IP over CCSDS解析.docx

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IPoverCCSDS解析

胡行毅

　　中国科学院空间科学与应用研究中心

　　摘要IP技术是目前地球上普遍而广泛采用的互联网技术，设想在空间网络中采用IP技术将对天地一体化带来很大的好处。

IPoverCCSDS就是研究在空间数据链路层的协议中（CCSDSAOS、TC、TM、Proximity-1）实现携带IP报的传递。

自2006年至今，CCSDS共发布了5个版本的IPoverCCSDS红皮书供大家讨论、修改与实践。

本文综合介绍并探讨了IPoverCCSDS的相关内容。

　　关键词IPCCSDS天地一体化

　　一、引言

　　据报导，2010年1月22日正在国际空间站（ISS）作业的美国宇航员蒂莫西•克里默从太空经由互联网直接与美国国家航空航天局（NASA）休斯顿地面指挥中心（JSC）进行了网络聊天，成为互联网有史以来第一次天上地下的太空网络聊天。

这说明ISS与地面已经成功打造了太空互联网，使ISS接入了太空互联网络。

　　随着航天器内部之间、航天器之间和空地之间的交互变得越来越复杂，迫使设计者要考虑使用网络技术来支持这些交互，普遍认为：

网络携带IP数据报的传递将越来越流行。

为了协调各国空间组织的空间活动，早在1982年起国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）就发布了一整套常规空间数据系统技术建议书（COS），于1989年又正式通过了空间数据系统高级在轨系统建议书（AOS），并自90年代以来制定了一系列的空间数据系统的协议规范和标准。

为适应地面因特网的快速发展，CCSDS又有针对性地对空间通信协议相继进行了多次修改和升级，形成了空间网内支持IP报（PDUs）传递的CCSDS-SCPS系列空间通信协议规范，以满足天地一体化的要求。

但CCSDS的4个空间数据链路协议（AOS,TC,TM,Proximity-1）是为空间环境而定制的，均缺少如何定义在链路上携带IP报的任何内容信息和具体清晰的可执行及可操作的实现规范。

于是CCSDS在内部成立了空间因特网业务（SIS）片，专门从事各类链路形式的网络交互业务与协议研究，基本上涵盖了通过OSI参考模型应用层的网络。

2006年1月由SIS片下属的IPoverCCSDS空间链路工作组（SIS_IPO）首先发布了CCSDS702.1-W-1白皮书，IPoverCCSDS的概念应运而生，8-10月又相继发布了CCSDS702.1-R-0、CCSDS702.1-R-1红皮书，之后2007年1月发布CCSDS702.1-R-2，2008年9月发布CCSDS702.1-R-3，直至2010年4月发布了CCSDS702.1-R-4及相关文本。

其意图是为了在航天器和地面系统中实现通过CCSDS空间数据链路层协议来携带IP数据报而建立起CCSDS推荐的在CCSDS空间链路上传递IP_PDUs的实践规范。

此外，也为商业现成（COTS）技术及广泛的接口软件引入航天系统做了铺垫。

这一做法有效地引导了IP在CCSDS通信层的规范开发与无缝集成。

　　当前，卫星网络技术和地基因特网技术都已是很成熟的技术，但在天地一体化发展中它们各自都暴露了一些缺点。

近年来出现了卫星网络和因特网络的综合与融合，改造和修改了各自的缺点，融合了各自的优点，在天地一体化方面取得了很大进展，其实现技术主要是在卫星地面段采用上/下行协议转换的网关技术。

　　CCSDS空间链路协议与IETF互联网链路协议的基本不同在于IETF链路协议在设计上是对称的，亦即在数据流双方提供一致的服务，而CCSDS链路层协议在设计上是不对称的，亦即对于数据流双方规定不同的程序。

这是因为CCSDS链路协议一方是空间载体（SV），而另一方是地面站（GS）。

它们有不同的程序。

另外也存在前向（从GS到SV）与返回（从SV到GS）数据流不同的链路层程序和帧格式，前向数据流携带遥控指令，返回数据流携带遥测信息。

　　IPoverCCSDS的概念是在CCSDS的空间链路层协议（AOS、TC、TM、Proximity-1）上实现IP数据报（PDUs）的传递，亦即怎样在CCSDS链路上实现IP数据报的携带（包括压缩头IP数据报）、建立路由、交换方面的配置、空间IP网际元素的管理和端端的安全协议与技术，以及在工程运行、管理实践和可操作特性等方面的研究。

