立方星空間協(xié)議

+ 胡行毅 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心

立方星空間協(xié)議

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Cubesat Space Protocol

立方星概念提出多年了，國(guó)外已經(jīng)有商業(yè)公司在做產(chǎn)品供選購(gòu)。2014年3月國(guó)際空間站（ISS）釋放并部署了33顆立方星的星群。立方星的研發(fā)需要有協(xié)議支撐，立方星空間協(xié)議（CSP）是為設(shè)計(jì)立方星和嵌入式系統(tǒng)的小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)層傳遞協(xié)議規(guī)則。文章對(duì)此加以介紹，內(nèi)容包括：協(xié)議描述、支持的OS、物理層驅(qū)動(dòng)、協(xié)議報(bào)頭、CSP初始化等，以資參考。

立方星；微小衛(wèi)星；通信協(xié)議

1.概述

2014年12月18日美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)布的2014年十大科學(xué)突破的新聞中，被喻為一場(chǎng)外太空革命的立方星（CubeSat）入選。按微小衛(wèi)星分類，立方星就是皮星，其概念最早于1999年由美國(guó)加州理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)提出。僅2013年國(guó)外至少有超過(guò)75顆立方星成功被發(fā)射到太空中，它們基本上都是由來(lái)自世界各個(gè)學(xué)院和大學(xué)的學(xué)生所制造，立方星已成為超微小衛(wèi)星的通用標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)最顯著的特征是采用了單元結(jié)構(gòu)的類似PC104工控機(jī)的長(zhǎng)針排插連接。

最近幾年立方星已成為航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，這是因其體積小、重量輕、成本低、功能擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展迅速，應(yīng)用前景廣闊。立方星計(jì)劃起初僅是一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，但是在商業(yè)機(jī)構(gòu)和美國(guó)政府的運(yùn)作下，已經(jīng)建立起立方星的研究平臺(tái)，開(kāi)啟了一個(gè)全新的空間時(shí)代。在商業(yè)上，采用貨架產(chǎn)品，未來(lái)也許能打造出每個(gè)人都可負(fù)擔(dān)得起的私人衛(wèi)星，只需要幾百美元就能擁有一顆屬于自己“控制”的衛(wèi)星，這些只有紙盒大小的衛(wèi)星可以在地球軌道上完成特定的單一任務(wù)。2012年一家位于美國(guó)加州的NanoSatisfi公司啟動(dòng)了一項(xiàng)ArduSat開(kāi)源衛(wèi)星項(xiàng)目，研制出一個(gè)體積非常小，但是“五臟六腑”齊全的納衛(wèi)星，重量只有1公斤左右，ArduSat納衛(wèi)星將實(shí)現(xiàn)很多人的衛(wèi)星夢(mèng)想，這顆衛(wèi)星在2013年8月份隨日本的貨運(yùn)飛船升空，ArduSat-1、ArduSat-X通過(guò)國(guó)際空間站的機(jī)械臂彈射進(jìn)入太空部署。當(dāng)前的ArduSat衛(wèi)星造價(jià)約20萬(wàn)美元，發(fā)射費(fèi)用約10萬(wàn)美元左右，其研制成本和發(fā)射成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于從數(shù)億美元至數(shù)十億美元不等的傳統(tǒng)衛(wèi)星。

NanoSatisfi研制的ArduSat納衛(wèi)星可以配置各種先進(jìn)的儀器，比如光譜儀、蓋革計(jì)數(shù)器以及天線等單元設(shè)備，科學(xué)家試圖研發(fā)出更多的低成本衛(wèi)星，由于價(jià)格低廉，一些企業(yè)家或者個(gè)人都有能力負(fù)擔(dān)，未來(lái)五年內(nèi)或?qū)⑼瞥龆噙_(dá)150顆的納衛(wèi)星，第一個(gè)商業(yè)市場(chǎng)將是教育領(lǐng)域，另外一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)闅庀蟊O(jiān)測(cè)，可以憑借低成本的

特點(diǎn)打造監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，比如監(jiān)視滑雪場(chǎng)的溫度，大氣環(huán)境等。納衛(wèi)星涉及的產(chǎn)業(yè)鏈可能高達(dá)數(shù)十億美元。Cornell大學(xué)的博士生Zac Manchester提出可以利用納衛(wèi)星組成空間環(huán)境監(jiān)測(cè)星座。低成本使得納衛(wèi)星具有更加廣闊的應(yīng)用前景，這就如同蘋(píng)果手機(jī)和電腦改變世界那樣，納衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)更多人擁有衛(wèi)星的夢(mèng)想。

