IP over CCSDS協(xié)議轉換技術研究

李少賓，張亞生，宋春曉

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊050081）

1 引言

我國航天測控通信最初采用不同的獨立載波系統(tǒng)完成遙測、遙控和通信，目前已發(fā)展為單載波的統(tǒng)一S頻段測控通信系統(tǒng)，多數航天任務中天地信息傳輸采用點到點鏈路，使用簡化的HDLC協(xié)議，測控數據和有效載荷數據采用不同的物理信道傳輸，遙測遙控數據多采用PCM格式，部分高速有效載荷的數據傳輸采用了CCSDS（空間數據系統(tǒng)咨詢委員會）建議。

隨著我國載人航天、深空探測等航天任務和活動的增多，傳統(tǒng)的測控通信系統(tǒng)已很難滿足當前及未來的需求。天地間交互式操作增多，有效載荷數量增加，執(zhí)行任務呈現多樣化和長期化趨勢，對天地通信提出了更高的要求。因此，天地一體化信息傳輸系統(tǒng)的研究和建設對我國航天任務中天地通信起著至關重要的作用。

當前空間通信的發(fā)展趨勢是與地面網融合，建立天地一體化的信息傳輸系統(tǒng)，實現空間通信網與地面通信網的綜合利用。但目前空間通信和地面通信為兩個相互獨立的網絡，運行著各自的通信協(xié)議，由于體系結構和通信協(xié)議的不一致給天地一體化信息傳輸帶來了諸多障礙，而未來的空間任務需要端到端天地一致的網絡通信協(xié)議。TCP/IP協(xié)議已成為地面通信網事實上的標準，若空間通信采用此協(xié)議，可使天地間的通信系統(tǒng)從網絡層開始采用基本一致的協(xié)議實現一體化的端到端通信，不但可以有效利用現有的互聯網設施，而且可以利用現有的地面網技術和產品，使空間任務的成本大幅度降低。天地一體化信息傳輸系統(tǒng)需要在地面網與空間通信網中部署IP over CCSDS網關以實現IP協(xié)議與CCSDS協(xié)議間的相互轉換以及地面網和空間通信網間的互聯互通。

本文在借鑒IP over CCSDS Space Links等相關CCSDS建議草案[1]的基礎上，提出一種IP over CCSDS協(xié)議轉換的實現方法，并在Linux操作系統(tǒng)內核的網絡協(xié)議棧中實現了在CCSDS空間數據鏈路之上傳輸IP數據包，并通過試驗對IP over CCSDS網關進行了測試與驗證，給出了工程應用的實現建議。

2 IP over CCSDS網關應用場景和協(xié)議轉換技術分析

圖1為本文所假設的未來天地一體化信息傳輸系統(tǒng)在天地測控通信中的典型應用場景，空間站或其他航天器可直接與地面測控通信網通信，也可通過中繼星與地面測控通信網通信，后者適用于遠距離數據傳輸。如圖2所示，IP over CCSDS網關可部署在空間通信網和地面測控通信網間，其中空間通信網可為空間站的內部網，也可為多航天器組成的空間通信網，空間通信網和地面測控通信網均為TCP/IP網。

天地一體化信息傳輸系統(tǒng)中地面通信網與空間通信網間IP over CCSDS協(xié)議轉換主要有兩種實現思路：一種是基于CCSDS，修改相關的協(xié)議使之適應IP數據包的傳輸[10，11]；一種是將空間特性盡可能地壓縮到CCSDS的物理層和鏈路層，在網絡層和鏈路層間實現IP和CCSDS的協(xié)議轉換，網絡層及其以上各層沿用地面網協(xié)議。前者要求對現有協(xié)議進行修改，限制了其適應性。后者的典型代表是CCSDS提出的IP over CCSDS Space Links紅皮書建議草案[1]，此建議為航天器和地面系統(tǒng)間實現在CCSDS空間數據鏈路之上傳輸IP數據包提供了指南，具有廣泛的適應性，本文的研究遵循該建議草案。

