CCSDS - The Consultative Committee for Space Data Systems
[Overview of Space Communications Protocols]
- Informational Report, CCSDS 130.0-G-4
Document Control
1. CCSDS 130.0-G-1 : Overview of Space Link Protocols, Issue1 (purpose and scope of Report, definitions and references)
2. CCSDS 130.0-G-2 : Overview of Space Communications Protocols, Informational Report, Issue2 (brief introduction)
3. CCSDS 130.0-G-3 : Overview of Space Communications Protocols, Informational Report, Issue3 (major features)
4. CCDSD 130.0-G-4 : Overview of Space Communications Protocols, Informational Report, Issue4 (examples)
CCSDS 프로토콜에 대해서 공부를 해보려 하는데,, 구글링 결과 관련 자료는 많이 없는 것 같고😢 대략 그린북 & 블루북 중 몇 가지 프로토콜에 대해 읽어보았지만 왜 그리고 어떻게 와 같이 근본적인 질문을 해결할 수 없다고 느꼈다.
그래서 우선 CCSDS 130.0-G-4 : Overview of Space Communications Protocols 에 대한 pdf 자료를 처음부터 쭉 읽어보고 내용을 정리해 보고자 한다.
1. Introduction
해당 리포트는 CCSDS가 권고하는 우주통신의 구조적 개요를 제시하고, 어떻게 이 프로토콜이 우주 미션 데이터 시스템에 사용되는지에 대해 설명한다.
space link: 우주선과 지상국 or 우주선과 우주선 사이의 커뮤니케이션 링크
space communication protocol: space link에서 사용되는 통신 프로토콜
해당 리포트는 오직 space communication protocols의 상위 내용에 대해서만 다루고, 각 프로토콜의 이론적 개념 및 세부사항은 포함하지 않는다.
대부분의 CCSDS space communications protocols은 OSI 모델을 기반으로 정의되어 있는데, OSI layer는 시스템 상호 연결의 개발 표준에 대한 공통의 프레임워크를 제공하고 있기 때문이다.
요약: 해당 리포트는 CCSDS가 권고하는 우주 통신의 상위 개요에 대해서만 다루며, 대부분의 protocol은 OSI 모델을 기반으로 한다.
용어 정의 및 레퍼런스는 생략하겠다.. 😶
2. Introduction to Space Communications Protocols
[초기표준]
과거 방식: 초기 우주 통신은 우주선에서 지상국으로 보내는 정보(Telemetry)를 Time Division Multiplexing(TDM)방식을 적용하였다. 이는 데이터 항목을 사전 정의된 규칙에 따라 고정된 길이의 프레임에 연속적으로 넣어서 보내는 방식이었으나, 유연성이 떨어지고 프로젝트마다 커스텀 시스템을 개발해야 하는 단점이 있었다.
TM: 마이크로프로세서 기술의 발전으로, CCSDS는 가변 길이 데이터 단위인 Source Packet을 사용한 Packet Telemetry 프로토콜에 대한 국제 표준을 개발하게 되었다.
이는 우주선의 다양한 시스템에 의해 생성된 Source Packet을 고정 길이의 Transfer frame에 담아 지상으로 효율적으로 전송하는 방법이다.
TC: 이후 지상국에서 우주선으로 명령을 보내는 TC Packet 즉, telecommand에 대한 국제 표준이 개발되었고, 마찬가지로 TC Packet을 가변의 transfer frame에 담아 전송한다.
1980년 말, CCSDS는 Advanced Orbitibg System(AOS)의 요구를 충족시키기 위해 표준을 확장하였고, TM과 TC에 이어 세 번째 표준을 발표했다.
AOS: AOS 표준은 다양한 형태의 온라인 데이터를 전송하는 서비스 표준인 Packet Telemetry를 추가하고, space-to-ground 와 ground-to-space link 모두에서 사용이 가능하다.
요약: 초기 표준은 TM,TC,AOS가 존재한다.
[표준의 재구조화 및 체계화]
기존의 TM,TC,AOS 표준들은 더 체계적이고 통일된 방식으로 다음과 같이 재구성되었다.
- SPP(Space Packet Protocol) : 패킷의 구조를 정의한다.
- TM,TC,AOS SDLP(Space Data Link Protocol) : 각 통신 방식의 데이터 링크 계층을 정의한다.
