李少賓，張亞生，宋春曉

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊050081）

1 引言

我國航天測控通信最初采用不同的獨(dú)立載波系統(tǒng)完成遙測、遙控和通信，目前已發(fā)展為單載波的統(tǒng)一S頻段測控通信系統(tǒng)，多數(shù)航天任務(wù)中天地信息傳輸采用點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，使用簡化的HDLC協(xié)議，測控?cái)?shù)據(jù)和有效載荷數(shù)據(jù)采用不同的物理信道傳輸，遙測遙控?cái)?shù)據(jù)多采用PCM格式，部分高速有效載荷的數(shù)據(jù)傳輸采用了CCSDS（空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會）建議。

隨著我國載人航天、深空探測等航天任務(wù)和活動的增多，傳統(tǒng)的測控通信系統(tǒng)已很難滿足當(dāng)前及未來的需求。天地間交互式操作增多，有效載荷數(shù)量增加，執(zhí)行任務(wù)呈現(xiàn)多樣化和長期化趨勢，對天地通信提出了更高的要求。因此，天地一體化信息傳輸系統(tǒng)的研究和建設(shè)對我國航天任務(wù)中天地通信起著至關(guān)重要的作用。

當(dāng)前空間通信的發(fā)展趨勢是與地面網(wǎng)融合，建立天地一體化的信息傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空間通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)的綜合利用。但目前空間通信和地面通信為兩個相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行著各自的通信協(xié)議，由于體系結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議的不一致給天地一體化信息傳輸帶來了諸多障礙，而未來的空間任務(wù)需要端到端天地一致的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。TCP/IP協(xié)議已成為地面通信網(wǎng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，若空間通信采用此協(xié)議，可使天地間的通信系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)層開始采用基本一致的協(xié)議實(shí)現(xiàn)一體化的端到端通信，不但可以有效利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施，而且可以利用現(xiàn)有的地面網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品，使空間任務(wù)的成本大幅度降低。天地一體化信息傳輸系統(tǒng)需要在地面網(wǎng)與空間通信網(wǎng)中部署IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)以實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議與CCSDS協(xié)議間的相互轉(zhuǎn)換以及地面網(wǎng)和空間通信網(wǎng)間的互聯(lián)互通。

本文在借鑒IP over CCSDS Space Links等相關(guān)CCSDS建議草案[1]的基礎(chǔ)上，提出一種IP over CCSDS協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法，并在Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中實(shí)現(xiàn)了在CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路之上傳輸IP數(shù)據(jù)包，并通過試驗(yàn)對IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了測試與驗(yàn)證，給出了工程應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)建議。

2 IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)應(yīng)用場景和協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)分析

圖1為本文所假設(shè)的未來天地一體化信息傳輸系統(tǒng)在天地測控通信中的典型應(yīng)用場景，空間站或其他航天器可直接與地面測控通信網(wǎng)通信，也可通過中繼星與地面測控通信網(wǎng)通信，后者適用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。如圖2所示，IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)可部署在空間通信網(wǎng)和地面測控通信網(wǎng)間，其中空間通信網(wǎng)可為空間站的內(nèi)部網(wǎng)，也可為多航天器組成的空間通信網(wǎng)，空間通信網(wǎng)和地面測控通信網(wǎng)均為TCP/IP網(wǎng)。

天地一體化信息傳輸系統(tǒng)中地面通信網(wǎng)與空間通信網(wǎng)間IP over CCSDS協(xié)議轉(zhuǎn)換主要有兩種實(shí)現(xiàn)思路：一種是基于CCSDS，修改相關(guān)的協(xié)議使之適應(yīng)IP數(shù)據(jù)包的傳輸[10，11]；一種是將空間特性盡可能地壓縮到CCSDS的物理層和鏈路層，在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層間實(shí)現(xiàn)IP和CCSDS的協(xié)議轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)層及其以上各層沿用地面網(wǎng)協(xié)議。前者要求對現(xiàn)有協(xié)議進(jìn)行修改，限制了其適應(yīng)性。后者的典型代表是CCSDS提出的IP over CCSDS Space Links紅皮書建議草案[1]，此建議為航天器和地面系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)在CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路之上傳輸IP數(shù)據(jù)包提供了指南，具有廣泛的適應(yīng)性，本文的研究遵循該建議草案。

