home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1994 March / Internet Info CD-ROM (Walnut Creek) (March 1994).iso / inet / ien / ien-96 < prev    next >
Text File  |  1988-12-01  |  20KB  |  521 lines
  1. IEN: 96
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7.                        The MITRE Cablenet Project
  8.  
  9.  
  10.  
  11.  
  12.  
  13.                                April 1979
  14.  
  15.  
  16.  
  17.                               prepared for
  18.  
  19.                       Defense Communication Agency
  20.                          WWMCCS ADP Directorate
  21.                   Command and Control Technical Center
  22.                        11440 Isaac Newton Square
  23.                            Reston, Va. 22090
  24.  
  25.  
  26.  
  27.  
  28.                                    by
  29.  
  30.                             Anita P. Skelton
  31.                            Steven F. Holmgren
  32.                              David C. Wood
  33.  
  34.  
  35.  
  36.  
  37.  
  38.  
  39.  
  40.  
  41.  
  42.  
  43.  
  44.  
  45.  
  46.                            MITRE Corporation
  47.                        1820 Dolley Madision Blvd.
  48.                             McLean Va. 22102
  49.  
  50.  
  51.                    The MITRE Cablenet Project
  52.  
  53.  
  54.  
  55. Introduction
  56.  
  57.      MITRE  has  initiated  a  local  network  and   internetting
  58. research  project,  which  is supported by the Defense Communica-
  59. tions Agency.  The intent of the project is  to  investigate  the
  60. advisability of connecting major Command Center components with a
  61. cable-bus, and the interconnection of these  Command  Centers  to
  62. eachother.   A cable-bus network (Cablenet) has been installed at
  63. MITRE, and is being attached  to  the  ARPANET,  to  establish  a
  64. test-bed for experimentation.  One of the major areas of investi-
  65. gation is a determination of what protocols are best suited to  a
  66. local  network  broadcast  environment,  and  how these protocols
  67. interwork with the protocols in the global packet- switched  net-
  68. work.   The cable-bus architecture will be compared with alterna-
  69. tive configurations for a local network, such  as  a  centralized
  70. architecture,  from  the  viewpoint of security, performance, and
  71. other characteristics important in a command center environment.
  72.  
  73.  
  74.  
  75. The Command Center Environment
  76.  
  77.      An understanding of this project  is  incomplete  without  a
  78. very  short  digression  on  our  view of the Command Center com-
  79. ponents to be connected.  Present and future Command Centers con-
  80. sist  of a number of devices which for many reasons aren't easily
  81. inter-connected.  During the latter 1980's, the World Wide  Mili-
  82. tary Command and Control System (WWMCCS) Command Center is likely
  83. to include the present WWMCCS Honeywell 6000 computers, a  future
  84. generation  WWMCCS  system,  an  Automated  Text Message Handling
  85. (ATMH) system, which provides  electronic  mail,  an  intelligent
  86. terminals,  dumb  terminals,  a data base machine for information
  87. retrieval, and possibly an intelligence system.  In addition, ac-
  88. cess  will  be  needed to long-haul networks, such as AUTODIN II.
  89. Each of the components may  be  a  single  machine,  a  group  of
  90. machines,  or a simple peripheral device which contributes to the
  91. component function.
  92.  
  93.      The role of the cable-bus is to provide a "friendly"  inter-
  94. face  to each of these devices so that they may be unified into a
  95. more useful tool without unduly affecting component  performance.
  96. This  implies that in some sense the cable-bus must be all things
  97. to all devices.  It should be able to emulate terminals, RJE sta-
  98. tions,  and simple twisted pair communications wires.  The versa-
  99. tility of the cable-bus interface unit  and  its  capability  for
  100. complex data transformation are the keys to the cable-bus success
  101. in these roles.
  102.  
  103.  
  104.  
  105.  
  106.  
  107.                             Page -1-
  108.  
  109.  
  110.  
  111.  
  112.  
  113. The Cable-Bus System
  114.  
  115.      The MITRE/Washington Cablenet system is based on a technolo-
  116. gy  developed at MITRE/Bedford.  Similar cable-bus systems are in
  117. operation at a number of government sites, e.g. Walter Reed  Army
  118. Hospital,  and  the  NASA Johnson Space Center, but these are all
  119. standalone, local-only networks.
  120.  
