.
• Außerdem werden Bundles über bisherige Convergence Layers sequenziell übertragen. Mit SCTP soll Multi-Streaming genutzt werden, um die parallele und ggf. priorisierte Übertragung von Bundles zu ermöglichen. Auf diese Weise könnte z. B. die Übertragung eines großen Bundles mit nur zweitrangigen Nutzdaten nicht die Übertragung eines wichtigen Steuerbefehls blockieren.
• Es sollen zudem Mechanismen entwickelt und implementiert werden, die das Multi-Homing von SCTP z. B. in Abhängigkeit von der Kanalauslastung zur Effizienzsteigerung bzw. zum Power Management einsetzen, indem das entwickelte SCTP-Convergence-Layer bspw. je nach Kanalauslastung Netzwerkschnittstellen mit hohen Übertragungsraten aber auch einem entsprechend hohen Energiebedarf hinzu- oder abschaltet. Hierzu kann die Dynamic Address Reconfiguration (RFC5061) von SCTP genutzt werden, um während laufender Übertragungen Netzwerkschnittstellen hinzuzufügen oder zu entfernen, und den primären Übertragungsweg zu wechseln.

Anforderungen

Für die Arbeit sind gute Kenntnisse in der Programmiersprache C++ erforderlich. Zudem sind Kenntnisse im Umgang mit IBR-DTN oder der Implementierung von Netzwerk-Protokollen bspw. anhand von RFCs hilfreich, aber nicht notwendig.

Bei Interesse bitte eine E-Mail an Martin Wegner oder Stephan Rottmann mit den folgenden Informationen schicken:

• Studiengang
• Schwerpunkte
• Fachsemester
• Programmierkenntnisse

Links

• Projekt: CCC
• Hinweise zur Durchführung von studentischen Arbeiten am IBR