- TM 및 TC 동기화 및 채널 코딩 : 데이터 전송의 동기화와 오류 수정을 위한 코딩 방식을 정의한다.
요약: 기존의 TM,TC,AOS 표준을 더 체계적으로 재구성하여 SPP, TM/TC/AOS SDLP, TM/TC 동기화 및 채널 코딩 으로 재구조화하였다.
1990년대에, 인터넷 기술의 도입 및 발전으로 인하여 CCSDS는 Space Communications Protocol Specifications(SCPS)로 불리는 프로토콜 set을 개발하였다.
- SCPC: 다음을 포함한다.
- SCPS Network Protocol(SCPS-NP)
- SCPS Security Protocol(SCPS-SP)
- SCPS Transport Protocol(SCPS-TP) - 현재는 거의 얘만 사용
- SCPS File Protocol(SCPS-FP)
또한, 우주선 내의 대용량 메모리와 파일을 송수신하기 위한 프로토콜로, CCSDS File Delivery Protocol(CFDP)를 개발하였다.
- CFDP: 신뢰성이 낮은 통신 환경에서도 안정적이고 효율적인 파일 전송을 보장한다.
(TMI: 1998년 7월에 Mars 우주선에 대한 relay 실험이 성공하며, NASA는 Internet-like한 서비스를 우주선에 제공하는 것이 가능한 표준 프로토콜 디자인에 투자하기 시작하였다.)
오늘날 Delay Tolerant Networking(DTN)은 TCP/IP가 지구상의 인터넷을 위해 제공하는 것과 로직적으로 비슷하나, 우주 환경에서의 사용에 적합한 general-purpose한 Network/Transport-Layer service를 제공한다.
- DTN: 심우주 탐사처럼 통신이 자주 끊기거나 지연이 매우 심한 환경을 위해 개발된 '우주 인터넷' 기술로, TCP/IP 공동 개발자인 빈트 서프가 참여했으며, 데이터를 중간 노드에 저장했다가 전달하는 'store-and-forward' 방식으로 신뢰성 있는 데이터 전송을 지원한다.
CCSDS는 데이터 압축에 있어서 또한 표준을 제공한다.
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데이터 압축: 데이터 수신량을 늘리거나 저장 공간을 줄이기 위한 표준이다. 원본 데이터가 완전히 복원되는 1)무손실 압축과, 이미지 데이터에 주로 사용되며 압축률이 높은 2)손실이 거의 없는 압축 표준 두 가지가 존재한다.
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Proximity-1 Space Link Protocol: 착륙선, 탐사선, 궤도선 등 짧은 거리에서 양방향 통신을 할 때 사용되는 프로토콜이다.
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USLP: 미래 모든 유/무인 우주 미션을 위한 데이터 링크 계층 프로토콜로 자리 잡을 것을 목표로 하는 2018년에 발표된 최신 표준이다.
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Security: SDLP(Space Data Link Security Protocol), SDLS EX(Extended Procedures)와 암호화 알고리즘 등 보안 관련 표준 문서를 제공한다.
[Protocol layers]
- Physical layer
- Data Link layer
- Network layer
- Transport layer
- Application layer
(대개 지구에서 사용하는 네트워크에서처럼 Space link도 또한 Session과 Presentation layer를 거의 사용하지 않는다. ->왜?)
CCSDS는 공식적으로 API를 정의하지는 않았지만, ISO에서 정의한 규약에 따라 기본형 형태로 추상 서비스 정의를 제공한다.
이제 layer 하나씩 살펴보자.
[Physical layer]
- RF 및 변조 시스템: 우주선과 지상국 간 통신을 위한 CCSDS의 포괄적인 표준이다.
- Proximity-1: 탐사선-궤도선 통신과 같이 짧은 근접 링크에 대한 물리 계층 권고 사항을 포함한다.
[Data Link layer]
Data link protocol sublayer와 synchronization 및 channel coding sublayer로 이루어져 있다.
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Data link protocol sublayer :
상위 계층의 데이터를 Transfer Frame이라는 단위로 만들어 전송하는 방법을 정의한다.
