天地信息网络协议融合技术综述*

闫朝星，付林罡，谌 明，朱至天

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

引 言

天地信息网络结合卫星系统的优势可实现空间网络与地面网络资源的充分共享和高效利用。以卫星等空间飞行器为节点组成的天基空间通信网相对于地面网络，具有网络覆盖范围大、不受环境影响、资源利用率高等优点。经过多年发展，我国已形成了地基测控网、天基测控通信网以及深空测控通信网完善的航天测控网体系，未来发展将优化地基、天基和深空测控通信网，进一步构建天地一体化测控通信网[1]。空间信息网络具有长时延、高误码、间断性的特点，地面TCP/IP等网络协议直接应用在空间信息网将降低传输效率。

空间数据系统咨询委员会（CCSDS）在常规在轨系统（COS）的基础上发展制定了高级在轨系统（AOS）建议，从20世纪90年代末开始相继制定了空间通信协议规范（SCPS）系列规范与下一代空间互联网（NGSI），形成CCSDS承载IP、IPoC（IP over CCSDS）建议书与太阳系互联网（SSI）体系结构报告，并开展延迟容忍网络（DTN）标准研究[2]。在空间网络技术的发展过程中，协议体系主要发展方向有：SCPS协议、TCP/IP协议、CCSDS结合TCP/IP协议以及DTN协议体系。从网络层角度看，可以认为目前只有IP和DTN两种协议体系[3]。在CCSDS协议技术研究领域，尚未有技术综述文献。本文针对天地网络融合中CCSDS协议的IPoC技术进行综述，通过分析国内外研究进展，探索天地信息网络建设方向。

1 国内外发展应用

美国NASA喷气实验室（JPL）将标准SCPS协议应用到一系列航天任务中，给出了SCPS网络及网关的实现部署方案：在端到端系统、在卫星/无线通信环境、在互联网和SCPS网络之间等三种方案[4]。基于SCPS传输协议商用软件SkipWare的网络平台[5]采用了Comtech EF Data公司TurboIP硬件平台，开发了TCP/IP性能增强网关，其性能增强典型值与传统TCP相比高达250:1。美国宇航局促使航天器和地面最终用户之间实现全IP连接，国际空间站采用CCSDS建议标准实现了天地一体化的通信信息传输。在军用航天领域，如美国国家导弹防御计划的天基红外系统航天器也加速发展应用CCSDS标准。作为先进、成熟的数据系统体制，CCSDS标准已成为航空航天领域的默认国际标准，在军民用航天器一体化网络应用方面，CCSDS协议簇应用势头迅猛增长。CCSDS于2014年还发布了太阳系互联网体系结构报告，DTN是实现太阳系互联网中各区域网之间互联的核心。NASA己进行多项实验来测试DTN，并在英国灾难监测卫星、国际空间站上进行测试[6]。

我国目前广泛执行遥测IRIG标准以固定帧格式面向单个数据静态管理，而CCSDS标准AOS标准数据格式面向用户数据动态管理，如CCSDS包和虚拟信道数据单元（VCDU），针对不同需求的用户，可同时通过虚拟信道管理方法对信道资源进行动态分配[7]。我国航天测控通信经过最初的独立载波系统遥测遥控，已发展为单载波的统一S频段测控通信系统，多数航天测控任务中采用点到点链路的天地信息传输，使用简化的高级数据链路控制HDLC协议。测控数据多采用PCM格式波形传输，高速有效载荷部分采用了CCSDS建议波形传输[8]，两者采用不同的物理信道传输。近些年来，空间技术研究院开展了“空间站信息与数据系统概念研究”、中国科学院开展了“天际综合信息网关键技术预先研究”[9]。我国航天局在2008年成为CCSDS组织第11个正式成员。

