摘 要：要分析了空間數據系統咨詢委員會（CCSDS，CONsultative Committee for Space Data SySTems）系列協議的特點。為了驗證CCSDS 根據空間數據通信特點提出的一系列建議中的網絡層建議（SCPS-NP，Space CommunicationsProtocol Specification—Network Protocol）的性能。通過OPNET 通信仿真軟件進行建模，基本實現了SCPS-NP 協議要求的功能，對協議的性能進行了分析，對中國空間通信協議的發展方向提出了建議。

　　0 引言

　　隨著各國對外層空間資源的不斷探索，開發和利用以及地面因特網技術的不斷發展成熟。將天地通信融入到地面因特網中，建立天地統一的數據網絡成為新的研究熱點。這就需要一套高效統一的空間通信協議來進行保障。在此要求下，由各國空間系統研究機構共同組成的空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）做了大量工作，制定了一系列協議。

　　1 CCSDS 協議體系結構

　　CCSDS 系列協議可仿照TCP/IP 的分層結構分類到物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層中。每一層包含多個協議。具體介紹如下：

　　（1）物理層

　　在物理層，CCSDS 制定了《無線電頻率和調制體制》建議書。規定了中等通信需求的近地和深空任務的無線電頻率和調制體制。

　　（2）數據鏈路層

　　數據鏈路層包括了數據鏈路層協議和信道編碼。協議主要開發了分包遙測和分包遙控協議，適用于常規航天器數據系統，業務簡單；高級在軌數據系統協議（AOS），適用于大型航天器，業務種類多；近距空間鏈路，適用于互相接近的航天器之間的空間鏈路，主要是點對點通信。信道編碼中開發了BCH 編碼、卷積碼、RS 碼及數據鏈路的各種數據結構等[2]。

　　（3）網絡層

　　在網絡層、傳輸層和應用層，CCSDS 開發了與TCP/IP 協議功能上相平行的一系列建議書，即空間通信協議規范SCPS。其出發點是在適應空間通信需求的基礎上盡量與因特網協議實現兼容和互操作。以因特網協議為基礎，進行針對空間環境的改進。SCPS-NP 是其中的網絡層協議。與IP 協議相比，主要改進體現在以下幾點：提出了不同長度的導頭供用戶在功能和效率間取舍；提供多種選路模式，增加了泛洪尋址方式；提供由管理機制配置的端到端路由；在SCPS 控制信息協議中（SCMP）中，增加了由于信道質量造成鏈路中斷的信令。

　　（4）傳輸層

　　在傳輸層，除了對應的傳輸層協議SCPS-TP 外，CCSDS還開發了用于文件傳輸的協議CFDP，CFDP 既提供了傳輸層功能，又提供了應用層文件管理功能[2]。此外還提出了具有端到端數據保護能力的SCPS 安全協議（SCPS-SP），是對Internet IPsec 協議改進而制定的。

　　（5）應用層

　　在應用層中，CCSDS 開發文了件傳輸協議SCPS-FP、無損數據壓縮、空間分包協議等。

　　2 SCPS-NP 協議建模

　　為了驗證SCPS-NP 的協議性能，這里采用了OPNET 軟件進行建模測試。OPNET 采用了三層建模機制：最上層為網絡層，反映了網絡的拓撲結構特點；其次為節點層，由相應的協議模塊構成，反映了設備的特性；最底層為進程層，以狀態機的形式來描述議，反映了協議的具體功能是如何實現的[6]。根據三層建模機制，仿真中采用了衛星-地面站通信的場景，圖1為衛星節點模型，地面站節點模型與其類似，其中有關SCPS-NP 協議的部分有：

　　①scps_np_encap 模塊，SCPS-NP 協議導頭封裝模塊，對數據進行封裝解封裝；

　　②scps_np 模塊，SCPS-NP 協議實現模塊，具體實現SCPS-NP 所要求的功能；

　　③router_map 模塊，路由表更新模塊，提供靜態路由表或動態更新的路由表。

圖1 仿真節點模型。

　　2.1 scps_np_encap 模塊進程設計

　　該模塊主要任務是對數據封裝SCPS-NP 導頭或解封裝去掉導頭，進程設計如圖2 所示。

圖2 scps_encap 模塊進程結構

　　首先在INIT 態進行初始化設置，進入WAIT 態，然后根據不同的包流，對包進行封裝或解封裝。SCPS-NP 導頭封裝長度及格式，由用戶在節點屬性中進行選擇。提供與空間分包協議類似的服務時，導頭長度為4 字節，提供與IPv4 協議類似的服務時，導頭長度為20 字節。

　　2.2 scps_np 模塊進程設計

　　scps_np 模塊主要功能是SCPS-NP 協議的具體實現。其進程設計如圖3 所示。

　　首先在INIT 態進行初始化設置，進入WAIT 態，當數據從上層模塊傳來時，進入deliver 態，發送數據到網絡。當數據從網絡中傳來時，進入toup 態，對接收的數據進行檢測，將符合協議標準且目的地址為該節點的數據送入上層進行下一步處理，銷毀不滿足條件的包，回到WAIT 態。若該節點具有路由功能且包需要轉發，進入router 態。在router態，根據協議要求，進行路由控制過程，然后根據用戶選擇進行不同的路由方法。主要有靜態，動態，洪路由三種方式。轉發后，回到WAIT 態。路由信息由模塊router_map 提供。

圖3 scps_np 模塊進程結構

　　2.3 router_map 模塊進程設計

　　router_map 模塊的主要任務是對路由表的維護和更新，其進程設計如圖4 所示。

　　首先在INIT 態進行初始化設置，進入WAIT 態，當用戶選擇靜態路由時，在WAIT 保持不動。路由信息已靜態設置。

　　當選擇動態路由模式時，建立一個自中斷，每隔一段時間間隔進行一次路由表更新。當中斷到來時，進入update 態，根據此時的位置信息重新計算路由。

圖4 router_map 模塊進程結構

　　3 仿真結果分析

　　這里仿真模型實現了SCPS-NP 協議的基本內容，可結合其他協議仿真做多種仿真測試，由于SCPS-NP 協議的主要特點在與不同導頭長度對于協議開銷的控制且限于篇幅，下面僅介紹不同的導頭長度在其他相同條件下，對于吞吐率的影響。

　　吞吐率的定義為在單位時間內某節點成功接收的有效用戶字節數（bit/s），即吞吐率=（成功接收的數據總字節數-開銷字節數）/總時間。其性能取決于傳輸業務數據單元所用的開銷所占比例以及信道誤碼率等其他因素。

　　對于類似IPv4 協議的20 字節的導頭和類似空間分包協議的簡單4 字節導頭兩種導頭模式，在10-5誤碼率下，上層FTP 流量為1 MB 大小文件，衛星下行鏈路采用AOS 傳輸的情況下，由圖5 可明顯看出簡化導頭可帶來更大的網絡吞吐率，減少了協議開銷。加快了文件傳送。

圖5 不同導頭長度下吞吐率對比

　　4 結語

　　隨著中國空天事業的發展，航天器間的組網、航天器與地面網的融合是當前需要迫切發展的方向之一。在天地一體化網絡的研究方面，CCSDS 提出了許多寶貴的建議，加深對這些建議的理解和研究，對中國的空天網絡協議建設具有很好的參照意義。這里淺略地研究了其中的一個建議SCPS-NP，實現了其基本功能。但CCSDS 系列協議是一個龐大的體系結構，需要各方面的共同力量，才能深入理解。