当然还包括PDU的格式和传递业务基元。

IPoverCCSDS将使空间和地面采用一致的网络协议，可以实现天基网络与地基网络的无缝连接。

　　本文介绍了近年来CCSDS致力于天地一体化中互连、互通和互操作的无缝连接与透明的实现方法，CCSDS推荐的IP数据报通过CCSDS链路层的传递做法。

也体现了CCSDS尽可能地使用地面商业互联网协议和COTS产品来实现基于IP的空间网络通信的想法。

　　二、IPoverCCSDS实现方法

　　如前述，为了融合卫星通信网络和地面互联网络，迄今CCSDS已经发布了能支持IP报传递的SCPS系列、Proximity-1空间链路协议、SLE等标准。

但是始终缺少在航天器上和航天器外均能实现IP通过CCSDS空间数据链路层的协议进行传递应用的明晰而细化的实践规范，以便真正实现天地一体化透明地互连、互通和互操作。

　　通常，IP数据报通过CCSDS空间链路（空-空双向、空-地双向）协议进行传递的方法可以有几种选择：

　　1、直接将IPv4、IPv6数据报置入一个或多个CCSDS数据链路帧之内或者以其他的CCSDS确认包来复用它们。

这一选择使用了CCSDSAOS的虚拟信道包（VCP）、遥控VCP、遥控复用器接入点（MAP）包（MAPP）的传递业务；

　　2、利用用户提供的串联数据流封装IPv4、IPv6数据报。

将要传递的IPv4、IPv6数据报作为串行8位字节数据流置入CCSDS空间链路帧内。

这一选择使用了CCSDSAOS虚拟信道接入（VCA）或遥控MAP接入（MAPA）传递业务；

　　3、利用CCSDS封装业务来传递IPv4、IPv6数据报。

将要传递的IPv4、IPv6数据报一一封装到CCSDS的封装包内，在一个或多个CCSDS空间数据链路帧中直接传递封装包。

这一选择使用了CCSDS封装（ENCAP）业务；

　　由于2、3都是封装，因而可合并成2种选择（图1a、图1b）：

　　1）、CCSDS空间链路数据层协议能在CCSDS所有版本内直接支持IPv4数据报而无需任何中介融合层。

CCSDS已经定义了一个支持IPv4报在CCSDS空间链路上传递的业务表列。

CCSDS数据链路协议支持两类IPv4报的传递，即属于主信道的和虚拟信道的。

由于用户只能用CCSDS虚拟信道复用不同的数据包类型，因而红皮书仅关心虚拟信道的传递。

红皮书的主要目的就是推荐最合适于IPoverCCSDS链路传递的业务。

本方法是将非压缩的IPv4数据报直接置入CCSDS传递帧内，通过CCSDS空间数据链传递。

此时，仅使用IPv4数据报头未压缩的IPv4数据报。

IPv4数据报头的长度域是用于支持在传递帧之中来界定IPv4数据报。

亦即在一个或多个CCSDS空间数据链路帧之内独立传递未经压缩的IPv4数据报或者以其他CCSDS确认包复用未压缩的IPv4数据报。

这一选择使用了CCSDSAOS、TM、TC或Proximity-1虚拟信道包（VCP）业务或者TC复用器接入点包（MAPP）传递业务；

图1a.IPoverCCSDS数据链路的选择

　　2）、将有压缩头的或非压缩的IPv4数据报或IPv6数据报利用CCSDS封装服务一一置入CCSDS封装包内。

然后直接将封装包传递入一个或多个CCSDS空间数据链传递帧之内。

本方法通过CCSDSAOS、TM、TC或Proximity-1虚拟信道包（VCP）业务使用了CCSDS封装（ENCAP）业务。

对于压缩的IPv4数据报头由于其长度域不再能用于界定数据报，这样就只能选用本方法。

因而，本方法要在封装包头部提供各封装包的长度。

对于IPv6，不管是否压缩本方法总能使用。