目前，我国地面网络内部与空间网络内部运行的网络协议在体系结构上仍然相互独立。在地面测控网和天地无线信道等方面部分采用了CCSDS建议书，“实践”五号卫星、“神舟二号”飞船、“嫦娥一号”月球探测卫星、“风云三号”气象卫星、数据中继卫星采用了CCSDS建议标准。在北斗全球系统通信网中，卫星内各载荷之间按TCP/IP有线接入技术实现互连；星间与星地按CCSDS无线接入技术实现互连；在卫星内部通过CCSDS协议实现空间无线网与卫星有线局域网之间互连[10]；地面主控站、注入站与监测站具备满足CCSDS协议规范的无线接入能力。

中国电子科技集团公司设计了机载IPoC与地面网关，返向链路带宽31.2Mb/s[13]。文献[14]开展了基于同步骨干卫星的天地互联模式静态IP网络试验，TCP传输速率约120Mbps，UDP传输总速率约130Mbps。北京遥测技术研究所设计CCSDS数据地面接收系统软件[11]解决了数据缓冲区和虚拟信道及用户管理问题，设计了符合CCSDS标准下行传送帧数据的卫星模拟器[12]，并研制了星地高速协议转换网关设备，数据处理速率设计达900 Mb/s，时延Td＜0.1ms，支撑星间链路在轨试验进行即时通信、网络视频监控、FTP传输与WiFi接入等应用。

在星载数据系统接口方面，航天科技集团北京空间飞行器总体设计部跟踪和研究了CCSDS航天器接口业务（SOIS）。中国科学院在载人飞船有效载荷数据管理系统设计中采用了AOS标准和1553B总线技术[15]。国内多所高校进行了仿真研究：文献[16]通过AOS协议信道复用方法的OPENT仿真建模分析动态自适应信道算法；文献[17]通过对遥测和遥控协议进行建模仿真寻找对协议干扰的方法；文献[18]使用OPNET和STK仿真平台比较分析不同系统误码率、航天器轨道高度及不同信道传输速率等条件下的TCP和SCPS-TP协议的性能；文献[19]研究基于CCSDS的空间网络认证模型；文献[20]开发万兆网通信协议转换器；文献[21]研究基于CCSDS协议框架星间链路的全球卫星导航系统协议体系和接入模型。

2 空间通信CCSDS系统

2.1 CCSDS协议架构

CCSDS制定的AOS协议应用于高级空间运输系统、自由飞行器、载人空间站及无人空间平台等航天器间双向链路或返向链路。AOS正式建议书包含的SCPS空间通信协议规范主要有网络协议NP（Network Protocol）、SP安全协议（Security Protocol）、TP传输协议（Transport Protocol）、文件协议FP（File Protocol）和文件传输协议CFDP（CCDS File Delivery Protocol）等[22]。如图1所示，对应于TCP/IP体系OSI模型，SCPS协议栈主要包含物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的协议：

①物理层，包括两部分：无线射频和调制系统、紧邻空间（Prox-1）跨层协议。

② 数据链路层，包括四种链路协议：Prox-1协议、遥测TM协议、遥控TC和AOS协议。

③网络层，包括空间分组协议（SPP）和网络协议SCPS-NP。

④ 传输层，传输协议SCPS-TP提供端到端传输服务；安全协议SCPS-SP提供身份认证、数据完整检查和接入控制等安全服务。

⑤ 应用层，提供端到端的SCPS-FP、CFDP、无损数据压缩、图像数据压缩或者其它应用服务。

IPoC建议书（CCSDS 702.1-B-1）[23]为航空器和地面系统中通过CCSDS承载IP数据建立了实践规范。数据链路层可以分为：对应TM空间数据链路协议的数据链路协议子层；对应TM同步与信道编码协议的同步与信道编码子层。大多数基于CCSDS建议的空间数据系统采用以RS+卷积码的级联信道编码方式，或采用LDPC码[24]。CCSDS空间数据链路协议（SDLP）可以传输IPv4数据包、空间包和SCPS-NP数据包等形式的数据包，也可对IPv6等其他类型数据包进行封装后传输[9]。