주요 프로토콜: TM, TC, AOS, Proximity-1, USLP(향후 모든 종류의 우주 통신 링크에 사용될 통합 프로토콜)
보안: 이 프로토콜들은 선택적으로 SDLS 프로토콜을 사용해 인증이나 기밀성과 같은 보안 서비스를 제공할 수 있다.(Proximity-1 제외) -
Synchronization and Channel coding sublayer: Transfer Frame이 우주 링크를 통해 전송될 때 동기화를 맞추고 오류를 수정하기 위한 채널 코딩 방법을 정의한다.
주요표준: TM, TC, Proximity-1 각각에 대한 동기화 및 코딩 표준과, 고속 원격 측정을 위한 SCCC, DVB-S2 표준이 있다.
[Data Link 와 Network layer 사이]
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Licklider 전송 프로토콜(LTP): 데이터 링크 계층 위에서 동작하며, 필요에 따라 신뢰성 있는 전송을 보장하는 선택적 메커니즘을 제공한다.
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IP over CCSDS: 표준 인터넷 데이터 그램(IP 패킷)을 CCSDS 데이터 링크 프로토콜을 통해 전송할 수 있도록 해주는 shim protocol이다.
[Network layer]
지상망, 위성망을 포함한 데이터 시스템 전체에 걸쳐 데이터를 라우팅 하고 포워딩하는 기능을 담당한다.
- IP: 표준 인터넷 프로토콜을 사용한다.
- DTN:
- 연결이 자주 끊기는 경우
- 지연이 매우 크고 불규칙한 경우
- 데이터 오류율이 높은 경우
- 번들 프로토콜(BP): DTN의 핵심 네트워크 계층 프로토콜로, 중간 노드에서 데이터를 저장했다가 전달하는 'Store-and-Forward' 방식으로 동작하여 신뢰성을 확보한다.
-> BP와 IP가 CCSDS에서 인정하는 주요 네트워크 프로토콜로, 데이터 유닛(BP 번들, IP 데이터그램)은 캡슐화 패킷 프로토콜을 통해 데이터 링크 계층의 전송 프레임에 담겨 전송된다.
-> IP주소나 BP의 종단점 식별자(end system identifier)를 사용하여 종단 시스템의 주소를 지정하고, 라우터들이 이 주소를 기반으로 경로를 결정한다.
[Transport layer]
e2e 전송 서비스를 제공한다.
- SCPS-TP: CCSDS가 개발한 전송 계층 프로토콜이다.
- TCP,UDP: 표준 인터넷 전송 프로토콜인 TCP나 UDP도 IP 위에서 사용될 수 있다.
- IPSec: IPSec을 사용하여 종단 간 데이터 보호 기능을 제공할 수 있다.
[Application layer]
파일 전송 및 데이터 압축과 같은 종단 애플리케이션 서비스를 제공한다.
- 주요 프로토콜:
- Asynchronous messaging service (AMS)
- CFDP
- Lossless Data Compression
- Image Data compression
- Space Packet Protocol
AMS는 종단간 임무 데이터 시스템 메시지 전송을 위한 프로토콜이다. 서로 다른 임무 모듈이 상대방의 현재 동작 상태나 위치를 알지 못해도 서로 정보를 주고 받을 수 있게 해주는 상호 운용 프로토콜이다.
CFDP Store-and-Forward 오버레이 절차는 여러 링크 계층 홉을 통해 애플리케이션별 데이터 전송을 제공한다.
단순한 파일 전송 프로토콜을 넘어, 데이터의 완전성, 순서보장, 중복 방지와 같은 전송 계층의 기능도 함께 제공한다.
- 호환성: 네트워크 계층(IP,DTN), 우주 패킷 프로토콜(SPP), 캡슐화 패킷 또는 데이터 링크 계층의 가상 채널(VC)위에서도 직접 동작할 수 있을 정도로 매우 유연하다.
- 비확인 모드(Unacknowledged Mode): DTN과 같이 신뢰성 있는 하위 프로토콜 위에서 동작할 때는 자체 전송 계층 기능을 끄고 사용할 수도 있다.
SPP는 우주선이나 지상의 소스에서 하나 이상의 목적지로 데이터를 전송하기 위해 개발되었다.
이는 각 패킷 헤더에 포함된 응요 식별자(APID)를 사용해 데이터의 경로를 결정한다.
- 경로 설정 방식: APID에 따른 패킷의 처리 및 전달 경로는 프로토콜 자체에 정의된 것이 아니라, 임무 관리 자가 사전에 설정한 약속에 따른다. 따라서 서로 다른 임무 간 APID를 상호 운용하려면 명확한 사전 협의가 반드시 필요하다.
