CCSDS空间通信协议及其与互联网通信协议的比较.doc

随着卫星通信和地面互联网技术的不断发展，卫星间、卫星与地面间以及地面各系统间信息的交叉传输不断增多，这就要求有一套统一、兼容、高效的空间通信协议来保障。
　随着卫星通信和地面互联网技术的不断发展，卫星间、卫星与地面间以及地面各系统间信息的交叉传输不断增多，这就要求有一套统一、兼容、高效的空间通信协议来保障。
　　但是，目前天基和地基网络的通信协议并没有统一的设计和建设，这在星地和星间通信中尤其明显。各地面通信系统在互联网的迅速发展下，已基本全部采用TCP/IP，以支持各种各样的应用要求，实现了地面通信协议的大统一。而各卫星系统在任务多样复杂、缺乏统一标准的情况下，往往采用各自独立开发的通信协议，消耗大量的资金与研究力量，而且不能很好地与地面应用网络相结合，天地各网络间的通信也必须通过网间的协议翻译转换来实现。

　　自1982年以来，由美国航空航天局(NASA)、欧洲空间局(ESA)等欧美空间机构组成的空间数据系统咨询委员会(CCSDS)一直致力于研究天地各通信网络协议的统一与推广，其制定的协议标准(CCSDS建议)有很多已成为国际标准化组织(ISO)的正式标准，被广泛应用于国际空间项目中。
　　本文将围绕地面与空间通信的特点和所采用的通信协议展开讨论，介绍CCSDS基于TCP/IP提出的空间通信协议规范(SCPS)和CCSDS文件分发协议(CFDP)，分析各自的特点。并与TCP/IP系列协议进行比较。

　　一、地面TCP/IP在空间通信中的应用

　　1．地面TCP/IP在空间通信中应用的优势
　　目前，包括CCSDS在内的各国际空间组织努力推行的空间通信协议一般都是基于地面TCP/IP开发的，主要的原因有以下几点：
　　>以TCP/IP为基础的空间通信协议可以使卫星通信网络与地面通信网络更好地兼容互通。目前。无论是卫星测控网还是卫星通信网，其协议标准都具有很大的独立性，各网络间及与地面通信网间的通信需要通过协议翻译实现。增加了不必要的设备及载荷，降低了网间通信的效率，这些问题可以由统一的通信协议解决。
　　>互联网的迅速发展要求卫星通信网络成为其有机的组成部分。在互联网为主导的地面通信网络环境中，卫星通信技术以其独特的技术和应用优势，凭借已有的和即将入轨的日益庞大的空间通信系统，可以很好地解决诸如终端用户随时随处高速接人和多媒体传输等问题。因此。卫星通信网络有必要、也有能力成为地面互联网的一部分。
　　>基于TCP/IP开发空间通信协议可以节省协议研发时间与资金投入。将已有成熟的地面通信协议技术，针对空间通信特点进行改进，可以大大缩短协议开发时间，减少工程量，并更好地确保新协议的可实行性和稳定性。

　　2．空间通信的特点
　　空间通信与地面通信相比具有很明显的特征，主要有：
　　>信号延迟大。信号延迟与通信距离成正比，和信号传输速度成反比。地面通信的延迟为几十毫秒，地球同步卫星可达0.25秒，而星际卫星系统则可以达到几十秒。
　　>误码率高。误码率由信道干扰决定。地面通信误码率一般低于10-12，而星地射频通信的误码率在10-6左右很常见。合理运用纠错码可以降低误码率，但不能完全消除。过于复杂的纠错码将过多地占用宝贵的信道资源和星载计算机资源。
　　>突发错误多。突发错误源于网外其他射频装置的干扰，主要在天线指向失准或通信不同步时产生。虽然发生较偶然且持续很短，但基本上不可预测。目前主要的对抗方式是提高天线自动指向能力和运用级联抗干扰码。
　　此外，空间通信还有信号强度弱、相对位移造成明显的多普勒效应、卫星与地面站通信窗口受限、多星通信系统的地面跟跞设备复杂、造价昂贵、星上系统在体积、重量、功耗和造价上受到很大限制等特点。

