摘 要：要分析了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS,，CONsultative Committee for Space Data SySTems）系列協(xié)議的特點,。為了驗證CCSDS 根據(jù)空間數(shù)據(jù)通信特點提出的一系列建議中的網(wǎng)絡(luò)層建議（SCPS-NP，Space CommunicationsProtocol Specification—Network Protocol）的性能,。通過OPNET 通信仿真軟件進行建模,，基本實現(xiàn)了SCPS-NP 協(xié)議要求的功能，對協(xié)議的性能進行了分析,，對中國空間通信協(xié)議的發(fā)展方向提出了建議,。

　　0 引言

　　隨著各國對外層空間資源的不斷探索，開發(fā)和利用以及地面因特網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟,。將天地通信融入到地面因特網(wǎng)中,，建立天地統(tǒng)一的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)成為新的研究熱點。這就需要一套高效統(tǒng)一的空間通信協(xié)議來進行保障,。在此要求下,，由各國空間系統(tǒng)研究機構(gòu)共同組成的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）做了大量工作，制定了一系列協(xié)議,。

　　1 CCSDS 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

　　CCSDS 系列協(xié)議可仿照TCP/IP 的分層結(jié)構(gòu)分類到物理層,、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層,、傳輸層和應(yīng)用層中,。每一層包含多個協(xié)議。具體介紹如下：

　?。?）物理層

　　在物理層,，CCSDS 制定了《無線電頻率和調(diào)制體制》建議書。規(guī)定了中等通信需求的近地和深空任務(wù)的無線電頻率和調(diào)制體制,。

　?。?）數(shù)據(jù)鏈路層

　　數(shù)據(jù)鏈路層包括了數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和信道編碼,。協(xié)議主要開發(fā)了分包遙測和分包遙控協(xié)議，適用于常規(guī)航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng),，業(yè)務(wù)簡單,；高級在軌數(shù)據(jù)系統(tǒng)協(xié)議（AOS），適用于大型航天器,，業(yè)務(wù)種類多,；近距空間鏈路，適用于互相接近的航天器之間的空間鏈路,，主要是點對點通信,。信道編碼中開發(fā)了BCH 編碼,、卷積碼,、RS 碼及數(shù)據(jù)鏈路的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等[2]。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)層

　　在網(wǎng)絡(luò)層,、傳輸層和應(yīng)用層，CCSDS 開發(fā)了與TCP/IP 協(xié)議功能上相平行的一系列建議書,，即空間通信協(xié)議規(guī)范SCPS,。其出發(fā)點是在適應(yīng)空間通信需求的基礎(chǔ)上盡量與因特網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)兼容和互操作。以因特網(wǎng)協(xié)議為基礎(chǔ),，進行針對空間環(huán)境的改進,。SCPS-NP 是其中的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。與IP 協(xié)議相比,，主要改進體現(xiàn)在以下幾點：提出了不同長度的導(dǎo)頭供用戶在功能和效率間取舍,；提供多種選路模式，增加了泛洪尋址方式,；提供由管理機制配置的端到端路由,；在SCPS 控制信息協(xié)議中（SCMP）中，增加了由于信道質(zhì)量造成鏈路中斷的信令,。

　?。?）傳輸層

　　在傳輸層，除了對應(yīng)的傳輸層協(xié)議SCPS-TP 外,，CCSDS還開發(fā)了用于文件傳輸?shù)膮f(xié)議CFDP,，CFDP 既提供了傳輸層功能，又提供了應(yīng)用層文件管理功能[2],。此外還提出了具有端到端數(shù)據(jù)保護能力的SCPS 安全協(xié)議（SCPS-SP）,，是對Internet IPsec 協(xié)議改進而制定的。

　?。?）應(yīng)用層

　　在應(yīng)用層中,，CCSDS 開發(fā)文了件傳輸協(xié)議SCPS-FP,、無損數(shù)據(jù)壓縮、空間分包協(xié)議等,。

　　2 SCPS-NP 協(xié)議建模

　　為了驗證SCPS-NP 的協(xié)議性能,，這里采用了OPNET 軟件進行建模測試。OPNET 采用了三層建模機制：最上層為網(wǎng)絡(luò)層,，反映了網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)特點,；其次為節(jié)點層，由相應(yīng)的協(xié)議模塊構(gòu)成,，反映了設(shè)備的特性,；最底層為進程層，以狀態(tài)機的形式來描述議,，反映了協(xié)議的具體功能是如何實現(xiàn)的[6],。根據(jù)三層建模機制，仿真中采用了衛(wèi)星-地面站通信的場景,，圖1為衛(wèi)星節(jié)點模型,，地面站節(jié)點模型與其類似，其中有關(guān)SCPS-NP 協(xié)議的部分有：

