CCSDS空间通信协议及和互联网通信协议的比较

网络与通信协议的比较一、引言在当今数字时代，网络通信已经成为人们日常生活和工作的重要组成部分。

而网络协议作为实现网络通信的基础架构，发挥着至关重要的作用。

本文将比较几种常见的网络与通信协议，分析其优缺点，并探讨其在不同应用场景中的适用性。

二、传统传输控制协议（TCP）1. TCP的工作原理TCP是一种面向连接的协议，它通过三次握手建立通信连接，保证数据的可靠传输。

发送方将数据进行分段，并为每个分段添加序号和校验和等信息。

接收方按序接收分段，并发送确认消息，若出现分段丢失或损坏，则进行重传。

通过这种方式，TCP实现了数据的可靠性。

2. TCP的优点TCP具有较高的可靠性和有序性，可以确保数据的准确传递。

它适用于对数据完整性要求较高的场景，例如文件传输、电子邮件等。

此外，TCP还支持拥塞控制和流量控制等功能，以避免网络拥塞和数据丢失。

3. TCP的缺点与可靠性和有序性相对应的是TCP的相对低效率。

TCP在传输过程中需要进行分段、序列号管理和确认等操作，这些额外开销会使得传输效率较低。

此外，对实时性要求较高的应用，TCP的传输延迟较大，不太适合实时音视频传输等场景。

三、用户数据报协议（UDP）1. UDP的工作原理UDP是一种无连接的协议，它将数据进行分组发送，不提供数据包的可靠传输和重传机制。

发送方将数据打包成数据包并添加源端口号和目标端口号等信息，接收方接收数据包，但不发送确认消息。

UDP的工作方式更加简单直接，传输效率较高。

2. UDP的优点UDP具有较高的传输效率和较低的延迟，适用于对实时性要求较高的应用场景，如实时游戏、语音通话等。

由于不具备重传机制，UDP的开销较小，可以在网络质量较好的情况下快速传输数据。

3. UDP的缺点UDP无法确保数据的完整性和顺序性，由于缺少重传机制，当数据包丢失或损坏时，接收方无法得知并进行处理。

因此，UDP主要适用于对实时性要求较高且对数据完整性要求较低的应用场景。

CCSDS标准三大航天活动21世纪主要的三大航天活动：深空探测、载人航天、小卫星（或微小卫星）开发应用。

21世纪的深空探测很可能集中在三个方面：第一，开发利用月球物质资源，然后利用开发月球的经验，进而开发火星；第二，在科学认识上的进展，访问人类从未探测过的海王星和知之甚少的水星；第三，继续寻找太阳系内除地球外尚可能存在生命形式的其他天体。

20世纪在探测木星和土星时，发现“木卫”2在一层31km厚的冰层下面是温暖的咸海洋，又存在生命的可能；“木卫”6有固体球壳和液氮湖，也有存在生命的可能。

因此，“木卫”2和“木卫”6有可能成为探测太阳系内生命存在的重点。

航空与航天航空与航天虽然都拥有飞行器，但是它们的活动范围不同，一般以距离地面100km 高度为界，100km以下为航空活动范围，100km以上为航天活动范围。

在地球大气层以外的宇宙空间中按照天体力学规律运行的飞行器为空间飞行器或航天器。

深空与近空深层空间位置定义为距离地球大于2×106km的空间，我国定义为月球及月球以远的距离为深空。

宇宙通信有时也称为空间通信，它可分为近空通信与深空通信。

近空通信是指地球上的实体与地球卫星轨道上的飞行器之间的通信。

这些飞行器的轨道高度一般为数百至数万公里，如各种应用卫星，载人飞船和航天飞机。

深空通信通常指地球上的实体与离开地球卫星轨道进入太阳系的飞行器之间的通信。

通信距离达几十万、几亿甚至几十亿公里。

一、空间通信系统1、空间通信系统的组成空间通信系统是空间信息传输、导航、遥感、测控等系统的统称，是随着20世纪航天技术、电子技术、通信技术、遥感技术、计算机技术等的发展而逐步发展起来的。

空间通信系统，是由携带各类有效载荷的航天器、星座及其地面支持系统组成，按照信息资源最大综合利用原则，以航天器为枢纽，采用集中和分布结合的方式，互联互通进行信息交换，并具有一定自主运行管理和网络重构能力的天地一体化智能综合信息网络。