本文所提出的IP over CCSDS網關工作于網絡層和數據鏈路層之間，其數據傳輸和協(xié)議轉換是雙向的，由IP數據包到CCSDS空間鏈路數據幀的轉換過程，CCSDS空間鏈路數據幀到IP數據包的轉換過程以及路由尋址機制三個主要過程組成。網關間通過同步接口連接射頻調制子系統(tǒng)，通過射頻調制子系統(tǒng)進行點到點的天地鏈路傳輸，將IP和ARP數據包直接封裝到CCSDS數據幀中通過網關進行傳輸，地面測控通信網和空間站內部網均為TCP/IP網絡，由IP over CCSDS網關實現IP協(xié)議與CCSDS空間通信協(xié)議間的相互轉換以及空間通信網與地面通信網間的路由尋址，以實現空間通信網和地面測控通信網間的一體化數據傳輸。

圖1 天地一體化信息傳輸系統(tǒng)應用場景

圖2 IP over CCSD網關部署示意圖

為在CCSDS空間鏈路之上傳輸IP包，IP over CCSDS Space Links建議[1]提出了兩種方法：①將無壓縮的IPv4數據包直接放入到CCSDS傳輸幀中進行傳輸（見圖3中的方法1）。②使用CCSDS封裝服務，將壓縮的或無壓縮的IPv4或IPv6數據包放入到CCSDS封裝分組中（見圖3中的方法2）進行傳輸。本文的研究采用前一種方法。

圖3 在CCSDS空間鏈路之上的傳輸IP數據包

天地一體化信息傳輸系統(tǒng)中，需要IP over CCSDS網關實現IP協(xié)議和CCSDS空間數據鏈路協(xié)議的轉換以及空間通信網和地面通信網間的路由尋址。如圖4所示，由于網關間進行點到點的數據傳輸，因此可將IP和ARP數據包直接封裝到CCSDS數據幀中通過網關進行傳輸。地面通信網和空間通信網均為TCP/IP網絡，其中LINK指TCP/IP網的鏈路層協(xié)議，PHY指TCP/IP網的物理層協(xié)議。由于將ARP數據包直接封裝到CCSDS幀中，由ARP協(xié)議實現網間的路由尋址對網關是透明的，因此關鍵在于實現IP協(xié)議和CCSDS空間鏈路協(xié)議的相互轉換。

圖4 天地一體化信息傳輸系統(tǒng)的協(xié)議層次圖

3 IP協(xié)議與CCSDS AOS空間數據鏈路協(xié)議的轉換

CCSDS定義了四類空間數據鏈路協(xié)議：遙測（TM）、遙控（TC）、高級在軌系統(tǒng)（AOS）和臨近空間（Prox-1）數據鏈路協(xié)議。CCSDS各類空間數據鏈路協(xié)議均有自己適用的場合，AOS適用于高速的上行和下行鏈路，可服務于空—空和空—地測控通信系統(tǒng)，同時雙向傳輸數據、語音、圖像、視頻、實驗數據、遙控、遙測等不同信息，滿足高速率、大容量、多用戶的數據處理、數據傳輸要求。AOS逐漸成為大部分空間任務的主要選擇，各航天大國都在逐步采用AOS空間鏈路協(xié)議，國際空間站亦已部分采用了AOS業(yè)務。構建天地一體化高速信息傳輸系統(tǒng)，需要使用AOS空間數據鏈路協(xié)議。因此，本文的研究主要關注于CCSDS AOS空間數據鏈路之上IPv4數據包的傳輸。

3.1 傳輸幀的結構與尋址機制

本文中所采用的AOS傳輸幀結構如圖5所示，傳輸幀的長度為1115個字節(jié)（由同步和信道的編碼方式確定[8][9]）。其中傳輸幀主首部為6字節(jié)，由主通道標識符（10位，包含傳輸幀版本號（TFVN）和航天器標識符（SCID）兩個部分），虛通道標識符（6位，VCID），虛通道幀計數（3字節(jié)）和信令字段組成（1字節(jié)）組成；傳輸幀的數據字段緊跟在主首部之后，包括復用協(xié)議數據單元（M_PDU）首部（2字節(jié)）和復用協(xié)議數據單元分組區(qū)（1105字節(jié)）兩個部分。采用AOS空間數據鏈路的分組服務，不支持插入服務，傳輸幀中無插入區(qū)域字段；不支持幀首部差錯控制字段，使用幀差錯控制字段保護整個傳輸幀。

