CFDP協(xié)議在空間數(shù)據(jù)傳輸鏈路設(shè)計應(yīng)用

董振興，朱 巖，許志宏，董文濤，劉瑞鵬

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100190）

CFDP協(xié)議在空間數(shù)據(jù)傳輸鏈路設(shè)計應(yīng)用

董振興1，2，朱 巖1，2，許志宏1，2，董文濤1，劉瑞鵬1

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100190）

當(dāng)前我國星上數(shù)據(jù)組織管理采用位流的形式，數(shù)據(jù)的下行傳輸沒有實現(xiàn)保證數(shù)據(jù)可靠性的機制，所有數(shù)據(jù)按比特流順序傳輸完成即結(jié)束，無法保證文件的有效性與完整性?？臻g數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會提出了可靠數(shù)據(jù)文件傳輸標(biāo)準(zhǔn)CFDP協(xié)議，其數(shù)據(jù)丟失與錯誤檢測重傳機制可以有效解決該問題。本文結(jié)合航天工程經(jīng)驗搭建空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，采用軟硬件協(xié)同機制在空間數(shù)據(jù)傳輸鏈路中設(shè)計實現(xiàn)了CFDP協(xié)議延時NAK模式文件傳輸。測試結(jié)果表明文件數(shù)據(jù)傳輸完整準(zhǔn)確，方案設(shè)計可靠有效。

空間數(shù)據(jù)；CFDP；文件傳輸；延時NAK；重傳機制

對于空間數(shù)據(jù)的組織管理，當(dāng)衛(wèi)星飛至國境線以外或者在地面接收站的接收范圍以外時，探測任務(wù)產(chǎn)生的大量高速實時數(shù)據(jù)存入存儲設(shè)備，衛(wèi)星入境后，建立星地下行鏈路將星上存儲數(shù)據(jù)傳輸至地面供研究分析。當(dāng)前我國星上數(shù)據(jù)的存儲、傳輸均采用位流的形式，對數(shù)據(jù)組織管理而言訪問模式單一，僅能通過指定存儲地址或時間進行訪問，效率低下[1]，而且，數(shù)據(jù)的下行傳輸沒有實現(xiàn)保證數(shù)據(jù)可靠性的機制，所有數(shù)據(jù)按比特流順序傳輸完成即結(jié)束，無法保證數(shù)據(jù)的有效性與完整性。

空間數(shù)據(jù)的有效性與完整性直接影響地面站數(shù)據(jù)的分析與研究，甚至決定科學(xué)探測任務(wù)的成敗。針對空間數(shù)據(jù)的有效傳輸，為滿足在不同空間鏈路實現(xiàn)特定任務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需要，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）提出了文件傳輸協(xié)議（CFDP--CCSDS File Delivery Protocol）[2]。 CFDP 協(xié)議支持?jǐn)?shù)據(jù)丟失重傳，針對不同數(shù)據(jù)對完整性的要求不同，按要求完成數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議的丟失與錯誤檢測重傳機制[3-5]可以保證文件數(shù)據(jù)的完整性和正確性。

由于我國航天發(fā)展起步較晚，空間數(shù)據(jù)文件化管理技術(shù)不成熟，限制了CFDP文件傳輸協(xié)議的應(yīng)用與發(fā)展，國內(nèi)目前僅是對CFDP協(xié)議進行傳輸機理對比分析[6-7]和傳輸時延建模仿真[8-11]，沒有緊密結(jié)合航天型號任務(wù)進行設(shè)計實現(xiàn)。文中結(jié)合航天任務(wù)工程經(jīng)驗，搭建支持文件化管理的星上數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，針對CFDP文件傳輸協(xié)議在空間數(shù)傳輸鏈路中的工程化應(yīng)用進行初步研究設(shè)計，以實現(xiàn)空間科學(xué)數(shù)據(jù)有效完整傳輸，為將來應(yīng)用于我國科學(xué)衛(wèi)星及火星探測等任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