图1 SCPS和TCP/IP对应OSI模型中协议栈关系Fig.1 Protocols of SCPS and TCP/IP in OSI architecture

2.2 AOS空间数据系统

AOS空间数据系统从功能上可以向下兼容CCSDS TM空间数据链路建议，并可根据需求支持传输更多的业务种类[25]。CCSDS主网（CPN）是AOS系统核心部分，包含星载网络、空间链路子网（SLS）和地面网络，通过星地信道和星间信道支持网络层的路径业务数据单元和网间业务数据单元进行双向传输。AOS系统协议包括端到端业务和空间链路子网业务两类不同业务类型，对应提供了八种不同的服务：端到端业务包含路径和网间业务两种服务；CCSDS对仅需通过空间链路的点到点数传提供了如图2所示的六种点到点业务[4]：封装服务、复用服务、位流服务、虚拟信道访问（VCA）服务、虚拟信道数据单元（VCDU）服务、插入服务。

图2 AOS协议业务类型Fig.2 Service of AOS protocols

其中，封装服务封装统一格式CCSDS包并复用到虚拟信道；复用服务把同一个虚拟信道上的数据包合路到多路复用协议数据单元（M_PDU）；位流服务把比特流数据放置在位流业务协议数据单元（B_PDU）；VCA将虚拟信道访问业务数据单元（VC_SDU）放于虚拟信道访问协议数据单元（VC_PDU）；VCDU服务和VCA服务产生的数据单元通过多路复用在物理信道进行传输；插入服务在虚拟信道的插入区内等间隔地插入固定长度的高实时性业务数据。VCDU业务和插入业务不在同一个物理信道上同时使用。

此外，与AOS协议单向传输、无确认机制、无数据完整性保证机制的特点不同，紧邻空间链路协议Prox-1具有通信时延短、信号强度适中、单次会话简短且相互独立的特点，如图1所示，主要作用于CCSDS标准中的物理层和数据链路层，支持空间任务中航天器之间的双向通信链路。文献[26]依据CCSDS的Prox-1协议，设计了适用于邻近空间链路协议的回退N帧ARQ方案，由两台一体化工控机用于模拟两个航天器，板卡采用Xilinx-V5系列FPGA芯片和TI的TMS320C6455系列DSP芯片，结合软硬件平台搭建了测试环境，对ARQ性能进行了测试。

3 空间网络传输机制

3.1 卫星链路的IP应用问题

空间网络应用IP技术时，低轨LEO星座动态特性是最大的挑战，星际链路（ISL）在系统拓扑中不断变化更增加了IP路由选路的困难[4]。应尽量简化星上路由表，隔离两种网络间路由更新信息的传播；移动IP切换与QoS的保证机制可采用改进多协议标签交换（MPLS）协议，提高空间网络吞吐量和路由性能，同时减小本地状态开销和队列时延[4]。

卫星网络传输时延受多种因素影响，在卫星链路上应用TCP协议时引发的长时延问题主要由轨道类型决定。一般的低轨LEO星座中星间单跳时延大约为20ms～25ms，GEO卫星则达250ms～280ms。大规模星座、轨道变化、星际链路路由策略等都会影响卫星网络传输时延，影响TCP协议的定时机制，导致网络超时和数据重传，降低带宽利用率；长时延的TCP连接在与短延时的TCP连接竞争时候的公平性问题。卫星通信信道中出现高误码率时，在不能获知数据报丢失是信道误码还是网络拥塞原因时，默认为网络拥塞引起的。地面双向通信往返时延（RTT）一般在毫秒级别，且信道误码率BER＜10-9。但是，空间通信环境中的误码率BER可达10-5，RTT常超过1s，网络丢包率将达到12%[5]。

