鄒業(yè)楠，董振興，朱 巖

（1.中國科學院 國家空間科學中心，北京100190；2.中國科學院大學 北京100190）

基于CFDP標準的空間數(shù)據(jù)鏈路傳輸協(xié)議軟件實現(xiàn)

鄒業(yè)楠1，2，董振興1，2，朱 巖1

（1.中國科學院 國家空間科學中心，北京100190；2.中國科學院大學 北京100190）

當前我國衛(wèi)星數(shù)據(jù)的存儲和傳輸，仍采用位流的、不可靠傳輸方式。為了在特殊的空間環(huán)境下實現(xiàn)高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸，研究了空間數(shù)據(jù)咨詢委員會（CCSDS）提出的文件傳輸協(xié)議（CFDP）的傳輸機理，并以此為基礎(chǔ)，對CFDP協(xié)議在實際工程中應(yīng)用做了一些預(yù)先研究。提出了適用于星載大容量存儲器（Solid State Recorder，SSR）的類文件化管理系統(tǒng)，并采用FPGA與CFDP軟件相結(jié)合的方式實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存取。同時，結(jié)合特殊的空間數(shù)據(jù)傳輸鏈路，采用特殊的數(shù)據(jù)鏈路層同步碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步傳輸。最終實現(xiàn)星載大容量存儲器上的文件可靠傳輸。

深空通信；CCDSD文件傳輸協(xié)議；文件系統(tǒng)；同步傳輸

隨著衛(wèi)星任務(wù)需求的不斷增加，有效載荷對星載大容量固態(tài)存儲器（Solid State Recorder，SSR）的數(shù)據(jù)存儲管理及境內(nèi)載荷數(shù)據(jù)下行傳輸提出了更高要求。傳統(tǒng)的星載數(shù)據(jù)存儲和傳輸，采用不可靠的位流形式，不能很好的適應(yīng)一些高標準航天任務(wù)的數(shù)據(jù)要求，數(shù)據(jù)完整性也不能得到有效保障。

文中在類文件化管理的基礎(chǔ)上進一步整合出SSR動態(tài)文件管理系統(tǒng)［1］，提出了空間數(shù)據(jù)的文件化管理的方式，不僅降低了存儲數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，更加方便的實現(xiàn)對星載大容量存儲器文件的管理。依托現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)CFDP應(yīng)用軟件，驗證CFDP傳輸協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

1 CFDP協(xié)議簡介

核心CFDP［2］傳輸協(xié)議提供了類似FTP的傳輸機制，都采用ARQ自動請求重傳機制。與FTP不同的是CFDP可應(yīng)用于長延時、非對稱信道的深空傳輸環(huán)境。CFDP提供了標準的實體（entities）到實體的文件可靠傳輸方式。實體可以是航天器到地面控制中心，航天器到航天器，也可以是地面控制中心到航天器［3］。CFDP作為應(yīng)用層和傳輸層的傳輸協(xié)議［4］，獨立于底層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

CFDP協(xié)議實體收到用戶應(yīng)用程序發(fā)出的回放任務(wù)請求后，文件數(shù)據(jù)單元［5］（File Data Unit，F(xiàn)DU）被創(chuàng)建。FDU包括一個包含待傳文件名字、大小等文件信息的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Units，PDUs）——元數(shù)據(jù)PDU（Metadata PDUs），和一系列包含文件數(shù)據(jù)的文件數(shù)據(jù)PDU（FileData PDUs）。

CFDP給出了兩種類型的不同傳輸模式，分別為不可靠傳輸模式和可靠傳輸模式。在不可靠傳輸模式下，數(shù)據(jù)文件僅被傳輸一次，接收實體不對接收到的文件數(shù)據(jù)做出反饋。在可靠傳輸模式下，通過一系列的肯定確認（ACKs）、否定確認（NAKs）和定時器（Timers）來保證文件被接收實體完整正確的接收。CFDP應(yīng)用丟失檢測重傳機制來保證文件的完整性和正確性［6］，與傳統(tǒng)的ARQ機制不同的是，接收實體僅對傳輸出錯和傳輸丟失的PDU向發(fā)送實體反饋NAK，而不是對正確接收的PDU做ACK確認，ACK確認僅用于對EOF PDU和Finished PDU的確認，以此來降低協(xié)議信令的開銷。本文實現(xiàn)在可靠傳輸模式下傳輸文件，在文件數(shù)據(jù)PDU傳輸?shù)倪^程中，CFDP實體可對接收到的文件數(shù)據(jù)PDU的完整性做出判定，當檢測到有PDU丟失時，接收實體通過反饋鏈路給發(fā)送實體反饋丟失數(shù)據(jù)包信息NAK。CFDP給出了4種反饋NAK給接收實體的方式，分別為立即NAK（Immediate NAK）、延遲 NAK（Deferred NAK）、異步 NAK（Asynchronous NAK）和提示NAK（Prompted NAK）［7-10］?？紤]到實際協(xié)議實體在數(shù)據(jù)處理速度和長傳輸延時等方面的限制，本文采用延遲NAK方式。