實(shí)現(xiàn)這種想法需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化，立方星空間協(xié)議（CSP）就是為設(shè)計(jì)立方星項(xiàng)目，加速實(shí)施立方星及其分系統(tǒng)研發(fā)的一個(gè)良好的協(xié)議規(guī)則。

CSP概念最初是丹麥奧爾堡大學(xué)（Aalborg Universitet）的學(xué)生于2008年搞出來(lái)的，是為設(shè)計(jì)立方星和嵌入式系統(tǒng)的小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)層傳遞協(xié)議。其后，為開(kāi)發(fā)AAUSAT3立方星任務(wù)而由分拆公司GOMspace ApS做了進(jìn)一步研發(fā)并集成于其產(chǎn)品中。協(xié)議是基于一個(gè)包含網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層與MAC子層信息的32位的報(bào)頭。其實(shí)現(xiàn)不僅是設(shè)計(jì)限于諸如8位AVR微處理器的嵌入式系統(tǒng)，也適用于Atmel公司的32位ARM和AVR微處理器。具體實(shí)施是用開(kāi)源GNU C語(yǔ)言編寫(xiě)的，現(xiàn)在移植運(yùn)行在FreeRTOS和POSIX上以及基于Pthreads的操作系統(tǒng)，例如Linux和BSD上運(yùn)行。當(dāng)然，版本1.1也支持Mac OS X和MS Windows。英語(yǔ)縮寫(xiě)CSP原本是CAN空間協(xié)議的縮寫(xiě)，這是因?yàn)榈谝籑AC層驅(qū)動(dòng)程序是為CAN總線編寫(xiě)的。后來(lái)由于物理層擴(kuò)展到包括若干其它的技術(shù)，例如：空間鏈路、I2C、RS-232接口等。因而，名稱縮寫(xiě)就原封不動(dòng)地?cái)U(kuò)展到更一般化的立方星空間協(xié)議。2013年2月25日AAUSAT3發(fā)射入軌，首次證明了用CSP協(xié)議開(kāi)發(fā)的AAU立方星任務(wù)執(zhí)行得非常成功。

實(shí)際上，今天的協(xié)議和實(shí)施積極地維護(hù)了丹麥Aalbory大學(xué)的學(xué)生和分拆公司GOMSpace ApS之所為。源代碼在GNU 寬通用公共許可證（LGPL）下可獲得，并由開(kāi)源代碼軟件平臺(tái)GitHub托管服務(wù)。

2.立方星空間協(xié)議描述

CSP使得分布式嵌入系統(tǒng)具有面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。CSP的層次對(duì)應(yīng)于TCP/IP模型的相同層次。其實(shí)現(xiàn)由一個(gè)面向傳輸層協(xié)議（層次4）的連接，路由器核心（層次3）連接以及若干網(wǎng)絡(luò)接口（層次1-2）的連接所組成。由于通信總線本身就是其他分系統(tǒng)的接口，所以一個(gè)面向服務(wù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較便于設(shè)計(jì)衛(wèi)星分系統(tǒng)。這就說(shuō)明每個(gè)分系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)僅需要思考定義服務(wù)合約和一組與其系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的端口數(shù)目。而且，分系統(tǒng)之間的依賴性減少了，而增加通信總線上多個(gè)相同的通信節(jié)點(diǎn)還容易提高系統(tǒng)的冗余度。

CSP的主要特性包括：

·路由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用靜態(tài)路由的路由核心，支持包的正向透明傳輸，亦即空間鏈路；

·面向連接的操作和無(wú)連接的操作（可編程模型），即不僅支持類似于UDP的連接操作，也支持基于RUDP的面向連接的操作；

·模塊化的網(wǎng)絡(luò)接口系統(tǒng)。模塊化的操作系統(tǒng)接口：FreeRTOS，Posix；

·類似于Berkeley 套接字（BSD/Posix套接字）的簡(jiǎn)單的API；

·服務(wù)處理程序?qū)崿F(xiàn)了類似于ping和緩沖區(qū)狀態(tài)的Internet控制報(bào)文協(xié)議（ICMP）式的請(qǐng)求；

