基于CCSDS的协议体系结构通信电子数据通信与网络_行业资料-系统集成.pdf

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1、基于 CCSDS的协议体系结构 CCSDS标准概述 CCSDS（空间数据系统咨询委员会）是一个国际性空间组织，成立于 1982年，主要任务是负责开发适合航天测控和数据传输系统各种通信协议和数据处理规范，以适应航天器复杂化，满足空间资源有效利用，加强国合作需要。一、CCSDS 标准层次模型 CCSDS 空间通信协议体系结构自下而上包括物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层，其中每一层又包括若干个可供组合协议。空间通信协议参考模型如图 1 所示。图 1 CCSDS空间通信协议参考模型 空间通信环境网络具有传输时延大、信噪比低、突发噪声强、多普勒频移大、空间链路时断时续等特点，此时应用于地面通信

2、网络，面向连接 TCP/IP 互联网协议是无法高效工作。因此，CCSDS 以 TCP/IP 协议为基础，进行适当修改和扩充，制定了空间通信协议规范 SCPS，该协议在空间通信网络和地面通信环境之间架设起通信桥梁。SCPS 主要作用是为遥感卫星和数据中继卫星之间提供高效文件传输。1)物理层 基于 CCSDS的协议体系结构 物理层标准包括两部分：无线射频和调制系统和 Proximity-1。无线射频和调制系统对星地之间使用频段、调制方式等作出定义。Proximity-1 是个跨层协议，规定了邻近空间链路物理层特性，包含物理层和数据链路层。物理层主要为同步和信道编码子层提供输入输出比特时钟和一些状态

3、信息，而数据链路层又包含五个子层：同步和信道编码子层、帧子层、媒体接入控制子层、数据服务子层和 I/O子层。2)数据链路层 数据链路层包括遥测（TM）、遥控(TC)和 AOS 空间数据链路协议，它们提供在空间链路传输各种类型数据能力，统称为 SDLP(space data link protocol，空间数据链路协议)。遥测空间数据链路协议通常为从航天器发送遥测信息到地面，遥控空间数据链路协议则通常从地面发送指令到航天器。空间数据链路协议基本数据单元为传输帧。遥控空间数据链路协议使用可变长度传输帧来保证长度较短信息(通常为命令信息)短时延接收。为保证命令信息能够无间隔、无重复、按发送顺序到达接

4、收端，遥控空间数据链路协议引入了重传控制机制，该机制由通信操作程序(COP-1)提供。遥测空间数据链路协议和 AOS空间数据链路协议使用固定长度传输帧，以便在空间链路实现较可靠帧同步，这两个协议均无法保证数据传输完整性，因此在应用这两个协议时，如果需要保证完整、可靠数据传输，需要由高层协议来进行重传控制。遥测同步和信道编码建议与遥控同步和信道编码建议提供了传输数据帧时帧同步功能和信道编码功能。通常，遥测同步和信道编码协议与 AOS 空间数据链路协议、遥测空间数据链路协议结合使用，而遥控同步和信道编码协议与遥控空间数据链路协议结合使用。为了在物理层实现准确位同步技术，这两个协议还提供了对传输帧进

5、行伪随机化功能。3)网络层 CCSDS 规定了两个网络层协议：空间分包协议 SPP、SCPS-NP，实现了空间网络路由功能。这两个协议都不提供重传功能，重传由高层协议保证。为了同现有地面网相兼容，网络层使用封装技术后，因特网 IPv4 和 IPv6 分组也可以通过空间数据链路协议传输，与 SPP、SCPS-NP 可复用或独用空间数据链路。SCPS 网络协议(SCPS-NP)，该协议在空间通信网络上，支持报文静态路由、航天测控和数据传输系统各种通信协议和数据处理规范以适应航天器复杂化满足空间资源有效利用加强国合作需要一标准层次模型空间通信协议体系结构自下而上包括物理层数据链路层网络层运输层和应用