航天器實體發(fā)送元數(shù)據(jù)PDU之后，接著將所有文件數(shù)據(jù)PDU依次發(fā)送，當所有文件數(shù)據(jù)PDU發(fā)送結(jié)束后，實體發(fā)送一個包含已發(fā)送文件大小和文件校驗和的EOF PDU。為了確保地面接收實體能夠收到EOFPDU，航天器實體在發(fā)送EOF PDU后啟動一個定時器，超時時間根據(jù)往返時延來確定。在超時時間內(nèi)若沒有收到地面實體發(fā)送的EOFACK，且重發(fā)次數(shù)沒有超過預(yù)設(shè)的門限值，那么發(fā)送實體對EOFPDU進行重發(fā)。完整的軟件設(shè)計流程圖如圖1所示。

圖1 軟件設(shè)計流程圖

地面實體接收到EOF PDU后，對沒有正確接收到PDU信息組織成NAK反饋給發(fā)送實體。為了確保發(fā)送實體收到NAK，接收實體在發(fā)出NAK后啟動一個定時器，當定時器超時后仍有PDU沒有接收到，再次發(fā)送NAK，并重啟定時器。

當?shù)孛鎸嶓w完整正確的接收到所有文件數(shù)據(jù)PDU后，反饋給航天器實體一個結(jié)束PDU（Finished PDU），標識請求發(fā)送的文件已經(jīng)全部完整的接收到，并啟動一個定時器。航天器實體反饋給地面實體一個Finished ACK，直到地面實體接收到FinishedACK，整個文件傳輸過程結(jié)束。

圖2 上行CFDPPDU

2 CFDP工程調(diào)整

在工程模型中包含兩個CFDP實體，分別為模擬航天器實體和模擬地面實體，考慮到實際應(yīng)用中長延時的特性，采用確認模式和延遲NAK方式。為了適應(yīng)工程約束的需要，減輕對星載CPU和內(nèi)存的負載，對CFDP按照工程定制做一些簡化［11］。

1）文件為單向傳輸，即從航天器到地面控制中心

2）UT（Unitdata Transfer layer）層采用CAN和LVDS，模擬遙測幀上行和傳輸幀下行

CFDP的UT層是特定于實現(xiàn)的，該模型簡化了無線功率放大傳輸?shù)氖瞻l(fā)模塊。包括上行的遙測控制幀和下行的傳輸數(shù)據(jù)幀。對于上行幀，PDU放置在CAN傳輸幀的數(shù)據(jù)域，航天器實體接收到CAN傳輸幀后，提取PDU，并路由給CFDP控制軟件，上行幀格式如圖2所示。

對于CFDP下行幀，復(fù)用底層AOS［12］傳輸幀，將CFDP PDU作為AOS傳輸幀的用戶數(shù)據(jù)，復(fù)用AOS傳輸幀導(dǎo)頭，并添加CFDPPDU同步導(dǎo)頭。下行幀格式如圖3所示。在地面實體接收到AOS幀后，提取CFDPPDU并路由給地面檢測軟件。

圖3 下行CFDPPDU

3 CFDP航天器實體工程軟件

考慮到航天器資源的限制，針對該模型僅實現(xiàn)CFDP核心功能，即實現(xiàn)從航天器實體到地面實體的單向文件傳輸。由于僅有文件下行，為了簡化設(shè)計，除去了航天器實體軟件的文件重構(gòu)功能，并采用可靠傳輸?shù)难舆tNAK方式。具體實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 CFDP航天器實體工程軟件

航天器實體CFDP軟件包括一個事務(wù)表，NAKs隊列，文件系統(tǒng)及回放任務(wù)。事務(wù)表存儲了待傳輸?shù)奈募男畔?，包括文件名，待回放文件部分。NAKs隊列存儲了待重傳的文件數(shù)據(jù)信息，當NAKs隊列有重傳請求時優(yōu)先處理回放請求。

當?shù)孛嫔献⒅噶畹竭_航天器實體時，首先喚醒命令解析任務(wù)。對于接收到的不同指令，啟動相應(yīng)的處理任務(wù)。

該模型支持的CFDPPDU包括以下幾種：

1）Request——提取回放文件信息存儲在事務(wù)表中，啟動回放任務(wù)

2）NAK——一個NAK PDU可能包含多個重傳請求，分別提取NAK放置在NAKs隊列中，每個重傳請求包括文件名，偏移量，等待回放任務(wù)調(diào)用。

3）EOFACK——停止對應(yīng)文件的EOF Timer

4）Finished——觸發(fā)程序發(fā)送ACK Finished

回放任務(wù)是CFDP的主要任務(wù)，空間探測的科學數(shù)據(jù)和工程遙測源包都需要經(jīng)回放任務(wù)下行到地面控制中心處理。當接收到回放指令后，將回放文件信息存儲到事務(wù)表中，啟動回放任務(wù)。當下行鏈路可用時，首先檢測是否有EOF和Finished ACK等待傳輸，如果有那么優(yōu)先傳輸他們。然后再檢測NAKs重傳請求隊列是否有重傳請求，傳輸?shù)却貍鞯奈募?shù)據(jù)幀。如果NAKs傳輸隊列也為空，那么開始回放文件數(shù)據(jù)［13］。