CCSDS标准概述CCSDS（空间数据系统咨询委员会）是一个国际性空间组织，成立于1982年，主要任务是负责开发适合航天测控和数据传输系统的各种通信协议和数据处理规范，以适应航天器复杂化，满足空间资源有效利用，加强国合作需要。

一、CCSDS标准层次模型CCSDS空间通信协议体系结构自下而上包括物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层，其中每一层又包括若干个可供组合的协议。

空间通信协议的参考模型如图1所示。

图1 CCSDS空间通信协议参考模型空间通信环境网络具有传输时延大、信噪比低、突发噪声强、多普勒频移大、空间链路时断时续等特点，此时应用于地面通信网络的，面向连接的TCP/IP互联网协议是无法高效工作的。

因此，CCSDS以TCP/IP协议为基础，进行适当的修改和扩充，制定了空间通信协议规范SCPS，该协议在空间通信网络和地面通信环境之间架设起通信的桥梁。

SCPS的主要作用是为遥感卫星和数据中继卫星之间提供高效文件传输。

1)物理层物理层标准包括两部分：无线射频和调制系统和Proximity-1。

无线射频和调制系统对星地之间使用的频段、调制方式等作出定义。

Proximity-1是个跨层协议，规定了邻近空间链路物理层特性，包含物理层和数据链路层。

物理层主要为同步和信道编码子层提供输入输出比特时钟和一些状态信息，而数据链路层又包含五个子层：同步和信道编码子层、帧子层、媒体接入控制子层、数据服务子层和I/O子层。

2)数据链路层数据链路层包括遥测（TM）、遥控(TC)和AOS空间数据链路协议，它们提供在空间链路传输各种类型数据的能力，统称为SDLP(space data link protocol，空间数据链路协议)。

遥测空间数据链路协议通常为从航天器发送遥测信息到地面，遥控空间数据链路协议则通常从地面发送指令到航天器。

空间数据链路协议的基本数据单元为传输帧。

遥控空间数据链路协议使用可变长度的传输帧来保证长度较短的信息(通常为命令信息)短时延的接收。

海底管道巡检船的通信协议和网络架构随着现代化技术的发展，海底管道巡检船的通信协议和网络架构在海洋工程领域起着至关重要的作用。

海底管道巡检船通过远程通信和网络架构，可以实时、准确地监测、控制和维护海底管道。

通信协议是指巡检船与海底设备之间进行信息交互的规则和约定。

在海底环境中，巡检船需要利用可靠的通信协议与海底设备进行数据传输，确保信息的及时性和精确性。

常用的通信协议包括Modbus协议、OPC协议和TCP/IP协议等。

Modbus协议是一种应用层通信协议，通常用于连接监控和控制设备。

它采用主从方式，巡检船作为主机可以向海底设备发送请求并接收其响应。

Modbus协议简单易于实现，具有良好的兼容性和可靠性，被广泛应用于海底管道巡检系统中。

OPC（OLE for Process Control）协议是一种开放式标准通信协议，用于实时数据交互和设备控制。

OPC协议建立在微软的OLE技术上，使得不同厂家的设备和系统能够进行无缝集成。

通过使用OPC协议，巡检船可以与海底设备之间进行高效的数据交互，实现远程监控和控制。

TCP/IP协议是Internet协议簇的基础，提供了巡检船与海底设备之间的可靠数据传输。

巡检船通过TCP/IP协议与海底设备建立网络连接，并通过网络传输数据。

TCP/IP协议具有广泛的应用范围，在网络架构中起着至关重要的作用。

海底管道巡检船通信协议的选择应根据具体的需求来确定。

Modbus协议适用于简单的监控与控制任务，而OPC协议适用于多设备集成和数据交互的情况。

TCP/IP协议则是所有通信协议中最为通用的，可以支持复杂的网络架构和大规模的数据传输。

除了通信协议，海底管道巡检船还需要一个稳定可靠的网络架构来支持数据传输和网络连接。

海底巡检船内部通常有一个局域网（LAN），海底设备则通过海底光缆或卫星链路与外部网络相连。

在局域网中，巡检船与海底设备之间通过交换机进行连接。

交换机在不同设备之间传输数据包，并根据MAC地址将数据包传输到目标设备。

网络通信协议的比较与评价随着互联网的普及，网络通信协议在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。

