CCSDS子網(wǎng)包業(yè)務(wù)在航天器綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

閻冬 程博文 何熊文

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

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CCSDS子網(wǎng)包業(yè)務(wù)在航天器綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

閻冬 程博文 何熊文

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

針對未來航天器中多元化的數(shù)據(jù)對可靠性、時延等傳輸服務(wù)質(zhì)量有不同要求的場景，研究了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)制定的子網(wǎng)包業(yè)務(wù)的特點(diǎn)、作用及基本的工作原理，通過分析可知，應(yīng)用CCSDS子網(wǎng)包業(yè)務(wù)可以有效克服當(dāng)前星載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的局限性，滿足未來航天器數(shù)據(jù)處理的更高要求。文章提出了其在航天器綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用場景、可行性、方法和工作模式，對子網(wǎng)包業(yè)務(wù)在未來綜合電子系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢進(jìn)行了展望。

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會；子網(wǎng)包業(yè)務(wù)；航天器星載接口業(yè)務(wù)；綜合電子系統(tǒng)

1 引言

隨著計(jì)算科學(xué)和信息技術(shù)的發(fā)展，以及各個行業(yè)對信息要求的不斷提高，經(jīng)過航天器獲取、存儲、處理及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也由原來單一的數(shù)據(jù)類型、較小的數(shù)據(jù)長度，變成了多元的數(shù)據(jù)類型及多個數(shù)量級增長的數(shù)據(jù)。因此，對于航天器中信息加工處理的綜合電子系統(tǒng)，勢必要努力開展技術(shù)創(chuàng)新，不斷提升能力。綜合電子系統(tǒng)的能力提升主要體現(xiàn)在豐富業(yè)務(wù)功能提供、標(biāo)準(zhǔn)軟硬件接口配置、多元信息融合、大格式數(shù)據(jù)處理、高可靠性保障等方面。

傳統(tǒng)的星載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及早期的綜合電子系統(tǒng)，僅能夠提供較少的業(yè)務(wù)種類，獲取本航天器的較為單一的數(shù)據(jù)，在航天器內(nèi)部存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，最終將一部分?jǐn)?shù)據(jù)下傳到地面，是一種點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，只適用于單個航天器與地面系統(tǒng)的任務(wù)環(huán)境，屬于“煙囪式”的數(shù)據(jù)傳輸模式。隨著星載業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，這套系統(tǒng)表現(xiàn)出一些明顯的弊端：①它并不具有空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸及信息處理能力，無法實(shí)現(xiàn)多航天器信息融合的需求[1]；②受限于當(dāng)時的鏈路條件，長度較大的數(shù)據(jù)無法直接通過星載鏈路傳輸，只能在應(yīng)用層將數(shù)據(jù)打包為較小的數(shù)據(jù)長度，并且與鏈路密切相關(guān)的數(shù)據(jù)鏈路層功能簡單，無法提供更加豐富多樣的數(shù)據(jù)傳輸保障服務(wù)；③當(dāng)時的星載軟件開發(fā)并沒有遵循層次化結(jié)構(gòu)及構(gòu)件化的開發(fā)模式，軟件開發(fā)人員在設(shè)計(jì)應(yīng)用層程序時常常需要關(guān)注底層鏈路和硬件接口，使整個系統(tǒng)成為從頂層到底層的“捆綁式”結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)便利的重用。隨著航天器硬件處理能力的提高和星載鏈路的多樣化，上述的缺點(diǎn)限制了航天器綜合電子系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展，亟需一種包含更先進(jìn)的軟件和處理流程的信息處理系統(tǒng)。

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)提出的子網(wǎng)包業(yè)務(wù)(Subnetwork Packet Service)標(biāo)準(zhǔn)[2]，為克服當(dāng)前航天器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)提供了解決思路，也為保障數(shù)據(jù)傳輸提供了豐富的服務(wù)支持。本文針對該業(yè)務(wù)的特點(diǎn)及在航天器綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，將該業(yè)務(wù)本地化，可以有效開展新一代星載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)。

2 子網(wǎng)包業(yè)務(wù)的特點(diǎn)和作用

子網(wǎng)包業(yè)務(wù)是CCSDS提出的航天器星載接口業(yè)務(wù)[3](Spacecraft Onboard Interface Service，SOIS)中子網(wǎng)層的一項(xiàng)業(yè)務(wù)。SOIS的目的是提供一個標(biāo)準(zhǔn)的層次化星載軟件框架，不同應(yīng)用之間的交互完全通過一些模塊化的標(biāo)準(zhǔn)星載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來實(shí)現(xiàn)。每一層的業(yè)務(wù)軟件具有獨(dú)立編譯運(yùn)行的能力，不同的業(yè)務(wù)軟件之間具有松耦合特性，同層或者相鄰層次之間的軟件交互則通過每個業(yè)務(wù)提供的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)接口開展。這種模塊化的構(gòu)件設(shè)計(jì)使軟件具有較好的重用性，能夠?qū)崿F(xiàn)快速開發(fā)。