　?、賡cps_np_encap 模塊,，SCPS-NP 協(xié)議導(dǎo)頭封裝模塊，對數(shù)據(jù)進行封裝解封裝,；

　?、趕cps_np 模塊，SCPS-NP 協(xié)議實現(xiàn)模塊,，具體實現(xiàn)SCPS-NP 所要求的功能,；

　　③router_map 模塊,，路由表更新模塊,，提供靜態(tài)路由表或動態(tài)更新的路由表。

圖1 仿真節(jié)點模型,。

　　2.1 scps_np_encap 模塊進程設(shè)計

　　該模塊主要任務(wù)是對數(shù)據(jù)封裝SCPS-NP 導(dǎo)頭或解封裝去掉導(dǎo)頭,，進程設(shè)計如圖2 所示。

圖2 scps_encap 模塊進程結(jié)構(gòu)

　　首先在INIT 態(tài)進行初始化設(shè)置,，進入WAIT 態(tài),，然后根據(jù)不同的包流，對包進行封裝或解封裝,。SCPS-NP 導(dǎo)頭封裝長度及格式,，由用戶在節(jié)點屬性中進行選擇。提供與空間分包協(xié)議類似的服務(wù)時，導(dǎo)頭長度為4 字節(jié),，提供與IPv4 協(xié)議類似的服務(wù)時,，導(dǎo)頭長度為20 字節(jié)。

　　2.2 scps_np 模塊進程設(shè)計

　　scps_np 模塊主要功能是SCPS-NP 協(xié)議的具體實現(xiàn),。其進程設(shè)計如圖3 所示,。

　　首先在INIT 態(tài)進行初始化設(shè)置，進入WAIT 態(tài),，當數(shù)據(jù)從上層模塊傳來時,，進入deliver 態(tài)，發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò),。當數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)中傳來時,，進入toup 態(tài)，對接收的數(shù)據(jù)進行檢測,，將符合協(xié)議標準且目的地址為該節(jié)點的數(shù)據(jù)送入上層進行下一步處理,，銷毀不滿足條件的包，回到WAIT 態(tài),。若該節(jié)點具有路由功能且包需要轉(zhuǎn)發(fā),，進入router 態(tài),。在router態(tài),，根據(jù)協(xié)議要求，進行路由控制過程,，然后根據(jù)用戶選擇進行不同的路由方法,。主要有靜態(tài)，動態(tài),，洪路由三種方式,。轉(zhuǎn)發(fā)后，回到WAIT 態(tài),。路由信息由模塊router_map 提供,。

圖3 scps_np 模塊進程結(jié)構(gòu)

　　2.3 router_map 模塊進程設(shè)計

　　router_map 模塊的主要任務(wù)是對路由表的維護和更新，其進程設(shè)計如圖4 所示,。

　　首先在INIT 態(tài)進行初始化設(shè)置,，進入WAIT 態(tài)，當用戶選擇靜態(tài)路由時,，在WAIT 保持不動,。路由信息已靜態(tài)設(shè)置。

　　當選擇動態(tài)路由模式時,，建立一個自中斷,，每隔一段時間間隔進行一次路由表更新。當中斷到來時，進入update 態(tài),，根據(jù)此時的位置信息重新計算路由,。

圖4 router_map 模塊進程結(jié)構(gòu)

　　3 仿真結(jié)果分析

　　這里仿真模型實現(xiàn)了SCPS-NP 協(xié)議的基本內(nèi)容，可結(jié)合其他協(xié)議仿真做多種仿真測試,，由于SCPS-NP 協(xié)議的主要特點在與不同導(dǎo)頭長度對于協(xié)議開銷的控制且限于篇幅,，下面僅介紹不同的導(dǎo)頭長度在其他相同條件下，對于吞吐率的影響,。

　　吞吐率的定義為在單位時間內(nèi)某節(jié)點成功接收的有效用戶字節(jié)數(shù)（bit/s）,，即吞吐率=（成功接收的數(shù)據(jù)總字節(jié)數(shù)-開銷字節(jié)數(shù)）/總時間。其性能取決于傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元所用的開銷所占比例以及信道誤碼率等其他因素,。

　　對于類似IPv4 協(xié)議的20 字節(jié)的導(dǎo)頭和類似空間分包協(xié)議的簡單4 字節(jié)導(dǎo)頭兩種導(dǎo)頭模式,，在10-5誤碼率下，上層FTP 流量為1 MB 大小文件,，衛(wèi)星下行鏈路采用AOS 傳輸?shù)那闆r下,，由圖5 可明顯看出簡化導(dǎo)頭可帶來更大的網(wǎng)絡(luò)吞吐率，減少了協(xié)議開銷,。加快了文件傳送,。

圖5 不同導(dǎo)頭長度下吞吐率對比

　　4 結(jié)語

　　隨著中國空天事業(yè)的發(fā)展，航天器間的組網(wǎng),、航天器與地面網(wǎng)的融合是當前需要迫切發(fā)展的方向之一,。在天地一體化網(wǎng)絡(luò)的研究方面，CCSDS 提出了許多寶貴的建議,，加深對這些建議的理解和研究,，對中國的空天網(wǎng)絡(luò)協(xié)議建設(shè)具有很好的參照意義。這里淺略地研究了其中的一個建議SCPS-NP,，實現(xiàn)了其基本功能,。但CCSDS 系列協(xié)議是一個龐大的體系結(jié)構(gòu)，需要各方面的共同力量,，才能深入理解,。