目前，网络通信协议已经有很多种，其中最为常见的有TCP/IP协议、HTTP协议、FTP协议等等。

这些网络通信协议在不同的应用场景中都有自己的优缺点，本文将就几种常见的网络通信协议进行比较与评价。

一、TCP/IP协议TCP/IP协议是计算机网络中最重要的一种标准协议，也是互联网的核心协议。

它将数据分成了多个数据包进行传输，每一个数据包都有序号，可以确保数据包的正确性，同时可以进行重传。

优点：1、数据传输可靠性高。

使用TCP进行通信时，每一个包都有序号，接收方可以通过这些序号来判断包的正确性，如果出现丢包等情况，TCP会进行重传，保证数据传输的可靠性。

2、拥塞控制。

TCP有一套完善的拥塞控制机制，可以根据网络状况来进行数据发送的速率控制，从而避免网络拥塞。

缺点：1、传输效率低。

由于TCP采用了可靠传输的方式，需要进行序号确认、重传等操作，所以传输效率要比UDP低。

2、适合小数据量传输。

由于TCP每一个数据包都需要进行确认等操作，所以对于大数据量的传输并不适合。

二、HTTP协议HTTP协议是应用层协议，常用于万维网传输数据的协议。

WEB服务器和客户机之间的通信，以及客户机与WEB应用程序之间的通信，都是基于HTTP协议的。

优点：1、应用广泛。

HTTP协议是应用层协议，可以用于传输各种类型的数据，包括HTML文件、图片等。

2、简单易懂。

HTTP协议采用了文本格式进行传输，易于分析和修改。

缺点：1、安全性较差。

由于HTTP采用明文传输的方式，所以容易被黑客进行攻击，需要HTTPs等协议进行加密传输。

2、效率低。

HTTP协议每次传输数据都需要进行连接建立和断开等操作，这种方式在大量数据传输时会消耗大量的时间和资源。

三、FTP协议FTP协议是文件传输协议，主要用于在计算机之间进行文件传输。

优点：1、传输效率高。

FTP协议主要用于文件传输，可以通过断点续传等方式提高传输效率。

CCSDS标准三大航天活动21世纪主要的三大航天活动：深空探测、载人航天、小卫星（或微小卫星）开发应用。

21世纪的深空探测很可能集中在三个方面：第一，开发利用月球物质资源，然后利用开发月球的经验，进而开发火星；第二，在科学认识上的进展，访问人类从未探测过的海王星和知之甚少的水星；第三，继续寻找太阳系内除地球外尚可能存在生命形式的其他天体。

20世纪在探测木星和土星时，发现“木卫”2在一层31km厚的冰层下面是温暖的咸海洋，又存在生命的可能；“木卫”6有固体球壳和液氮湖，也有存在生命的可能。

因此，“木卫”2和“木卫”6有可能成为探测太阳系内生命存在的重点。

航空与航天航空与航天虽然都拥有飞行器，但是它们的活动范围不同，一般以距离地面100km 高度为界，100km以下为航空活动范围，100km以上为航天活动范围。

在地球大气层以外的宇宙空间中按照天体力学规律运行的飞行器为空间飞行器或航天器。

深空与近空深层空间位置定义为距离地球大于2×106km的空间，我国定义为月球及月球以远的距离为深空。

宇宙通信有时也称为空间通信，它可分为近空通信与深空通信。

近空通信是指地球上的实体与地球卫星轨道上的飞行器之间的通信。

这些飞行器的轨道高度一般为数百至数万公里，如各种应用卫星，载人飞船和航天飞机。

深空通信通常指地球上的实体与离开地球卫星轨道进入太阳系的飞行器之间的通信。

通信距离达几十万、几亿甚至几十亿公里。

一、空间通信系统1、空间通信系统的组成空间通信系统是空间信息传输、导航、遥感、测控等系统的统称，是随着20世纪航天技术、电子技术、通信技术、遥感技术、计算机技术等的发展而逐步发展起来的。

空间通信系统，是由携带各类有效载荷的航天器、星座及其地面支持系统组成，按照信息资源最大综合利用原则，以航天器为枢纽，采用集中和分布结合的方式，互联互通进行信息交换，并具有一定自主运行管理和网络重构能力的天地一体化智能综合信息网络。