6、层其中每一层又包括若干比低突发噪声强多普勒频大空间链路时断时续等特点此时应用于地面通信网络面向连接互联网协议是无法高效工作因此以协议为基础进行适当修改和扩充制定了空间通信协议规范该协议在空间通信网络和地面通信环境之间架设起通两部分无线射频和调制系统和无线射频和调制系统对星地之间使用频段调制方式等作出定义是个跨层协议规定了邻近空间链路物理层特性包含物理层和数据链路层物理层主要为同步和信道编码子层提供输入输出比特时钟和一些状态基于 CCSDS的协议体系结构 动态路由和洪泛路由，并可应用于多种信道环境。SCPS-NP 包可随服务业务不同而改变头部结构，以达到最优比特效率。SCPS-NP 主要不足在于

7、不支持与 IPv4或者 IPv6 互操作。若要将网络层基于 SCPS-NP 网络与基于 IPv4 或者 IPv6 网络互联，需要将 SCPS-NP 头转换为 IPv4 或者 IPv6。然而这种转换必然会损失SCPS-NP 部分功能。4)传输层 CCSDS 开发了传输层 SCPS-TP 协议，向空间通信用户提供端到端传输服务。CCSDS 还开发了用于文件传输协议 CFDP，CFDP 既提供了传输层功能，又提供了应用层文件管理功能。作为一个传输层协议，SCPS-TP 也提供可靠、面向字节数据流传输服务。但与 Internet TCP 相比，SCPS-TP 进行了如下几个方面改进：使用 TCP 分离

8、(TCP-splitting)技术，这使得 SCPS-TP 可靠性是通过在端到端路径中各段可靠性来获得；SCPS-TP 使用选择性负确认即 selective-NAK，而不是 TCP 中使用 ACK。这样在 SCPS-TP 中就不用为每个发送数据包都发送一确认，而是发送方定期地要求接收方对它已经成功接收到数据包进行确认，这样就减少了确认发送数量，从而减轻了通信链路负载。此外，SCPS-TP 中没有重传定时器，也不在传输数据之前通过三次握手建立连接。CFDP 是 CCSDS 协议栈中最重要协议之一，支持端到端文件传输，这些端可以是卫星、地面站或中继星。用户只需确定传输时间和文件目地，CFDP 负

9、责随着端到端连接变化进行动态路由。从内核结构来看，CFDP 包括两个协议：核心文件传输协议和扩展文件传输协议。核心文件传输协议保证点到点文件传输，扩展文件传输协议提供端到端文件传输。此外，CFDP 自身还具有可靠传输机制，并不需要通过下层协议来获得可靠性。CFDP 重转机制具有以下特点：没有连接协议；不等收到一个传输数据单元确认后再传其他数据单元；重转缓冲区一般使用非易失性存储器。目前 CFDP 包括三种机制：文件处理机制；点到点可靠传输机制；利用下层空间链路进行数据传输服务机制。SCPS 安全协议SCPS-SP和因特网安全协议IPSee可以与传输协议结合使用，提供端到端数据保护能力。SCSP

10、-SP 是 SCPS 协议簇中唯一涉及安全保障协议，提供数据完整性检查、机密性机制、身份认证和接入控制服务，以防止数据受到航天测控和数据传输系统各种通信协议和数据处理规范以适应航天器复杂化满足空间资源有效利用加强国合作需要一标准层次模型空间通信协议体系结构自下而上包括物理层数据链路层网络层运输层和应用层其中每一层又包括若干比低突发噪声强多普勒频大空间链路时断时续等特点此时应用于地面通信网络面向连接互联网协议是无法高效工作因此以协议为基础进行适当修改和扩充制定了空间通信协议规范该协议在空间通信网络和地面通信环境之间架设起通两部分无线射频和调制系统和无线射频和调制系统对星地之间使用频段调制方式等作

11、出定义是个跨层协议规定了邻近空间链路物理层特性包含物理层和数据链路层物理层主要为同步和信道编码子层提供输入输出比特时钟和一些状态基于 CCSDS的协议体系结构 攻击。5)应用层 CCSDS 开发了三个应用层协议：图像数据压缩、无损数据压缩、SCPS 文件协议 SCPS-FP。制定无损数据压缩和无损图像压缩目都是为了能尽量多传回有用数据同时尽量少占用星上存储资源和链路带宽。SCPS 文件处理协议(SCPS，SCPS-FP)，该协议在空间通信网络中作用对应于 TCP/IP 中互联网 FTP，针对航天器控制命令、软件加载和遥控数据集下载应用，进行优化。二、CCSDS 主网概念模型 CCSDS 建议书