利用虛通道分組（VCP）服務在CCSDS AOS空間鏈路之上傳輸被封裝到AOS幀中的IP包，虛通道分組服務通過全局虛通道標識符（GVCID=TFVN+SCID+VCID）尋址，而網絡層IP的尋址需要進行地址轉換，TCP/IP網中IP地址和鏈路層地址的轉換通過ARP和RARP協(xié)議進行，需要將ARP數據包封裝到AOS幀中在CCSDS AOS空間鏈路之上進行傳輸，以便于接收端根據ARP進行網絡層的地址轉換和尋址。

圖5 AOS傳輸幀結構

3.2 協(xié)議轉換的實現

在Linux內核的網絡層和數據鏈路層之間，將來自網絡層的ARP和IPv4數據包封裝到CCSDS AOS幀中進行傳輸。ARP數據包的長度通常比IPv4數據包的長度小，ARP請求和應答的數據包數量相對也要少。與IPv4數據包相比，ARP數據包是低速數據；另外，為方便網關中AOS幀的封裝和拆封，在實現上，ARP和IPv4放入不同的虛通道進行傳輸。例如，ARP數據包的傳輸占用一個固定的0號虛通道，直接封裝到AOS幀進行傳輸。IPv4數據包在其他虛通道中進行傳輸。

在發(fā)送端，采用skb（套接字緩沖區(qū)）隊列實現IP包和CCSDS AOS幀間從變長數據包到定長數據幀的轉換，將承載IPv4數據包的skb入隊，并由定時器控制skb的出隊成幀過程，通過拼接和分割將IPv4數據包封裝到CCSDS AOS傳輸幀中。如圖6（a）所示，IP數據包到CCSDS AOS空間鏈路數據幀的轉換過程包括以下步驟：

①初始化定時器和數據幀發(fā)送計數器，數據幀發(fā)送計數器初始值置為0，定時器的初始值設置為合適的閾值，以降低協(xié)議轉換過程對傳輸的延時影響；

②不間斷地將來自網絡層的IP數據包放入到緩沖區(qū)隊列中進行排隊；

③在定時器時間到時，從緩沖區(qū)隊列中取出IP包，按照CCSDS AOS數據幀的數據區(qū)長度對IP包進行分割和拼接以形成定長的數據塊；

④將定長數據塊作為CCSDS AOS數據幀的有效載荷放入到數據區(qū)，將幀發(fā)送計數器的值作為虛通道幀計數字段的值；幀發(fā)送計數器的值按遞增順序依次累加，達到計數器最大值時從0重新開始計數；

⑤為CCSDS AOS數據幀的其他字段賦值，計算CRC校驗和作為數據幀差錯控制字段的值，組裝成完整的CCSDS AOS幀，并將CCSDS數據幀傳遞給網關的同步接口進行發(fā)送；

⑥重復②，③，④，⑤直到緩沖區(qū)隊列為空，并重置定時器。

若在⑥中處理到緩沖區(qū)隊列為空時，仍然有剩余IP包數據，可將剩余數據放入到CCSDS AOS幀的數據區(qū)，并對不夠長度的數據區(qū)進行填充。

在接收端，從網關的同步接口接收CCSDS AOS數據幀，并由同步口驅動程序將CCSDS AOS數據幀承載到內核的skb結構中，并將接收到的CCSDS AOS數據幀放入到緩沖區(qū)中排隊，不斷掃描緩沖區(qū)拆封出IP包。如圖 6（b）所示，CCSDS AOS空間鏈路數據幀到IP數據包的轉換過程包括以下步驟：

圖6 IP包到CCSDS AOS幀的相互轉換過程

①初始化本地數據幀接收計數器，將其初始值置為0；

②不間斷從同步接口接收CCSDS AOS數據幀；

③計算數據幀校驗和，并與幀差錯控制字段比較，若校驗不一致，則說明CCSDS AOS數據幀出錯，則丟棄；否則，進行下一步驟。

④本地幀接收計數器的值按遞增順序依次累加，達到最大值時從0重新開始計數；從CCSDS AOS數據幀中提取虛通道幀計數字段值作為數據幀編號與本地的幀接收計數器值進行比較：若幀號小于本地幀計數，說明接收到了重復幀，丟棄；若幀號大于本地幀計數，說明傳輸過程中幀丟失，則修復本地接收幀計數器的值，將其置為當前所接收幀的編號值；