2009年12月第　6　期 中国空间科学技术C H IN ESE SPACE SCIENCE AND TEC HNOLO GYCCSDS SCPS网络层与传输层协议分析与仿真验证刘俊王九龙石军(中国空间技术研究院,北京100094)摘要　空间数据系统咨询委员会(CCSDS)针对空间通信的特点制定了空间通信协议标准SCPS(Space Communications Protocal Specification)。

文章从CCSDS标准在中国空间技术的实际应用出发,对CCSDS SCPS协议中网络层协议(N P)和传输层协议(TP)进行研究,分析其特点和适用性,并与TCP/IP协议进行对比,最后设计演示验证系统对所提方案进行验证并得出结论:在空间通信环境下,采用SCPS协议后的性能优于采用TCP/IP协议。

关键词　空间通信　协议标准　网络层　传输层　仿真1引言计算机和网络技术的飞速发展以及因特网在地面的成功应用,为在空间采用网络技术奠定了技术基础。

如果能够建立一个空间数据系统,将空间资源和地面测控手段有机地结合起来,形成空间综合信息网,则可将各类空间数据的获取、传输、处理、分发和应用有机融合起来,实现对航天器的实时无缝测控,尤其是能够实时获得航天器发生故障时的真实数据,大大增加挽救机会[1]。

作为地面网络应用的代表,Internet无疑是一个已经大规模应用,可以提供良好的可升级、稳健、有效,并且自适应网络结构的最成功的例子。

在空间网络中利用Internet协议特别具有吸引力,但是已经可以得出结论:虽然Internet协议(如TCP/IP、UDP、F TP)作为地面应用范围最广泛的网络协议能提供空间通信的许多功能,尤其是端到端的能力、高层协议功能等,但Internet协议是为陆基网络开发的,而地面网络的环境条件与航天器在空间通信时遇到的情况大不相同。

空间网络环境不同于地面的几个主要特点:空间通信传输时延大和时延变化大、信号电平弱、信道噪声大、多普勒频移大、空2地通信频繁中断等,因此空间通信网络不能完全照搬Internet协议[2]。

0引言随着我国载人航天、卫星通信等领域的发展，天地信息交换和卫星载荷容量日益增加，空间应用也呈现出多元化发展的趋势。

由此，基于天地一体化融合的信息传输系统设计就变得至关重要。

低轨卫星星座由于卫星轨道高度低，使得传输延时短、路径损耗小，可实现真正的全球覆盖，频率复用也更有效，非常适合星地间高速数据传输。

由于空间和地面底层链路存在差异，所以在链路层采用相同协议进行数据传输是不现实的，加入卫星协议网关可实现在网络层屏蔽此差异。

首先，协议网关可以通过数据封装服务完成IP数据在CCSDS（国际空间数据系统咨询委员会）帧里的传输，通过数据解析服务从CCSDS帧里恢复出IP数据，解决了链路层数据传输问题。

其次，网关具备IP 数据的路由和转发功能，帮助终端与服务器进行UDP（用户数据报协议）通信和建立TCP（传输控制协议）连接。

本文参考IP over CCSDS Space Links等相关CCSDS建议草案，结合低轨卫星星座的优点，设计并实现了低轨卫星协议网关。

该网关采用多线程组织结构和分层次分模块的设计构架提高网关性能，并借助ARP欺骗技术，最终实现卫星终端网络接入。

1系统模型网关系统位于CCSDS星间链路和地面TCP/ IP网络的连接处，是连接卫星终端和地面通信网的桥梁，直接担负着空间数据与地面用户数据的协议转换、数据分发等功能。

增加了协议网关之后，空间链路仍然可以用虚拟信道协议携带数据单元进行传输，地面终端还保持着“IP地址+端口号”的方式来标识应用进程，由网关在二者之间透明地执行映射和转换任务。

图1为协议网关的典型应用场景，主要包含三大部分：终端（手机或计算机）、低轨卫星通信系统、地面通信网。

终端处在无Internet接入的小型局域网内，手机终端需要通过路由器和协议网关组成局域网，计算机终端既可以与协议网关直接相连，也可以利用路由器与协议网关组成局域网；低轨卫星通信系统包括了基带、天线、低轨卫星等设备，主要负责IP数据的透明转发；地面通信网由协议网关、无线AP（接入点）、远程服务器等组成，负责响应终端CCSDS与TCP/IP协议转换的研究与实现闫前进，钟卫强，徐琪，林子孟（电信科学技术第一研究所有限公司，上海市200032）摘要随着低轨卫星星座、载人航天工程和空间应用等领域的发展，空间传输网络和地面传输网络的融合已成为天地一体化网络发展的必然趋势。