1 CFDP文件傳輸協(xié)議

CCSDS推薦的CFDP文件傳輸協(xié)議是一種針對大誤碼率、大延時鏈路可靠數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議是面向傳輸?shù)膽?yīng)用層通信協(xié)議，同時又集成了OSI傳輸層的功能，其獨立于存儲技術(shù)，通過系統(tǒng)提供的文件服務(wù)接口實現(xiàn)不同存儲系統(tǒng)之間的文件傳輸，適用于近地到深空等多種航天任務(wù)[12-13]。

CFDP協(xié)議支持不可靠傳輸和可靠傳輸兩種文件傳輸模式，區(qū)別在于是否啟用了確認(rèn)機制。在不可靠傳輸模式下，如果在傳輸過程中出現(xiàn)了文件數(shù)據(jù)PDU（Protocol Data Unit）錯誤或丟失，將不會報告給發(fā)送實體，因此，在不可靠傳輸模式下出現(xiàn)的錯誤將無法修復(fù)，只有通過全部重傳文件數(shù)據(jù)來解決。而在可靠傳輸模式下啟用了確認(rèn)機制，接收實體通過NAK（Negative Acknowledgment）PDU 向發(fā)送實體發(fā)送重傳請求，請求發(fā)送實體重傳傳輸出錯和丟失的文件數(shù)據(jù)PDU，保證了文件數(shù)據(jù)的可靠性。發(fā)送實體與接收實體間信息交互機制[2]如圖1所示。

圖1 實體間信息交互機制

在不可靠傳輸模式下，發(fā)送實體首先發(fā)送Metadata PDU，接著依次傳輸文件數(shù)據(jù)，最后發(fā)送EOF PDU標(biāo)識文件傳輸事務(wù)的結(jié)束。在可靠傳輸模式下，通過引入 ARQ（Automatic Repeat Request）機制來保證發(fā)送文件數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，接收實體收到EOF PDU后向發(fā)送實體反饋ACK（EOF）PDU，并通過NAKs來請求重傳傳輸出錯和丟失的PDU；當(dāng)接收實體完整正確的收到所有文件數(shù)據(jù)PDU后，向發(fā)送實體發(fā)送Finished PDU，并向本地用戶發(fā)送事務(wù)結(jié)束通知；發(fā)送實體收到Finished PDU后向接收實體反饋ACK（Finished）PDU，并向本地用戶發(fā)送事務(wù)結(jié)束通知；至此文件傳輸事務(wù)結(jié)束。

可靠性傳輸通過數(shù)據(jù)重傳及握手確認(rèn)機制保證了文件傳輸?shù)恼_與完整，根據(jù)NAK信號發(fā)送時間的不同又分為4種模式：延時NAK，立即NAK，提示NAK及異步NAK[14]。綜合考慮文件傳輸速率與信道利用效率，延時NAK模式相對其他3種模式更適用于星上數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，即在文件傳輸過程中，接收實體若發(fā)現(xiàn)PDU數(shù)據(jù)錯誤或丟失，并不立即發(fā)送NAK請求重傳，而是等收到EOF PDU后再發(fā)送請求，減少了傳輸握手帶來的傳輸時延和帶寬資源的浪費。

2 空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計

空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是星上重要的載荷數(shù)據(jù)管理平臺，主要完成有效載荷數(shù)據(jù)的收集、存儲及星星/星地傳輸?shù)热蝿?wù)。

針對CFDP協(xié)議機制，結(jié)合已有衛(wèi)星型號任務(wù)設(shè)計經(jīng)驗，搭建空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，如圖2所示。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要包括合路復(fù)接存儲板、計算機板、LDPC編碼板、星務(wù)通信板以及電源板，各單元通過底板互連，完成星上有效載荷科學(xué)數(shù)據(jù)和工程參數(shù)的接收與存儲，下行傳輸時對存儲的延時數(shù)據(jù)組傳輸層幀、信道編碼、信號調(diào)制等功能，并完成與星務(wù)計算機指令下行、工程參數(shù)上行等信息交換。

