CFDP協議在空間數據傳輸鏈路設計應用

董振興，朱 巖，許志宏，董文濤，劉瑞鵬

（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）

CFDP協議在空間數據傳輸鏈路設計應用

董振興1，2，朱 巖1，2，許志宏1，2，董文濤1，劉瑞鵬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）

當前我國星上數據組織管理采用位流的形式，數據的下行傳輸沒有實現保證數據可靠性的機制，所有數據按比特流順序傳輸完成即結束，無法保證文件的有效性與完整性。空間數據系統咨詢委員會提出了可靠數據文件傳輸標準CFDP協議，其數據丟失與錯誤檢測重傳機制可以有效解決該問題。本文結合航天工程經驗搭建空間數據管理系統，采用軟硬件協同機制在空間數據傳輸鏈路中設計實現了CFDP協議延時NAK模式文件傳輸。測試結果表明文件數據傳輸完整準確，方案設計可靠有效。

空間數據；CFDP；文件傳輸；延時NAK；重傳機制

對于空間數據的組織管理，當衛星飛至國境線以外或者在地面接收站的接收范圍以外時，探測任務產生的大量高速實時數據存入存儲設備，衛星入境后，建立星地下行鏈路將星上存儲數據傳輸至地面供研究分析。當前我國星上數據的存儲、傳輸均采用位流的形式，對數據組織管理而言訪問模式單一，僅能通過指定存儲地址或時間進行訪問，效率低下[1]，而且，數據的下行傳輸沒有實現保證數據可靠性的機制，所有數據按比特流順序傳輸完成即結束，無法保證數據的有效性與完整性。

空間數據的有效性與完整性直接影響地面站數據的分析與研究，甚至決定科學探測任務的成敗。針對空間數據的有效傳輸，為滿足在不同空間鏈路實現特定任務的數據傳輸需要，空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）提出了文件傳輸協議（CFDP--CCSDS File Delivery Protocol）[2]。 CFDP 協議支持數據丟失重傳，針對不同數據對完整性的要求不同，按要求完成數據傳輸，協議的丟失與錯誤檢測重傳機制[3-5]可以保證文件數據的完整性和正確性。

由于我國航天發展起步較晚，空間數據文件化管理技術不成熟，限制了CFDP文件傳輸協議的應用與發展，國內目前僅是對CFDP協議進行傳輸機理對比分析[6-7]和傳輸時延建模仿真[8-11]，沒有緊密結合航天型號任務進行設計實現。文中結合航天任務工程經驗，搭建支持文件化管理的星上數據管理系統，針對CFDP文件傳輸協議在空間數傳輸鏈路中的工程化應用進行初步研究設計，以實現空間科學數據有效完整傳輸，為將來應用于我國科學衛星及火星探測等任務奠定基礎。

1 CFDP文件傳輸協議

CCSDS推薦的CFDP文件傳輸協議是一種針對大誤碼率、大延時鏈路可靠數據文件傳輸的標準，該協議是面向傳輸的應用層通信協議，同時又集成了OSI傳輸層的功能，其獨立于存儲技術，通過系統提供的文件服務接口實現不同存儲系統之間的文件傳輸，適用于近地到深空等多種航天任務[12-13]。

CFDP協議支持不可靠傳輸和可靠傳輸兩種文件傳輸模式，區別在于是否啟用了確認機制。在不可靠傳輸模式下，如果在傳輸過程中出現了文件數據PDU（Protocol Data Unit）錯誤或丟失，將不會報告給發送實體，因此，在不可靠傳輸模式下出現的錯誤將無法修復，只有通過全部重傳文件數據來解決。而在可靠傳輸模式下啟用了確認機制，接收實體通過NAK（Negative Acknowledgment）PDU 向發送實體發送重傳請求，請求發送實體重傳傳輸出錯和丟失的文件數據PDU，保證了文件數據的可靠性。發送實體與接收實體間信息交互機制[2]如圖1所示。