  121.      The system uses standard Community Antenna Television (CATV)
  122. coaxial cable and microprocessor based Bus Interface Units (BIUs)
  123. to connect subscriber  computers  and  terminals  to  the  cable.
  124. Coaxial  cable  as a transmission medium is very attractive for a
  125. number of reasons:  it is relatively  inexpensive,  approximately
  126. $500/mile;  it can support multimegabit transmissions; and is re-
  127. latively immune to noise.  It is well suited for the transmission
  128. of  digital, as well as analog signal.  The cable bus consists of
  129. two parallel coaxial cables, one inbound and the other  outbound.
  130. The  inbound  cable  and outbound cable are connected at one end,
  131. the headend, and electrically terminated  at  their  other  ends.
  132. This architecture takes advantage of the well developed unidirec-
  133. tional CATV components.  The topology is dendritic (i.e. branched
  134. like a tree).
  135.  
  136.      The BIU is designed to transmit on the inbound cable and re-
  137. ceive  on  the  outbound cable.  Each BIU implements a contention
  138. algorithm, reliable packet communication, and user device  inter-
  139. face  firmware.   Other functions, such as intra-net routing, are
  140. either inherent in the broadcast nature of the cable-bus, or  im-
  141. plemented  by  the  user device.  Certain BIUs directly interface
  142. terminals to the cable-bus.
  143.  
  144.  
  145.      A broadcast contention scheme is used on the cable, with all
  146. subscribers  concurrently  competing  for the transmission media.
  147. The BIU uses a Carrier Sense Multiple Access (CSMA) mechanism  to
  148. detect  a  busy  cable.   It  also uses a Listen-While-Talk (LWT)
  149. scheme to detect concurrent transmissions (collisions).   Due  to
  150. signal  propagation  delay,  it  is  possible  for a BIU to start
  151. transmitting without  detecting  the  presence  of  a  concurrent
  152. transmission  on  the  channel.   The LWT technique minimizes the
  153. time lost when a BIU has to abort a transmission  due  to  colli-
  154. sions.   A  transmitting BIU reads the initial portion of its own
  155. transmission (listens while talking) from the  outbound  channel,
  156. and compares it with the information sent on the inbound channel:
  157. if the comparison indicates that the transmission  has  not  been
  158. interferred with, the BIU assumes that the cable-bus has been ac-
  159. quired, disables its receivers, and  continues  transmission;  if
  160. the  comparision indicates that a collision has occurred, the BIU
  161. backs off for a pseudo-random amount of time, and  then  attempts
  162. to retransmit.
  163.  
  164.  
  165.  
  166.                             Page -2-
  167.  
  168.  
  169.      The coaxial cable (JA-3412) consists of a copper clad alumi-
  170. num  center  conductor,  polystyrene  dialectric, and an aluminum
  171. sheath shield.  It has a loss figure of 1.6dB per  hundred  feet.
  172. Analog  signals  can  be  effectively  transmitted in a frequency
  173. range of from 5MHz to 300MHz.  The BIUs contain  Radio  Frequency
  174. (RF)  modems  which modulate a carrier signal to transmit digital
  175. information using 1MHz of the available bandwidth  in  the  24Mhz
  176. frequency  range.   The  remainder of the 294MHz bandwidth can be
  177. used to carry other information channels, such as off-the-air TV,
  178. FM, closed circuit TV, or a voice telephone system, or, other di-
  179. gital  channels.   The  data  rate  of  our  test-bed  system  is
  180. 307.2kbps.
  181.  
  182.      The central processing unit of the BIU is a  MOS  Technology
  183. MCS6502A  microprocessor.   The  6502A  has  a  cycle time of 500
  184. nanoseconds.  It has a bidirectional 8-bit data bus which is  in-
  185. terfaced to a MCS6522 Versatile Interface Adapter (VIA); this VIA
  186. has 2 - 8-bit parallel ports and dual  interval  timers,  and  is
  187. used for high-speed parallel transfers from computers.  Addition-
  188. ally, there are two Motorola 6950 Asynchronous Communications In-
  189. terface  Adapters (ACIAs): one of these ACIAs allows terminal ac-
  190. cess to the network via an RS-232-C port, with a selectable  baud
  191. rate  from  75-9600  bits  per second; the other ACIA is used for
  192. very high-speed communication with the cable.
  193.  