　　3．地面TCP/IP在空间通信中应用的限制
　　对于以上这些在噪声、延迟和连接上的问题，面向连接的TCP/IP互联网协议是无法高效工作的，主要表现在以下几个方面：
　　>信号传输延迟会造成过长的数据传输往返周期(RTT)，严重影响了TCP流量和差错控制。首先，由于等待应答机制(ACK)。确认数据包是否正确接收的时间被大大延长，误导了TCP拥塞控制算法，降低了数据传输速率；其次，超时重传机制可能被错误地触发，导致窗口大小出错，降低总的带宽利用率。这些问题在交互式通信(HTel-net)中最为明显。
　　>误码降低信道利用率。由于空间通信的误码率远远高于地面通信，而为低误码率地面通信设计的TCP/IP会把所有误码都按拥塞处理，并减小窗口尺寸来缓解其实并不存在的信道拥塞(每一次拥塞发生都使传输速率减半，再通过慢启动逐渐恢复)，不必要地降低了传输效率。

　　>信道不对称影响应答控制。卫星通信的一个显著特征是前向链路和反向链路不对称，反向链路受限造成应答延迟或丢失，进而造成前向发送阻塞，慢启动缓慢，避免超时重传的“快速重传”机制有效性下降。
　　>不具备动态路由能力很多空间通信系统各传输节点的拓扑结构是动态变化的，每一次端到端的数据传输都可能经过不同的路径，这就要求通信协议具有动态路由能力，而标准TCP/IP的路由功能是静态的，无法完成动态路由。
　　此外，不定的信号往返周期和非地球同步卫星的多中转传输等问题也对TCP/IP的工作有影响，这里不做过多讨论。

　　4．TCP/IP针对空间通信特点的改进
　　为了解决TCP/IP在空间通信应用中的这些问题，各种基于TCP/IP的空间通信衍生协议应运而生。这些协议主要在慢启动算法、快速重传与恢复、拥塞避免、TCP头压缩、应答机制、动态路由等方面做了改进，使其能够更好地为空间通信服务。其中以CCSDS制定的SCPS和CFDP最为成功。SCPS的主要作用是为遥感卫星和数据中继卫星之间提供高效文件传输，CFDP用来解决空间网络中两点之间可靠的数据文件传输。

　　二、SCPS的介绍及与TCP/IP的比较

　　SCPS-QTCP/IP在升放式糸玩且联(OSI)模型中的关系如表l所示。

　　1．SCPS
　　1999年由CCDSS提出的SCPS是一套基于TCP/IP的从网络层到应用层的空间通信协议，最早服务于空间科研和军事应用，后来逐渐民用化，现已被录入ISO国际标准。SCPS包括四层协议：
　　>网络协议(SCPS-NP)：同时支持静态和动态路由及多种信道环境，并可随服务业务不同而改变头部结构定义。
　　>安全协议(SCPS-SP)：
提供天地端到端传输的完好性服务、保密服务和鉴权服务。
　　>传输协议(SCPS-TP)：提供传输层端到端的可靠传输，对在不可靠路径上传输的遥控遥测信号传输进行优化。

　　>文件协议(sCPS-FP)：对应TCP/IP中的互联网FTP，对卫星指令和程序上传、遥控遥测信号下传进行了优化，支持人工文件续传等功能。
　　SCPS各层协议端到端的服务如图1所示。
　　相对于其他TCP/IP改进协议，SCPS在地面有线信道和空间无线信道上都有很好的表现。其网络协议和安全协议受通信延迟的影响更小，可以被运用在星地通信和深空星际通信中。它与TCP/IP良好的同源性和互通性也使其成为卫星接人互联网的通信协议首选。

　　2．SCPS与TCP/IP的比较
　　表2总结了SCPS和TCP/IP在所涉及的各层协议上的不同。
　　SCPS在其所涉及的各层协议的构架和内容上，都根据空间通信的特点对TCP/IP进行了优化和补充。目前对SCPSSE作表现的理论论证充分显示了它较TCP/IP的优越性；但由于缺乏卫星实验平台，实验评测较有限。已有的模拟实验对采用不同重传机制的SCPS-TP(SCPS-VJ和SCPS—Vegas)的工作情况进行了测试，结果总结如下：
　　>对称信道：
　　——SCPS-TP与TCP在低误码率信道(BER=O-10-6上表现相似。
　　——在高误码率信道(BER)从10-6曾至10-5更高)上。SCPS-TP文件传输时间明显小于TCP，SCPS-TP的吞吐量明显高于TCP。
　　——SCPS-VJ与SCPS-Vegas工作表现在各误码率上基本相同。
　　——当传输的文件较大时(大于10K)，SCPS-VJ与TCP所用时间基本相同。小于SCPS—Vegas所用时间。
　　>非对称信道：
　　——在任何误码率下，SCPS-TP文件传输时间都明显小于TCP，SCPS-TP的吞吐量明显高于TCP。
　　——SCPS-VJ与SCPS-Vegas在低误码率信道(BER=0-10-6)上表现相似。 ——在高误码率信道(BER从10-6增至10-5及更高)上，SCPS-VJ文件传输时间小于SCPS-Vegas，SCPS-VJ的吞吐量高于SCPS-Vegas。
　　——当传输的文件较大时(大于10K)，SCPS-VJ所用时间最短，TCP次之，SCPS-Vegas所用时间最长。
　　SCPS在诸多方面的优势是显而易见的，目前正在被越来越多的空间通信系统广为接受而成为一个协议标准，各系统的相互兼容性大大提高。在SCPS的官方网站http：//www.scps.org/scps上还有关于该协议更多的文献与信息以供查询。

