基于OPNET的SCPS-NP协议设计

引言

　　随着各国对外层空间资源的不断探索，开发和利用以及地面因特网技术的不断发展成熟。将天地通信融入到地面因特网中，建立天地统一的数据网络成为新的研究热点。这就需要一套高效统一的空间通信协议来进行保障。在此要求下，由各国空间系统研究机构共同组成的空间数据系统咨询委员会（CCSDS）做了大量工作，制定了一系列协议。

　　1 CCSDS 协议体系结构

　　CCSDS 系列协议可仿照TCP/IP 的分层结构分类到物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层中。每一层包含多个协议。具体介绍如下：

　　（1）物理层

　　在物理层，CCSDS 制定了《无线电频率和调制体制》建议书。规定了中等通信需求的近地和深空任务的无线电频率和调制体制。

　　（2）数据链路层

　　数据链路层包括了数据链路层协议和信道编码。协议主要开发了分包遥测和分包遥控协议，适用于常规航天器数据系统，业务简单；高级在轨数据系统协议（AOS），适用于大型航天器，业务种类多；近距空间链路，适用于互相接近的航天器之间的空间链路，主要是点对点通信。信道编码中开发了BCH 编码、卷积码、RS 码及数据链路的各种数据结构等[2]。

　　（3）网络层

　　在网络层、传输层和应用层，CCSDS 开发了与TCP/IP 协议功能上相平行的一系列建议书，即空间通信协议规范SCPS。其出发点是在适应空间通信需求的基础上尽量与因特网协议实现兼容和互操作。以因特网协议为基础，进行针对空间环境的改进。SCPS-NP 是其中的网络层协议。与IP 协议相比，主要改进体现在以下几点：提出了不同长度的导头供用户在功能和效率间取舍；提供多种选路模式，增加了泛洪寻址方式；提供由管理机制配置的端到端路由；在SCPS 控制信息协议中（SCMP）中，增加了由于信道质量造成链路中断的信令。

　　（4）传输层

　　在传输层，除了对应的传输层协议SCPS-TP 外，CCSDS还开发了用于文件传输的协议CFDP，CFDP 既提供了传输层功能，又提供了应用层文件管理功能[2]。此外还提出了具有端到端数据保护能力的SCPS 安全协议（SCPS-SP），是对Internet IPsec 协议改进而制定的。

　　（5）应用层

　　在应用层中，CCSDS 开发文了件传输协议SCPS-FP、无损数据压缩、空间分包协议等。

　　2 SCPS-NP 协议建模

　　为了验证SCPS-NP 的协议性能，这里采用了OPNET 软件进行建模测试。OPNET 采用了三层建模机制：最上层为网络层，反映了网络的拓扑结构特点；其次为节点层，由相应的协议模块构成，反映了设备的特性；最底层为进程层，以状态机的形式来描述议，反映了协议的具体功能是如何实现的[6]。根据三层建模机制，仿真中采用了卫星-地面站通信的场景，图1为卫星节点模型，地面站节点模型与其类似，其中有关SCPS-NP 协议的部分有：

　　①scps_np_encap 模块，SCPS-NP 协议导头封装模块，对数据进行封装解封装；

　　②scps_np 模块，SCPS-NP 协议实现模块，具体实现SCPS-NP 所要求的功能；

　　③router_map 模块，路由表更新模块，提供静态路由表或动态更新的路由表。

 

图1 仿真节点模型。

　　2.1 scps_np_encap 模块进程设计

　　该模块主要任务是对数据封装SCPS-NP 导头或解封装去掉导头，进程设计如图2 所示。

 

图2 scps_encap 模块进程结构

　　首先在INIT 态进行初始化设置，进入WAIT 态，然后根据不同的包流，对包进行封装或解封装。SCPS-NP 导头封装长度及格式，由用户在节点属性中进行选择。提供与空间分包协议类似的服务时，导头长度为4 字节，提供与IPv4 协议类似的服务时，导头长度为20 字节。