본 글은 CCSDS 130.0-G-4 영문서를 정리한 글 입니다. (23.07.23)
해당 문서는 CCSDS(Cosultative Committee for Space Data Systems)에서 권장하는 우주 통신 프로토콜에 대한 개요를 담은 CCSDS 보고서입니다.
우주 링크는 우주선 - 지상 시스템, 우주선 - 우주선 두 개의 통신 링크를 말합니다. 우주 통신 프로토콜은 우주 링크 상에서 사용되거나 하나 이상의 우주 링크를 포함하는(지상국 - 우주선) 네트워크에서 사용되도록 설계된 통신 프로토콜입니다.
1. 소개
해당 문서의 목적은 CCSDS에서 권장하는 우주 통신 프로토콜의 구체적인 개요 제공 및 이러한 통신 프로토콜이 어떻게 우주 미션 데이터 시스템에서 사용되는 보여주는 것 입니다. (해당 문서에는 각 프로토콜의 세부 사양은 제공되지 않고 있습니다. 해당 사양은 CCSDS Blue Book(차후 추가 예정), 근거 자료는 CCSDS Green Book(차후 추가 예정)에 기술 되어 있습니다.
1.3 OSI 기본 참조 모델 정의
CCSDS 우주 통신 프로토콜 중 대부분은 Open Systems Interconnection (OSI) 기본 참조 모델에 의해 정의된 스타일을 사용하여 정의합니다. 이 모델은 시스템 상호 연결 분야의 표준 개발을 위한 공통 프레임워크를 제공하며 계층적 아키텍처와 관련된 개념과 용어를 정의하여 일곱 개의 특정 계층을 도입했습니다. OSI 7계층에서 정의된 개념과 용어는 CCSDS 우주 통신 프로토콜을 정의하는 Blue Book에서 자주 사용됩니다.
1.3.1 이 보고서에서 사용되는 용어 참조
a) 응용 계층(Application Layer)
b) 데이터 링크 계층(Data Link Layer)
c) 계층(layer)
d) 네트워크 계층(Network Layer)
e) 물리 계층(Physical Layer)
f) 프로토콜 데이터 유닛(protocol data unit)
g) 서비스(service)
h) 전송 계층(Transport Layer)
1.3.2 이 보고서에서 정의된 용어
a) 포워딩(forwarding): 데이터를 원본에서 목적지로 전송하는 행위로, 우주나 지상에서 수행될 수 있습니다.
b) 옥텟(octet): 8비트 워드를 말합니다.
c) 물리 채널(Physical Channel): 우주 링크(아래 참조)를 통해 한 방향으로 전송되는 비트 스트림입니다.
d) 라우팅(routing): 네트워크에서 원본에서 목적지로의 경로를 선택하는 과정을 말합니다.
e) 우주 링크(space link): 우주선과 해당 지상 시스템 또는 두 개의 우주선 간의 통신 링크를 말합니다.우주 링크는 한 방향 또는 양방향으로 하나 이상의 물리 채널로 구성됩니다.
f) 우주 통신 프로토콜(space communications protocol): 우주 링크(위에서 언급한 것과 같은) 상에서 사용하도록 설계된 통신 프로토콜이거나 하나 이상의 우주 링크를 포함하는 네트워크에서 사용하도록 설계된 통신 프로토콜입니다.
레퍼런스는 생략하겠습니다. (링크)
2.1 우주 통신 프로토콜의 역사
전통적으로 우주선에서 전송된 텔레메트리는 Time Division Multiplexing (TDM) 방식으로 포맷되어 데이터 항목들이 사전 정의된 다중화 규칙을 기반으로 고정 길이의 프레임으로 연속적인 스트림으로 다중화되었습니다. 우주선을 위한 데이터 시스템을 설계하고 구현하기 위해서는 이러한 프로젝트 각각이 독자적으로 사용하는 사용자 정의 시스템을 개발해야 했습니다. 이는 이 분야에서 정립된 표준이 없었기 때문에 지상 추적 네트워크를 제외하고는 적용되지 않았습니다.
그러나 초기 1980년대에 마이크로프로세서 기반의 우주선 기기 및 서브시스템의 등장으로 인해 텔레메트리 시스템은 더 유연하고 더 많은 처리량을 가질 수 있게 되어 우주선 내 소프트웨어에 의해 처리되는 데이터를 효율적으로 전송할 수 있게 되었습니다.
1980년대 초기, CCSDS는 가변 길이 데이터 단위인 소스 패킷(Source Packet)을 사용하여 처리된 텔레메트리를 효율적으로 전송할 수 있는 패킷 텔레메트리 프로토콜에 대한 국제 표준을 개발했습니다. 우주선 상의 다양한 기기와 서브시스템에서 생성된 소스 패킷은 연속적인 고정 길이의 전송 프레임 스트림으로 지상에 전송됩니다. 이 표준은 많은 우주 프로젝트에서 사용되어 우주선과 지상 데이터 처리 장비를 공유할 수 있도록 하였습니다.
