CCSDS标准和TCP-IP协议间的网关设计与实现.pdf

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1、 134 CCSDSCCSDSCCSDSCCSDS 标准和标准和标准和标准和 TCP/IPTCP/IPTCP/IPTCP/IP 协议间的网关设计与实现协议间的网关设计与实现协议间的网关设计与实现协议间的网关设计与实现 梁梁梁梁 莉莉莉莉1,2鲁士文鲁士文鲁士文鲁士文1 1.中国科学院计算技术研究所北京 1000802.中国科学院研究生院北京 100039 摘摘摘摘 要要要要如何实现天地之间端到端的无阻通信是遥科学网络设计中的一项关键技术该文提出了一种 CCSDS 标准和 TCP/IP 协议间的转换网关的设计方案并采用灵活的多进程结构预创建技术和分层次分模块的设计架构来提高网关的性能最后给出了该

2、网关的实现流程和性能测试结果 关键词关键词关键词关键词CCSDSTCP/IP协议网关多进程预创建 Design and Implementation of Gateway Between CCSDS Standard and TCP/IP Protocols LIANG Li1,2,LU Shiwen1(1.Institute of Computing Technology,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039)Abst

3、ract How to implement the unblocked end-to-end communication between the space and the ground is a key technology in the design of thetelescience network.This paper puts forward a design scheme of the translation gateway between CCSDS standard and TCP/IP protocols.Thescheme adopts multi-process stru

4、cture,pre-establishment technology and hierarchical modularized architecture to improve the performance of thegateway.At last,the paper gives out the implementation flow and the performance testing results of the gateway.Key wordsCCSDS;TCP/IP;Protocol;Gateway;Multi-process;Pre-establishment 计计计计 算算算

5、算 机机机机 工工工工 程程程程 Computer Engineering 第第第第 32 卷卷卷卷 第第第第 4 期期期期 Vol.32 4 2006 年年年年 2 月月月月February 2006网络与通信网络与通信网络与通信网络与通信 文章编号文章编号文章编号文章编号10003428(2006)04013403文献标识码文献标识码文献标识码文献标识码A 中图分类号中图分类号中图分类号中图分类号TP393 随着空间应用的不断发展以往的地面跟踪站宇航中心的一些特定站点和航天器之间的通信模式已经不能满足现在的空间通信需求人们希望能为地面用户提供与特定航天器间的端到端的连接 但是由于空间和地面

6、底层链路的差异在链路层采用相同协议的方法是不现实的但可以选择在网络层屏蔽此差异鉴于国际上空中实验与地面通信使用的空-空链路和空-地链路在未来相当长的时间内势必仍采用CCSDS标准协议因此开展协议转换即网关技术研究实现空间特定航天器与地面用户间的无阻通信是非常必要且有深远意义的 在这种背景下本文设计并实现了基于CCSDS标准与TCP/IP协议的转换网关并通过采用多进程组织结构预创建技术以及分层次分模块的设计架构来提高网关的性能可用性和可扩展性 1 背景背景背景背景 为了适应空间技术的发展要求1982年由8个美国国内及国际上的空间机构如NASAESA等发起成立了空间数据系统咨询委员会CCSDS其目

7、标是端到端系统的数据通信和处理近20年来CCSDS推出了一整套技术标准 建议书其中一部分已直接转化为国际标准化组织(ISO)的正式国际标准 CCSDS反映了世界空间数据系统的最新技术发展动态目前美国的NASA欧洲的ESA日本的NASDA等机构在其研发的航天器地面站上都已全部或部分采用该标准以便数据系统互联彼此互相支持为了实现国际联网我国的卫星通信也已开始使用CCSDS空间数据标准 另一方面 鉴于TCP/IP技术在地面网络上取得的巨大成功近年来美国宇航局NASA开展了OMNIOperating Missions as a Nodes on the Internet项目其目标是随时随地以最经济最便

