1
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
FPGA/ASIC Cores forInterplanetary Internet Applications
Yosef Gavriel Tirat-Gefen, PhD
Senior Member IEEE
Member of ACM, Internet Society (IPNSIG)
Affiliations:
Staff Fellow at the
Center for  Devices and Radiological Health (CDRH) / FDA, Rockville, MD
Applied Physics Graduate Program
Dept. Physics and Astronomy
George Mason University, Fairfax, VA
yosefgavriel@computer.org
2
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Presentation Overview
• Motivation
• The interplanetary internet (IPN)
• Bundle based protocols
• CCSDS protocols
• Adapting CCSDS Protocols for IPN
• Work Plan
• Current results
• Conclusion
3
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Motivation
Enabling extremely long delay/intermittentcommunication
MCj02410970000[1]
MCNA01829_0000[1]
MCj02805390000[1]
Repeater
Mars / Asteroid
Very longdelay
4
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Motivation
Supporting Manned or Robotic Missions
MCj02805390000[1]
Repeater
MCj00832690000[1]
MCj00835590000[1]
Link toEarth –very longdelay
Short distancecommunicationlinks
5
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Additional Applications
• Delay Dependent Networks
• Sensor Networks
• Military Tactical Networks
• National Emergency CommunicationInfrastructure
• 24/7 Health Monitoring of Remotely LocatedPatients
• Mobile Medical Networks
6
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Traditional TCP/IP Networking
Application/O.S.
TCP
Layer 3 (IP)
Layer 2 (MAC)
Layer 1 (PHY)
Application/O.S.
TCP
Layer 3 (IP)
Layer 2 (MAC)
Layer 1 (PHY)
Layer 3
Layer 2
Layer 1
Layer 3
Layer 2
Layer 1
Router
7
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Limitations of TCP/IP Networking
• Performance breaks down for links with long delays or intermittentcommunication.
• Timeout limitations.
• Memory requirements are huge for long delay round trips.
• Routing algorithms (e.g. BGP) are based in TCP. Routing woulduse almost all bandwidth available in an interplanetary link.
• Not suitable for asymmetric communication links, e.g.telemetry/command.
• Not designed for links with high bit error rates (BER).
8
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
The Interplanetary Internet (IPN)
• Interplanetary Internet Special Interest Group (www.ipnsig.org)established in September 1999.
• Goal is to develop networking standards for deployment in deepspace missions, e.g.:
• To allow sharing of resources among different missions.
• To establish satellite repeaters to support a future mannedmission to Mars.
• Part of research effort in delay dependent networking (DTN).
9
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
IPN Key Technologies
• Interplanetary Gateways.
• Interplanetary Backbone.
• Security
• Power aware networking (e.g. routing algorithms)
• Coding techniques for error detection and recovery
• CCSDS protocols evolved for interplanetary deployment
10
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Bundle Protocols
Application/O.S.
Bundle
Transport
Layer 3 (Network)
Layer 2 (MAC)
Layer 1 (PHY)
Bundle
Application/O.S.
Bundle
Transport
Layer 3 (Network)
Layer 2 (MAC)
Layer 1 (PHY)
Layer 3
Layer 2
Layer 1
Transport
Layer 3
Layer 2
Layer 1
Transport
11
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Key features in Bundle Networking
• Applications send and receive bundles instead of transport streams.
• Creates an illusion of an end-to-end connection. Support ofintermittent links.
• Custody of data is passed along intermediary nodes in the pathbetween source and destination.
• Source does not need to wait for a ACK from destination to releasebuffer space.
• Security is also enforced by the bundle layer.
• IPN addressing is divided in regions. Each region is a standardinternet. Bundles are exchanged in region gateways.
12
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
CCSDS Protocols
• Consultative Committee for Space Data Systems - CCSDS
• Suite of protocols for space missions and satellites applications
• Standards for telemetry (TM) and telecommand (TC).
• Deployed by more than 155 missions so far.
• File Transfer Delivery Protocol (CDFP) is becoming the baselinefor IPN development.
• CCSDS standards for link layer and data coding can be evolved forinterplanetary deployment.
13
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
CCSDS protocol layers
Application Layer
SCPS-FP (File transfer)
         SCPS-TP (Transport)
         SCPS-SP (Security)
         SCPS-NP (Network)
TM – Data Link    TC - Data Link
TM-Coding         TC-Coding
RF and Modulation (PHY)
Suitable for
software
implementation
Suitable forFPGA/ASICand off-the-shelf PHYchips
Runningon a
CPU
14
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
FPGA/ASIC Cores for IPN
• Coding layer = Channel Coding and Synchronization
• Link Layer = Space Data Link Protocol
• Coding and link layer standards are suitable for FPGA/ASICimplementation.
• Advantages in Low Power consumption and performance.
• Safety and correctness are essential as these cores may deployed inmanned missions.
• These cores should be able to use radiation hard non-volatilememory in addition to RAM banks.
15
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Our Work
• A library of major building blocks for the link and coding layers foruse by designers of future IPN hardware.
• Capturing relevant protocols for these layers in SDL – A FormalObject-oriented Language for Communicating Systems.
• The library contains modules coded in:
- Synthesizable – C (e.g. Handel-C)
- Synthesizable and Behavioral VHDL.
An open sourceIP-core library!
16
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Proposed Architecture
SCPS-NP (Network)  Interface
TM/TC multiplexing
TM/TC Link Cores
PHY
Coding Layer Blocks
Tx Memory
controller
Rx Memory
controller
Rx Memory
Bank (RAM + Non-volatile)
Tx Memory
Bank (RAM + Non-volatile)
IP/Firmware
module
17
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Data Link Core – Tx Direction
   Virtual Channel Multiplexer
From Network Layer Interface (SCPS-NP)
    Master Channel Generation
   Master Channel Multiplexer
To coding blocks (e.g. Turbo-coding/BCH)
18
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Data Link Core – Rx Direction
   Virtual Channel Demultiplexer
To Network Layer Interface (SCPS-NP)
    Master Channel Reception
   Master Channel Demultiplexer
    From decoding blocks
19
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Present Status
• Our target devices are Virtex and Actel (Radiation Hard)FPGAs for now.
• Plan to include other FPGA families later.
• Cores are suitable for low-power applications.
• Full implementation of Link and Coding layers will demandmore than one device for current FPGA technology.
 
20
2005 MAPLD/1006
Tirat-Gefen
Conclusion
• The availability of a library of cores for thefuture interplanetary internet, supporting its lowerprotocol layers, may speed up its deployment.
•  These same cores could be adapted to earth fordelay dependent networks (e.g., sensor networks
with intermittent links, mobile medical networks).