子網(wǎng)包業(yè)務(wù)也遵循了這種設(shè)計(jì)理念[4]，它所在的子網(wǎng)層在SOIS的軟件架構(gòu)中位于傳輸層以下，對上層應(yīng)用程序屏蔽底層種類繁多的鏈路所提供的各異的功能，為上層提供一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理和發(fā)送接口。子網(wǎng)包業(yè)務(wù)在SOIS層次關(guān)系中的位置如圖1所示。

圖1 子網(wǎng)包業(yè)務(wù)在SOIS層次關(guān)系中的位置Fig.1 Subnetwork packet service location in SOIS

子網(wǎng)包業(yè)務(wù)主要功能和特點(diǎn)如下[5]：

(1)鏈路冗余切換能力：底層鏈路多種多樣，傳輸能力千差萬別，故障概率也有所不同。一旦某條鏈路出現(xiàn)故障，無法提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，子網(wǎng)包業(yè)務(wù)將進(jìn)行鏈路冗余切換，及時將錯誤信息傳遞給傳輸層，然后根據(jù)傳輸層的鏈路重配置指令，將后續(xù)數(shù)據(jù)通過其它可用鏈路傳輸。整個過程只在傳輸層和子網(wǎng)層進(jìn)行動作，而應(yīng)用層的用戶數(shù)據(jù)產(chǎn)生端根本沒有任何影響，它仍繼續(xù)按照之前指定的數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)則發(fā)送數(shù)據(jù)。

(2)區(qū)分服務(wù)的能力：綜合電子系統(tǒng)能夠支持的業(yè)務(wù)日益增多，系統(tǒng)中存在種類多樣的數(shù)據(jù)類型，而每種類型的數(shù)據(jù)對傳輸性能有不同的要求，有的數(shù)據(jù)對時延要求極高，必須在特定的時間間隔內(nèi)傳輸?shù)侥康亩瞬拍軌虮徽_接收[6]。由統(tǒng)一的中間件管理程序?qū)Σ煌愋蛿?shù)據(jù)指定其優(yōu)先級，子網(wǎng)包業(yè)務(wù)根據(jù)待傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先級關(guān)系進(jìn)行區(qū)分服務(wù)。對于某些對時間性能要求更高的數(shù)據(jù)，子網(wǎng)包業(yè)務(wù)可以為其預(yù)留帶寬，保證能夠在規(guī)定的時刻發(fā)送。例如，大部分圖像數(shù)據(jù)實(shí)時性要求不高，而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時性要求很高[7]。

(3)數(shù)據(jù)分段能力：由于底層鏈路提供的傳輸能力不同，一次發(fā)送可以支持的最大數(shù)據(jù)單元(MTU)也有所不同，子網(wǎng)包業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)分段的能力，上層應(yīng)用程序無須關(guān)心底層的MTU大小，可以直接按照中間件支持的最大數(shù)據(jù)長度組包下傳。子網(wǎng)包業(yè)務(wù)在發(fā)送端根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸所選擇鏈路的MTU進(jìn)行數(shù)據(jù)分段，并在接收方的匯聚層將分段的數(shù)據(jù)包重新進(jìn)行重組后，再發(fā)送給上層應(yīng)用。

(4)個性化服務(wù)質(zhì)量保障能力：不同類型的數(shù)據(jù)對傳輸可靠性、時間性等要求有所不同，有些數(shù)據(jù)對傳輸可靠性要求較高，如果傳輸出錯，需要發(fā)送端重新發(fā)送該數(shù)據(jù)，而有些數(shù)據(jù)對發(fā)送時間要求較嚴(yán)，如前面提到的，必須在特定時刻發(fā)出。子網(wǎng)包業(yè)務(wù)為這些數(shù)據(jù)提供個性化的服務(wù)質(zhì)量保障，能夠提供4種類型的服務(wù)質(zhì)量。第一種是盡最大努力的服務(wù)質(zhì)量，該類型服務(wù)質(zhì)量提供非預(yù)留、非重傳的數(shù)據(jù)傳輸，因此，并不保證傳輸?shù)目煽啃院蜁r間性能，而是按照優(yōu)先級關(guān)系進(jìn)行服務(wù)。第二種是確定的服務(wù)質(zhì)量，具有重傳機(jī)制，對數(shù)據(jù)傳輸可靠性提供保障。第三種是預(yù)留的服務(wù)質(zhì)量，具有帶寬預(yù)留的能力，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定性提供保障。第四種是保障的服務(wù)質(zhì)量，同時具有帶寬預(yù)留、重傳的服務(wù)能力，既能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕帜軌虮ＷC時間確定性。

