摘 要：要分析了空間數據系統(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 根據空間數據通信特點提出的一系列建議中的網絡層建議（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技術的不斷發(fā)展成熟。將天地通信融入到地面因特網中，建立天地統(tǒng)一的數據網絡成為新的研究熱點。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)研究機構共同組成的空間數據系統(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)議體系結構

　　CCSDS 系列協(xié)議可仿照TCP/IP 的分層結構分類到物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層中。每一層包含多個協(xié)議。具體介紹如下：

　　（1）物理層

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

　?。?）數據鏈路層

　　數據鏈路層包括了數據鏈路層協(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)航天器數據系統(tǒng)，業(yè)務簡單；高級在軌數據系統(tǒng)協(xié)議（AOS），適用于大型航天器，業(yè)務種類多；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 碼及數據鏈路的各種數據結構等[2]。

　　（3）網絡層

　　在網絡層、傳輸層和應用層，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)點是在適應空間通信需求的基礎上盡量與因特網協(xié)議實現兼容和互操作。以因特網協(xié)議為基礎，進行針對空間環(huán)境的改進。SCPS-NP 是其中的網絡層協(xié)議。與IP 協(xié)議相比，主要改進體現在以下幾點：提出了不同長度的導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，增加了由于信道質量造成鏈路中斷的信令。

　?。?）傳輸層

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

　?。?）應用層

　　在應用層中，CCSDS 開發(fā)文了件傳輸協(xié)議SCPS-FP、無損數據壓縮、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：最上層為網絡層，反映了網絡的拓撲結構特點；其次為節(jié)點層，由相應的協(xié)議模塊構成，反映了設備的特性；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的[6]。根據三層建模機制，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SCPS-NP 協(xié)議的部分有：

　?、賡cps_np_encap 模塊，SCPS-NP 協(xié)議導頭封裝模塊，對數據進行封裝解封裝；

　?、趕cps_np 模塊，SCPS-NP 協(xié)議實現模塊，具體實現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 模塊進程設計

　　該模塊主要任務是對數據封裝SCPS-NP 導頭或解封裝去掉導頭，進程設計如圖2 所示。

圖2 scps_encap 模塊進程結構

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

　　2.2 scps_np 模塊進程設計

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

　　首先在INIT 態(tài)進行初始化設置，進入WAIT 態(tài)，當數據從上層模塊傳來時，進入deliver 態(tài)，發(fā)送數據到網絡。當數據從網絡中傳來時，進入toup 態(tài)，對接收的數據進行檢測，將符合協(xié)議標準且目的地址為該節(jié)點的數據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發(fā)，進入router 態(tài)。在router態(tài)，根據協(xié)議要求，進行路由控制過程，然后根據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 模塊進程結構

　　2.3 router_map 模塊進程設計

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

　　首先在INIT 態(tài)進行初始化設置，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)，根據此時的位置信息重新計算路由。

圖4 router_map 模塊進程結構

　　3 仿真結果分析

　　這里仿真模型實現了SCPS-NP 協(xié)議的基本內容，可結合其他協(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某節(jié)點成功接收的有效用戶字節(jié)數（bit/s），即吞吐率=（成功接收的數據總字節(jié)數-開銷字節(jié)數）/總時間。其性能取決于傳輸業(yè)務數據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)的導頭和類似空間分包協(xié)議的簡單4 字節(jié)導頭兩種導頭模式，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 傳輸的情況下，由圖5 可明顯看出簡化導頭可帶來更大的網絡吞吐率，減少了協(xié)議開銷。加快了文件傳送。

圖5 不同導頭長度下吞吐率對比

　　4 結語

　　隨著中國空天事業(yè)的發(fā)展，航天器間的組網、航天器與地面網的融合是當前需要迫切發(fā)展的方向之一。在天地一體化網絡的研究方面，CCSDS 提出了許多寶貴的建議，加深對這些建議的理解和研究，對中國的空天網絡協(xié)議建設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，實現了其基本功能。但CCSDS 系列協(xié)議是一個龐大的體系結構，需要各方面的共同力量，才能深入理解。