基于CCSDS的协议体系结构.docx

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基于CCSDS的协议体系结构

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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的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的协议。

空间通信协议的参考模型如图1所示。

图1CCSDS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网络的，面向连接的TCP/IP互联网协议是无法高效工作的。

因此，CCSDS以TCP/IP协议为基础，进行适当的修改和扩充，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的桥梁。

SCPS的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

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的频段、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的能力，统称为SDLP（spacedatalinkprotocol，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。

空间数据链路协议的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的传输帧来保证长度较短的信息（通常为命令信息）短时延的接收。

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的传输帧，以便在空间链路实现较可靠的帧同步，这两个协议均无法保证数据传输的完整性，因此在应用这两个协议时，如果需要保证完整、可靠的数据传输，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的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的位同步技术，这两个协议还提供了对传输帧进行伪随机化的功能。

3）网络层

CCSDS规定了两个网络层协议：

空间分包协议SPP、SCPS-NP，实现了空间网络的路由功能。

这两个协议都不提供重传功能，重传由高层协议保证。

为了同现有的地面网相兼容，网络层使用封装技术后，因特网的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，支持报文的静态路由、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主要的不足在于不支持与IPv4或者IPv6的互操作。

若要将网络层基于SCPS- NP的网络与基于IPv4或者IPv6的网络互联，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的部分功能。

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的协议CFDP，CFDP既提供了传输层的功能，又提供了应用层文件管理功能。

作为一个传输层协议，SCPS-TP也提供可靠的、面向字节的数据流传输服务。

但与Internet的TCP相比，SCPS-TP进行了如下几个方面的改进：

使用TCP

分离（TCP-splitting）技术，这使得SCPS-TP的可靠性是通过在端到端路径中各段的可靠性来获得的；SCPS-TP使用选择性的负确认即selective-NAK，而不是

TCP中使用的ACK。

这样在SCPS-TP中就不用为每个发送的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的数据包进行确认，这样就减少了确认发送的数量，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的协议栈中最重要的协议之一，支持端到端的文件传输，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的目的地，CFDP负责随着端到端连接的变化进行动态路由。

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的文件传输，扩展文件传输协议提供端到端的文件传输。

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的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的确认后再传其他的数据单元；重转缓冲区一般使用非易失性的存储器。

目前的CFDP包括三种机制：

文件处理机制；点到点的可靠传输机制；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-SP是SCPS协议簇中唯一涉及安全保障的协议，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的目的都是为了能尽量多的传回有用的数据同时尽量少的占用星上的存储资源和链路带宽。

SCPS文件处理协议（SCPSFileProtocol，SCPS-FP），该协议在空间通信网络中的作用对应于TCP/IP中的互联网FTP，针对航天器控制命令、软件加载和遥控数据集的下载应用，进行优化。

2、CCSDS主网概念模型

CCSDS建议书规定了空间信息网的概念模型，即CCSDS主网（CPN），是三种类型数据通信网的级连，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-空的数字信息传输。

CPN通常为一个轨道段中的星载网通过空间链路子网与地面网或另一个轨道区段中的星载网连接，见图2。

图2CPN模型

为处理不同性质的用户数据，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的端-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。

图3CPN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/宿地址相对稳定的非交互式、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，支持动态变化的信源和信宿之间断续地传输数据，如航天器远程操作的用户业务。

该业务适用于命令和控制信息、电子邮件、远程终端访问等实时交互操作。

CSLS是CPN的核心部分，下面简单介绍一下空间链路子网（CSLS）及其提供的业务。

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：

将输入的非CCSDS结构定界的、按字节排列的包装业务数据

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的数据宿。

包装过程实际上是一个协议转换过程。

（2）复用业务：

把同一虚拟信道上的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的导头域，由导头指针指示出第一个完整的CCSDS包的位置，这样在接收端可方便地提取M-PDU包区的各个CCSDS包，实现包的分路。

（3）位流业务：

将非定界的位流数据切成短块。

依次放入位流业务协议数据单元（B-PDU）的数据域内，再通过空间链路子网传输，数据流的内部结构和边界

对数传系统是未知或保密的。

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）的数据域内，产生VC-PDU的主导头域，由物理信道传送。

（2）虚拟信道数据单元业务（VCDU业务）：

将从航天器产生的，严格符合格式要求的VCDU／CVCDU与主航天器自身产生的VCDU／CVCDU逐帧交织在一起通过主航天器建立的信道传送，在接收端根据各自的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中保留的插入区内，从而为用户提供一种固定、同步的可用时隙。

CSLS的一个重要特征是虚拟信道（VC）的概念。

虚拟信道是建立在一个物理信道上的多个并行的“虚拟”通路，它使多个用户的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的业务需求与业务等级。

将来自不同业务类型的用户数据在送上信道之前采用固定长度的VC-PDU（虚拟信道规约数据单元，称为VCDU或CVCDU，用VCDU-ID标识），并用同步导头进行定界。

VC-PDU的格式如图4所示，各字段定义如下：

图4VC-PDU的数据格式

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所相关的航天器和所使用的虚拟信道。

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传输的是填充数据。

虚拟信道数据单元计数器：

为每个虚拟信道上产生的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VCDU。

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位比特组的整数倍。

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业务相关的高层用户数据。

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CCSDSCOS与AOS实现混合配置，其内容为在CCSDS分包遥测、遥控中定义的“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

头外其它部分的错误。

CVCDUR-S校验符：

使用R-S（255，223）码为整个VC-PDU提供差错控制。

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、卫星与地面站之间的点到点通信系统模型，如图5所示。

以包服务为例，卫星上信源产生的数据经信源编码后，被封装成空间包。

在包头中，含有应用进程标识符（ApplicationPro-cessIndentifier，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，一个卫星还可以转发其他卫星上的数据，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。

生成的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（VirtualChannelIdentifier，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的帧，该帧经过纠错编码、随机化、加入帧同步头后，再进行物理层的基带、RF处理，最后送入物理信道进行传输。

在接收端，首先将接收到的信号进行射频、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处理、解伪随机化、信道解码，提取出可用的传输帧。

之后，虚拟信道分用过程根据传输帧中的VCID将不同虚拟信道的帧分开处理，提取出其中的MPDU，再将MPDU送入包提取功能模块，根据包版本号的不同，区分出是SCPS-NP包或是空间包。

对于SCPS-NP包，可以根据包头中的信宿交给相应的用户，而对空间包，可以根据APID识别数据源，送给相应的用户。