  194.      The 6502 is capable of addressing 65K bytes of memory. Peri-
  195. pheral  control  and data registers are addressed as memory loca-
  196. tions. There are 2K bytes of Random Access Memory  (RAM)  in  low
  197. order  memory.  The first 512 bytes are used for variable storage
  198. and stack, and the remaining  1.5K  bytes  are  used  for  packet
  199. buffers.  The upper 2K of memory is Programmable Read Only Memory
  200. (PROM) which contains the BIU firmware.
  201.  
  202.  
  203.  
  204. The Design Goals
  205.  
  206.      The next generation of microprocessors  (e.g.,  Zilog  8000,
  207. Motorola  68000,  Intel  8086),  the  increasing  availability of
  208. larger, faster memories, and the longer term (5-10 yrs.)  availa-
  209. bility of Josephson junction and three-dimensional logic, make it
  210. increasingly attractive to off-load specialized processing  func-
  211. tions  from the WWMCCS H6000 computer to other separate computers
  212. within a command center.  Our test bed is being designed to  pro-
  213. vide  the  required  inter-connection  capability for the command
  214. center of the future, which takes advantage of this technological
  215. trend.  With this in mind the following goals have been defined:
  216.  
  217.         o       There should be inordinately large amounts
  218.                 of processing power at each node.
  219.  
  220.         o       The cost of a bus interface unit should
  221.                 not be prohibitive.
  222.  
  223.  
  224.  
  225.                             Page -3-
  226.  
  227.  
  228.  
  229.         o       The construction should be modular to
  230.                 enable stepwise replacement of functions
  231.                 with advancing technology.
  232.  
  233.         o       The cable-bus should provide a full range
  234.                 of layered protocols (e.g. datagram,
  235.                 virtual circuit, virtual terminal, mail,
  236.                 teleconferencing, file transfer, and user
  237.                 defined) which embody state-of-the-art
  238.                 networking mechanisms (e.g. flow control,
  239.                 routing, addressing).  Furthermore, the layers
  240.                 should provide interfaces promoting extensible
  241.                 higher level usage.
  242.  
  243.         o       The bus interface units should be able
  244.                 to support a wide variety of backend devices
  245.                 and communications line disciplines (e.g. RS232,
  246.                 parallel, HDLC, X.25).
  247.  
  248.         o       The resulting architecture should be
  249.                 fundamentaly securable so that information
  250.                 classified at various levels and
  251.                 compartments can be transported
  252.                 simultaneously.
  253.  
  254.  
  255.      Our investigation of the applicability of the  cable-bus  to
  256. the  Command  Center  environment will encompass an assessment of
  257. the extent to which these  characteristics  apply  to  the  MITRE
  258. cable-bus system.  Where feasible, the system will be improved to
  259. more closely meet those goals.  An assessment  will  be  made  to
  260. discover   any  advantages  in  a  distributed  cable-bus  inter-
  261. connection archtecture over a star inter-connection architecture.
  262.  
  263.      The result of our efforts will be a  cable-bus  system  that
  264. embodies  a  substantial  number of the goals defined above.  The
  265. cable-bus system will:  (1)  provide the required nodal  process-
  266. ing  capability, (2) implement cleanly layered transport and vir-
  267. tual circuit protocols (the significance of this statement cannot
  268. be  underestimated),  (3) interface to parallel and RS232 devices
  269. with the capability for development of other user device communi-
  270. cation disciplines, (4) result in a bus interface unit that is in
  271. the early stages of program  verification,  and  (5)  effectively
  272. communicate with other networks via network gateways.
  273.  
  274.  
  275.  
  276. The Test Bed
  277.  
  278.      Our MITRE cable-bus test-bed includes a  PDP-11/70  minicom-
  279. puter  running  the  Network  UNIX  operating  system,  and three
  280. LSI-11s.  The Network UNIX system will contain implementations of
  281.  
  282.  
  283.  
  284.                             Page -4-
  285.  
  286.  
  287. the  Transmission  Control Protocol (TCP) Version 4.0 and a modi-
  288. fied version of the Internet Protocol (c.f.  Realignment  of  Bus
  289. Interface   Unit  Protocols).   The  gateway  functions  will  be
  290. minimal.  The modified Internet Protocol will pass through  pack-
  291. ets  to hosts on the ARPANET and cable.  These hosts are expected
  292. to contain the necessary higher level protocol software to estab-
  293. lish and maintain direct communications circuits.  The LSI-11 mi-
  294. crocomputers will be paired with three  bus  interface  units  to
  295. provide the futuristic nodal processing capabilities.  The archi-
  296. tecture of the test bed is shown in figure 1.