本文所提出的IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)工作于網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層之間，其數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議轉(zhuǎn)換是雙向的，由IP數(shù)據(jù)包到CCSDS空間鏈路數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換過程，CCSDS空間鏈路數(shù)據(jù)幀到IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換過程以及路由尋址機(jī)制三個主要過程組成。網(wǎng)關(guān)間通過同步接口連接射頻調(diào)制子系統(tǒng)，通過射頻調(diào)制子系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的天地鏈路傳輸，將IP和ARP數(shù)據(jù)包直接封裝到CCSDS數(shù)據(jù)幀中通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸，地面測控通信網(wǎng)和空間站內(nèi)部網(wǎng)均為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，由IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議與CCSDS空間通信協(xié)議間的相互轉(zhuǎn)換以及空間通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)間的路由尋址，以實(shí)現(xiàn)空間通信網(wǎng)和地面測控通信網(wǎng)間的一體化數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 天地一體化信息傳輸系統(tǒng)應(yīng)用場景

圖2 IP over CCSD網(wǎng)關(guān)部署示意圖

為在CCSDS空間鏈路之上傳輸IP包，IP over CCSDS Space Links建議[1]提出了兩種方法：①將無壓縮的IPv4數(shù)據(jù)包直接放入到CCSDS傳輸幀中進(jìn)行傳輸（見圖3中的方法1）。②使用CCSDS封裝服務(wù)，將壓縮的或無壓縮的IPv4或IPv6數(shù)據(jù)包放入到CCSDS封裝分組中（見圖3中的方法2）進(jìn)行傳輸。本文的研究采用前一種方法。

圖3 在CCSDS空間鏈路之上的傳輸IP數(shù)據(jù)包

天地一體化信息傳輸系統(tǒng)中，需要IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議和CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及空間通信網(wǎng)和地面通信網(wǎng)間的路由尋址。如圖4所示，由于網(wǎng)關(guān)間進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，因此可將IP和ARP數(shù)據(jù)包直接封裝到CCSDS數(shù)據(jù)幀中通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸。地面通信網(wǎng)和空間通信網(wǎng)均為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，其中LINK指TCP/IP網(wǎng)的鏈路層協(xié)議，PHY指TCP/IP網(wǎng)的物理層協(xié)議。由于將ARP數(shù)據(jù)包直接封裝到CCSDS幀中，由ARP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間的路由尋址對網(wǎng)關(guān)是透明的，因此關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議和CCSDS空間鏈路協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。

圖4 天地一體化信息傳輸系統(tǒng)的協(xié)議層次圖

3 IP協(xié)議與CCSDS AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的轉(zhuǎn)換

CCSDS定義了四類空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議：遙測（TM）、遙控（TC）、高級在軌系統(tǒng)（AOS）和臨近空間（Prox-1）數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議。CCSDS各類空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議均有自己適用的場合，AOS適用于高速的上行和下行鏈路，可服務(wù)于空—空和空—地測控通信系統(tǒng)，同時雙向傳輸數(shù)據(jù)、語音、圖像、視頻、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、遙控、遙測等不同信息，滿足高速率、大容量、多用戶的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸要求。AOS逐漸成為大部分空間任務(wù)的主要選擇，各航天大國都在逐步采用AOS空間鏈路協(xié)議，國際空間站亦已部分采用了AOS業(yè)務(wù)。構(gòu)建天地一體化高速信息傳輸系統(tǒng)，需要使用AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議。因此，本文的研究主要關(guān)注于CCSDS AOS空間數(shù)據(jù)鏈路之上IPv4數(shù)據(jù)包的傳輸。

3.1 傳輸幀的結(jié)構(gòu)與尋址機(jī)制

本文中所采用的AOS傳輸幀結(jié)構(gòu)如圖5所示，傳輸幀的長度為1115個字節(jié)（由同步和信道的編碼方式確定[8][9]）。其中傳輸幀主首部為6字節(jié)，由主通道標(biāo)識符（10位，包含傳輸幀版本號（TFVN）和航天器標(biāo)識符（SCID）兩個部分），虛通道標(biāo)識符（6位，VCID），虛通道幀計(jì)數(shù)（3字節(jié)）和信令字段組成（1字節(jié)）組成；傳輸幀的數(shù)據(jù)字段緊跟在主首部之后，包括復(fù)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（M_PDU）首部（2字節(jié)）和復(fù)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元分組區(qū)（1105字節(jié)）兩個部分。采用AOS空間數(shù)據(jù)鏈路的分組服務(wù)，不支持插入服務(wù)，傳輸幀中無插入?yún)^(qū)域字段；不支持幀首部差錯控制字段，使用幀差錯控制字段保護(hù)整個傳輸幀。