⑤拆封CCSDS AOS幀，將數據區(qū)的有效載荷放入到接收緩存區(qū)隊列；

⑥掃描接收緩存區(qū)，從中不斷解析出IP包，并向網絡層遞交IP包；

⑦不斷重復過程②，③，④，⑤，⑥。

將來自IP網的ARP數據包直接封裝到CCSDS空間鏈路數據幀中并通過同步接口傳遞到對端網關；在對端網關，直接拆封出ARP數據包；過程類似于IP數據包和CCSDS空間鏈路數據幀的相互轉換過程，但無需對ARP數據包執(zhí)行拼接和分割過程，而是直接進行封裝和拆封，因此CCSDS數據幀的數據區(qū)需要填充。CCSDS空間鏈路數據幀在網關間是點到點傳輸的，ARP協(xié)議所實現的地址翻譯和路由尋址對網關是透明的。

4 試驗與分析

本文的IP over CCSDS網關在PowerPC MPC8548嵌入式硬件平臺上實現，網關對外提供千兆以太網接口，網關間用高速同步接口互連。使用斯伯倫Test Center網絡測試儀進行RFC2544吞吐率測試，1500字節(jié)的單向IP傳輸吞吐率可達600Mbps，46字節(jié)的單向IP傳輸吞吐率可達200Mbps。

4.1 丟幀影響分析

試驗表明，對于網關間短時失步和少量丟幀，可通過虛通道幀計數器重新同步。通常情況下，空間數據鏈路的丟幀或誤碼對協(xié)議轉換和網關間的同步帶來的影響可以忽略不計，但嚴重情況下會對網絡層及其上層數據的傳輸帶來沖擊，例如當連續(xù)丟幀時，僅僅依靠虛通道幀計數器很難重新快速同步，會導致IP丟包效應擴大化。分析如下：假設到來的IP包長度較短，則在一個CCSDS幀中會被封裝多個連續(xù)的IP包，若當前第i個CCSDS幀丟失，如圖7所示：

圖7 AOS傳輸幀示意圖

則在接收端，無法恢復出第k個IP包，同時第k+1個IP包被丟棄，則第k+2個IP包也無法恢復出來，間接影響到第i-1和i+1個AOS幀的正確拆封，不能正確拆封的數據幀必須主動丟棄，因此多個IP包的接收會受到影響。

網關間高速可靠的數據傳輸依賴于低層的編碼同步和糾錯機制，鏈路信道質量惡化時，會導致大量丟幀繼而出現IP丟包效應擴大化的現象。另外，當IP包突發(fā)數據量超出網關同步接口的設計能力時，網絡發(fā)生擁塞，網關不能及時進行協(xié)議轉換和數據轉發(fā)而導致連續(xù)丟幀時，容易出現IP丟包效應擴大的現象。為此，建議在網關同步接口設計速率固定的情況下，對協(xié)議轉換過程中從以太網接口轉給同步接口的的數據流量作出限制，防止出現擁塞；盡可能提高信道的質量，CCSDS建議由物理信道誤碼造成的幀差錯概率低于1×10-7，在此物理信道傳輸，誤碼丟幀的概率非常低，誤碼丟幀通常是可以快速恢復的，帶來的影響也是可以忽略不計的。

4.2 影響吞吐率的因素

在CCSDS空間數據鏈路之上傳輸IP數據包的方法要求網關對IP包進行分割和拼接以組成CCSDS數據幀，并在接收到CCSDS數據幀之后進行拆封，從而實現變長的IP數據包和定長的CCSDS數據幀之間的轉換，此過程實際上會將多個連續(xù)的IP包關聯起來，使它們之間形成了依賴關系。在發(fā)送端，對于長度較短的IP數據包，需要等待以拼接成一個CCSDS幀；對于長度較長的IP包，需要進行分割，一個IP包分散到多個CCSDS幀中。在接收端，可能需要等待多個傳輸幀才能拆封出一個完整的IP包。發(fā)送端和接收端對IP包的分割和拼接處理過程不可避免會對端到端的傳輸性能帶來影響，這是由IP over CCSDS協(xié)議轉換本身所決定的。

