AOS（高級在軌系統(tǒng)）協(xié)議跟蹤研究

鄭娟 祝彬 陸靜 周玉霞

（1航天標準化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071；

2航天系統(tǒng)科學與工程研究院，北京，100037）

國外標準化

AOS（高級在軌系統(tǒng)）協(xié)議跟蹤研究

鄭娟1祝彬2陸靜1周玉霞1

（1航天標準化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071；

2航天系統(tǒng)科學與工程研究院，北京，100037）

文摘：以CCSDS 732.0-B-3為基礎介紹AOS協(xié)議數(shù)據(jù)單元、提供的業(yè)務、實現(xiàn)過程和管理參數(shù)等內容，描述AOS協(xié)議在選用SDLS（空間數(shù)據(jù)鏈路安全）協(xié)議時的AOS傳輸幀結構、業(yè)務、協(xié)議實現(xiàn)過程中與SDLS協(xié)議的接口實現(xiàn)及特點以及新增管理參數(shù)。

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）；高級在軌系統(tǒng)（AOS）；AOS協(xié)議；SDLS（空間數(shù)據(jù)鏈路安全）協(xié)議。

1982年，世界上幾個主要空間機構共同成立了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（Consultative CommitteeforSpaceDataSystems，CCSDS）。CCSDS自成立以來，致力于為各國空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)和應用過程中出現(xiàn)的通用問題提出解決途徑，為空間數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)提供統(tǒng)一標準，以促進空間機構之間的合作和交互支持，從而降低合作成本和公共設施運營成本[1]。

AOS（高級在軌系統(tǒng)）的發(fā)展基于COS（常規(guī)在軌系統(tǒng)），包括載人空間站、空間實驗室、無人空間飛行平臺、自由飛行的航天器以及新型空間運輸系統(tǒng)等復雜航天器[2]。針對復雜航天器對數(shù)據(jù)通信的需求，CCSDS基于COS協(xié)議提出了AOS數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議（以下簡稱AOS協(xié)議）。

1 AOS協(xié)議制定背景

CCSDS劃分了六大業(yè)務領域：航天器在軌接口業(yè)務（SOIS）、空間鏈路業(yè)務（SLS）、空間網(wǎng)絡業(yè)務（SIS）、任務操作和信息管理業(yè)務（MOIMS）、交互支持業(yè)務（CCS）和系統(tǒng)工程業(yè)務（SEA）。在每個業(yè)務領域中，以工作組的形式開展標準制修訂工作。

AOS協(xié)議由空間鏈路業(yè)務（SLS）的空間鏈路協(xié)議工作組制定[1]。工作組在繼承COS協(xié)議的部分功能（例如分包遙測和分包遙控等）的基礎上，對AOS協(xié)議進行了擴展和完善，主要表現(xiàn)在AOS協(xié)議可支持更多業(yè)務類型，可處理大容量、高速率的數(shù)據(jù)，且支持具有不同需求的用戶同時訪問鏈路。目前，最新版AOS協(xié)議為CCSDS于2015年9月發(fā)布的CCSDS 732.0-B-3《AOS（高級在軌系統(tǒng)）協(xié)議》。其對應的ISO標準是ISO 22666《空間數(shù)據(jù)與系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議》，目前正在修訂中，已于2016年6月29日完成DIS稿投票。

2015年9月更新的CCSDS第三版AOS協(xié)議標準號為CCSDS 732.0-B-3，其中，“B”代表藍皮書（推薦標準），“3”代表目前是第三版，其歷史版本更新記錄見表1。

與CCSDS 732.0-B-2相比，CCSDS 732.0-B-3主要技術更新體現(xiàn)在新版AOS協(xié)議支持選用SDLS（空間數(shù)據(jù)鏈路安全）協(xié)議。SDLS協(xié)議的使用可為傳輸幀提供授權認證、加密和認證性加密等三項安全功能[3]。SDLS協(xié)議由CCSDS空間鏈路服務和系統(tǒng)工程（安全）領域工作組編寫，SDLS協(xié)議旨在提供獨立于加密算法的空間鏈路層安全標準，與TC、TM和AOS標準兼容，使其可以直接采用安全服務而不需要任何的更改或業(yè)務流程再設計，同時與CCSDS空間鏈路擴展服務（SLE）相兼容[4]。

表1 AOS協(xié)議版本更新記錄

2 AOS協(xié)議適用范圍以及AOS協(xié)議與OSI參考模型的對應關系

AOS協(xié)議屬于數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，適用于空間任務在進行空—地、地—空、空—空等通信時使用。主要涉及的內容包括[5]：①為使用協(xié)議的用戶提供的業(yè)務；②協(xié)議采用的協(xié)議數(shù)據(jù)單元；③協(xié)議實現(xiàn)過程。