在传统TCP传输协议里，解决丢包问题的方法主要是减小发送窗口，这将不断恶化TCP传输性能，对此主要通过链路层优化、TCP优化以及性能增强代理等方法解决[27]。在实际应用中，性能增强代理实现主要有TCP欺骗和TCP分段两种方式。TCP欺骗方案在发送端做加速处理；TCP分段在收发两端用协议变换的方式将TCP协议在无线链路上转换为专用协议，SCPS-TP网关是一个典型TCP分段应用。文献[28]分析了天地一体化网络进行传输层融合的关键技术，可基于不同误码率、往返时延、链路间断性、数据丢失原因、缓存和处理能力等技术进行融合。

3.2 CCSDS协议机制分析

TCP/IP协议的关键机制有流量控制机制、差错控制机制和拥塞控制机制。CCSDS协议的关键机制与TCP/IP协议的三种关键机制相比，稍有不同[28]：

①CCSDS流量控制机制，通过对数据包追加窗口扩展选项来扩大通知窗口，提升数据传输效率。基于RTT变化来动态调整拥塞窗口大小，实时调整发送速率，达到流量控制目的。

② CCSDS差错控制机制，由确认包、定时器和数据重传三种方式组成。定时器通过时间戳选项来进行计算，数据重传采用选择性否定确认技术（SNACK）。出现大量有高误码率导致的丢包时，SNACK技术可在一次确认中重传多个数据包，大大提高了数据的恢复效率。

③CCSDS拥塞控制，采用Vegas算法，通过检测RTT来动态调整拥塞窗口，避免拥塞发生。

SCPS-TP按可靠性可分为：完全可靠协议、最大可靠协议和最小可靠协议。SCPS-TP协议针对TCP的修改如表1所示，通过数据损坏响应、SNACK选项和包头压缩功能等技术对高误码率特性进行改进；针对RTT往返时延长问题，通过大窗口和定时器的修改进行改进；地面网络数据丢失的原因被默认为拥塞导致的，而在空间网络中，数据丢失有可能是高误码导致的，也有可能是因为链路恶化造成的。SCPS-TP使用类似于ICMP的空间SCMP协议为突发错误问题提供支持。这些改进大大提升了空间网络环境的数据传输效率。

表1 SCPS-TP协议针对TCP的修改Table 1 Modification of SCPS-TP compared with TCP

AOS虚拟信道调度是实现链路层QoS保证的核心，是解决多个虚拟信道共享物理信道的有效手段[29]，主要有先来先服务、时间片轮询、静态优先级、剩余量优先等算法。典型的QoS模型包括综合服务模型IntServ、区分服务模型DiffServ和MPLS等。文献[30]将IP网络层与CCSDS数据链路层相结合设计了跨层QoS保证机制，包括业务分类、AOS虚拟信道分配和虚拟信道动态调度，提取IP包ToS值并映射到AOS帧的虚拟信道标识（VCID）域中，完成基于IP区分服务的虚拟信道的分配。

4 星地网络协议技术

4.1 IPoC网络协议

IPoC空间链路协议目的是实现空间网络和地面网络通信协议一体化融合。针对网络层融合问题，SCPS给出了翻译和封装两种机制：翻译机制在网络层SCPS-NP与IP协议之间进行协议互译；封装方式将SCPS-NP包封装在IP包中直接传输。地面网络向空间网络发送数据时，地面网络系统将IP数据包封装成AOS帧，再经过空间链路传输到星上网络系统，空间网络从接收到的AOS帧中解析出地面的IP数据包。空间网络向地面网络发送数据时，星上网络系统将IP数据包封装成AOS帧，再经过空间链路传输到地面网络系统，地面网络从接收的AOS帧中解析出星上的IP数据包。