这是因为IPv6数据报没有为CCSDS确认的包版本号（PVN）。

然而，当项目为了简化而在全部压缩和非压缩的RF链路中均选择使用一个协议栈时，本方法就不能规避用户同时使用压缩的和非压缩的IPv4数据报。

图1b.IPoverCCSDS数据链路的选择

　　进一步的研究表明，最新的IPoverCCSDS空间链路红皮书（CCSDS702.1-R-4）所推荐的选择是一种（图2）

图2.推荐的在CCSDS数据链路传递IP的方法

　　亦即，实现IPoverCCSDS的方法是在各个IP_PDU中预先考虑CCSDSIP延伸（IPE）字节（参见链路标识符CCSDS135.0-B-4），再逐一封装到CCSDS封装包中（参见封装业务CCSDS133.1-B-2），并在一个或多个CCSDS空间数据链路传递帧之内直接传送这些封装包，这一方法推荐作为CCSDS_IPE标识与定义的全部IP_PDUs在AOS、TC、TM或Proximity-1_VCP业务中使用。

例如：

CCSDS的封装业务是预先在要以IP报传递的有效载荷业务数据单元（SDU）加上一个头，当然SDU可以变长度也可不变长度。

头长度可以是1、2、4或8字节并由3，4，6或7域所组成的。

（表1）

表1：

CCSDS封装头

　　表中，协议ID‘000’表明是总长度为1字节的空封装包，协议ID‘010’表明封装是有IPv4或IPv6的IP包，而协议ID‘100’则表明是CCSDS以前恢复的和现在保留的IPv6包。

　　使用IPoverCCSDS还取决于一些习惯的数据链路协议，譬如说多协议的帧中继（MPoFR）允许信号信息在邻近的COTS路由器之间存在透明的通道以完成路由器的逐跳（hop-by-hop）的IP头压缩（IPHC）（图3）。

IP头压缩给小包带来了性能改善，星座计划的VoIP研究证实了这一点。

对此，如前述，CCSDS采取了称之为CCSDSIP延伸（IPE）技术的新标准（空间链路标识符CCSDS135.0-B-4的A附录），从IP网络层通过空间数据链路层的底层以兼容这样的信号信息通道。

IPE使用一个或可选的多于一个的‘充填字节’来延伸CCSDS封装包头，以便允许用于IP的分支协议能解复用。

类比于串联链路的PPP协议域或以太网中的以太类型域。

在用于标识的IPE存在若干可能的辅助协议时，最近修改了蓝皮书以限制特有的IPE充填字节列举到IPv4或IPv6，以及不同的IP压缩头格式。

先于IP包在封装包头之后立即放置IPE充填字节。

不把充填字节考虑成封装包头部分。

应用IPE处理IP包要先于预先加上充填字节的封装业务，而后才成为整个封装包的部分。

图3.IPE头

　　三、业务接口

　　业务接口就是业务用户方和业务提供方之间的接口。

业务用户方在业务接入点（SAP）接入传递业务，业务提供方在空间链路上执行传递数据单元的业务。

用户向接入点SAP包输入提供按IPE定义的IP_PDU及其附属的链路层路由信息（即空间数据链路协议通道SDLP_Channel）（图4a），链路层寻址是用链路层标识符的层次体系（亦即SDLP_Channel）和图5所示的通道来解释。

每一个CCSDSIP传递业务的完整描述可参见IPoverCCSDS空间链路红皮书的业务基元章。

因而，IP的业务接口边界就是CCSDS封装业务的业务接入点（SAP）。

图4a.CCSDSIP传递业务接口图

　　为了IP_PDU能在CCSDS空间链路传递，在输入到业务提供方时，业务用户方提供适当的数据单元穿越链路层的地址。

对于所有的CCSDS空间链路层协议，这个链路层地址的通用名词称为‘SDLP_Channel’，基于CCSDS数据链路层协议底层业务来定义SDLP_Channel参数的内容：