(한계점): DTN과 달리 SPP는 통신 링크가 주기적으로 끊기는 상황을 처리하는 기능이 내장되어 있지 않다. SPP 자체는 신뢰성, 순서 보장, 중복 제거와 같은 QoS를 제공하지 않으므로 이러한 기능이 필요하다면 상위 계층 프로토콜(TCP, SCPS-TP)을 함께 사용해야 한다.
-> 애플리케이션 계층 프로토콜의 PDU는 일반적으로 우주 링크를 통해 전송 계층 프로토콜을 통해 전송되지만, 네트워크 계층 프로토콜(TCP/UDP)을 통해 직접 전송될 수도 있다.
3. Major Features of Space Communications Protocols - Data Link layer 중심으로!!
각 프로토콜 중 Data Link layer의 기술적인 세부 특징을 OSI 7 layer 모델에 맞추어 더 깊이 있게 알아보고자 한다.
데이터 링크 계층은 우주 통신의 핵심적 기능을 다루며, 여러 프로토콜과 복잡한 기능을 포함한다.
주요 프로토콜 : TM,TC,AOS,Proximity-1,USLP
핵심 기능 : 다양한 종류의 데이터를 전송하지만, 주된 기능은 가변 길이 데이터 단위인 packet을 전송하는 것이다.
프로토콜별 사용 목적:
- TM: 우주선 -> 지상으로 데이터를 보내는 원격 측정에 사용된다.
- TC: 지상 -> 우주선으로 명령을 보내는 원격 명령에 사용된다.
- AOS: 오디오, 비디오 등 고속 양방향 통신이 필요할 때 사용된다.
- Proximity-1: 로버, 착륙선, 궤도선 간 단거리 근접 통신에 사용된다.
- USLP: 향후 모든 종류의 우주 통신 링크에 사용될 통합 프로토콜이다.
[Transfer Frame] - 고정길이 프레임/ 가변길이 프레임
- 고정 길이 프레임: TM, AOS, USLP는 노이즈가 심한 호나경에서도 안정적인 동기화를 위해 고정 길이를 사용한다.
- 가변 길이 프레임: TC, Proximity-1, USLP는 다양한 지연 요구사항을 가진 명령을 효율적으로 수신하기 위해 가변 길이를 사용한다.
[가상채널(Virtual Channels,VC)]
하나의 물리적 통신 채널(bit stream)을 여러 개의 논리적인 데이터 채널로 나누어 공유하는 핵심 기능이다.
이를 통해 각기 다른 서비스 요구사항을 가진 데이터 스트림들(실시간 데이터, 파일 데이터)을 하나의 물리 채널 위에서 동시에 전송할 수 있다.
[Retransmission function]
- COP-1: TC와 USLP에서 사용하며, 프레임이 손실되거나 손상되었을 때 재전송하여 순서에 맞는 안정적인 데이터 전달을 보장한다.
- COP-P: Proximity-1과 USLP에서 사용하는 유사한 재전송 기능이다.
- TM과 AOS는 이 기능이 없기에, 완전한 데이터 전송이 필요한 경우, 상위 계층에서 retransmit을 처리해야 한다.
데이터 스트림 구분을 위해 여러 식별자를 사용하는데, 이 값들은 SANA(Space Assigned Numbers Authority)에서 관리한다.
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주요 식별자: TM,TC,AOS,USLP
- TFVN(Transfer Frame Version Number): 전송 프레임 버전 구분
- SCID: 우주선 식별
- VCID: 특정 가상 채널 식별
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채널의 계층 구조
- 물리채널(PC): 실제 통신 링크
- 마스터 채널(MC): TFVN + SCID로 식별되는 채널로, 하나의 물리 채널에 여러 개의 마스터 채널이 존재할 수 있다.
- 가상채널(VS): VCID로 식별되며, 하나의 마스터 채널은 여러 개의 가상 채널로 구성될 수 있다.
- MAP 채널: TC와 USLP에서는 가상 채널을 더 세분화하기 위해 MAP ID를 사용해 MAP 채널을 만들 수 있다.
데이터 링크 프로토콜이 제공하는 서비스
가장 중요한 서비스는 패킷 전송 서비스이지만, 그 외에도 다양한 서비스를 제공한다.