在CCSDS空间链路协议（SDLP）上实现IP数据报传递的方法有[4]：

①无需任何中介子层，直接将IP数据报置入CCSDS空间数据链路帧内实现IP数据报传递；

② 将IP数据报放在CCSDS空间包内，再分割或合并放入CCSDS空间数据链帧内进行传递；

③用户自定义串行流封装。

其中，方式①和②以包的形式传输IP数据报，方式①具有可提供CCSDS数据链路再同步的优点。

IP协议有IPv4和IPv6两个版本，分别用到不用的CCSDS服务，如表2所示为SDLP上承载IPv4数据包所用到的服务。用到了虚拟信道包（VCP）、多路访问点数据包（MAPP）、封装服务（ENCAP），对此服务使用方提供位于SDLP包传输帧头部分的全局虚拟信道标识（GVCID），由相串接的传输帧版本号（TFVN）、航天器标识（SCID）及VCID组成：“GVCID=TFVN+SCID+VCID”。服务提供方通过空间链路传输数据，服务使用方在SAP（服务访问点）取得传输服务。通过AOS协议传输IP数据报的处理流程如图3所示[22]，M_PDU载荷域通常由CCSDS空间包碎片和完整的CCSDS空间包组成。

表2 SDLP上承载IPv4数据包所用到的传输服务Table 2 IPv4 delivery service over SDLP of CCSDS

图3 IP数据报通过AOS协议处理流程Fig.3 Processing of IP data packet for AOS protocols

星地IPoC协议在天地一体化信息网的端到端通信中实现网络层上基本一致的通信协议。航天科技集团[31,32]针对近地轨道航天器网关与地面网络通信设计了三层网络交换；针对航天器网关与航天器内部网络通信设计了二层网络交换；针对天地一体化互联网络的QoS需求，设计了航天器网关缓存和调度策略，采用了静态优先级和轮询调度策略相结合的虚拟信道调度模式。该航天器网关的往返传输延时影响TCP性能，只适用于近地轨道航天器。空间技术研究院[33]指出，地面网关软件化过程的关键技术包含数据链路层协议解析和网络层IP 数据包透明传输，星上视频数据通过网关实现IP包向CCSDS协议的转换；地面软网关接收解调数据实现天地间网络通信，在通用操作系统上可对网络层IP 数据包经过通用网卡透明发送，地面视频播放器接收地面软网关数据，最终实现天地视频通信，其最高速率为300Mbps、时延Td＜100ms。

4.2 星地协议转换技术

随着高速星地通信技术的发展，天地一体化跨系统互连速率需求已达到Gbps级甚至几十Gbps级，PCIe、RapidIO、Rocket I/O等高速串行传输技术逐渐取代了传统并行传输技术，成为高速数据传输系统的主流应用。Xilinx开发AURORA点到点传输通信协议，可将AURORA协议数据包加载到运行在该协议之上的多种高层协议数据包上传输。

文献[20]采用高速收发器件TLK2711支持线速率达1.6Gbps，信号带宽超过2.16Gbps。西安电子科技大学[34]实现IPoC-AOS高速网关链路层协议转换，最高优先级业务数据转发时延指标为Td＜3ms。其网关设备[1,25,35,36]采用Virtex 7系列XC7VX690T芯片、两个4GB的DDR3缓存，有四个物理传输通道GTH通过10G光纤模块（SFP+）封装，采用AURORA协议配合GTH共同完成AOS同步接口PHY功能，并结合光纤模块实现广域网同步光纤接口。主要功能模块有：

①高速查找表模块，实现IP分组与VCID映射，接收来自IP封装与解封装模块的IP分组，提取分组中的源端口号、目的端口号、目的IP地址、源IP地址以及协议号；

② MAC地址提取模块，提取从万兆以太网端接收的以太网帧的MAC/IP地址，获得上行链路IP数据报到AOS同步帧的源MAC地址与IP地址之间的对应关系，从而在星地下行链路AOS同步帧到IP数据报获得目的IP地址对应MAC地址；