유사한 개념을 기반으로, CCSDS는 패킷 텔레메트리 이후 짧은 시간 내에 우주선에 명령을 보내기 위한 텔레커맨드에 대한 국제 표준을 개발하였습니다. 이 표준은 TC 패킷이라는 데이터 단위를 사용하여 우주선 상의 다양한 기기와 서브시스템으로 전송되며, 지상에서는 불규칙한 가변 길이의 전송 프레임 스트림으로 전송됩니다.
1980년대 후반에는 CCSDS가 Advanced Orbiting Systems (AOS)의 요구 사항을 충족시키기 위해 이러한 표준들을 확장하였으며, 국제 우주 정거장과 같은 시스템을 위해 AOS라고 하는 제3의 표준을 개발하였습니다. AOS 표준은 패킷 텔레메트리 표준에 추가하여 다양한 유형의 온라인 데이터(예: 오디오 및 비디오 데이터)를 전송하기 위한 서비스를 제공하며, 우주-지상 및 지상-우주 링크에서 모두 사용될 수 있습니다. AOS는 패킷 텔레메트리 표준과 동일한 패킷 구조를 사용하지만, 프레임 형식은 약간 다릅니다.
이 세 가지 표준(패킷 텔레메트리, 텔레커맨드, AOS)은 나중에 CCSDS에 의해 재구성되어 프로토콜을 더 구조화되고 통합된 방식으로 정의하였으며, 다음과 같은 표준들이 원래 표준들을 대체하였습니다.
우주선과 지상국 간의 무선 주파수(RF) 신호에 대한 국제 표준으로, CCSDS는 라디오 주파수 및 변조 시스템(Radio Frequency and Modulation Systems)이라고 하는 표준을 개발하였습니다(참조 [10]). 이 표준은 패킷과 프레임을 운반하는 데 사용되는 RF 신호의 특성을 규정합니다.
1990년대에 CCSDS는 SCPS(Network Protocol (SCPS-NP) (참조 [11]), SCPS Security Protocol (SCPS-SP) (참조 [12]), SCPS Transport Protocol (SCPS-TP) (참조 [13]), SCPS File Protocol (SCPS-FP) (참조 [14])를 포함하는 Space Communications Protocol Specifications (SCPS)라는 다른 프로토콜 집합을 개발하였습니다. SCPS 프로토콜들은 일반적으로 인터넷 프로토콜을 기반으로 하지만, 우주 미션의 특정 요구 사항을 충족하기 위해 인터넷 프로토콜에 수정과 확장이 적용되어 SCPS 프로토콜의 디자인에 포함되었습니다. CCSDS는 SCPS-TP를 제외한 모든 SCPS 프로토콜을 폐지하였습니다.
우주 미션에서 우주선 내 질량 기억 장치와 파일 간 전송을 필요로 하는 요구에 대응하여, CCSDS는 CCSDS File Delivery Protocol (CFDP) (참조 [15])라는 프로토콜을 개발하였습니다. 이 프로토콜은 신뢰성 있고 효율적으로 파일을 불안정한 프로토콜(예: Space Packet Protocol)을 통해 전송하는 능력을 제공합니다.
1998년 7월에는 화성 우주선에 대한 릴레이 실험의 성공에 이어, NASA가 딥 스페이스에 있거나 지구와 연결이 불안정한 우주선에게 '인터넷과 유사한' 서비스를 제공할 수 있는 표준 프로토콜을 연구하기 시작했습니다. 이에 Vint Cerf 박사, TCP/IP 프로토콜의 공동 저자로 유명한 연구팀이 구성되었습니다. 오늘날, Delay Tolerant Networking (DTN) (참조 [55] 및 [56])은 지구의 TCP/IP가 제공하는 것과 논리적으로 유사한 일반적인 네트워크/전송 계층 서비스를 제공하며, 우주 환경에서 사용할 수 있습니다. 기본 저장-전달 인터네트워킹 서비스 외에도 DTN은 효율적인 신뢰성, 보안, 순서 전달, 중복 억제, 서비스 등급(우선순위 지정), 원격 관리, 'DVR과 유사한' 스트리밍 서비스, 속도 버퍼링 및 데이터 회계를 모두 비대칭 및 시간이 분리된 경로에서 제공합니다. 파일 전송, 메시징(미션 운영용), 스트리밍 오디오/비디오 등 다양한 응용 프로그램이 DTN 위에 구현되어 그 서비스를 활용하여 위험, 비용 및 복잡성을 줄일 수 있습니다. CCSDS는 DTN이 제공하는 네트워크 및 전송 계층 서비스의 일부 측면을 개별적으로 구현하는 다른 사양들을 가지고 있지만, DTN이 제공하는 유연성이나 자동화된 데이터 전송은 아무것도 제공하지 않습니다.