·支持網(wǎng)絡(luò)回環(huán)接口流量，亦即能用于分系統(tǒng)任務(wù)間的內(nèi)部進(jìn)程通信；

·如果物理接口支持的話則支持廣播流量選項(xiàng)；

·如果物理接口支持的話則支持混雜模式選項(xiàng)；

·實(shí)現(xiàn)了可靠的數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（RDP）。用擴(kuò)展的微型加密算法（XTEA）以計(jì)數(shù)（CTR）模式支持加密包選項(xiàng)；支持具有截?cái)嗟陌踩Ｋ惴?-哈希消息認(rèn)證碼（SHA1-HMAC）的RFC2104身份認(rèn)證包的HMAC選項(xiàng)；

·源代碼包含了支持分段CAN 總線的MAC子層接口。Atmel AT90CAN128,Atmel AT91SAM7A1和全部支持Linux SocketCAN框架的主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序都是現(xiàn)成的，還包括ADI的Blackfin DSP。 CAN接口也易于擴(kuò)展到新的CPU結(jié)構(gòu)。

·在AVR-8，AVR-32，ARM和PC上編譯；

·線程與中斷的安全調(diào)用；

·全0復(fù)制的緩沖/隊(duì)列系統(tǒng)；

·動(dòng)態(tài)和/或全靜態(tài)緩沖處理；

·規(guī)模小（包括注釋才2700多行）

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

CPS網(wǎng)絡(luò)能配置成若干不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖示，分為兩段式，一段為衛(wèi)星段，一段為地面站段：

0-15 地址域分成兩個(gè)等長(zhǎng)段，以便于網(wǎng)絡(luò)路由。地面段的全部地址以“1”開(kāi)始，而空間段則以“0”開(kāi)始。CSP v.1.0的地址空間已經(jīng)增加到32，0-31，但為了繼承性，舊的0-15仍用于大多數(shù)GomSpace的產(chǎn)品中。采取把靜態(tài)路由表編程在不同分系統(tǒng)的源代碼中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，各個(gè)節(jié)點(diǎn)就有包含下一跳路由接口和包計(jì)數(shù)的一個(gè)全地址表。這就表明使用任意給定的網(wǎng)絡(luò)接口安裝程序能做任意給定的配置。再來(lái)觀察網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，它表明?jié)點(diǎn)8不同于其他的地面節(jié)點(diǎn)。各個(gè)衛(wèi)星分系統(tǒng)用NanoCom射頻模塊連接節(jié)點(diǎn)9-15并用本身的RS232 端口連接節(jié)點(diǎn)8來(lái)進(jìn)行配置。

這表明調(diào)試終端用CSP能直接連到任意分系統(tǒng)進(jìn)行通信，使得測(cè)試和開(kāi)發(fā)任何分系統(tǒng)的軟件和協(xié)議都成為可能，而無(wú)需整星參與和運(yùn)行射頻鏈路。

圖中不同顏色線表示：網(wǎng)絡(luò)、RS232、FM射頻和供電

2.2 協(xié)議棧

協(xié)議棧是不同的元素建立起來(lái)的。協(xié)議設(shè)計(jì)者選擇棧核可在LGPL許可項(xiàng)目上開(kāi)源公共得到。所以，對(duì)于使用它在其任務(wù)中的任何人都是免費(fèi)的。經(jīng)GomSpace公

司使用后，增加了若干更先進(jìn)的擴(kuò)展功能，它們僅在該公司能獲得。下圖表示棧是怎樣建立的。

圖中不同顏色表示：GS的用戶、GS擴(kuò)展和開(kāi)源（GPL）

層1：驅(qū)動(dòng)

當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ诰W(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和性能都很重要。GomSpace公司已經(jīng)為其全部產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了驅(qū)動(dòng)程序。如果你的任務(wù)使用其他的處理器或總線收發(fā)器，則必須為CSP工作于此系統(tǒng)寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。好的驅(qū)動(dòng)程序都是采用DMA和中斷驅(qū)動(dòng)的。驅(qū)動(dòng)程序和CSP隊(duì)列系統(tǒng)一起就能給出很好的系統(tǒng)性能，低的延遲與低的CPU占用率。

層2：MAC-子層協(xié)議

層2協(xié)議軟件定義了一個(gè)適合于介質(zhì)的幀格式。接口容易用實(shí)現(xiàn)更多的連接鏈路來(lái)擴(kuò)展。例如：GomSpace公司在空間鏈路上采用具有前向糾錯(cuò)、擾碼和32位附加同步標(biāo)記的CCSDS幀格式。MAC子層協(xié)議的目的是去除所有額外的信息，正確地解幀格式和將數(shù)據(jù)傳遞到路由核心。