利用虛通道分組（VCP）服務(wù)在CCSDS AOS空間鏈路之上傳輸被封裝到AOS幀中的IP包，虛通道分組服務(wù)通過全局虛通道標(biāo)識符（GVCID=TFVN+SCID+VCID）尋址，而網(wǎng)絡(luò)層IP的尋址需要進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，TCP/IP網(wǎng)中IP地址和鏈路層地址的轉(zhuǎn)換通過ARP和RARP協(xié)議進(jìn)行，需要將ARP數(shù)據(jù)包封裝到AOS幀中在CCSDS AOS空間鏈路之上進(jìn)行傳輸，以便于接收端根據(jù)ARP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層的地址轉(zhuǎn)換和尋址。

圖5 AOS傳輸幀結(jié)構(gòu)

3.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

在Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層之間，將來自網(wǎng)絡(luò)層的ARP和IPv4數(shù)據(jù)包封裝到CCSDS AOS幀中進(jìn)行傳輸。ARP數(shù)據(jù)包的長度通常比IPv4數(shù)據(jù)包的長度小，ARP請求和應(yīng)答的數(shù)據(jù)包數(shù)量相對也要少。與IPv4數(shù)據(jù)包相比，ARP數(shù)據(jù)包是低速數(shù)據(jù)；另外，為方便網(wǎng)關(guān)中AOS幀的封裝和拆封，在實(shí)現(xiàn)上，ARP和IPv4放入不同的虛通道進(jìn)行傳輸。例如，ARP數(shù)據(jù)包的傳輸占用一個固定的0號虛通道，直接封裝到AOS幀進(jìn)行傳輸。IPv4數(shù)據(jù)包在其他虛通道中進(jìn)行傳輸。

在發(fā)送端，采用skb（套接字緩沖區(qū)）隊(duì)列實(shí)現(xiàn)IP包和CCSDS AOS幀間從變長數(shù)據(jù)包到定長數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換，將承載IPv4數(shù)據(jù)包的skb入隊(duì)，并由定時器控制skb的出隊(duì)成幀過程，通過拼接和分割將IPv4數(shù)據(jù)包封裝到CCSDS AOS傳輸幀中。如圖6（a）所示，IP數(shù)據(jù)包到CCSDS AOS空間鏈路數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換過程包括以下步驟：

①初始化定時器和數(shù)據(jù)幀發(fā)送計(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)幀發(fā)送計(jì)數(shù)器初始值置為0，定時器的初始值設(shè)置為合適的閾值，以降低協(xié)議轉(zhuǎn)換過程對傳輸?shù)难訒r影響；

②不間斷地將來自網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)包放入到緩沖區(qū)隊(duì)列中進(jìn)行排隊(duì)；

③在定時器時間到時，從緩沖區(qū)隊(duì)列中取出IP包，按照CCSDS AOS數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū)長度對IP包進(jìn)行分割和拼接以形成定長的數(shù)據(jù)塊；

④將定長數(shù)據(jù)塊作為CCSDS AOS數(shù)據(jù)幀的有效載荷放入到數(shù)據(jù)區(qū)，將幀發(fā)送計(jì)數(shù)器的值作為虛通道幀計(jì)數(shù)字段的值；幀發(fā)送計(jì)數(shù)器的值按遞增順序依次累加，達(dá)到計(jì)數(shù)器最大值時從0重新開始計(jì)數(shù)；

⑤為CCSDS AOS數(shù)據(jù)幀的其他字段賦值，計(jì)算CRC校驗(yàn)和作為數(shù)據(jù)幀差錯控制字段的值，組裝成完整的CCSDS AOS幀，并將CCSDS數(shù)據(jù)幀傳遞給網(wǎng)關(guān)的同步接口進(jìn)行發(fā)送；

⑥重復(fù)②，③，④，⑤直到緩沖區(qū)隊(duì)列為空，并重置定時器。

若在⑥中處理到緩沖區(qū)隊(duì)列為空時，仍然有剩余IP包數(shù)據(jù)，可將剩余數(shù)據(jù)放入到CCSDS AOS幀的數(shù)據(jù)區(qū)，并對不夠長度的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行填充。

在接收端，從網(wǎng)關(guān)的同步接口接收CCSDS AOS數(shù)據(jù)幀，并由同步口驅(qū)動程序?qū)CSDS AOS數(shù)據(jù)幀承載到內(nèi)核的skb結(jié)構(gòu)中，并將接收到的CCSDS AOS數(shù)據(jù)幀放入到緩沖區(qū)中排隊(duì)，不斷掃描緩沖區(qū)拆封出IP包。如圖 6（b）所示，CCSDS AOS空間鏈路數(shù)據(jù)幀到IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換過程包括以下步驟：