데이터 압축 분야에서 CCSDS는 일반적인 무손실 데이터 압축(참조 [16]), 2차원 이미지 데이터의 압축에 특화된 압축기(참조 [17]), 3차원(다중스펙트럴/하이퍼스펙트럴) 이미지(참조 [49] 및 [61])의 표준을 개발하였습니다. 이러한 표준들은 과학적으로 복구하기 위해 일정한 왜곡 없이 원본 데이터를 완벽하게 재구성하는 무손실 압축을 제공합니다. 다른 표준들은 무손실 또는 무손실/거의 무손실 압축을 제공할 수 있으며, 이 경우 압축 프로세스에서 사용되는 양자화 또는 기타 근사치들은 원본 데이터 집합을 완벽하게 재현하는 데에 어느 정도 왜곡을 초래하지만 그 대신 더 높은 압축 비율을 제공합니다.
최근 CCSDS는 Proximity-1 Space Link Protocol (참조 [18], [19], [20], [32])라는 프로토콜을 근접 우주 링크(proximity space links) 상에서 사용하기 위해 개발하였습니다. 근접 우주 링크는 짧은 거리, 양방향, 고정 또는 이동형 무선 링크로 정의되며, 일반적으로 고정 탐사기, 착륙선, 로버, 궤도 구성원들 및 궤도 중계용으로 사용됩니다. 이 프로토콜은 데이터 링크 프로토콜(참조 [18]), 부호화 및 동기화 방법(참조 [19]), 그리고 RF 및 변조 특성(참조 [20])을 정의합니다.
또한, 2018년에 CCSDS는 Unified Space Data Link Protocol (USLP) (참조 [57])을 발행하였습니다. 이 프로토콜은 다양한 유형과 특성의 우주 응용 데이터를 효율적으로 우주-지상, 지상-우주, 또는 우주-우주 통신 링크를 통해 전송하기 위해 설계되었습니다. USLP가 모든 미래 로봇과 유인 우주 미션의 데이터 링크 계층 프로토콜로 사용될 것으로 예상됩니다.
보안은 많은 우주 미션에서 큰 관심사입니다. CCSDS는 The Application of CCSDS Protocols to Secure Systems (참조 [37]), Security Architecture for Space Data Systems (참조 [53]), CCSDS Cryptographic Algorithms (참조 [54]), Space Data Link Security (SDLS) 프로토콜, 그리고 SDLS Extended Procedures (참조 [43], [58])와 같은 여러 문서들을 발행하여 우주선 제어 및 데이터 처리에 CCSDS 우주 통신 프로토콜을 사용하고 동시에 보안 또는 데이터 보호 수준을 요구하는 미션들에게 지침을 제공합니다.
2.2 프로토콜 계층 2.2.1 개요 통신 프로토콜은 일반적으로 OSI 기본 참조 모델(참조 [2])에 정의된 7개 계층 중 하나와 관련되어 있습니다. 일부 우주 통신 프로토콜은 OSI 7계층 모델과 잘 어울리지 않을 수 있지만, 이 보고서에서는 이 모델을 사용하여 우주 통신 프로토콜을 분류합니다.
우주 통신 프로토콜은 ISO 모델의 다음 다섯 개 계층에 대해 정의됩니다:
a) 물리 계층(Physical Layer);
b) 데이터 링크 계층(Data Link Layer);
c) 네트워크 계층(Network Layer);
d) 전송 계층(Transport Layer);
e) 응용 계층(Application Layer).
2.2.2 물리 계층
CCSDS는 우주선과 지상국 간의 우주 링크에 사용하기 위한 Radio Frequency and Modulation Systems(참조 [10])라는 물리 계층을 위한 종합적인 표준을 갖고 있습니다. 또한 Proximity-1 Space Link Protocol은 근접 우주 링크의 물리 계층에 대한 권장 사항도 포함하고 있습니다(참조 [20]).
2.2.3 데이터 링크 계층
CCSDS는 OSI 모델의 데이터 링크 계층에 두 개의 하위 계층을 정의합니다: 데이터 링크 프로토콜 하위 계층과 동기화 및 채널 부호화 하위 계층입니다.
데이터 링크 프로토콜 하위 계층은 상위 계층에서 제공되는 데이터 단위를 Transfer Frame이라는 데이터 단위를 사용하여 점대점 우주 링크를 통해 전송하는 방법을 정의합니다.
동기화 및 채널 부호화 하위 계층은 Transfer Frame을 우주 링크를 통해 전송하기 위한 동기화와 채널 부호화 방법을 정의합니다.