不涉及內容：①協(xié)議的具體實現(xiàn)或產(chǎn)品；②與真實系統(tǒng)業(yè)務接口的具體實現(xiàn)；③協(xié)議實現(xiàn)的相關技術方法；④對協(xié)議進行配置和控制的管理措施。

AOS協(xié)議與OSI參考模型之間的對應關系如圖1所示[6]。從圖1可以看出，CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議包括兩個子層：數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層（Data Link Protocol Sublayer，DLPS）和同步與信道編碼子層（SynchronizationandChannel Coding Sublayer，SCCS）。AOS協(xié)議和SDLS協(xié)議都是基于數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層的協(xié)議，AOS協(xié)議通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元（傳輸幀）實現(xiàn)各種類型的數(shù)據(jù)傳輸，SDLS協(xié)議為AOS協(xié)議提供授權、認證等安全相關功能。同步與信道編碼子層為協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳輸幀提供其他相關功能，例如幀同步、幀定界、糾錯譯碼/解碼（可選）以及位生成/轉換等功能，相關標準和AOS協(xié)議共同使用。

圖1 AOS協(xié)議與OSI參考模型的對應關系

3 AOS協(xié)議內容

3.1 協(xié)議數(shù)據(jù)單元

AOS協(xié)議使用固定長度的傳輸幀作為協(xié)議數(shù)據(jù)單元。在不使用SDLS協(xié)議的情況下，AOS傳輸幀由幀頭、插入域、數(shù)據(jù)域和幀尾等幾部分組成，結構如圖2所示。其中，傳輸幀插入域是可選項，幀尾包括操作控制域和差錯控制域兩部分，也是可選項。

圖2 不使用SDLS協(xié)議的AOS傳輸幀結構

主幀頭結構如圖3所示，由主信道ID、虛擬信道ID、虛擬信道幀計數(shù)、信號域和幀頭差錯控制（可選）區(qū)等部分組成。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，為提升傳輸效率，AOS協(xié)議引入了虛擬信道（Virtual Channel，VC）的概念。虛擬信道是由物理信道劃分出的獨立邏輯數(shù)據(jù)信道，不同業(yè)務的數(shù)據(jù)流可通過各虛擬信道單獨傳輸，從而實現(xiàn)物理信道共享，提高信道利用率。虛擬信道采用全球虛擬信道ID（GVCID）進行標識，具有唯一性。GVCID存儲在AOS傳輸幀頭中，由主信道ID（MCID）和虛擬信道ID（VCID）組成，主信道ID（MCID）由幀版本號（TFVN）和航天器ID（SCID）組成，即GVCID =MCID+VCID=TFVN+SCID+VCID，GVCID組成如圖4所示。

圖3 AOS傳輸幀主幀頭結構

圖4 GVCID的組成

在特定物理信道中，具有相同MCID的傳輸幀組成主信道（MC），主信道由一個或多個虛擬信道組成。在多數(shù)情況下，當物理信道中傳輸幀的MCID相同時，此時主信道與物理信道一致；當傳輸幀的MCID不同時，物理信道中包括多個主信道。物理信道、主信道和虛擬信道之間的邏輯關系如圖5所示。在使用中，物理信道由物理信道名稱標識，通過管理設定，相關信息不存儲在傳輸幀中；主信道由MCID標識，虛擬信道由GVCID標識，相關信息存儲在傳輸幀中。

3.2 業(yè)務

AOS協(xié)議為用戶提供數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，業(yè)務數(shù)據(jù)單元的源數(shù)據(jù)有六種形式：包（Packet）、位流數(shù)據(jù)（Bitstream Data）、虛擬信道接入業(yè)務數(shù)據(jù)（VCA_SDU）、虛擬信道操作控制業(yè)務數(shù)據(jù)（OCF_SDU）、AOS傳輸幀和插入業(yè)務數(shù)據(jù)（IN_SDU）。根據(jù)用戶業(yè)務數(shù)據(jù)單元的傳輸方式，AOS協(xié)議提供的業(yè)務可分為三種類型：異步業(yè)務、同步業(yè)務和周期性業(yè)務。

a）在異步業(yè)務中，業(yè)務數(shù)據(jù)單元和傳輸幀的傳輸之間沒有同步關系，用戶根據(jù)需要隨時請求數(shù)據(jù)傳輸，業(yè)務數(shù)據(jù)單元按順序由發(fā)送端傳輸至接收端，傳輸模型如圖6所示。在異步業(yè)務模式下，發(fā)送端將所有的業(yè)務數(shù)據(jù)單元按需求一次性傳輸至接收端，由于在數(shù)據(jù)傳輸中可能會發(fā)生錯誤，所以可能存在部分數(shù)據(jù)單元的無法正常傳輸?shù)膯栴}。