圖6 IP包到CCSDS AOS幀的相互轉(zhuǎn)換過程

①初始化本地?cái)?shù)據(jù)幀接收計(jì)數(shù)器，將其初始值置為0；

②不間斷從同步接口接收CCSDS AOS數(shù)據(jù)幀；

③計(jì)算數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)和，并與幀差錯控制字段比較，若校驗(yàn)不一致，則說明CCSDS AOS數(shù)據(jù)幀出錯，則丟棄；否則，進(jìn)行下一步驟。

④本地幀接收計(jì)數(shù)器的值按遞增順序依次累加，達(dá)到最大值時從0重新開始計(jì)數(shù)；從CCSDS AOS數(shù)據(jù)幀中提取虛通道幀計(jì)數(shù)字段值作為數(shù)據(jù)幀編號與本地的幀接收計(jì)數(shù)器值進(jìn)行比較：若幀號小于本地幀計(jì)數(shù)，說明接收到了重復(fù)幀，丟棄；若幀號大于本地幀計(jì)數(shù)，說明傳輸過程中幀丟失，則修復(fù)本地接收幀計(jì)數(shù)器的值，將其置為當(dāng)前所接收幀的編號值；

⑤拆封CCSDS AOS幀，將數(shù)據(jù)區(qū)的有效載荷放入到接收緩存區(qū)隊(duì)列；

⑥掃描接收緩存區(qū)，從中不斷解析出IP包，并向網(wǎng)絡(luò)層遞交IP包；

⑦不斷重復(fù)過程②，③，④，⑤，⑥。

將來自IP網(wǎng)的ARP數(shù)據(jù)包直接封裝到CCSDS空間鏈路數(shù)據(jù)幀中并通過同步接口傳遞到對端網(wǎng)關(guān)；在對端網(wǎng)關(guān)，直接拆封出ARP數(shù)據(jù)包；過程類似于IP數(shù)據(jù)包和CCSDS空間鏈路數(shù)據(jù)幀的相互轉(zhuǎn)換過程，但無需對ARP數(shù)據(jù)包執(zhí)行拼接和分割過程，而是直接進(jìn)行封裝和拆封，因此CCSDS數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū)需要填充。CCSDS空間鏈路數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)關(guān)間是點(diǎn)到點(diǎn)傳輸?shù)模珹RP協(xié)議所實(shí)現(xiàn)的地址翻譯和路由尋址對網(wǎng)關(guān)是透明的。

4 試驗(yàn)與分析

本文的IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)在PowerPC MPC8548嵌入式硬件平臺上實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)對外提供千兆以太網(wǎng)接口，網(wǎng)關(guān)間用高速同步接口互連。使用斯伯倫Test Center網(wǎng)絡(luò)測試儀進(jìn)行RFC2544吞吐率測試，1500字節(jié)的單向IP傳輸吞吐率可達(dá)600Mbps，46字節(jié)的單向IP傳輸吞吐率可達(dá)200Mbps。

4.1 丟幀影響分析

試驗(yàn)表明，對于網(wǎng)關(guān)間短時失步和少量丟幀，可通過虛通道幀計(jì)數(shù)器重新同步。通常情況下，空間數(shù)據(jù)鏈路的丟幀或誤碼對協(xié)議轉(zhuǎn)換和網(wǎng)關(guān)間的同步帶來的影響可以忽略不計(jì)，但嚴(yán)重情況下會對網(wǎng)絡(luò)層及其上層數(shù)據(jù)的傳輸帶來沖擊，例如當(dāng)連續(xù)丟幀時，僅僅依靠虛通道幀計(jì)數(shù)器很難重新快速同步，會導(dǎo)致IP丟包效應(yīng)擴(kuò)大化。分析如下：假設(shè)到來的IP包長度較短，則在一個CCSDS幀中會被封裝多個連續(xù)的IP包，若當(dāng)前第i個CCSDS幀丟失，如圖7所示：

圖7 AOS傳輸幀示意圖

則在接收端，無法恢復(fù)出第k個IP包，同時第k+1個IP包被丟棄，則第k+2個IP包也無法恢復(fù)出來，間接影響到第i-1和i+1個AOS幀的正確拆封，不能正確拆封的數(shù)據(jù)幀必須主動丟棄，因此多個IP包的接收會受到影響。