為了實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的可靠傳輸，采用與FPGA配合的方式完成數(shù)據(jù)讀取、組幀、回放。數(shù)據(jù)讀取以簇為單位進行。當軟件響應(yīng)回放信號產(chǎn)生的中斷后，根據(jù)中斷狀態(tài)字啟動回放過程，向硬件電路發(fā)送“回放命令字”。該命令字指定了目標簇的地址，然后硬件電路在FLASH存儲區(qū)處于空閑的時刻啟動目標簇的數(shù)據(jù)回放過程。硬件在啟動回放過程后，將立即產(chǎn)生一個中斷申請信號，軟件響應(yīng)中斷后，通過回放狀態(tài)口查詢原回放命令的執(zhí)行情況，并檢測是否回放完整個文件，否則再次向硬件電路發(fā)送下一簇的回放命令字，直至回放完整個文件。

硬件電路啟動目標簇的回放過程中，將目標簇數(shù)據(jù)讀取出放入緩存，由復(fù)接硬件電路按照CFDP傳輸幀格式組幀，并最終組成圖2所示的傳輸下行幀。

回放任務(wù)除了完成和硬件電路聯(lián)合實現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的高速讀取，還要處理定時器。定時器包括EOF定時器、NAK定時器和FIN定時器。完成定時器的創(chuàng)建和超時處理功能。

為了實現(xiàn)文件化管理存儲器的有效載荷，F(xiàn)PGA在控制往FLASH中寫入數(shù)據(jù)時，將簇使用信息寫入簇的空余區(qū)，F(xiàn)PGA上電初始化時掃面整個存儲區(qū)的簇使用信息，并組織塊分配表送往CPU軟件。CPU軟件以此為基礎(chǔ)，重新組織成文件存儲分配表IBAT。IBAT的每一個記錄項為64位，包含塊狀態(tài)，文件號，下一塊地址指針和時間碼等信息。如圖5所示。

圖5 IBAT組織結(jié)構(gòu)

航天器實體接收到回放文件指令后，在IBAT中找到回放起始塊地址。在回放任務(wù)啟動后，將回放指令傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)回放指令的簇地址，在SSR中讀取相應(yīng)簇數(shù)據(jù)。當指定簇回放結(jié)束后，F(xiàn)PGA給CPU一個回放結(jié)束中斷，CPU發(fā)送下一簇回放簇地址，直到回放指令的結(jié)束簇地址，完成整個回放過程。

4 CFDP地面實體軟件

地面接收實體需要對發(fā)送實體發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行實時接收和解幀，并對接收到的數(shù)據(jù)包的正確性和完整性做校驗。當檢測到有數(shù)據(jù)包出錯和丟失時，將出錯和丟失數(shù)據(jù)包的信息組織成NAK。在地面接收到EOF PDU后，將NAK PDU通過上行鏈路反饋給發(fā)送實體。地面實體軟件如圖6所示，發(fā)送實體根據(jù)NAK重傳請求檢索IBAT，和FPGA交互完成重傳請求。

圖6 地面實體檢測軟件

當?shù)孛娼邮諏嶓w接收到完整文件后，要向發(fā)送實體反饋Finished PDU，標識地面接收實體完整正確的收到了回放文件。航天器實體接收到Finished PDU后，向地面接收實體反饋ACK Finished PDU。地面接收到ACK Finished PDU后整個回放過程結(jié)束。

5 結(jié) 論

該CFDP原型樣機以CCSDSCFDP傳輸協(xié)議為基礎(chǔ)，整合SSR類文件化管理技術(shù)并與FPGA交互完成星載大容量存儲器的文件管理和高速數(shù)據(jù)可靠傳輸。對CFDP在實際型號的應(yīng)用做進一步的研究，以期不斷提高型號任務(wù)的技術(shù)水平，滿足不斷提升的未來航天任務(wù)需求。

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The implementation of the software based on the CCSDS file delivery protocol

ZOU Ye-nan1，2，DONG Zhen-xing1，2，ZHU Yan1
（1.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The satellite data storage and transmission in our country is still have such characteristics that bit stream and unreliable transmission.In order to delivery files in the specialspace environmentwith high speed and in reliablemanner，this file have research the CCSDS File Delivery Protocol，and based on the CFDP have done some research in advance for the practicalengineering.In this paper，tomeet the requirement that the data delivery in high speed and in reliablemanner，this paper based on like dynamic file system used on high-capacity solid state recorder，CFDPtightly coupled to the onboard file system implementation and FPGA tomeet the high data rates.Using special synchronization code to deal with the data link layer，to realize the data synchronization transmission.Finally realize the reliable transmission of the file on the satellite.

deep space communication；CCSDS file delivery protocol；file system；synchronization transmission

TN919.5

A

1674－6236（2016）20-0013-04

2015-11-05 稿件編號：201511053

鄒業(yè)楠（1990—），男，山東臨沂人，碩士。研究方向：空間數(shù)據(jù)存儲與處理。