　　三、CFDP介绍及与FTP的比较

　　CFDP与TCP/IP在OSI模型中的关系如表3所示。

　　1．CFDP
　　随着星上计算机功能的日益强大，越来越多的通信传输任务在星上自动完成，但目前还没有一个统一的应用层空间通信协议来支持这些任务。FI''P作为TCP/IP系统中最常用的地面应用层通信协议，被多次改进后应用于空间通信，取得了一定的成功。但由于其底层TCP/IP协议不能完全满足空间通信的要求，FTP在诸拓扑结构不定的通信任务。
　　为此，CCSDS从1996年开始推行其制定的CFDP。CFDP是一个面向传输的应用层通信协议，同时集成了OSI传输层协议功能，解决了其他FTP改进协议不能客服的问题。
　　CFDP支持端到端的文件传输，这些端可以是卫星、地面站或中继星。在端与端相互不可见时。文件传输可以通过一个或多个中继点(中继星或地面中继站)实现。用户只需决定文件传输的时间和目的地，CFDP负责随端到端的连接变化进行动态路由。
　　CFDP可以支持以下六种端到端的连接情况：
　　>端到端的直接连接
　　>端到端通过—个中继点连接
　　>端到端通过多个中继点连接
　　>端到端的多跳连接，各跳点间相互独立
　　>端到端的多跳连接，各跳点问相关协作
　　>端对多个端的广播
　　从内核结构上讲，CFDP包括两部分协议：核心文件传输协议(CFTP)和扩展文件传输协议(EFTP)。CFTP确保点到点的文件传输，EFTP负责端到端的文件传输，它们共享一个信息管理库(MIB)，其中储存了地址、路由和其他协议管理信息。CFDP的结构如图2所示。

　　CFDP将传输文件分组，每组包括64K载荷信息和一个20字节的组头。如果网络要求更小的传输单位，CFDP还可以进一步进行更小的分组。CFDP同时支持可靠和不可靠传输，应答方式包括无应答(No ACK)、即时否定应答(NACK)、寻表否定应答(DNACK)、实时否定应答(PNACK)和异步否定应答(ANACK)五种，分别适应于单工、半双工和全双工链路。由于CFDP集成了传输层协议的各项功能，它对底层协议的要求也较宽泛。

　　2．CFDP与FTP的比较
　　表4总结了CFDP和FFP在所涉及功能上的异同。
　　从表4中可以看出，CFDP相对于其他协议的有以下优点：
　　>CFD可基于多种底层协议工作，包括UDP/IP、X25和CCSDS包仂议等。

　　>CFDP具有自己的误差控制机制，因此对底层协议没有误差控制要求。
　　>CFD阿以基于多个分立的网络层链接工作，适合空间链接动态变化。
　　>CFDP可以进行多跳传输，一个文件的传输可能通过多个路径多个跳点，实现动态路由。
　　>CFDP支持由第三方启动的文件传输。
　　>CFDP采用选择性否定应答重传方式，较TCP采用的重传N帧方式具有更大的吞吐量。
　　CFDP成功地解决了空间通信端到端的文件传输问题。它凭借在多跳传输和动态路由等方面的优势以及在底层协议支持和用户操作性等方面的灵活性，被应用于火星探测计划等空间科研项目，并具有很高的推广价值。

　　四、总结

　　天地一体化通信要求发展统一的空间通信协议，TCP/IP系列协议在地面通信中的成功应用使得它的各种改进协议成为空间通信统一协议的首选。CCSDS所制定的SCPS和CFDP与TCP/IP成功地满足了空间通信从网络层到应用层的特殊需要，可以高可靠、高效率地完成各类空间通信任务，较互联网通信协议及其它TCP/IP改进协议表现出明显优势，加之CCSDS的不断努力，它们很有可能成为空间通信的标准协议。