8、捷的方式为用户提供与其航天器的端到端连接OMNI的思想是将商用Internet延伸到航天器实现地面最终用户到航天器的全IP连接目前正处在试验阶段 但是考虑到我国航天技术的现状要在近期内实现所有的航天任务均使用IP的概念和原理是不可能的而且由于CCSDS是 度身定做 协议 使用CCSDS建议比使用OMNI所推荐的协议在吞吐率及协议开销等方面的性能要好一些目前我们可将航天系统的地面网络改造为IP网络 使其数据吞吐率大幅地提高而航天器和地面站仍沿用老系统然后将重点放在如何实现空间CCSDS标准协议和地面TCP/IP协议间的转换上从而实现空间和地面设备间的无阻通信同时需要采用灵活的设计架构和控制机制来

9、提高网关的性能以免它成为天地通信的一个瓶颈 2 应用模型应用模型应用模型应用模型 网关系统位于CCSDS网络和TCP/IP网络的连接处是连接空间用户和地面用户的桥梁直接担负着从空间数据到地面用户数据的协议转换数据分发等功能这样空间终端可以仍然用它们已经习惯了的虚通道号码标识应用进程地面终端也可以仍然用它们已经习惯了的IP地址+端口号基金项目基金项目基金项目基金项目国家863计划基金资助项目 作者简介作者简介作者简介作者简介 梁 莉(1979)女 硕士生 主研方向 协议转换技术鲁士文教授博导 收稿日期收稿日期收稿日期收稿日期2005-02-26 E- 135来标识应用进程然后由网关在二者之间透明

10、地执行映射和转换任务在应用程序中空间和地面的用户都可以用名字来指称一个实验目标这就给天基和地基的所有程序开发人员带来了极大的方便整个网络的应用模型如图1所示 RS编码RS编码Content空间终端请求已编码响应已编码数据已编码协议转换请求响应数据Content地面终端 RS编码RS编码 图图图图 1 网关应用模型网关应用模型网关应用模型网关应用模型 空间终端包括航天器上和跟踪站的数据设备地面终端包括控制中心的设备一般用户计算机等而该网关的主要功能有CCSDS协议栈和TCP/IP协议栈之间的协议转换数据包的解析和封装信息编码/解码 考虑到空地链路的时延和干扰都比较大我们采用Reed-Solomo

11、n编码来进行空间信道纠错RS码具有很好的抗突发噪声与随机噪声的能力在空间数据系统咨询委员会发布的空间数据系统标准建议书CCSDS 蓝皮书中也明确规定分包传输要求有较优的信道否则建议传输信道采取RS 编码前向纠错或至少在虚拟信道数据单元的主导头部分采取缩短的RS 编码纠错 3 设计设计设计设计 网关作为通信桥梁在不同网络的互连中网关处理能力直接影响到网络应用的性能容易成为系统瓶颈而且协议修改和扩充使网关维护工作量增大因此提高网关吞吐率和灵活性是设计的关键我们采用分层次分模块的设计架构来提高网关的灵活性同时采用多进程组织结构来改善网关的吞吐率 3.1 通信原语定义通信原语定义通信原语定义通信原语定

12、义 为了使网关能够准确地将信息转发给用户地面/空间用户提供面向连接的传输服务在通信过程中定义了一些服务原语和包头格式如下 CT_CONNECT.request(app_sign,vm,seq,dest_user,user_data)连接请求 CT_CONNECT.indication(app_sign,vm,seq,dest_user,user_data)连接指示 CT_CONNECT.response(responder,seq,user_data)连接响应 CT_CONNECT.confirm(responder,seq,user_data)连接确认 CT_DISCONNETCT.requ

13、est(user_data)断开连接请求 CT_DISCONNETCT.indication(user_data)断开连接指示 CT_DATA.request(user_data)发送数据请求 CT_DATA.indication(user_data)发送数据指示 其中的参数说明如下 app_sign航天器标示 vm虚拟通道号标示 seq帧序号 dest_user目的用户标示 user_data数据如控制命令等 3.2 自定义数据包头格式自定义数据包头格式自定义数据包头格式自定义数据包头格式 空间用户并不知道地面用户的IP地址 我们假定他仅知道存在某个地面用户该用户用某个名字来标示定义遥测包和