(5)分段順序保證能力：子網(wǎng)包業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)包分段按照分段的順序傳輸提供保障。如果接收方收到的分段未按照分段順序，則根據(jù)其選擇的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行丟棄或重傳。

(6)安全性：子網(wǎng)包業(yè)務(wù)通過數(shù)據(jù)類型判斷、數(shù)據(jù)長度驗(yàn)證、數(shù)據(jù)內(nèi)容校驗(yàn)認(rèn)證等機(jī)制保證系統(tǒng)的信息安全。

3 子網(wǎng)包業(yè)務(wù)的基本原理

子網(wǎng)包業(yè)務(wù)的執(zhí)行過程主要可以分為三個部分：子網(wǎng)包發(fā)送過程、子網(wǎng)包接收過程和子網(wǎng)包錯誤處理過程。

1)子網(wǎng)包發(fā)送

從應(yīng)用層發(fā)送的屬性各異的數(shù)據(jù)，通過子網(wǎng)包業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)入子網(wǎng)包業(yè)務(wù)處理程序。根據(jù)傳輸層分配的傳輸鏈路，子網(wǎng)包業(yè)務(wù)開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行與鏈路相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和發(fā)送。下面以1553B鏈路為例，介紹子網(wǎng)包業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理和發(fā)送過程。

首先，子網(wǎng)包業(yè)務(wù)對屬性各異的數(shù)據(jù)按照優(yōu)先級的高低關(guān)系排列發(fā)送列表。然后，將數(shù)據(jù)根據(jù)鏈路能夠提供的MTU進(jìn)行分段處理，該MTU數(shù)值與鏈路的實(shí)際傳輸能力及數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動程序的處理能力等因素有關(guān)。原始數(shù)據(jù)被分段成為多個長度較小的數(shù)據(jù)，為了能夠正確、可靠地將這些分段數(shù)據(jù)從源端傳輸?shù)侥康亩?，需要給這些分段數(shù)據(jù)添加協(xié)議控制信息(Protocol Control Information，PCI)，PCI中既要包含原始數(shù)據(jù)的信息，該數(shù)據(jù)分段在完整數(shù)據(jù)中的位置信息，也要包含該數(shù)據(jù)的服務(wù)質(zhì)量信息，以及能夠保證數(shù)據(jù)可靠性的驗(yàn)證信息。添加了PCI的數(shù)據(jù)分段，成為一個子網(wǎng)包業(yè)務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit，PDU)。數(shù)據(jù)分段過程見圖2所示。最后，PDU數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)鏈路層鏈路協(xié)議進(jìn)行處理后通過驅(qū)動程序發(fā)送，鏈路協(xié)議可以根據(jù)實(shí)際需要選擇，如MIL-STD-1553B協(xié)議，ECSS 1553B協(xié)議[8]等。ECSS 1553B有帶寬資源預(yù)留的設(shè)計(jì)內(nèi)容[9]，可以為有時間確定性要求的數(shù)據(jù)提供支持。

圖2 子網(wǎng)包業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分段及組裝過程Fig.2 Process of subnetwork packet service splitting and uniting

2)子網(wǎng)包接收

本過程與子網(wǎng)包發(fā)送過程一一對應(yīng)，但執(zhí)行順序相反。首先，從鏈路驅(qū)動程序中獲取鏈路數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議處理后，得到子網(wǎng)包業(yè)務(wù)PDU。然后接收到某數(shù)據(jù)全部分段后，進(jìn)行數(shù)據(jù)組裝。這個過程包括了數(shù)據(jù)分段內(nèi)容檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)分段順序檢查、數(shù)據(jù)組裝等過程。數(shù)據(jù)組裝過程見圖2所示。如果處理過程正確，則直接提交接收方上層應(yīng)用進(jìn)行處理。如果處理過程中發(fā)現(xiàn)錯誤，檢查數(shù)據(jù)攜帶的服務(wù)質(zhì)量要求信息，如果有重傳的需求，則需要通知發(fā)送端重傳該數(shù)據(jù)。

3)子網(wǎng)包錯誤處理

這個處理過程僅針對服務(wù)質(zhì)量類型為確定的服務(wù)質(zhì)量或者保障的服務(wù)質(zhì)量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對可靠性要求較高，當(dāng)在接收端發(fā)現(xiàn)傳輸過程出錯時，有重傳的需求。數(shù)據(jù)發(fā)送端接收到重傳的請求，檢索已發(fā)送列表，并將出錯信息進(jìn)行重傳。這也給發(fā)送過程提出了要求，即要對這兩種服務(wù)質(zhì)量類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定時間周期的保存。