網(wǎng)關(guān)間高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸依賴于低層的編碼同步和糾錯機(jī)制，鏈路信道質(zhì)量惡化時，會導(dǎo)致大量丟幀繼而出現(xiàn)IP丟包效應(yīng)擴(kuò)大化的現(xiàn)象。另外，當(dāng)IP包突發(fā)數(shù)據(jù)量超出網(wǎng)關(guān)同步接口的設(shè)計(jì)能力時，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，網(wǎng)關(guān)不能及時進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而導(dǎo)致連續(xù)丟幀時，容易出現(xiàn)IP丟包效應(yīng)擴(kuò)大的現(xiàn)象。為此，建議在網(wǎng)關(guān)同步接口設(shè)計(jì)速率固定的情況下，對協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中從以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)給同步接口的的數(shù)據(jù)流量作出限制，防止出現(xiàn)擁塞；盡可能提高信道的質(zhì)量，CCSDS建議由物理信道誤碼造成的幀差錯概率低于1×10-7，在此物理信道傳輸，誤碼丟幀的概率非常低，誤碼丟幀通常是可以快速恢復(fù)的，帶來的影響也是可以忽略不計(jì)的。

4.2 影響吞吐率的因素

在CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路之上傳輸IP數(shù)據(jù)包的方法要求網(wǎng)關(guān)對IP包進(jìn)行分割和拼接以組成CCSDS數(shù)據(jù)幀，并在接收到CCSDS數(shù)據(jù)幀之后進(jìn)行拆封，從而實(shí)現(xiàn)變長的IP數(shù)據(jù)包和定長的CCSDS數(shù)據(jù)幀之間的轉(zhuǎn)換，此過程實(shí)際上會將多個連續(xù)的IP包關(guān)聯(lián)起來，使它們之間形成了依賴關(guān)系。在發(fā)送端，對于長度較短的IP數(shù)據(jù)包，需要等待以拼接成一個CCSDS幀；對于長度較長的IP包，需要進(jìn)行分割，一個IP包分散到多個CCSDS幀中。在接收端，可能需要等待多個傳輸幀才能拆封出一個完整的IP包。發(fā)送端和接收端對IP包的分割和拼接處理過程不可避免會對端到端的傳輸性能帶來影響，這是由IP over CCSDS協(xié)議轉(zhuǎn)換本身所決定的。

假設(shè) IP包到達(dá)的頻率為 f，IP包長度為 x，CCSDS幀長為y（忽略幀開銷，假定幀長為數(shù)據(jù)區(qū)的長度），假定排隊(duì)待轉(zhuǎn)換成CCSDS幀的IP包在一次調(diào)度中能完成，則轉(zhuǎn)換的CCSDS幀數(shù)目z=［fx/y］，在隊(duì)列調(diào)度時延閾值時間范圍內(nèi)一次調(diào)度協(xié)議轉(zhuǎn)換能夠處理完隊(duì)列中所有的IP包。理論上，若幀長固定，到來的IP包頻率越高，包長越長，則轉(zhuǎn)換的CCSDS幀越多，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率就越大；若幀長固定，到來的IP包頻率越低，包長越短，轉(zhuǎn)換的CCSDS幀就越少，相應(yīng)地需要排隊(duì)等待的IP包就越多，幀中填充開銷就越大。在時延閾值T范圍內(nèi)，若幀長越短，則轉(zhuǎn)換的CCSDS幀數(shù)目就越多，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率就越大。

上述分析忽略了網(wǎng)關(guān)的同步接口速率和硬件平臺的協(xié)議處理能力。當(dāng)轉(zhuǎn)換的CCSDS幀數(shù)越多時，組幀和拆幀的處理開銷就越大，所帶來的時延就越大，容易超出一次調(diào)度的時延閾值。分析和測試表明，當(dāng)選擇的CCSDS幀長與到來的IP包長接近時較為合理，當(dāng)x接近y時，最好是一個CCSDS幀剛好存放下一個IP包，幀填充開銷較小，協(xié)議轉(zhuǎn)換對IP包進(jìn)行分割拼接以及CCSDS組幀和拆幀的處理開銷相應(yīng)地就較小，協(xié)議轉(zhuǎn)換的速率就越接近以太網(wǎng)口IP包的發(fā)送速率。