12、规定了空间信息网概念模型，即 CCSDS 主网（CPN），是三种类型数据通信网级连，分别称为 CCSDS 星载网(CON)，CCSDS 空间链路子网(CSLS)和 CCSDS 地面网(CGN)。它主要是完成空-地或空-空数字信息传输。CPN通常为一个轨道段中星载网通过空间链路子网与地面网或另一个轨道区段中星载网连接，见图2。图 2 CPN 模型 为处理不同性质用户数据，CPN 提供了 8 种业务，其中网间业务(因特网业务)与路径业务为通过整个 CPN 端-端数据传输业务。还有 6 种是 CSLS 数据传输业务，分别为：包装业务、复用业务、位流业务、虚拟信道访问业务(VCA 业务)、虚拟信道数据

13、单元业务(VCDU 业务)和插入业务。空问链路子网数据流如图 3 所示。航天测控和数据传输系统各种通信协议和数据处理规范以适应航天器复杂化满足空间资源有效利用加强国合作需要一标准层次模型空间通信协议体系结构自下而上包括物理层数据链路层网络层运输层和应用层其中每一层又包括若干比低突发噪声强多普勒频大空间链路时断时续等特点此时应用于地面通信网络面向连接互联网协议是无法高效工作因此以协议为基础进行适当修改和扩充制定了空间通信协议规范该协议在空间通信网络和地面通信环境之间架设起通两部分无线射频和调制系统和无线射频和调制系统对星地之间使用频段调制方式等作出定义是个跨层协议规定了邻近空间链路物理层特性包含

14、物理层和数据链路层物理层主要为同步和信道编码子层提供输入输出比特时钟和一些状态基于 CCSDS的协议体系结构 图 3 CPN 业务模型 路径业务主要用于航天器有效载荷高速数据、高速遥测数据、双向会议电视及标准图像传输，特别适用于源/宿地址相对稳定非交互式、大容量空-地数据突发式单向传输。网间业务将空间链路与地面商业网(如 Internet)连接起来，支持动态变化信源和信宿之间断续地传输数据，如航天器远程操作用户业务。该业务适用于命令和航天测控和数据传输系统各种通信协议和数据处理规范以适应航天器复杂化满足空间资源有效利用加强国合作需要一标准层次模型空间通信协议体系结构自下而上包括物理层数据链路层

15、网络层运输层和应用层其中每一层又包括若干比低突发噪声强多普勒频大空间链路时断时续等特点此时应用于地面通信网络面向连接互联网协议是无法高效工作因此以协议为基础进行适当修改和扩充制定了空间通信协议规范该协议在空间通信网络和地面通信环境之间架设起通两部分无线射频和调制系统和无线射频和调制系统对星地之间使用频段调制方式等作出定义是个跨层协议规定了邻近空间链路物理层特性包含物理层和数据链路层物理层主要为同步和信道编码子层提供输入输出比特时钟和一些状态基于 CCSDS的协议体系结构 控制信息、电子邮件、远程终端访问等实时交互操作。CSLS 是 CPN 核心部分，下面简单介绍一下空间链路子网(CSLS)及其

16、提供业务。空间链路子网(CSLS)包括虚拟信道链路控制(VCLC)子层和虚拟信道访问(VCA)予层。VCLC 子层提供以下 3 种业务。(1)包装业务：将输入非 CCSDS 结构定界、按字节排列包装业务数据 单元(E-SDU)包装成包装规约数据单元(E-PDU)格式，以便进一步在虚拟信道内复用。在接收端，将 E-SDU 从 E-PDU 中取出，并根据其虚拟信道标识符交给其相应数据宿。包装过程实际上是一个协议转换过程。(2)复用业务：把同一虚拟信道上 E-PDU和多路复用业务数据单元(M-SDU)合路到一个多路复用规约数据单元(M-PDU)中，并设置 M-PDU 导头域，由导头指针指示出第一个完