層3：路由核心

路由核心是實(shí)現(xiàn)CSP的骨架。不僅是關(guān)系到基本的路由功能，而且也掌控所有驅(qū)動(dòng)程序必須用到的一些緩沖處理實(shí)用代碼。路由器是通過(guò)查看32位CSP的報(bào)頭來(lái)工作的，該報(bào)頭包含通常的傳遞地址以及和連接的端口數(shù)一起的源地址。由于沒(méi)有自動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)的路由協(xié)議，全部路由表被預(yù)先編程在分系統(tǒng)中。這就表明整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須在表放入分系統(tǒng)之前一起定下來(lái)。

靜態(tài)分配主存儲(chǔ)塊或者一次性動(dòng)態(tài)分配主存儲(chǔ)塊可以編譯緩沖處理程序系統(tǒng)。之后，緩存系統(tǒng)就是完全獨(dú)立的。分配的所有元素具有相同的大小，所以必須選擇緩存的大小以便能處理最大可能的包長(zhǎng)。正因所有的元素都有相同的大小，所以搜索算法很快，并在運(yùn)行時(shí)無(wú)需硬鎖定所用的處理器。它甚至能同時(shí)運(yùn)行中斷和任務(wù)內(nèi)容二者。

用目的地址和下一跳接口的一個(gè)完整的1對(duì)1的映像來(lái)實(shí)現(xiàn)路由表。連接表管控某一時(shí)間預(yù)定義的連接句柄數(shù)并且所有的句柄使用后都必須釋放，就像緩沖區(qū)那樣。

路由的主要目的是接受輸入包并將之傳遞到正確的

消息隊(duì)列。因而為了在網(wǎng)絡(luò)上偵聽(tīng)到端口數(shù)，任務(wù)就必須創(chuàng)建一個(gè)套接字并調(diào)用accept()調(diào)用程序。這就使任務(wù)阻塞并等待輸入流量，就像web服務(wù)或其類似情況。當(dāng)打開(kāi)了一個(gè)輸入連接，任務(wù)就喚醒了。取決于任務(wù)的優(yōu)先權(quán)，任務(wù)甚至可以取代另一個(gè)任務(wù)并立即啟動(dòng)執(zhí)行。

層4：傳輸擴(kuò)展

根據(jù)TCP/IP知道，OSI模型第三層僅關(guān)心包的傳遞。在TCP/IP模型中，在TCP協(xié)議確保數(shù)據(jù)包正確排序而無(wú)數(shù)據(jù)丟失之后數(shù)據(jù)才被傳到用戶空間應(yīng)用程序。這在采用像Internet這類通信流量可以采取不同的網(wǎng)絡(luò)路由并可能丟包的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就是很實(shí)用的。然而，對(duì)于微小衛(wèi)星，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線是很可靠的，而且以正確的次序傳遞信息，空間鏈路用三次握手協(xié)議就太緩慢了。因此，數(shù)據(jù)包傳到用戶空間應(yīng)用程序就像他們當(dāng)時(shí)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)時(shí)一樣。這類似于眾所周知的UDP。對(duì)于要保證可靠性、數(shù)據(jù)順序或者完整性，UDP使用了一個(gè)無(wú)握手對(duì)話的簡(jiǎn)單的傳輸模型。因而，UDP提供了不可靠的服務(wù)并且數(shù)據(jù)報(bào)可能不按次序抵達(dá)，出現(xiàn)重復(fù)或丟失。UDP假設(shè)了檢錯(cuò)與糾錯(cuò)沒(méi)有必要或是在應(yīng)用中完成，以避免在網(wǎng)絡(luò)接口層面處理開(kāi)銷過(guò)度。時(shí)間敏感的應(yīng)用程序通常使用UDP，但由于與其掉包不如等待延時(shí)包，這也許不是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的選擇。

為了在使用不可靠的協(xié)議時(shí)控制數(shù)據(jù)的完整性，需要有額外的軟件。GomSpace公司將傳遞層的簡(jiǎn)單的UDP功能擴(kuò)展到稱為可靠的數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（RDP）。RDP是RFC908和RFC1151的直接實(shí)施，在UDP之上附加了自動(dòng)重傳和包序重排。實(shí)施重傳的另一種方法是在應(yīng)用層管控它，或采用如何在文件傳輸協(xié)議工作的應(yīng)用層和傳遞層（RDP）的組合中來(lái)管控它。

3.支持的操作系統(tǒng)

CSP應(yīng)在有最近版本的GNU編譯器套件（GCC）的所有平臺(tái)上編譯。CSP要求C99語(yǔ)言特性的支持，例如：內(nèi)聯(lián)函數(shù)和指定的初始化。