14、遥控包格式如下(1)遥测包结构 CCSDS传送帧头 遥 控 源 包段导头 包副数据 源数据 差 错 检测码 其中的包副数据内容是地面用户的用户名当网关接收到一个遥测包后解析出目的用户的名字查找路由表获取该用户的IP地址然后重新封装为TCP/IP包转发(2)遥控包结构 CCSDS传送帧头 遥测源包段导头 源数据 差错检测码 (3)自定义TCP/IP数据包 对于地面用户来说他需要指明发送给哪个航天器的哪个应用过程于是我们定义TCP/IP包格式如下 地面物理网络帧头 IP头 TCP头 信息头 源数据 差 错 检测码 其中的信息头内容是航天器标示和应用过程标示当网关接收到一个TCP/IP包后解析出目的

15、航天器和应用过程 查找路由表获取相应的虚通道号然后重新封装为遥包转发 3.3 多进程组织结构多进程组织结构多进程组织结构多进程组织结构 为了提高网关的工作效率采用了3级进程并行异步工作的方式具体如下 一级进程为守护进程主要负责监听消息根据消息类型选择基于不同协议栈的服务进程 二级进程为基于CCSDS的服务进程和基于TCP/IP的服务进程它们负责接收消息发送消息RS编/解码拆包打包消息格式转换语义转化 三级进程为差错控制进程若RS解码失败则丢弃相应的传送帧若网关出现异常就尝试纠正或重新启动网关 其中基于CCSDS的服务进程和基于TCP/IP的服务进程之间采用命名管道的方式进行通信而守护进程并不是

16、在接收到一个连接请求之后才生成一个服务进程来处理它这样做效率太低延迟过大于是使用预创建技术来动态生成和控制多个服务进程 3.4 预创建技术和动态控制机制预创建技术和动态控制机制预创建技术和动态控制机制预创建技术和动态控制机制 所谓预创建就是在用户连接到来之前网关父进程就创建了若干个子进程当用户连接到达时可以直接使用这些子进程来提供服务而不需要等待子进程被创建如此可以减少用户进程的等待时延同时考虑到用户的需求可能随机变化为了避免系统资源的浪费我们采用了一种控制机制来动态地管理子进程其中父进程和每个子进程间采用Unix域套接字相连 当没有客户连接时父进程将每个子进程的状态标志为空闲当客户连接到达后

17、父进程就选择一个空闲的子进程并将接收到的新连接的套接字描述符传递给这个子进程而后将这个子进程的状态标志为忙然后这个子进程开始为用户进程提供服务当子进程服务完成后它向父进程发送一个完成消息接着继续等待父进程在收到子进程的完成消息后又将该子进程的状态修改为空闲 当用户连接超过父进程预创建的个数时父进程可以创建新的子进程来提供服务如此父进程负责倾听监视套接字并将新连接分配到指定的子进程中子进程可以循环地重复使用父进程能够动态地控制子进程的数量 3.5 层次化层次化层次化层次化模块化设计模块化设计模块化设计模块化设计 由于系统资源有限即使多个进程协调工作正常也必须考虑将多个任务分成若干个模块进行处理我

18、们对程序模块做了很细致地划分让各模块尽可能的独立和通用模块间调用关系如图2所示 136 接收RS编/解码解析封装发送计时器处理请求包处理包头处理协议转换数据包收/发模块数据包封装/解析模块数据包处理模块 图图图图 2 模块关系框图模块关系框图模块关系框图模块关系框图 各模块相对独立如此就可以增强系统的独立性使耦合度降低实现高内聚-松耦合 4 实现实现实现实现 在网关系统的实现平台的选择上我们使用了Linux操作系统因为Linux系统的进程间通信机制十分灵活而且Linux系统所提供的socket通信接口和各种丰富的系统异步时间处理方式为我们在其上快速地构造其它类型的协议栈实现提供了极大的方便 根

19、据前述设计方案我们在Linux平台上采用标准的C语言实现了这样一个网关系统首先系统采用了多进程的组织结构除了监听进程和监控进程外还包括基于CCSDS的服务进程基于TCP/IP的服务进程前面两个进程的功能实现比较简单在此我们不再赘述而基于CCSDS的服务进程和基于TCP/IP的服务进程的处理流程见图3所示 监听等待用户连接有用户提出连接请求接收用户发来的包判断接收的是数据包还是信号取出数据拆除添加在源数据前的信息头根据信息头里的信息填写源包段导头填写传送帧导头将传送帧进行RS编码判断信号类型取出信号拆除添加在源数据前的信息头发送给指定的航天器的指定应用过程关闭对应的转发通路监听等待CCSDS包有