圖1 實體間信息交互機制

在不可靠傳輸模式下，發送實體首先發送Metadata PDU，接著依次傳輸文件數據，最后發送EOF PDU標識文件傳輸事務的結束。在可靠傳輸模式下，通過引入 ARQ（Automatic Repeat Request）機制來保證發送文件數據的完整性和可靠性，接收實體收到EOF PDU后向發送實體反饋ACK（EOF）PDU，并通過NAKs來請求重傳傳輸出錯和丟失的PDU；當接收實體完整正確的收到所有文件數據PDU后，向發送實體發送Finished PDU，并向本地用戶發送事務結束通知；發送實體收到Finished PDU后向接收實體反饋ACK（Finished）PDU，并向本地用戶發送事務結束通知；至此文件傳輸事務結束。

可靠性傳輸通過數據重傳及握手確認機制保證了文件傳輸的正確與完整，根據NAK信號發送時間的不同又分為4種模式：延時NAK，立即NAK，提示NAK及異步NAK[14]。綜合考慮文件傳輸速率與信道利用效率，延時NAK模式相對其他3種模式更適用于星上數據管理系統，即在文件傳輸過程中，接收實體若發現PDU數據錯誤或丟失，并不立即發送NAK請求重傳，而是等收到EOF PDU后再發送請求，減少了傳輸握手帶來的傳輸時延和帶寬資源的浪費。

2 空間數據管理系統設計

空間數據管理系統是星上重要的載荷數據管理平臺，主要完成有效載荷數據的收集、存儲及星星/星地傳輸等任務。

針對CFDP協議機制，結合已有衛星型號任務設計經驗，搭建空間數據管理系統，如圖2所示。數據管理系統主要包括合路復接存儲板、計算機板、LDPC編碼板、星務通信板以及電源板，各單元通過底板互連，完成星上有效載荷科學數據和工程參數的接收與存儲，下行傳輸時對存儲的延時數據組傳輸層幀、信道編碼、信號調制等功能，并完成與星務計算機指令下行、工程參數上行等信息交換。

圖2 空間數據管理系統及外圍單元組成框圖

圖3 空間數據管理系統信息流圖

空間數據管理系統信息流圖如圖3所示。合路復接與存儲單元并行接收緩存星上有效載荷產生的科學數據、星務計算機的整星遙測數據以及數管系統工程參數，按規定格式分別打包生成數據源包；存儲控制單元對數據源包進行糾錯編碼及高速并行緩存，由存儲管理邏輯將數據文件化存入固態存儲器；衛星入境后，存儲單元根據計算機單元回放指令尋址固態存儲器將延時源包數據取出，經糾錯譯碼后送至復接單元組傳輸層幀，然后經信道編碼單元、調制單元及發射機實現星上數據下行。

計算機單元通過CAN總線接收來自星務計算機的控制指令和系統時間，組織發送數管系統遙測數據；通過背板總線與數管系統各業務單元通信，解析CAN注入指令，二次組織后對業務單元進行工作模式等設置，并輪詢業務單元中斷申請，響應中斷服務進程。

3 CFDP協議設計實現

3.1 數據傳輸協議應用設計

根據數據管理系統工作機制與特點，同時便于對CFDP文件傳輸協議的實現有效性進行仿真驗證，將數據傳輸協議分為三層：數據源包層、CFDP協議層及AOS傳輸層，如圖4所示。

圖4 數據傳輸協議結構

合路單元對外部輸入的科學數據與工程參數按數據源包格式進行打包，不同應用過程標識符對應不同數據文件；下行回放時，復接單元按CFDP協議依次組Metadata PDU幀、File Data PDU幀及EOF PDU幀，Metadata PDU幀首先告知接收端本次文件傳輸的基本信息，File Data PDU幀傳輸固態存儲單元回放的源包數據，最后組EOF PDU幀通知接收端本次文件傳輸結束，同時附帶本次數據傳輸的大小和校驗和等信息；最后，3種CFDP協議幀通過CCSDS AOS傳輸幀進行傳輸，經LDPC信道編碼送至下行鏈路。