  297.  
  298.  
  299.  
  300.  
  301.  
  302.  
  303.  
  304.  
  305.  
  306.  
  307.  
  308.  
  309.  
  310.  
  311.  
  312.  
  313.  
  314.  
  315.  
  316.  
  317.  
  318.  
  319.  
  320.  
  321.  
  322.  
  323.  
  324.  
  325.  
  326.  
  327.  
  328.  
  329.  
  330.  
  331.  
  332.  
  333.  
  334.  
  335.  
  336.  
  337.  
  338.  
  339.  
  340.  
  341.  
  342.  
  343.                             Page -5-
  344.  
  345.  
  346.  
  347.                                        -------------->-----[ ]---------|
  348.                                        |                    |
  349.                                        |  -----------<-------[ ]-------|
  350.                                        |  |                 | |
  351.                                        |  |               |-----|
  352.                                        |  |               |     |
  353.                                        |  |               | BIU |
  354.                                        |  |               |-----|
  355.                                        |  |                  |
  356.                                        |  |             |---------|
  357.                                        |  |             |         |
  358.                                        |  |             |Tektronix|
  359.                                        |  |             |  4027   |
  360.                                        |  |             |---------|
  361. |----|                 outbound        |  |
  362. |Head|----->---[ ]--------------------[ ]----------[ ]-----[ ]--->-----|
  363. |    |          |                         |         |       |
  364. |End |-----<-----[ ]---------------------[ ]----[ ]----------[ ]--<----|
  365. |----|         |  |      inbound                 |  |       | |
  366.                |  |                              |  |       | |
  367.               |-----|                            |  |     |-----|
  368.               |     |                            |  |     |     |
  369.               | BIU |                            |  |     | BIU |
  370.               |-----|                            |  |     |-----|
  371.                  |                               |  |        |
  372.            |------------|                        |  |    |-------|
  373.            |            |---                     |  |    |       |---
  374.            |  PDP-11/70 |--- TTYs                |  |    | LSI-11|--- TTYs
  375.            |            |---                     |  |    |-------|
  376.            |            |                        |  |
  377.            |------------|                        |  --[ ]--------------|
  378.                  |                               |     |
  379.                  |                               |------[ ]------------|
  380.             |----------|                               |  |
  381.             |Local Host|                             |-----|
  382.             |   Port   |                             |     |
  383.             |..........|                             | BIU |
  384.             |   TIP    |                             |-----|
  385.             |----------|                                |
  386.               /   \                                |--------|
  387.              /     \                               |Terminal|
  388.              To ARPA                               |--------|
  389.  
  390.  
  391.                 Figure 1.  Cablenet Architecture
  392.  
  393.  
  394.  
  395.  
  396.  
  397.  
  398.  
  399.  
  400.  
  401.  
  402.                             Page -6-
  403.  
  404.  
  405. Initial Areas of Concentration
  406.  
  407.      Realignment of Bus Interface Unit Protocols. MITRE's  exist-
  408. ing  BIU-BIU  protocols  are ad hoc in nature.  Various problems,
  409. such as, inadequate addressing structure, missing  or  antiquated
  410. flow  control  mechanisms,  and  missing  out-of-band  signaling,
  411. prevent interfacing the cable-bus to long-haul  networks  in  any
  412. reasonable manner.  Transport and virtual circuit protocols suit-
  413. ed to the high speed cable bus are needed to  provide  the  func-
  414. tions for interfacing to existing long- haul networks.
  415.  
  416.      Using the TCP version 4.0 and the Internetwork Protocol as a
  417. starting  point,  a  Flexible  Datagram  Protocol  (FDP) has been
  418. designed (See IEN-97).  The FDP is motivated by a need to support
  419. a  cable-bus user community with widly varying transport protocol
  420. requirements.  It should be emphasized that the generation  of  a
  421. new set of protocols was not our intent.  However the urgent need
  422. for a flexible transport protocol on the cable, and  the  feeling
  423. that  the  state-of-the-art in local area networking protocols is
  424. such that no existing protocols may be adopted as a whole, led to
  425. the  conceptual  merging of the local network protocol layer with
  426. the internet layer, to yield a transport datagram protocol  which
  427. can be layered under TCP.  In its simplest form, FDP can function
  428. in a local broadcast environment, and in its expanded  form,  the
  429. FDP assumes all the characteristics of the Internet Protocol.
  430.  
