CCSDS空间通信协议及其与互联网通信协议的比较.docx
- 文档编号:6565188
- 上传时间:2023-01-07
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:99.53KB
CCSDS空间通信协议及其与互联网通信协议的比较.docx
《CCSDS空间通信协议及其与互联网通信协议的比较.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《CCSDS空间通信协议及其与互联网通信协议的比较.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
CCSDS空间通信协议及其与互联网通信协议的比较
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。
衷1SCPS与TCP/IP衽OSIti?
型中的关系
TCP/JP
SCPS.
应川L3
FTP.HTTP,rdncl^f
SCPS—FF或其他应用协议
农示JS
含话JK
传输层
TCP/UDP
SCPS-TP
IP,ICMP.
SCPS-SP
链路
CCSDSfiS路
物现层
页頻与MM系嗽悲禽鶴
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)—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
提岀的空间通信协议规范(SCPS)和CCSDS^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/I
P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。
*2口TQP/n”的比较
别
功他
1SCPS
TCP/IP
网
芮.低
功能
时山人殂护<xJj
檢块化’別他讨讯
-.
毕IX分
_!
£他
MH文(SCMF)及安金+办汶(SCl^SP)
传
阿Kt
充金对a#尽町ffil珂
TCP:
町枷unp,瑕小可徹
爭L制
不问晰闪采川斗同空代饿略(VJ
VJ
亦认
滩抑n杏建确认(SCVAC:
K>
ACK
兀他
TCP报火』丘縱”斑口血农”叨1I-.[叫饶炸5记诫血艸佈示.门M織祐等
—
用
功他
自劝文阳见*人工佃输擁删*门动代拗
也立榊啊你讥眾氐聞
斤帰技网
>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)模型中的关系如表丨所示。
1.SCPS
1999年由CCDSSI岀的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。
空何轿貉
ffliscPs^JS^Kfim的蟹霁
地h-qtM
中BSl^aH1
www®tech.com
>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T
CP/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乍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-V
egas)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-Vega
s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T
CPo
――SCPS-VJ与SCPS-Vegas在低误码率信道(BER=0-10-6)上表现相似。
一一在高误码率信
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-Vegaso
――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/s
cps上还有关于该协议更多的文献与信息以供查询。
表3CPDP与TCIVIP在OSI模型中的关系
OSI模W
TCP/IP
CFDP
应用层
FTF、HTTP、
Ielnet^?
CFDP
表示层
会话层
传输层
ICP/UDP
】F\ICMP,IGMP^
多种网络层协议
(UDI7IF、X.25,
CCSDS包等)
链路层1
链路
物理层
対频与岡制系统0鶴魁辄黯
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CFDPCFDP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
>端到端通过一个中继点连接
>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(EF
B),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。
TP)。
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(Ml
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(NoACK)、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中可以看岀,CFDP相对于其他协议的有以下优点:
功能
FTP
CFDP
传输剤象
打包文件
文件(打包或未打包)
底层协议
TCP
UDP/1P.X25,
CCSDS包协议或冀他包协议
OSI模型中
所处肚
应用丿2
应用层+传输
层
连接方式
而向连接
面向传輸
传输方式
通过互联网路由的mm输
通过多个传输中介的端到端传输
包大小
可变
可变
接传输
不能:
能
能否背停、续传
不曉「
能
不应该发生
可容忍
应答方式
取决于底层TCP应答方式
可选择五种不
www.81tecKcom
>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
TCP/IP改进协议表现岀明显优势,加之
天地一体化通信要求发展统一的空间通信协议,使得它的各种改进协议成为空间通信统一协议的首选。
成功地满足了空间通信从网络层到应用层的特殊需要,任务,较互联网通信协议及其它们很有可能成为空间通信的标准协议
TCP/IP系列协议在地面通信中的成功应用
CCSDS所制定的SCPS和CFDP与TCP/IP
可以高可靠、高效率地完成各类空间通信
CCSDS勺不断努力,它
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- CCSDS 空间 通信协议 及其 互联网 比较