17、整 CCSDS 包位置，这样在接收端可方便地提取 M-PDU 包区各个 CCSDS 包，实现包分路。(3)位流业务：将非定界位流数据切成短块。依次放入位流业务协议数据单元(B-PDU)数据域内，再通过空间链路子网传输，数据流内部结构和边界 对数传系统是未知或保密。VCA 子层提供以下 3 种业务。(1)虚拟信道存取业务(VCA 业务)：将虚拟信道存取数据单元(VCA-SDU)装入虚拟信道规约数据单元(VC-PDU)数据域内，产生 VC-PDU 主导头域，由物理信道传送。(2)虚拟信道数据单元业务(VCDU 业务)：将从航天器产生，严格符合格式要求 VCDU CVCDU 与主航天器自身产生 VC

18、DU CVCDU 逐帧交织在一起通过主航天器建立信道传送，在接收端根据各自 VCDU-ID 分开。(3)插入业务：将插入业务数据单元(IN-SDU)放入特定物理信道上每个VC-PDU中保留插入区内，从而为用户提供一种固定、同步可用时隙。CSLS 一个重要特征是虚拟信道(VC)概念。虚拟信道是建立在一个物理信道上多个并行“虚拟”通路，它使多个用户上层数据流共享同一个物理信道，而每一个虚拟信道有自己业务需求与业务等级。将来自不同业务类型用户数据在送上信道之前采用固定长度 VC-PDU(虚拟信道规约数据单元，称为 VCDU 或航天测控和数据传输系统各种通信协议和数据处理规范以适应航天器复杂化满足空间

19、资源有效利用加强国合作需要一标准层次模型空间通信协议体系结构自下而上包括物理层数据链路层网络层运输层和应用层其中每一层又包括若干比低突发噪声强多普勒频大空间链路时断时续等特点此时应用于地面通信网络面向连接互联网协议是无法高效工作因此以协议为基础进行适当修改和扩充制定了空间通信协议规范该协议在空间通信网络和地面通信环境之间架设起通两部分无线射频和调制系统和无线射频和调制系统对星地之间使用频段调制方式等作出定义是个跨层协议规定了邻近空间链路物理层特性包含物理层和数据链路层物理层主要为同步和信道编码子层提供输入输出比特时钟和一些状态基于 CCSDS的协议体系结构 CVCDU，用 VCDU-ID 标识

20、)，并用同步导头进行定界。VC-PDU 格式如图 4 所示，各字段定义如下：图 4 VC-PDU 数据格式 版本号：在 AOS 中应置为“01”，表示此数据结构是 CCSDS 虚拟信道规约数据单元。VCDU-ID：用于标识该 VC-PDU 所相关航天器和所使用虚拟信道。航天器标识符 SCID 占用 8 位；虚拟信道标识符 VCID，占用 6 位，当 VCID 为全 l 时，表示该 VC 传输是填充数据。虚拟信道数据单元计数器：为每个虚拟信道上产生 VC-PDU 按顺序编码。信号域：包括 l 位回放标志和 7 位备用位，其中回放标志为 l 表示是回放 VCDU，回放标志为 0 表示是实时 VCD

21、U。导头差错控制域：使用 RS(10，6)码为版本号、VCDU 标识域和信号域提供差错保护。VCDU 插入域：用于实现插入业务，其长度必须为 8 位比特组整数倍。在特定物理信道上是否存在插入域及插入域长度由网管控制。VCDU 数据单元区：承载与位流业务、复用业务、VCA 业务相关高层用户数据。VCDU 字尾：包括操作控制域和 VCDU 差错控制域。操作控制域可以使CCSDS COS 与 AOS 实现混合配置，其内容为在 CCSDS 分包遥测、遥控中定义“指令链路控制字”，VCDU 差错控制域通过使用 CRC 检测 VC-PDU 中除导 头外其它部分错误。CVCDU R-S 校验符：使用 R-S