  431.      Internet Software Development.  In order to achieve  a  full
  432. internetworking  capability between the Cablenet and ARPANET, TCP
  433. 4.0 and the FDP will  be  installed  on  the  11/70  and  on  the
  434. LSI-11s. (We are adopting BBN's UNIX "C"/TCP and SRI's MOS/TCP in
  435. an attempt to get these internetworking capabilities operating as
  436. expeditiously as possible.)
  437.  
  438.      High-speed 11/70 - Cable Interface.  The 11/70 is interfaced
  439. to the cable-bus with a low speed (9600 baud) terminal line.  All
  440. terminals accessing the 11/70 via the cable are multiplexed  over
  441. this line.  To test the bandwidth and throughput of the cable-bus
  442. system, a high-speed  interface  between  the  PDP11/70  and  the
  443. cable-bus  is  being  installed.  The interface bandwidth must be
  444. greater than the basic cable bandwidth so as  not  to  bottleneck
  445. data and affect measurements.
  446.  
  447.      A UMC-Z80, from Associated  Computer  Consultants,  will  be
  448. used  to provide the hardware interface between the cable-bus and
  449. the PDP-11 UNIBUS.  Data transfer rates on the order of 500 Kbits
  450. should  be  available  through the UMC-Z80.  Since the basic data
  451. rate of the existing cable-bus is approximately 300 Kbits, it  is
  452. believed  that  bottleneck problems associated with the PDP-11 to
  453. cable interface will be non-existent.
  454.  
  455.      Security.  No secure cable-bus installations  currently  ex-
  456. ist.   Particular  attention is being given to investigating ways
  457. of securing a cable-bus to meet the security  requirements  of  a
  458.  
  459.  
  460.  
  461.                             Page -7-
  462.  
  463.  
  464. command  center.   The  following  areas have been identified for
  465. study:
  466.  
  467.      1.  The use of DES and Public Key encryption systems to
  468.          provide secure virtual circuit data paths.
  469.  
  470.      2.  BIU software verification.
  471.  
  472.      3.  Methods for physically securing the BIU and the cable.
  473.  
  474.      4.  A suggested architecture for an integrated network
  475.          control center and security officers station.
  476.  
  477. Because of the "intelligence" of each BIU, a number  of  security
  478. measures  are  possible  that are difficult to implement in other
  479. architectures.  Dynamic key modification, logical address assign-
  480. ment,  carrier  frequency hopping, and distributed specifications
  481. of  interconnectivity,  are  all  measures  that  strengthen  the
  482. overall  cable-bus  security.   The extent to which each of these
  483. measures is needed is part of our research.
  484.  
  485.      Performance Analysis and Experimentation.  There is  a  long
  486. standing  need for a knowledge of the end-to-end speed of the ex-
  487. isting  MITRE  cable-bus  system.  Our  initial  measurement   of
  488. bandwidth  and  throughput  will satisfy this need, as well as to
  489. provide a metric for our newly implemented transport and  virtual
  490. circuit  protocols.   Subsequent measurements will not only focus
  491. on our evolved transport and virtual circuit protocols, but  will
  492. deal with the internet environment.
  493.  
  494.  
  495.  
  496. The Cablenet of the Future
  497.  
  498.      Our ultimate goal is a cable-bus design that is  capable  of
  499. high-speed transmission (greater than 1Mbps), extensible, secure,
  500. and supports both voice and video transmissions which  are  fully
  501. integrated with the digital data.  A voice message system coupled
  502. with interactive TV/graphics displays are some of the elements of
  503. our  postulated fully automated command center.  The next genera-
  504. tion cable-bus interface units will support a multitude  of  dev-
  505. ices,  including  page  oriented and color graphics terminals; we
  506. will implement a virtual terminal protocol in an expanded BIU.
  507.  
  508.      We are interested in developing the capability to dynamical-
  509. ly  regulate resource access and machine loading, and we envision
  510. a fully-distributed prototype cable-bus network  being  installed
  511. at a command center site to test these resource sharing concepts.
  512.  
  513.  
  514.  
  515.  
  516.  
  517.  
  518.  
  519.  
  520.                             Page -8-
  521.