圖2 空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及外圍單元組成框圖

圖3 空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)信息流圖

空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)信息流圖如圖3所示。合路復(fù)接與存儲單元并行接收緩存星上有效載荷產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)、星務(wù)計算機的整星遙測數(shù)據(jù)以及數(shù)管系統(tǒng)工程參數(shù)，按規(guī)定格式分別打包生成數(shù)據(jù)源包；存儲控制單元對數(shù)據(jù)源包進行糾錯編碼及高速并行緩存，由存儲管理邏輯將數(shù)據(jù)文件化存入固態(tài)存儲器；衛(wèi)星入境后，存儲單元根據(jù)計算機單元回放指令尋址固態(tài)存儲器將延時源包數(shù)據(jù)取出，經(jīng)糾錯譯碼后送至復(fù)接單元組傳輸層幀，然后經(jīng)信道編碼單元、調(diào)制單元及發(fā)射機實現(xiàn)星上數(shù)據(jù)下行。

計算機單元通過CAN總線接收來自星務(wù)計算機的控制指令和系統(tǒng)時間，組織發(fā)送數(shù)管系統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)；通過背板總線與數(shù)管系統(tǒng)各業(yè)務(wù)單元通信，解析CAN注入指令，二次組織后對業(yè)務(wù)單元進行工作模式等設(shè)置，并輪詢業(yè)務(wù)單元中斷申請，響應(yīng)中斷服務(wù)進程。

3 CFDP協(xié)議設(shè)計實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議應(yīng)用設(shè)計

根據(jù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)工作機制與特點，同時便于對CFDP文件傳輸協(xié)議的實現(xiàn)有效性進行仿真驗證，將數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分為三層：數(shù)據(jù)源包層、CFDP協(xié)議層及AOS傳輸層，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議結(jié)構(gòu)

合路單元對外部輸入的科學(xué)數(shù)據(jù)與工程參數(shù)按數(shù)據(jù)源包格式進行打包，不同應(yīng)用過程標(biāo)識符對應(yīng)不同數(shù)據(jù)文件；下行回放時，復(fù)接單元按CFDP協(xié)議依次組Metadata PDU幀、File Data PDU幀及EOF PDU幀，Metadata PDU幀首先告知接收端本次文件傳輸?shù)幕拘畔ⅲ現(xiàn)ile Data PDU幀傳輸固態(tài)存儲單元回放的源包數(shù)據(jù)，最后組EOF PDU幀通知接收端本次文件傳輸結(jié)束，同時附帶本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮『托ｒ灪偷刃畔?；最后?種CFDP協(xié)議幀通過CCSDS AOS傳輸幀進行傳輸，經(jīng)LDPC信道編碼送至下行鏈路。

根據(jù)有效載荷數(shù)據(jù)格式、存儲單元并行擴展簇概念[15]及LDPC編碼[1]要求等特點，設(shè)計各層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)域長度如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)協(xié)議單元數(shù)據(jù)域分配

3.2 CFDP協(xié)議軟硬件實現(xiàn)

CFDP文件傳輸協(xié)議主要由計算機單元與存儲復(fù)接單元協(xié)同實現(xiàn)。

衛(wèi)星入境后，地面上注文件回放指令至星務(wù)計算機，星務(wù)計算機解析指令后通過CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)給計算機單元，計算機單元根據(jù)指令信息向復(fù)接單元相關(guān)寄存器配置CFDP組幀參數(shù)，如傳輸模式、CRC標(biāo)志等；收到入境指令后，復(fù)接FPGA讀取寄存器中相關(guān)參數(shù)啟動組Metadata PDU幀狀態(tài)機；收到開始數(shù)傳指令后，計算機單元向存儲單元發(fā)送回放指令及地址，存儲控制單元尋址回放數(shù)據(jù)并寫入FIFO緩存，復(fù)接單元根據(jù)FIFO狀態(tài)按照File Data PDU格式組幀。當(dāng)計算機單元將當(dāng)前文件所有存儲簇地址發(fā)送完成后，將不再向存儲單元發(fā)送回放命令字，轉(zhuǎn)而向復(fù)接單元發(fā)送組EOF PDU命令字，同時將CFDP幀簇計數(shù)等參數(shù)寫入到相關(guān)寄存器中，復(fù)接單元查詢到組EOF PDU指令后，在組完最后一幀F(xiàn)ile Data PDU幀后，組EOF PDU幀標(biāo)識文件數(shù)據(jù)回放結(jié)束。