③M_PDU生成模块，完成将AOS数据包转换为M_PDU的适配工作。

下行链路以太网成帧模块接收到下行调度模块的AOS帧取出其数据载荷，添加相应MAC头后由以太网光纤接口模块发出。采用专业网络测试仪Test Center，参照IETF RFC2544主动测试方法向网关测试装置发起ARP、ICMP测试数据包，测双向连通性、吞吐量、时延指标。

文献[8]在PowerPC MPC8548嵌入式硬件平台上实现IPoC网关，IP协议与CCSDS AOS空间数据链路协议的相互转换采用了Linux内核的网络协议栈，使用Test Center进行RFC2544吞吐率测试，单向传输1500字节IP报文、46字节IP报文的吞吐率分别为600Mbps、200Mbps。中国电子科技集团[37]采用IP数据简单数据链路协议（SDL）封装方法设计机载网关对IP数据进行封装和定界，地面网关采用基于CRC的捕获方法来确定SDL的帧边界，该设计采用FPGA+PowerPC的架构，FPGA主要负责接口处理、协议封装和解析，PowerPC主要负责IP数据转发和协议控制，然后在所设计的系统上进行ping包时延测试，测得IP数据发送时延为0～0.4ms。此外，文献[20]的万兆网协议转换器在Virtex-7系列FPGA芯片XC7V585T上完成自定义协议和标准以太网协议之间的转换，其接口采用万兆光纤模块，引入的最大时延Td＜0.1ms。并采用Wireshark软件对抓取数据内容并对比原数据，采用网络测试仪对协议转换器设备进行自环测试。

4.3 软件与仿真研究

文献[38]利用CCSDS的AOS协议业务类型广泛的优点，实现机载与地面数传设备点对点的多种数据传输，优化虚拟信道调度策略，保证关键数据实时性要求，还研究了空间数据在地面传输的标准空间链路扩展（SLE）协议，可将空间机构、地面运营商以及空间数据用户的地面设施互联，避免为每次新型号任务定制特定的网关设备。在SLE服务提供方与使用方的测控系统数据传输包括前向和返向遥测数据两个流向。文献[39]针对SLE系统在执行高可靠性任务时进行了改进和补充，将SLE服务端分为测站级SLE服务端和区域级SLE服务端两个等级，对高速大量数据通过合理拆分可保证可靠数据传输的同时降低服务实例的传输压力，在物理层面和逻辑层面都进行了必要的备份以保证系统可靠执行。

针对地面检测软件系统自动化测试需求，中科院[40]基于FPGA与Labview的嵌入式硬件卫星数据帧解析与显示系统，实现CCSDS数据格式的实时解析与测试。针对天地一体化骨干网络CCSDS协议，文献[41]从数据包转发、系统复杂度和可移植性等几方面对比分析不同卫星网络路由算法性能，发现基于地理位置的分布式抗毁路由算法充分考虑了不同网络拓扑变化对路由的影响，具有较好的可移植性。在其它研究中，如文献[42]和文献[43]采用了符合CCSDS标准的帧格式进行无人机测控数据传输；文献[44]基于ZODIAC公司的Cortex CRT-Q平台用于空间网络协议物理层，在小于10MBps带宽下，设计天地一体化网关仿真节点设计与实现方案。文献[45]针对全域联合作战要素融合应用总结了空天地一体化网络协议体系、网络路由与网络安全防护等三项关键技术。

5 结束语

近年来，随着全球各国对空间信息网络和天地一体化技术的不断深入研究，国内建成北斗三号全球导航系统的同时也相继启动了多个空间信息网络重大研究计划，各类全球覆盖的互联网卫星星座蓬勃兴起。在此背景下，本文综述天地信息网络融合技术，在分析CCSDS标准发展应用的基础上，概述了CCSDS协议架构和AOS系统协议，然后比较CCSDS与TCP/IP协议关键机制与天地网络特性，最后综述了天地信息网络IPoC协议与设备研制与测试情况，对天地一体化网络协议融合技术领域作进一步研究与探索。