實(shí)際的通信網(wǎng)中IP包到達(dá)的頻率和包長是隨機(jī)的，不同業(yè)務(wù)應(yīng)用產(chǎn)生的IP包的頻率和包長沒有固定的模式，因此CCSDS幀長的選擇沒有一致的準(zhǔn)則。但在一次航天測控通信任務(wù)中，業(yè)務(wù)的種類和信息速率產(chǎn)生的模式通常是可預(yù)測的，CCSDS幀長度可選擇接近IP包的長度。另外，在網(wǎng)關(guān)中可區(qū)分不同業(yè)務(wù)的IP流，每類IP流對應(yīng)一個協(xié)議轉(zhuǎn)換的處理過程，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換過程的并發(fā)操作來提高協(xié)議轉(zhuǎn)換的吞吐率。例如，對于實(shí)時性要求高的IP流，可設(shè)置較小的時延閾值，以減少協(xié)議轉(zhuǎn)換處理所帶來的時延；而對于時延不敏感的非實(shí)時性IP流協(xié)議，可設(shè)置相對較大的時延閾值，以等待多個IP包組裝成CCSDS幀，以降低CCSDS組幀的填充開銷。

5 結(jié)論

本文主要針對天地一體化信息傳輸系統(tǒng)中IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)開展研究，參考了IP over CCSDS Space Links等相關(guān)建議，在Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中實(shí)現(xiàn)了IP協(xié)議與CCSDS AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，并通過試驗(yàn)對在AOS空間數(shù)據(jù)鏈路之上進(jìn)行IP傳輸進(jìn)行測試與驗(yàn)證，表明了利用IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)構(gòu)建天地一體化信息傳輸系統(tǒng)的可行性，工程應(yīng)用中可以IP over CCSDS Space Links建議作為IP協(xié)議和CCSDS空間鏈路協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)依據(jù)。

諸多因素會影響IP over CCSDS協(xié)議轉(zhuǎn)換的吞吐率，工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可從以下幾個方面做出選擇以提高協(xié)議轉(zhuǎn)換的效率：①設(shè)計(jì)盡可能高的同步接口速率，至少確保同步口接口的信息速率不低于網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)接口速率，否則對來自以太網(wǎng)的接口速率作出限制以避免擁塞造成的影響；②采用處理能力盡可能強(qiáng)的硬件平臺，降低協(xié)議轉(zhuǎn)換和組幀、拆幀所帶來的時延影響；③根據(jù)航天測控通信任務(wù)執(zhí)行過程中業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，選擇合理的CCSDS幀長度以提高協(xié)議轉(zhuǎn)換的幀效率，減少幀開銷；④區(qū)分不同種類業(yè)務(wù)的IP流，將同一類業(yè)務(wù)的IP包分配到同一虛通道上，不同的虛通道上協(xié)議轉(zhuǎn)換并行處理，以降低IP包和CCSDS幀協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中分割和拼接的時間開銷，減少不同類IP包間的關(guān)聯(lián)性，提高協(xié)議轉(zhuǎn)換的吞吐率；⑤CCSDS空間鏈路的底層采用編碼和糾錯機(jī)制以提供信道傳輸?shù)馁|(zhì)量，減少誤碼帶來的影響?！?/p>

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［2］ Information Technology—Open SystemsInterconnection—Basic Reference Model:The Basic Model.International Standard，ISO/IEC 7498-1.2nd ed.Geneva:ISO，1994.

［3］Overview of Space Communications Protocols.Informational Report.CCSDS 130.0-G-2.Green Book.Issue 2.2007 12.

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［5］Overview of Space Link Protocols.Report Concerning Space Data System Standards，CCSDS 130.0-G-1.Green Book.Issue 1.Washington，D.C.:CCSDS，2001，6.

［6］AOS Space Data Link Protocol.Recommendation for Space Data System Standards，CCSDS 732.0-B-2.Blue Book.Issue 2.Washington，D.C.:CCSDS，2006，7.

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［8］ TM Synchronization and Channel Coding.Recommendation for Space Data System Standards，CCSDS 131.0-B-1.Blue Book.Issue 1.Washington，D.C.:CCSDS，2003，9.

［9］TM Synchronization and Channel Coding—Summary of Concept and Rationale.ReportConcerningSpace Data System Standards，CCSDS 130.1-G-1.Green Book.Issue 1.Washington，D.C.:CCSDS，2006，6.

［10］李英玉.IP與CCSDS交換機(jī)制探討［D］.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，2002.

［11］楊曉劍.IP協(xié)議與CCSDS協(xié)議的轉(zhuǎn)換［D］.南京理工大學(xué)，2006.