圖5 信道之間的邏輯關系

圖6 異步業(yè)務模型

b）在同步業(yè)務中，發(fā)送端發(fā)出的業(yè)務數(shù)據(jù)單元先存入緩存，當傳輸虛擬信道/主信道/物理信道傳輸幀時，緩存向接收端傳輸其存儲的業(yè)務數(shù)據(jù)單元，傳輸模型如圖7所示。在同步業(yè)務模式下，業(yè)務數(shù)據(jù)單元可能傳送一次，可能傳輸多次（當新的數(shù)據(jù)沒傳送到緩存中時），也可能沒有傳輸（因緩存中只能存儲一個業(yè)務數(shù)據(jù)單元，可能之前的數(shù)據(jù)尚未傳輸就已被新的數(shù)據(jù)占據(jù)了緩存）。同步業(yè)務是一種時分復用模式，同步方式可以是周期性的，也可以是不定期的。

圖7 同步業(yè)務模型

c）周期業(yè)務是同步業(yè)務的特殊情況，在周期業(yè)務中，業(yè)務數(shù)據(jù)單元按固定速度傳輸。在周期業(yè)務模式下，如果接收端接收業(yè)務數(shù)據(jù)單元的速率與發(fā)送端發(fā)送業(yè)務數(shù)據(jù)單元的速率一致，則業(yè)務數(shù)據(jù)單元正好被傳輸一次[4]。

AOS協(xié)議提供了7種業(yè)務，各種業(yè)務的類型和對應的業(yè)務數(shù)據(jù)單元見表2。其中分包、位流、虛擬信道訪問、虛擬信道操作控制域、虛擬信道幀等5種業(yè)務提供給虛擬信道；主信道幀業(yè)務提供給主信道；插入業(yè)務數(shù)據(jù)提供給物理信道。

3.3 協(xié)議實現(xiàn)過程

不選用SDLS協(xié)議時，AOS協(xié)議發(fā)送過程如圖8所示，數(shù)據(jù)流傳輸方向自頂部到底部。AOS協(xié)議接收過程如圖9所示，數(shù)據(jù)流傳輸方向自底部到頂部。圖8和圖9描述的發(fā)送過程和接收過程都是抽象過程，不涉及協(xié)議實體的具體實現(xiàn)。

表2 AOS協(xié)議提供的7種業(yè)務

圖8 發(fā)送端數(shù)據(jù)處理過程

圖9 接收端數(shù)據(jù)處理程序

3.4 協(xié)議管理參數(shù)

不使用SDLS協(xié)議時，AOS協(xié)議管理參數(shù)包括物理信道管理參數(shù)、主信道管理參數(shù)、虛擬信道管理參數(shù)和包傳輸管理參數(shù)，見表3。

表3 協(xié)議管理參數(shù)

4 選用SDLS的AOS協(xié)議

4.1 協(xié)議數(shù)據(jù)單元

當選用SDLS協(xié)議的安全功能時，AOS傳輸幀中應增加定義安全頭和安全尾（可選）。如果傳輸幀中帶安全頭，則代表虛擬信道中使用了SDLS協(xié)議。使用SDLS時的傳輸幀格式與不使用SDLS協(xié)議的傳輸幀格式差異如圖10所示。圖中指示了安全頭和安全尾的位置。

圖10 發(fā)送端數(shù)據(jù)處理過程

4.2 業(yè)務

在AOS協(xié)議提供的7種業(yè)務中，分包、位流和虛擬信道訪問業(yè)務可選用SDLS協(xié)議。當AOS業(yè)務選用SDLS協(xié)議時，使用認證狀態(tài)碼參數(shù)。在相應的業(yè)務過程中，當傳輸幀進行虛擬信道尋址發(fā)生認證錯誤時，分別向虛擬信道分包業(yè)務、位流業(yè)務、虛擬信道訪問業(yè)務的接收端用戶發(fā)送認證狀態(tài)碼參數(shù)。