CCSDS는 데이터 링크 계층의 데이터 링크 프로토콜 하위 계층을 위해 여러 프로토콜을 개발하였습니다:
a) TM Space Data Link Protocol (참조 [5]);
b) TC Space Data Link Protocol (참조 [6]);
c) AOS Space Data Link Protocol (참조 [7]);
d) Proximity-1 Space Link Protocol—Data Link Layer (참조 [18]);
e) USLP (참조 [57]).
위의 프로토콜들은 단일 우주 링크를 통해 데이터를 전송하는 기능을 제공합니다.
TM, TC, AOS 및 USLP에는 SDLS Protocol(참조 [43]) 및 관련된 SDLS Extended Procedures(참조 [58])를 사용하여 보안된 사용자 데이터를 프레임에 삽입하는 기능이 있습니다.
그러나 Proximity-1에 대해 현재까지 보안 요구 사항은 없습니다. SDLS 프로토콜은 TM Transfer Frame, AOS Transfer Frame, TC Transfer Frame 또는 USLP Transfer Frame에 대한 인증과 기밀성과 같은 보안 서비스를 제공할 수 있습니다.
이러한 프로토콜들 내에서 SDLS 기능을 사용하는 것은 선택 사항임을 유념해야 합니다. SDLS Extended Procedures는 SDLS로 보호된 우주 링크를 운영하기 위해 필요한 키와 보안 연결 관리 서비스를 제공합니다.
CCSDS는 데이터 링크 계층의 동기화 및 채널 부호화 하위 계층을 위해 다음 세 가지 표준을 개발하였습니다:
a) TM Synchronization and Channel Coding(참조 [8]);
b) TC Synchronization and Channel Coding(참조 [9]);
c) Proximity-1 Space Link Protocol—Coding and Synchronization Layer(참조 [19]).
d) 고속 텔레메트리 응용을 위한 유연한 고급 부호화 및 변조 방식 (참조 [50]), 또는 'SCCC';
e) ETSI DVB-S2 표준 위에 CCSDS 우주 링크 프로토콜 (참조 [51]), 또는 'DVB-S2'.
TM Synchronization and Channel Coding은 TM 또는 AOS Space Data Link Protocol 또는 USLP와 함께 사용되며,
TC Synchronization and Channel Coding은 TC Space Data Link Protocol 또는 USLP와 함께 사용되며,
Proximity-1 Space Link Protocol—Coding and Synchronization Layer는 Proximity-1 Space Link Protocol 또는 USLP와 함께 사용됩니다.
TM, TC, AOS Space Data Link Protocols; Proximity-1 Space Link Protocol (Data Link Layer); 및 USLP는 이 문서에서 우주 데이터 링크 프로토콜이라고 합니다.
2.2.4 데이터 링크와 네트워크 계층 사이 Licklider Transmission Protocol (LTP)은 기본적인 통신 서비스(일반적으로 데이터 링크 계층) 위에 선택적 신뢰성 메커니즘을 제공합니다.
LTP 상위의 프로토콜들(예: Bundle Protocol)에서 볼 때, LTP가 제공하는 서비스는 링크 상에서 레이어-(N+1) 프로토콜 데이터 유닛(PDU)의 선택적인 신뢰성 전달입니다. 레이어-(N+1) PDU는 LTP 블록에 캡슐화되며, LTP 블록은 데이터 링크 프로토콜을 통해 전송하기 위해 세그먼트화됩니다.
일반적으로 각 LTP 세그먼트는 하나의 링크 계층 프로토콜 데이터 유닛(Encapsulation Packet) 내에 캡슐화됩니다. LTP 세그먼트는 Space Packets 내에도 캡슐화될 수 있습니다. Space Packet의 크기가 크다고 해서 Space Packets을 DTN 트래픽을 운반하는 데 사용하지 않는 것은 아닙니다.
왜냐하면 큰 번들들이 큰 LTP 블록 내에 캡슐화되어 대부분 작은 LTP 세그먼트로 세분화되기 때문입니다. 그러나 Encapsulation Packet의 작은 오버헤드로 인해 Space Packet보다 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있습니다. 자세한 정보는 참조 [56]을 확인하세요.
CCSDS에서 인정하는 인터넷 데이터그램(참조 [44]에 나열됨)은 CCSDS 우주 데이터 링크 프로토콜을 통해 shim 프로토콜인 IP over CCSDS(참조 [45])를 사용하여 우주 링크를 통해 전송될 수 있습니다. 이 경우 링크가 다중화되었든 아니든 사용될 수 있습니다.
2.2.5 네트워크 계층 네트워크 계층의 우주 통신 프로토콜은 높은 계층 데이터를 우주선과 지상 하위 네트워크를 포함하는 전체 데이터 시스템을 통해 라우팅하거나 전달하는 기능을 제공합니다.