　　1）对于TM、TC或AOS的VCP服务：

全局虚拟信道ID（GVCDID）；

　　2）对于TC的复用接入点包（MAPP）业务：

GVCID和MAPID；

　　3）对于邻近航天器（Proximity-1）：

传递帧版本号（TFVN），航天器版本标识（SCID），物理通道标识（PCID），数据域结构标识（DFC_ID）和端口标识（Port_ID）

　　对于VCP数据传递业务，用户提供GVCID。

GVCID是由TFVN、SCID和VCID域在CCSDS数据链路层协议的传递帧头部之内级联而成。

通过指定GVCID，用户在专门的VCID上对专门的TFVN或者对专门的SCID分配帧的内容。

对于MAPP传递业务，用户提供全局MAPID或GMAPID。

GMAPID是GVCID和MAPID的级联。

MAPID支持MAP通道在某给定虚拟通道上的复用以提供复用的附加水平。

此外，MAPP业务能处理段和大于传递帧数据域最大传输单元的数据报的再装配。

MAP通道只受TC空间数据链路协议支持。

（图5）

图5.用于SDLP_channel参数中的标识符和通道

　　四、推荐的CCSDSIP传递业务

　　实际推荐的传递方法就是使用CCSDSIPE加封装业务在CCSDS空间链路上传递由空间链路标识符附录A（CCSDS135.0-B-4.）所列举的IP_PDU，预先在IP_PDU中考虑CCSDSIPE头，然后将结果一并加入到CCSDS封装业务（CCSDS133.1-B-2）定义的封装包中。

业务用户向IP_PDU_SAP输入IP_PDU及其附属的链路层地址。

取决于要封装的IP_PDU的大小和所用的CCSDS数据链路层协议，封装包可以分成若干个CCSDS传递帧。

跨CCSDS空间链路传递IP_PDU的CCSDS封装业务是专有的CCSDS业务（表2）。

表2：

。

推荐的CCSDSIPv4传递业务

　　封装包流向由SDLP_channel所指定的CCSDS数据链路层包业务接入点（SAP）。

SDLP_channel的形成取决于使用哪个CCSDS空间数据链路协议，例如：

对于AOS，使用与TFVN（AOS是‘01’）、SCID和VCID相级联的GVCID。

一般，使用CCSDS空间数据链路‘包业务’是由于提供长度可变的封装包的非同步流这一原因。

在固定长度传递帧情况下，例如：

AOS，‘包业务’提供分段并将可变长度的封装包重新装配成固定长度的帧。

　　在向系统提供输入的IP包时，可能会产生空隙，可以插入空的数据来保持空间数据链路的连续（例如AOS情况），不过要注意这样会带来的不兼容性或差的性能效率。

　　五、复用业务数据单元

　　如何识别CCSDS业务数据单元，亦即对于各个CCSDS空间数据链路协议，其CCSDS空间包、SCPS-NP报、插入封装包，并在传送端复用，而在接收端分路，提取和路由的过程中怎样识别。

表3提供了各个CCSDS数据链路层协议的主要特点的执行概要。

表3：

.CCSDS链路层协议的主要特点

　　以CCSDSAOS空间数据链路为例（TC、TM、Proximity-1类似）讨论业务数据单元（SDUs）是怎样输入到AOS帧的，在输出处是怎样提取的以及怎样在AOS帧之内复用的。

AOS协议无需ARQ就能用于相对高速的正/反向的链路传输（图6）。

当一个数据源在CCSDS封装包（ENCAP）之内正产生包含逐一的IPv6

图6.CCSDSAOS帧复用SDU

　　数据报时，第二个数据源正并发地产生CCSDS空间包。

CCSDS为这些SDUs中的2个以2种不同的方法提供在同一个主信道上的复用能力。

图6示的选择1是给各个SDU类型（亦即CCSDS空间包，封装包）分配唯一的VCID，为了在地面接收站能直接分出并路由出这些数据，可以分配不同的VCIDs。

另一种同样可行的是选择2（图6没有），它是同时给2个SDU类型分配单一的一个VCID，并在其上复用空间包和封装包。

由于各个SDU在包头中有基于其包版本号（PVN）所定义的长度域，因而接收系统就能从帧当中提取出SDUs。

　　六、其它

　　关于各个AOS、TC、TM、Proximity-1的传递帧PDU的数据格式，封装包结构，互联网协议延伸（IPE）以及业务基元等，由于版面限制，这里不再赘述，有兴趣者可以参见IPoverCCSDS空间链路红皮书（CCSDS702.1-R-4）。

　　七、结束语

　　无论是近地空间探测还是深空探索，首先要解决能够天地一体化的互联、互通和互操作的通信问题。

本文根据CCSDS_SIS_IPO工作组的研究，对IPoverCCSDS空间数据链路的概念，实现方法，要素，业务接口，复用等进行了解析，以便协助进一步理解和实现基于IP（IPv4或IPv6）的空间网络框架，这些对于我国空间探索的发展应该是有参考价值的。

但是，为具体的IPoverCCSDS的应用与部署而开发的硬件与软件原型以及开发通过CCSDS空间数据链路的通信IP包所需要的功能部件，例如：

使用COTS路由器，还需要经过案例演示和互操作测试验证。