深空探测通信技术发展趋势及思考随着人类对宇宙的探索不断深入，深空探测任务日益增多，对深空探测通信技术的要求也越来越高。

深空探测通信技术是指用于地球与地外天体之间的通信技术，其发展趋势主要受到科技进步和任务需求的影响。

本文将从当前深空探测通信技术的发展现状出发，分析其未来的发展趋势，并对未来的发展方向进行一些思考。

深空探测通信技术的发展现状目前，深空探测通信技术已经取得了一些重要的进展，主要表现在以下几个方面：第一，采用新一代通信协议。

当前的深空探测通信主要采用的是传统的通信协议，如CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）标准，而随着通信技术的不断发展，新一代的通信协议开始应用于深空探测任务中。

NASA正在开发一种名为"Disruption Tolerant Networking（DTN）" 的新型协议，这种协议可以在不可靠的延迟和断断续续的连接下实现数据传输，极大地提高了深空通信的可靠性和稳定性。

第二，利用激光通信技术。

目前的深空通信主要依靠微波通信技术，但是微波通信存在速度慢、频谱资源有限等问题。

激光通信技术开始被应用于深空通信中，由于激光通信的高速传输和大带宽特点，可以大大提高深空通信的速率和效率。

NASA的 "Mars Relay" 任务就采用了激光通信技术，成功地实现了地球与火星之间的高速通信。

引入机器学习技术。

由于深空探测任务的环境极其复杂，不可预测的因素较多，因此从传统的通信方式无法满足任务需求。

为此，一些研究人员开始尝试将机器学习技术应用于深空通信中，通过对数据进行实时分析和处理，提高通信系统的自适应性和鲁棒性。

这一方面的研究还处于起步阶段，但已经取得了一些初步的成果。

在分析了深空探测通信技术的现状之后，我们可以看出，未来深空探测通信技术的发展主要将呈现以下几个趋势：高效可靠的通信协议将得到更广泛的应用。

基础——IOT（物联网）的七大通信协议点击：物联网的简单介绍在物联网协议中，我们一般分为两大类，一类是传输协议，一类是通信协议。

传输协议一般负责子网内设备间的组网及通信；通信协议则主要是运行在传统互联网TCP/IP协议之上的设备通讯协议，负责设备通过互联网进行数据交换及通信。

上图为物联网联接的问题空间，其中物联网的通信环境有Ethernet，Wi-Fi，RFID，NFC（近距离无线通信），Zigbee，6LoWPAN（IPV6低速无线版本），Bluetooth，GSM，GPRS，GPS，3G，4G等网络，而每一种通信应用协议都有一定适用范围。

AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太网，COAP协议是专门为资源受限设备开发的协议，而DDS和MQTT的兼容性则强很多。

互联网时代，TCP/IP协议已经一统江湖，现在的物联网的通信架构也是构建在传统互联网基础架构之上。

在当前的互联网通信协议中，HTTP协议由于开发成本低，开放程度高，几乎占据大半江山，所以很多厂商在构建物联网系统时也基于http协议进行开发。

包括google 主导的physic web项目，都是期望在传统web技术基础上构建物联网协议标准。

HTTP协议是典型的CS通讯模式，由客户端主动发起连接，向服务器请求XML或JSON数据。

该协议最早是为了适用web浏览器的上网浏览场景和设计的，目前在PC、手机、pad等终端上都应用广泛，但并不适用于物联网场景。

在物联网场景中其有三大弊端：(1) 由于必须由设备主动向服务器发送数据，难以主动向设备推送数据。

对于单单的数据采集等场景还勉强适用，但是对于频繁的操控场景，只能推过设备定期主动拉取的的方式，实现成本和实时性都大打折扣。

(2) 安全性不高。

web的不安全都是妇孺皆知，HTTP是明文协议，在很多要求高安全性的物联网场景，如果不做很多安全准备工作（如采用https等），后果不堪设想。

(3) 不同于用户交互终端如pc、手机，物联网场景中的设备多样化，对于运算和存储资源都十分受限的设备，http协议实现、XML/JSON数据格式的解析，都是不可能的任务。