4 子網(wǎng)包業(yè)務(wù)在綜合電子系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

1)遙控

子網(wǎng)包業(yè)務(wù)具有數(shù)據(jù)傳輸可靠性保證機(jī)制，在接收端通過數(shù)據(jù)內(nèi)容校驗(yàn)、分段檢查等方法保證傳輸可靠性，一旦發(fā)生傳輸錯誤，會將錯誤數(shù)據(jù)丟棄。對某些可靠性需求更高的指令數(shù)據(jù)，可將其設(shè)定為確定的服務(wù)質(zhì)量或者保障的服務(wù)質(zhì)量，出錯時會在本層進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳，而不需要用戶重新發(fā)送指令。

2)周期性數(shù)據(jù)傳輸

對于周期性遙測采集及周期性指令發(fā)送的場景，這些數(shù)據(jù)被設(shè)定為預(yù)留的服務(wù)質(zhì)量或者保障的服務(wù)質(zhì)量，子網(wǎng)包業(yè)務(wù)在底層鏈路協(xié)議的支持下為這些數(shù)據(jù)預(yù)留鏈路帶寬，確保這些數(shù)據(jù)在確定的時刻可以在鏈路上傳輸。

3)星內(nèi)星間數(shù)據(jù)傳輸

對于應(yīng)用層多種類型的數(shù)據(jù)(圖像數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)等)，網(wǎng)絡(luò)層多樣的數(shù)據(jù)包格式(空間包數(shù)據(jù)格式、IP協(xié)議數(shù)據(jù)格式等)，子網(wǎng)包業(yè)務(wù)都能夠支持。通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)發(fā)送接口，在處理時使用內(nèi)部信息對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，徹底將傳輸層及以上部分與鏈路完全隔離。

4)系統(tǒng)容錯

航天器在空間的運(yùn)行環(huán)境極不穩(wěn)定，綜合電子系統(tǒng)底層鏈路存在臨時性失效或者永久性物理損壞的風(fēng)險(xiǎn)，子網(wǎng)包業(yè)務(wù)針對這種情況，進(jìn)行鏈路切換，使用冗余鏈路或者其它類型的鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而子網(wǎng)層所發(fā)生的這些變化卻對上層的應(yīng)用程序毫無影響。

CCSDS子網(wǎng)包業(yè)務(wù)已經(jīng)完成軟件實(shí)現(xiàn)并在樣機(jī)上運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計(jì)，一些典型的性能情況如表1所示。

表1 CSSDS子網(wǎng)包業(yè)務(wù)應(yīng)用前后性能對比

5 結(jié)束語

本文通過研究CCSDS子網(wǎng)包業(yè)務(wù)的指導(dǎo)原則，將該業(yè)務(wù)與我國航天器設(shè)計(jì)的具體情況相結(jié)合，能夠有效克服我國航天器數(shù)據(jù)管理應(yīng)用中的缺點(diǎn)和局限性，可以有效開展下一代星載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的子網(wǎng)包業(yè)務(wù)提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)發(fā)送接口，將上層豐富多樣的應(yīng)用數(shù)據(jù)與下層各種各樣的鏈路隔離開，既適合航天器內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，又能夠支持未來星間數(shù)據(jù)傳輸。未來航天任務(wù)日益復(fù)雜，往往需要多元信息處理和融合。多種類型的數(shù)據(jù)對傳輸可靠性、時延、服務(wù)質(zhì)量(QoS)等有不同的要求，這就要求航天器綜合電子系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌愋偷臄?shù)據(jù)進(jìn)行個性化服務(wù)，子網(wǎng)包業(yè)務(wù)恰好迎合了這一需求。子網(wǎng)包業(yè)務(wù)能夠增強(qiáng)綜合電子系統(tǒng)的包容性、可靠性及服務(wù)能力，在未來航天器綜合電子系統(tǒng)中應(yīng)該加以推廣應(yīng)用。

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(編輯：張小琳)

Research on CCSDS Subnetwork Packet Service in Spacecraft Integrated Electronic System

YAN Dong CHENG Bowen HE Xiongwen

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

For the high demand of diverse data transmission quality of service (QoS) in the future spacecraft,this paper analyses the characteristics,functions and basic working principles of CCSDS subnetwork packet service.Through the analysis,we can know that CCSDS subnetwork packet service can remove the limitation of current on-board data handling system effectively,satisfy the high demand of future spacecraft data transmission.We study the application scenarios,feasibility and working mode,and then make a preliminary prospect for the application advantages of CCSDS subnetwork packet service in the future spacecraft integrated electronic system.

CCSDS；subnetwork packet service；SOIS；integrated electronic system

2015-09-25；

2015-11-10

國家自然科學(xué)基金(91438102)

閻冬，男，博士，工程師，研究方向?yàn)楹教炱鲾?shù)據(jù)管理技術(shù)與星間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Email：yandong200@163.com。

TP393.04

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.010