地面接收方收到EOF PDU幀后，根據(jù)解幀報告整理ACK（EOF）PDU信息反饋給星務(wù)計算機，若需要數(shù)據(jù)重傳，星務(wù)計算機轉(zhuǎn)發(fā)NAKs給計算機單元，啟動文件數(shù)據(jù)重傳模式；當(dāng)所有數(shù)據(jù)完整正確傳輸完畢后，通過FinishedPDU握手結(jié)束本次文件傳輸事務(wù)。

數(shù)據(jù)下行傳輸流程及相關(guān)配置如圖5所示。

圖5 CFDP協(xié)議協(xié)同實現(xiàn)流程

復(fù)接單元的一級緩存大小由File data PDU數(shù)據(jù)幀長度決定，為便于實現(xiàn)延時可靠性傳輸?shù)臄?shù)據(jù)重傳操作，結(jié)合存儲單元按簇回放操作機制，設(shè)置一級緩存大小為32768B，乒乓緩存，數(shù)據(jù)滿16128B通知復(fù)接單元進行數(shù)據(jù)讀取組File data PDU操作。二級緩存大小由CCSDS AOS傳輸幀中數(shù)據(jù)域長度決定，設(shè)置二級緩存大小為2048B，乒乓緩存，數(shù)據(jù)滿884B通知AOS組幀模塊進行數(shù)據(jù)讀取組幀操作。當(dāng)源包數(shù)據(jù)啟動組CFDP協(xié)議幀后，邊組CFDP幀邊寫入二級緩存乒乓緩存，并行操作有效節(jié)省了FPGA緩存資源，降低了時間開銷，且乒乓緩存機制保證宏觀上有效數(shù)據(jù)不間斷寫入讀出，提高了工作效率。

AOS傳輸幀復(fù)接下行過程中，須保證數(shù)據(jù)連續(xù)，即下行傳輸信道中必須一直有數(shù)據(jù)。在實際過程中，有效數(shù)據(jù)下行不能保證完全連續(xù)，因此需在AOS有效數(shù)據(jù)傳輸幀組織間隙增加填充幀，在沒有有效數(shù)據(jù)幀下行時，自動發(fā)送填充幀保證信道數(shù)據(jù)連續(xù)。

4 仿真驗證

按照設(shè)計搭建空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，啟動文件回放進行CFDP協(xié)議實現(xiàn)有效性驗證。下行文件數(shù)據(jù)被地面LVDS數(shù)據(jù)接收軟件接收，經(jīng)譯碼解幀[16]后得到CCSDS AOS傳輸幀如圖6所示。可以看出，AOS傳輸幀包含了3層數(shù)據(jù)協(xié)議結(jié)構(gòu)：‘1ACF FC1D 4A41 0000 0280 3FFF’為CCSDS AOS傳輸幀幀頭，‘EB90 1440 0600 0144 0F00 0000 01’為 CFDP 幀F(xiàn)ile Data PDU 幀幀頭，‘E225 00A2 C001 03E7’為高速數(shù)據(jù)源包格式幀頭，3層幀頭后為32位累加1的信源原始數(shù)據(jù)。接收到的幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與預(yù)期完全符合，表明CFDP協(xié)議在空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中有效實現(xiàn)。

對于延時可靠性傳輸?shù)挠行则炞C，在反饋ACK（EOF）PDU時，假定某File Data PDU幀丟失，手動上注指令告知星務(wù)計算機丟失幀計數(shù)要求重傳。計算機單元收到重傳請求后，將幀計數(shù)映射換算為FLASH存儲陣列中該幀數(shù)據(jù)地址，生成回放指令地址信息給存儲復(fù)接單元啟動重傳回放，地面接收到 1幀 MPDU、1幀 File Data PDU 及 1幀 EOF PDU，且File Data PDU數(shù)據(jù)與丟失幀數(shù)據(jù)吻合，驗證了延時可靠性傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與有效性。