假設 IP包到達的頻率為 f，IP包長度為 x，CCSDS幀長為y（忽略幀開銷，假定幀長為數據區(qū)的長度），假定排隊待轉換成CCSDS幀的IP包在一次調度中能完成，則轉換的CCSDS幀數目z=［fx/y］，在隊列調度時延閾值時間范圍內一次調度協(xié)議轉換能夠處理完隊列中所有的IP包。理論上，若幀長固定，到來的IP包頻率越高，包長越長，則轉換的CCSDS幀越多，相應的轉換速率就越大；若幀長固定，到來的IP包頻率越低，包長越短，轉換的CCSDS幀就越少，相應地需要排隊等待的IP包就越多，幀中填充開銷就越大。在時延閾值T范圍內，若幀長越短，則轉換的CCSDS幀數目就越多，相應的轉換速率就越大。

上述分析忽略了網關的同步接口速率和硬件平臺的協(xié)議處理能力。當轉換的CCSDS幀數越多時，組幀和拆幀的處理開銷就越大，所帶來的時延就越大，容易超出一次調度的時延閾值。分析和測試表明，當選擇的CCSDS幀長與到來的IP包長接近時較為合理，當x接近y時，最好是一個CCSDS幀剛好存放下一個IP包，幀填充開銷較小，協(xié)議轉換對IP包進行分割拼接以及CCSDS組幀和拆幀的處理開銷相應地就較小，協(xié)議轉換的速率就越接近以太網口IP包的發(fā)送速率。

實際的通信網中IP包到達的頻率和包長是隨機的，不同業(yè)務應用產生的IP包的頻率和包長沒有固定的模式，因此CCSDS幀長的選擇沒有一致的準則。但在一次航天測控通信任務中，業(yè)務的種類和信息速率產生的模式通常是可預測的，CCSDS幀長度可選擇接近IP包的長度。另外，在網關中可區(qū)分不同業(yè)務的IP流，每類IP流對應一個協(xié)議轉換的處理過程，通過協(xié)議轉換過程的并發(fā)操作來提高協(xié)議轉換的吞吐率。例如，對于實時性要求高的IP流，可設置較小的時延閾值，以減少協(xié)議轉換處理所帶來的時延；而對于時延不敏感的非實時性IP流協(xié)議，可設置相對較大的時延閾值，以等待多個IP包組裝成CCSDS幀，以降低CCSDS組幀的填充開銷。

5 結論

本文主要針對天地一體化信息傳輸系統(tǒng)中IP over CCSDS網關中的協(xié)議轉換技術開展研究，參考了IP over CCSDS Space Links等相關建議，在Linux內核的網絡協(xié)議棧中實現了IP協(xié)議與CCSDS AOS空間數據鏈路協(xié)議的相互轉換，并通過試驗對在AOS空間數據鏈路之上進行IP傳輸進行測試與驗證，表明了利用IP over CCSDS網關構建天地一體化信息傳輸系統(tǒng)的可行性，工程應用中可以IP over CCSDS Space Links建議作為IP協(xié)議和CCSDS空間鏈路協(xié)議轉換的實現依據。

諸多因素會影響IP over CCSDS協(xié)議轉換的吞吐率，工程應用的設計和實現可從以下幾個方面做出選擇以提高協(xié)議轉換的效率：①設計盡可能高的同步接口速率，至少確保同步口接口的信息速率不低于網關的以太網接口速率，否則對來自以太網的接口速率作出限制以避免擁塞造成的影響；②采用處理能力盡可能強的硬件平臺，降低協(xié)議轉換和組幀、拆幀所帶來的時延影響；③根據航天測控通信任務執(zhí)行過程中業(yè)務的特點，選擇合理的CCSDS幀長度以提高協(xié)議轉換的幀效率，減少幀開銷；④區(qū)分不同種類業(yè)務的IP流，將同一類業(yè)務的IP包分配到同一虛通道上，不同的虛通道上協(xié)議轉換并行處理，以降低IP包和CCSDS幀協(xié)議轉換過程中分割和拼接的時間開銷，減少不同類IP包間的關聯性，提高協(xié)議轉換的吞吐率；⑤CCSDS空間鏈路的底層采用編碼和糾錯機制以提供信道傳輸的質量，減少誤碼帶來的影響?！?/p>

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［8］ TM Synchronization and Channel Coding.Recommendation for Space Data System Standards，CCSDS 131.0-B-1.Blue Book.Issue 1.Washington，D.C.:CCSDS，2003，9.

［9］TM Synchronization and Channel Coding—Summary of Concept and Rationale.ReportConcerningSpace Data System Standards，CCSDS 130.1-G-1.Green Book.Issue 1.Washington，D.C.:CCSDS，2006，6.

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