·FreeRTOS-在AVR8、AVR32和ARM7上測(cè)試；

·Linux-在X86、X86-64和Blackfin 處理器上測(cè)試

·Mac OS X；

·MS Windows

4.物理層驅(qū)動(dòng)程序

CSP支持若干物理層的技術(shù)。有LGPL許可的源代碼包含了實(shí)現(xiàn)分段的CAN總線接口以及SocketCAN和Atmel AT90CAN128、AT91SAM7A1與AT91SAM7A3處理器用的驅(qū)動(dòng)程序。從版本1.1開(kāi)始，CSP也包含只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳送包功能的I2C接口和RS-232接口，并將接收到的數(shù)據(jù)包插入到有csp_new_ packet功能的協(xié)議棧內(nèi)。CSP已經(jīng)在下列物理層中進(jìn)行了成功地測(cè)試。

·CAN

·I2C

·使用KISS協(xié)議的RS-232

·CCSDS131.0-B-1-S/131.0-B-2空間鏈路協(xié)議

·TCP/IP

5.協(xié)議報(bào)頭

目前存在兩個(gè)版本的CSP報(bào)頭。版本0.9在2010年11月以前使用，在用一個(gè)新的報(bào)頭支持更多的主機(jī)和端口時(shí)，它就被取代了。保留的位必須置0。要注意的是CSP報(bào)頭不含長(zhǎng)度字段。如果需要，則它必須在物理層接口實(shí)施。

5.1 版本0.9

原始的CSP報(bào)頭支持網(wǎng)絡(luò)上多達(dá)16臺(tái)主機(jī)，每臺(tái)主機(jī)有32個(gè)端口可用。保留地址15為廣播流量。端口范圍分為三段，0-7口用作諸如ping和緩沖區(qū)狀態(tài)的一般服務(wù)，以及用CSP服務(wù)處理程序?qū)嵤?-15口用于分系統(tǒng)的專門服務(wù)。保留16-31口是用于傳出連接的臨時(shí)端

口。位28、29用于HMAC和XTEA加密的標(biāo)記包。

5.2 版本1+

2010年11月，重新定義了報(bào)頭以支持更多的主機(jī)和端口。取消了協(xié)議域，而且RDP包用標(biāo)記域中的一組唯一的位所取代。將優(yōu)先域調(diào)整到2位，并且自由位用于雙倍的主機(jī)和端口范圍。目前，CSP支持多達(dá)32個(gè)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)，每個(gè)主機(jī)有64個(gè)端口。保留地址31為廣播通信流量。

端口范圍仍然分為可調(diào)整的3段。0-7口用于諸如ping和緩沖區(qū)狀態(tài)的一般服務(wù)，并用CSP服務(wù)處理程序?qū)嵤?-47口用于分系統(tǒng)專門服務(wù)。48-63口全部保留，是用于傳出連接的臨時(shí)端口。28-31位用于HMAC、XTEA加密的標(biāo)記包，RDP報(bào)頭和CRC32校驗(yàn)和。

6.CSP初始化

為了在微控制器或PC機(jī)上建立CSP，需要初始化內(nèi)部數(shù)據(jù)池，建立路由表和附帶的一些硬件接口。可參考NanoMind OBC用例。關(guān)于CSP的使用案例可以參考[1]。

7.結(jié)束語(yǔ)

目前，立方星正在教育、商業(yè)、科研和國(guó)防領(lǐng)域蓬勃地發(fā)展，相信也必將廣泛服務(wù)于我國(guó)的空間科學(xué)研究、探測(cè)與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，例如：太陽(yáng)物理研究，電離層、熱層、磁層、極光等空間環(huán)境探測(cè)和空間天氣實(shí)驗(yàn)以及一些專門的有價(jià)值的空間科學(xué)問(wèn)題研究之中。這是因?yàn)槠滟M(fèi)效比高，特別適合發(fā)射機(jī)會(huì)少、投資不多、開(kāi)發(fā)周期較短、成效較快的空間科學(xué)項(xiàng)目。這一方面，丹麥Aalbory大學(xué)和GOMSpace ApS公司研發(fā)立方星的思路和方法值得我們參考和借鑒，而立方星空間協(xié)議的概念正是其中之一。

[1]CubeSat Space Protocol（CSP），GomSpace，GSCSP-1.1，Tuesday, June 28, 2011

胡行毅，男，中科院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員，長(zhǎng)期從事空間電子與信息系統(tǒng)研究。