- Packet Service: CCSDS 표준 패킷(또는 캡슐화된 패킷)을 전송한다.
- VCA (Virtual Channel Access) Service: 사설 포맷의 고정 길이 데이터를 전송한다.
- VCDU (Virtual Channel Data Unit) Service: 패킷 서비스와 유사하지만, 프레임 헤더를 포함한 전체 데이터 유닛을 다룬다.
- Bitstream Service: 처리되지 않은 순수한 비트 스트림을 전송한다.
- OCF (Operational Control Field) Service: 프레임 제어 정보를 전달한다.
4. 프로토콜 구성 예시
다양한 계층의 우주 통신 프로토콜이 실제 우주 데이터 시스템에서 어떻게 조합되어 사용되는지에 대한 몇 가지 예시를 보여준다.
각 예시의 핵심적 차이는 '종단 간 데이터 라우팅 또는 포워딩을 위해 어떤 프로토콜을 선택하는가'이다.
종류는 SPP를 사용한 데이터 포워딩, IP over CCSDS를 사용한 데이터 라우팅, BP를 사용한 DTN 데이터 라우팅이 있다.
먼저 SPP사용의 경우,
우주 패킷을 사용해 종단 간 데이터를 전달하는 방식으로, SPP가 제공하는 간단한 APID 기반의 레이블링과 전달 기능만으로 충분한 우주 임무에 적합하다.
- 동작 방식: 중간 시스템은 표준화된 라우팅 프로토콜 없이, 패킷의 APID를 확인하고 사전에 관리자에 이해 설정된 규칙에 따라 다음 노드로 데이터를 전달한다.
- 핵심 특징: 패킷에 최종 목적지 주소가 명시적으로 포함X / 데이터 전달 방식이 프로토콜 자체에 명세된 것이 아니라 임무별 약속에 따라 결정됨 / 라우팅 보다는 정해진 경로로 데이터를 넘겨주는 포워딩에 가까움
- 지상망 연동: 지상에서는 보통 Space Link Extension 서비스를 통해 우주 패킷을 전달 받는다.
IP over CCSDS의 경우,
IP 데이터그램을 사용하여 종단 간 데이터를 라우팅하는 방식으로, 우주 통신 구간을 인터넷 일부로 확장해 통합해야 하고, 통신 지연이 짧고 연결이 안정적인 임무에 적합하다.
- 동작 방식: 중간 시스템(라우터)는 IP datagram header에 있는 목적지 IP addr를 호가인하고, 표준 IP routing 프로토콜에 따라 다음 경로를 결정한다.
- 핵심 특징: 최종 목적지 주소가 명확히 명시됨 / 모든 라우팅 메커니즘이 표준화되어 있어 완벽한 상호 운용성보장 / 캡슐화 패킷 프로토콜이 IP datagram을 CCSDS 우주 링크용 프레임에 담을 수 있도록 shime(어댑터) 역할을 함
- 상위 프로토콜 : 이 IP 계층 위에서는 대부분의 TCP/UDP와 SCPS-TP 사용이 가능하다.
BP의 경우,
통신이 자주 끊기거나 지연이 매우 심한 환경에 최적화되어 있다.
- 동작 방식: store-and-forward 네트워크를 형성하여 동작한다.
- 핵심 특징: CLA라는 인터페이스를 통해 특정 하위 프로토콜 위에서 동작함
마무리
[추후 학습 할 내용에 대해서...]
Transfer Frame 포맷 및 송/수신 과정 파악을 위해
1. CCSDS 132.0-B-3 : TM SDLP
2. CCSDS 232.0-B-4 : TC SDLP
3. CCSDS 732.0-B-4 : AOS SDLP
자료를 전반적으로 학습하고, 특히 frame format, procedures 섹션을 집중적으로 학습하여 프레임 구조와 송수신 시 상태가 어떻게 변하는지 파악하고자 한다.
더불어, 우주 환경에서 IP를 사용하는 것은 지상 인터넷과 다르기에 이를 위해 특별히 고안된 프로토콜을 이해해야 하므로, SCPS와 DTN에 대해 학습하고자 한다.
1. CCSDS : SCPS-NP
2. CCSDS 714.0-B-2 : SCPS-TP
3. CCSDS 734-1-G-1 : DTN overview
4. CCSDS 734.2-B-1 : DTN의 핵심 프로토콜인 Bundle Protocol