22、(255，223)码为整个 VC-PDU 提供差错控制。航天测控和数据传输系统各种通信协议和数据处理规范以适应航天器复杂化满足空间资源有效利用加强国合作需要一标准层次模型空间通信协议体系结构自下而上包括物理层数据链路层网络层运输层和应用层其中每一层又包括若干比低突发噪声强多普勒频大空间链路时断时续等特点此时应用于地面通信网络面向连接互联网协议是无法高效工作因此以协议为基础进行适当修改和扩充制定了空间通信协议规范该协议在空间通信网络和地面通信环境之间架设起通两部分无线射频和调制系统和无线射频和调制系统对星地之间使用频段调制方式等作出定义是个跨层协议规定了邻近空间链路物理层特性包含物理层和数据链路

23、层物理层主要为同步和信道编码子层提供输入输出比特时钟和一些状态基于 CCSDS的协议体系结构 三、CCSDS 建议中协议实例 选取无损数据压缩协议、空间包协议(SPP)、AOS 空间数据链路协议、遥测同步与信道编码协议协议组合方式，提出了一种适用于卫星与卫星之间、卫星与地面站之间点到点通信系统模型，如图 5 所示。以包服务为例，卫星上信源产生数据经信源编码后，被封装成空间包。在包头中，含有应用进程标识符(Application Pro-cess Indentifier，APID)，每个仪器对应一个 APID，在接收端可以用 APID 来对数据源进行识别。同时，在空间通信网络中，一个卫星还可以转

24、发其他卫星上数据，这些被转发数据可被封装成SCPS-NP 包。SCPS-NP 包和空间包均被送入包处理过程。在包处理过程中，多个空间包和 SCPS-NP 包被级联，生成复用协议数据单元 MPDU。生成 MPDU被送入帧生成模块中，生成虚拟信道传输帧，每个虚拟信道对应一个虚拟信道标识符(Virtual ChannelIdentifier，VCID)。多个虚拟信道传输帧时分复用物理信道，决定当前需要进行传输帧，该帧经过纠错编码、随机化、加入帧同步头后，再进行物理层基带、RF 处理，最后送入物理信道进行传输。在接收端，首先将接收到信号进行射频、基带处理，得到二进制串行码流，然后对二进制码流进行帧同步

25、处理、解伪随机化、信道解码，提取出可用传输帧。之后，虚拟信道分用过程根据传输帧中 VCID 将不同虚拟信道帧分开处理，提取出其中 MPDU，再将 MPDU 送入包提取功能模块，根据包版本号不同，区分出是 SCPS-NP 包或是空间包。对于 SCPS-NP 包，可以根据包头中信宿交给相应用户，而对空间包，可以根据 APID 识别数据源，送给相应用户。航天测控和数据传输系统各种通信协议和数据处理规范以适应航天器复杂化满足空间资源有效利用加强国合作需要一标准层次模型空间通信协议体系结构自下而上包括物理层数据链路层网络层运输层和应用层其中每一层又包括若干比低突发噪声强多普勒频大空间链路时断时续等特点此

26、时应用于地面通信网络面向连接互联网协议是无法高效工作因此以协议为基础进行适当修改和扩充制定了空间通信协议规范该协议在空间通信网络和地面通信环境之间架设起通两部分无线射频和调制系统和无线射频和调制系统对星地之间使用频段调制方式等作出定义是个跨层协议规定了邻近空间链路物理层特性包含物理层和数据链路层物理层主要为同步和信道编码子层提供输入输出比特时钟和一些状态基于 CCSDS的协议体系结构 航天测控和数据传输系统各种通信协议和数据处理规范以适应航天器复杂化满足空间资源有效利用加强国合作需要一标准层次模型空间通信协议体系结构自下而上包括物理层数据链路层网络层运输层和应用层其中每一层又包括若干比低突发噪声强多普勒频大空间链路时断时续等特点此时应用于地面通信网络面向连接互联网协议是无法高效工作因此以协议为基础进行适当修改和扩充制定了空间通信协议规范该协议在空间通信网络和地面通信环境之间架设起通两部分无线射频和调制系统和无线射频和调制系统对星地之间使用频段调制方式等作出定义是个跨层协议规定了邻近空间链路物理层特性包含物理层和数据链路层物理层主要为同步和信道编码子层提供输入输出比特时钟和一些状态