20、用户提出连接请求接收并解码去除传送帧导头源包段导头取出源数据段添加信息头发送给指定的用户判断信号类型从信号字段中获取信号类型并转化为相应的信号信息判断接收的是数据包还是信号从包副中获取目的用户名向该用户发起连接请求关闭对应的转发通路是否收到返回的响应信号是否收到返回的响应信号结束信号结束信号请求信号数据是信号数据信号是 图图图图3 服务进程的工作流程服务进程的工作流程服务进程的工作流程服务进程的工作流程 其中当网关接收到地面用户A的连接请求后创建1个命名管道然后将该请求转发给空间用户B在收到空间用户B的响应后将该响应信息写进相应的命名管道中用户A的服务进程从该管道中获取该响应后将它发送给用户A

21、同样当网关接收到空间用户C的连接请求后创建1个命名管道然后将该请求转发给地面用户D收到地面用户D的响应后将该响应信息写进相应的命名管道中用户C的服务进程从该管道中获取该响应后将它发送给用户C 5 系统测试与性能分析系统测试与性能分析系统测试与性能分析系统测试与性能分析 首先进行了网关实现的功能测试通过运行测试用例和进行实际访问交互验证了网关能够正常工作空地通信通道建立正确并可以通过该网关进行数据传输与转发另外还对各种可能出现的异常情况作了相应的测试例如如果目的用户对要求建立连接的用户的请求弃置不理发起请求的一方应该能够在超过限定等待响应时间后自动退出该次发送过程 网关运行主机配置Pentium

22、4(2.4GMHz)512MB RAMRedHat Linux 9.0在该平台下通过改变帧大小得到网关的平均传输时延和丢包率如表1所示S为空间用户G为地面用户 表表表表 1 帧大小不同的情况下网关的性能参数帧大小不同的情况下网关的性能参数帧大小不同的情况下网关的性能参数帧大小不同的情况下网关的性能参数 另外我们模拟60个空间用户和60个地面用户并用脚本运行并发访问模拟程序得到不同访问流量下网关的平均时延和丢包率帧大小为1 024B如表2所示S为空间用户G为地面用户 表表表表 2 不同模拟访问请求下网关的性能参数不同模拟访问请求下网关的性能参数不同模拟访问请求下网关的性能参数不同模拟访问请求下网

23、关的性能参数 S访问请求最大并行数 G访问请求最大并行数 S-G时延(ms)G-S时延(ms)丢包率(%)1 1 153 162 0 2 2 170 176 0 3 3 198 202 0 4 4 210 216 0 5 5 215 218 0 影响网关性能的因素很多除了网关服务器的配置带宽等因素外还将从优化消息处理过程和动态控制机制 控制模块间的负载均衡方面来进一步改善网关的性能 6 结论结论结论结论 为了满足特定航天器与地面用户间的端到端的连接的空间通信需求我们开展了对CCSDS与TCP/IP协议转换技术的研究本文提出了一种基于CCSDS标准与TCP/IP协议的转换网关的设计与实现方法并通

24、过采用多进程分级的组织结构预创建技术和分层次分模块的架构来解决网关的瓶颈问题最后通过实现和测试工作验证了此方法的可行性和有效性 参考文献参考文献参考文献参考文献 1 CCSDS 100.0-G-1,Telemetry Summary of Concept and RationaleM.Green Book,1987.2 CCSDS 200.0-G-6.Telecommand Summary of Concept and RationaleM.Green Book,1987.3 林 宇,郭凌云.Linux 网络编程M.北京:人民邮电出版社,2000.4 鲁士文.天地一体化的遥科学系统和网络技术J.计算机工程与设计,2002,23(1):4-7.5 陈 平.一种基于部件组模型的动态机制J.西安电子科技大学学报,1998,25(6):700-704.帧大小(bytes)S-G时延(ms)G-S时延(ms)丢包率(%)64 84 90 0 128 98 102 0 256 115 120 0 512 132 136 0 1 024 153 162 0