根據有效載荷數據格式、存儲單元并行擴展簇概念[15]及LDPC編碼[1]要求等特點，設計各層數據傳輸協議數據域長度如表1所示。

表1 數據協議單元數據域分配

3.2 CFDP協議軟硬件實現

CFDP文件傳輸協議主要由計算機單元與存儲復接單元協同實現。

衛星入境后，地面上注文件回放指令至星務計算機，星務計算機解析指令后通過CAN總線轉發給計算機單元，計算機單元根據指令信息向復接單元相關寄存器配置CFDP組幀參數，如傳輸模式、CRC標志等；收到入境指令后，復接FPGA讀取寄存器中相關參數啟動組Metadata PDU幀狀態機；收到開始數傳指令后，計算機單元向存儲單元發送回放指令及地址，存儲控制單元尋址回放數據并寫入FIFO緩存，復接單元根據FIFO狀態按照File Data PDU格式組幀。當計算機單元將當前文件所有存儲簇地址發送完成后，將不再向存儲單元發送回放命令字，轉而向復接單元發送組EOF PDU命令字，同時將CFDP幀簇計數等參數寫入到相關寄存器中，復接單元查詢到組EOF PDU指令后，在組完最后一幀File Data PDU幀后，組EOF PDU幀標識文件數據回放結束。

地面接收方收到EOF PDU幀后，根據解幀報告整理ACK（EOF）PDU信息反饋給星務計算機，若需要數據重傳，星務計算機轉發NAKs給計算機單元，啟動文件數據重傳模式；當所有數據完整正確傳輸完畢后，通過FinishedPDU握手結束本次文件傳輸事務。

數據下行傳輸流程及相關配置如圖5所示。

圖5 CFDP協議協同實現流程

復接單元的一級緩存大小由File data PDU數據幀長度決定，為便于實現延時可靠性傳輸的數據重傳操作，結合存儲單元按簇回放操作機制，設置一級緩存大小為32768B，乒乓緩存，數據滿16128B通知復接單元進行數據讀取組File data PDU操作。二級緩存大小由CCSDS AOS傳輸幀中數據域長度決定，設置二級緩存大小為2048B，乒乓緩存，數據滿884B通知AOS組幀模塊進行數據讀取組幀操作。當源包數據啟動組CFDP協議幀后，邊組CFDP幀邊寫入二級緩存乒乓緩存，并行操作有效節省了FPGA緩存資源，降低了時間開銷，且乒乓緩存機制保證宏觀上有效數據不間斷寫入讀出，提高了工作效率。

AOS傳輸幀復接下行過程中，須保證數據連續，即下行傳輸信道中必須一直有數據。在實際過程中，有效數據下行不能保證完全連續，因此需在AOS有效數據傳輸幀組織間隙增加填充幀，在沒有有效數據幀下行時，自動發送填充幀保證信道數據連續。

4 仿真驗證

按照設計搭建空間數據管理系統，啟動文件回放進行CFDP協議實現有效性驗證。下行文件數據被地面LVDS數據接收軟件接收，經譯碼解幀[16]后得到CCSDS AOS傳輸幀如圖6所示?？梢钥闯觯珹OS傳輸幀包含了3層數據協議結構：‘1ACF FC1D 4A41 0000 0280 3FFF’為CCSDS AOS傳輸幀幀頭，‘EB90 1440 0600 0144 0F00 0000 01’為 CFDP 幀File Data PDU 幀幀頭，‘E225 00A2 C001 03E7’為高速數據源包格式幀頭，3層幀頭后為32位累加1的信源原始數據。接收到的幀數據結構與預期完全符合，表明CFDP協議在空間數據管理系統中有效實現。

對于延時可靠性傳輸的有效性驗證，在反饋ACK（EOF）PDU時，假定某File Data PDU幀丟失，手動上注指令告知星務計算機丟失幀計數要求重傳。計算機單元收到重傳請求后，將幀計數映射換算為FLASH存儲陣列中該幀數據地址，生成回放指令地址信息給存儲復接單元啟動重傳回放，地面接收到 1幀 MPDU、1幀 File Data PDU 及 1幀 EOF PDU，且File Data PDU數據與丟失幀數據吻合，驗證了延時可靠性傳輸的準確性與有效性。