圖6 AOS傳輸幀層回放數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

空間數(shù)據(jù)的文件化管理是星上數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，基于文件的CFDP協(xié)議因其重傳機制優(yōu)勢也將被應(yīng)用于航天型號任務(wù)中。本文結(jié)合實際工程經(jīng)驗搭建了空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過軟硬件協(xié)同配合對CFDP協(xié)議延時NAKs模式的初步實現(xiàn)進行了設(shè)計驗證，測試結(jié)果表明方案可靠有效，填補了CFDP協(xié)議工程應(yīng)用設(shè)計的空白，為后續(xù)星地、星星間數(shù)據(jù)傳輸及信息交互機制設(shè)計完善奠定了良好基礎(chǔ)。

[1]宋琪，鄒業(yè)楠，李姍，等．衛(wèi)星固態(tài)存儲器數(shù)據(jù)容錯設(shè)計與機制[J]．國防科技大學(xué)學(xué)報，2016，38（1）：101-106．

[2]CCSDS File Delivery Protocol（CFDP） Recommendation for Space Data Systems Standards CCSDS 727.0-B-4.Blue Book.Issue 4[S].Washington，D.C.CCSDS，January，2007．

[3]Pavale S.，Unnikrishnan E.，Laksminarasimhan P..Design，Implementation and Performance Evaluation of CCSDS CFDP Protocol[C]//IEEE International Conference on Computational Intelligence and Computing Research （ICCIC），2010:1-4．

[4]顧明，張濤，李林．星間網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸重傳機制分析[J]．空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2013，39（6）：49-52．

[5]韓豐，晏堅，陸建華．一種基于快速否定應(yīng)答的空間網(wǎng)絡(luò)文件傳輸協(xié)議[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（19）：26-31．

[6]吳海濤．CFDP中延遲NAK雙重傳方案的驗證與分析[J]．航天控制，2012，30（6）：65-69．

[7]鄭秋平．深空通信數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計 [D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012．

[8]李暉，羅浩，郁發(fā)新，等．一種適合深空通信的容失文件傳遞協(xié)議仿真 [J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012，24（10）：2188-2192．

[9]拱長青，李瑩．改進的CFDP協(xié)議延時估算算法[J]．計算機工程，2011，37（17）：72-74．

[10]梁迎春．CFDP協(xié)議中延遲NAK文件傳輸時間分析與仿真[J]．航天控制，2012，30（2）：80-83．

[11]馬西飛．CCSDSAOS空間協(xié)議信道復(fù)用機制的OPNET仿真_馬西飛[D]．上海：上海交通大學(xué)，2013．

[12]蔣嘯天．深空網(wǎng)絡(luò)文件傳輸協(xié)議研究_蔣嘯天[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2010．

[13]鄒業(yè)楠．基于CFDP標(biāo)準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)鏈路傳輸協(xié)議的研究與實現(xiàn)[D]．北京：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，2016．

[14]W.Baek，D.C.Lee.Expected File-delivery Time of Immediate NAK ARQ in CCSDS File Delivery Protocol[C]//IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2005:503-524．

[15]朱巖．基于閃存的高速大容量存儲技術(shù)的研究[D]．北京：中國科學(xué)院研究生院，2006．

[16]馬苗，朱巖．基于CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計[J]．電子設(shè)計工程，2015，23（1）：16-20．

CFDP application in spatial data transmission link

DONG Zhen-xing1，2，ZHU Yan1，2，XU Zhi-hong1，2，DONG Wen-tao1，LIU Rui-peng1
（1.National Space Sciences Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The organization and management of spaceborne data in our country now is in the form of bit stream，and the downlink transmission does not implement mechanism of guarantee the data reliability，all data transmission in the bitstream order to complete the end，which can not guarantee the validity and integrity of the data transmission.CCSDS File Delivery Protocol （CFDP） can effectively solve this problem for the retransmission mechanism of data lose and error detection.This paper proposes one spaceborne data handling system which based on satellite engineering experience，also cooperates the hardware and software to implement the deferred NAK model of CFDP protocol in spatial data transmission link.The results show that the file data delivery is complete and accurate，and the scheme design is reliable and effective.

spaceborne data；CFDP；file delivery；deferred NAK；retransmission

TN919.5

A

1674－6236（2017）17-0036-05

2016-09-02稿件編號：201609014

董振興（1991—），男，山東鄄城人，博士研究生。研究方向：星載大容量存儲與信息處理。