4.3 協(xié)議實現(xiàn)過程

如果發(fā)送過程中選用SDLS協(xié)議，SDLS提供的安全功能一般與AOS協(xié)議在虛擬信道生成或虛擬信道復用過程進行接口，如圖8所示接口位置。具體在何處接口取決于相關參數(shù)，如安全關聯(lián)（SAs，Security Associations）的個數(shù)和類型、使用安全功能的收發(fā)終端、密鑰管理以及抗重放特征。在虛擬信道生成過程中與SDLS協(xié)議進行接口時，在安全關聯(lián)中進行安全配置。在虛擬信道復用過程中與SDLS協(xié)議進行接口時，安全配置包括多個共享SDLS安全關聯(lián)的虛擬信道。SDLS安全功能的調用在虛擬信道復用過程后。SDLS協(xié)議可應用于發(fā)送端的所有過程，包括：分包過程、位流過程、虛擬信道生成過程、虛擬信道復用過程、主信道復用過程和幀生成過程中。

對于接收端，SDLS提供的安全功能一般與AOS協(xié)議在虛擬信道接收或虛擬信道分離過程進行接口，如圖9所示接口位置。對于接收端，如果在使用SDLS的安全功能中發(fā)現(xiàn)錯誤，會將錯誤發(fā)送至虛擬信道分離過程或虛擬信道接收過程中，錯誤信息的傳遞與幀傳遞過程是獨立的。分包提取、位流提取、虛擬信道接收、虛擬信道分離、主信道分離和幀接收過程中均可使用SDLS協(xié)議。

4.4 協(xié)議管理參數(shù)

當使用SDLS協(xié)議時，還需補充以下管理參數(shù)，見表4。

表4 使用SDLS的補充管理參數(shù)

5 結論與建議

2015年9月發(fā)布的新版AOS協(xié)議主要特征是補充了使用SDLS協(xié)議時的相關規(guī)定。對于不同虛擬信道，AOS協(xié)議是否選用SDLS協(xié)議以及選用SDLS協(xié)議提供何種安全功能，都可靈活設置。SDLS協(xié)議是基于數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層的協(xié)議，可在AOS協(xié)議的分包業(yè)務、位流業(yè)務和虛擬信道訪問業(yè)務中使用。

當使用SDLS協(xié)議時，AOS傳輸幀中增加了安全頭和安全尾的定義；管理參數(shù)中相應增加有/無安全頭、有/無安全尾、安全頭長度和安全尾長度等參數(shù)；對于協(xié)議實體發(fā)送端，SDLS協(xié)議可與AOS協(xié)議在虛擬信道生成過程或虛擬信道復用過程接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送；對于接收端，SDLS協(xié)議可與AOS協(xié)議在虛擬信道接收過程或虛擬信道分離過程中接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。

AOS協(xié)議已成為空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)設計的重要標準，已在我國部分航天型號中得到了應用[7]，對我國目前和將要開展的載人航天、探月工程和空間站建設等任務具有廣闊的應用前景。針對AOS協(xié)議，有以下建議。

a）在高級在軌系統(tǒng)的設計中，應用支持SDLS協(xié)議的新版AOS協(xié)議，提升我國航天任務系統(tǒng)的空間任務交互支持性和信息安全性。盡管我國目前已初步建立了基于技術體系的網(wǎng)絡信息安全防護體系[3]，但采用新版AOS協(xié)議及其支持的SDLS協(xié)議，可有效減少我國不同型號航天任務中安全解決方案的重復設計。

b）及時根據(jù)新版AOS協(xié)議和SDLS協(xié)議制修訂我國相關標準。目前我國尚未實施SDLS協(xié)議，AOS協(xié)議相關標準也一直未進行修訂，建議盡快研究采標措施，制定空間網(wǎng)絡信息安全相關標準，并根據(jù)新版AOS協(xié)議進行AOS協(xié)議相關標準的修訂。

[1]CCSDS官方網(wǎng)站.關于CCSDS.http://www. ccsds.org，2016-08-02.

[2]CCSDS.CCSDS 133.0-B-1 Space Packet Protocol.Recommendation for Space Data System [S].Washington,D.C.：CCSDS,2003.

[3]劉建勛，程子敬，等．CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路層安全協(xié)議研究[J]．飛行器測控學報. 2016，（24）：40-44.

[4]CCSDS.CCSDS355.0-R-3SpaceData Link Security Protocol[S].Washington D.C.：CCSDS，2013.

[5]陸靜.空間數(shù)據(jù)傳輸領域高級在軌系統(tǒng)ISO國際標準的航天應用研究[D]．北京：北京郵電大學，2009.

[6]CCSDS.CCSDS 732.0-B-3 AOS Space Data Link Protocol[S].Washington,D.C.：CCSDS，2015.

[7]白云飛．CCSDS高級在軌系統(tǒng)協(xié)議及其應用介紹[J]．飛行器測控學報，2012(30).

鄭娟（1982年—），女，工程師，現(xiàn)主要從事航天測控相關標準化研究工作。