圖6 AOS傳輸幀層回放數據

5 結束語

空間數據的文件化管理是星上數據管理系統發展的必然趨勢，基于文件的CFDP協議因其重傳機制優勢也將被應用于航天型號任務中。本文結合實際工程經驗搭建了空間數據管理系統，通過軟硬件協同配合對CFDP協議延時NAKs模式的初步實現進行了設計驗證，測試結果表明方案可靠有效，填補了CFDP協議工程應用設計的空白，為后續星地、星星間數據傳輸及信息交互機制設計完善奠定了良好基礎。

[1]宋琪，鄒業楠，李姍，等．衛星固態存儲器數據容錯設計與機制[J]．國防科技大學學報，2016，38（1）：101-106．

[2]CCSDS File Delivery Protocol（CFDP） Recommendation for Space Data Systems Standards CCSDS 727.0-B-4.Blue Book.Issue 4[S].Washington，D.C.CCSDS，January，2007．

[3]Pavale S.，Unnikrishnan E.，Laksminarasimhan P..Design，Implementation and Performance Evaluation of CCSDS CFDP Protocol[C]//IEEE International Conference on Computational Intelligence and Computing Research （ICCIC），2010:1-4．

[4]顧明，張濤，李林．星間網絡可靠傳輸重傳機制分析[J]．空間控制技術與應用，2013，39（6）：49-52．

[5]韓豐，晏堅，陸建華．一種基于快速否定應答的空間網絡文件傳輸協議[J]．科學技術與工程，2015，15（19）：26-31．

[6]吳海濤．CFDP中延遲NAK雙重傳方案的驗證與分析[J]．航天控制，2012，30（6）：65-69．

[7]鄭秋平．深空通信數據傳輸協議的優化設計 [D]．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012．

[8]李暉，羅浩，郁發新，等．一種適合深空通信的容失文件傳遞協議仿真 [J]．系統仿真學報，2012，24（10）：2188-2192．

[9]拱長青，李瑩．改進的CFDP協議延時估算算法[J]．計算機工程，2011，37（17）：72-74．

[10]梁迎春．CFDP協議中延遲NAK文件傳輸時間分析與仿真[J]．航天控制，2012，30（2）：80-83．

[11]馬西飛．CCSDSAOS空間協議信道復用機制的OPNET仿真_馬西飛[D]．上海：上海交通大學，2013．

[12]蔣嘯天．深空網絡文件傳輸協議研究_蔣嘯天[D]．西安：西安電子科技大學，2010．

[13]鄒業楠．基于CFDP標準的空間數據鏈路傳輸協議的研究與實現[D]．北京：中國科學院國家空間科學中心，2016．

[14]W.Baek，D.C.Lee.Expected File-delivery Time of Immediate NAK ARQ in CCSDS File Delivery Protocol[C]//IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2005:503-524．

[15]朱巖．基于閃存的高速大容量存儲技術的研究[D]．北京：中國科學院研究生院，2006．

[16]馬苗，朱巖．基于CCSDS標準的衛星數據處理軟件設計[J]．電子設計工程，2015，23（1）：16-20．

CFDP application in spatial data transmission link

DONG Zhen-xing1，2，ZHU Yan1，2，XU Zhi-hong1，2，DONG Wen-tao1，LIU Rui-peng1
（1.National Space Sciences Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The organization and management of spaceborne data in our country now is in the form of bit stream，and the downlink transmission does not implement mechanism of guarantee the data reliability，all data transmission in the bitstream order to complete the end，which can not guarantee the validity and integrity of the data transmission.CCSDS File Delivery Protocol （CFDP） can effectively solve this problem for the retransmission mechanism of data lose and error detection.This paper proposes one spaceborne data handling system which based on satellite engineering experience，also cooperates the hardware and software to implement the deferred NAK model of CFDP protocol in spatial data transmission link.The results show that the file data delivery is complete and accurate，and the scheme design is reliable and effective.

spaceborne data；CFDP；file delivery；deferred NAK；retransmission

TN919.5

A

1674－6236（2017）17-0036-05

2016-09-02稿件編號：201609014

董振興（1991—），男，山東鄄城人，博士研究生。研究方向：星載大容量存儲與信息處理。