CN110808920A - 一种ccsds帧和ip报文共存的卫星通信流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CCSDS帧和IP报文共存的卫星通信流量控制方法，所述方法包括：对接收到的IP报文和CCSDS报文分别进行类型识别和标记；将相同类型的报文装入CCSDS数据帧；利用令牌统筹分配为各类CCSDS数据帧动态分配带宽；将CCSDS帧放入对应的虚拟信道；基于帧的紧急度的动态调度对虚拟信道进行调度。本发明的方法根据报文多个特定域信息识别和标记IP报文和CCSDS报文类型，基于帧类型对CCSDS数据帧进行统筹带宽分配，优先调度时延要求高且信道权值高的信道，提高CCSDS协议和IP协议共存的卫星通信的服务质量；本发明的方法根据优先级进行传输，也即根据QoS指标的要求进行传输，使各类型业务都能够满足其QoS指标，提供服务质量保障。

Description

一种CCSDS帧和IP报文共存的卫星通信流量控制方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，具体涉及一种CCSDS帧和IP报文共存的卫星通信流量控制方法。

背景技术

现有卫星通信流量控制方法主要有以下三种方法：

一、先来先服务流量控制方法：严格按照帧到达的时间顺序来选择卫星虚拟信道，即在当前调度时刻选择最先有帧到达的虚拟信道来占用物理信道，并发送数据帧。

二、基于轮询调度的流量控制方法：轮询调度算法按照顺序依次轮流选择每个虚拟信道来占用物理信道并发送数据帧，即为***中每个虚拟信道分配一个固定的时间片，在各自的时间片内该虚拟信道占用物理信道并发送数据帧。

三、基于静态优先级的流量控制方法：根据各个虚拟信道对实时性和重要性要求的不同，为每个虚拟信道分配一个静态优先级，然后按照静态优先级来调度选择虚拟信道进行传送，即首先调度选择具有最高优先级的虚拟信道占用物理信道并发送数据帧。

在地面和空间站通信中，链路层协议使用CCSDS数据链路层协议，网络层协议既使用IP协议又使用CCSDS分包协议。因此卫星和地面间信息传输方案必须同时满足IP报文和CCSDS报文的服务质量。针对空间站通信任务，

现有卫星通信流量控制方法存在两个缺点。

1、不能同时对IP报文和CCSDS报文进行流量控制。

具体地，针对使用IP协议格式和CCSDS协议格式传输的空间信息，即IP报文和CCSDS报文，现有技术并未给出具体的既能满足IP报文又能满足CCSDS报文服务质量的传输方案。

2、现有流量控制方法不提供服务质量保证(QoS)。

服务质量是指网络在传输数据流时要求满足的一系列服务要求，具体可量化为带宽(bandwidth)、延迟(delay)、延迟抖动(delay jitter)、丢包率(packet loss)、吞吐量(throughout)等性能指标。QoS的目标是能为特定的业务提供专用的带宽、降低报文的传输时延和时延抖动、减小丢包率，提供更好的、可预测的网络服务。卫星通信场景中的业务和地面网络的业务同样关注以上性能指标，但是，现有卫星通信流量控制方法不能区分业务类型，更不能根据特定业务类型实现服务质量保障。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种适用于CCSDS协议和IP协议共存的空间信息传输流量控制方法，以保证CCSDS协议和IP协议报文传输的服务质量。

为实现上述目的，本发明提出了一种CCSDS帧和IP报文共存的卫星通信流量控制方法，所述方法包括：

对接收到的IP报文和CCSDS报文分别进行类型识别和标记；

将相同类型的报文装入CCSDS数据帧；

利用令牌统筹分配为各类CCSDS数据帧动态分配带宽；

将CCSDS帧放入对应的虚拟信道；

基于帧的紧急度的动态调度对虚拟信道进行调度。

作为上述方法的一种改进，所述IP报文来源于地面局域网或空间局域网，所述CCSDS报文来源于地面局域网或空间局域网；所述IP报文携带卫星业务7、卫星业务6、卫星业务5、卫星业务4的数据；所述CCSDS报文携带卫星业务3、卫星业务2、卫星业务1、卫星业务0的数据。

作为上述方法的一种改进，所述对接收到的IP报文和CCSDS报文分别进行类型识别和标记，具体包括：

识别IP报文中数据的业务类型；所述IP报文携带的源地址、目的地址、源端口号、目的端口号、协议类型、TOS信息中的一种或多种；

根据CCSDS报文携带的帧类型，识别CCSDS帧的业务类型；

根据IP报文中数据的业务类型为IP报文确定优先级并在IP报文中进行标记，根据CCSDS报文中的数据的业务类型为CCSDS报文确定优先级；

所述优先级与业务类型一一对应，每一业务类型唯一对应一优先级，每一业务类型对应若干QoS描述参数，包括时延、时延抖动、丢包率和吞吐量。

作为上述方法的一种改进，所述确定优先级的依据为：根据预先保存的业务类型和优先级的对应关系，具体包括：

识别报文中是否携带优先级；

若携带，查找预先保存的业务类型和优先级的对应关系找到该业务类型对应的优先级，判断携带的优先级和查找到的优先级是否一致，如果不一致，将报文的优先级修改为查找到的优先级；

若未携带，根据识别出的业务类型查找预先保存的业务类型和优先级的对应关系找到该业务类型对应的优先级，分配给该IP报文。

作为上述方法的一种改进，所述确定优先级的依据为：根据预先保存的业务类型、用户和优先级的对应关系，具体包括：

识别报文中是否携带优先级；

若携带，从报文中获取用户的信息和业务类型，查找预先保存的用户、业务类型和优先级的对应关系找到该用户和业务类型对应的优先级，判断携带的优先级和查找到的优先级是否一致，如果不一致IP报文的优先级修改为查找到的优先级；

若未携带，从报文中获取用户的信息和业务类型，根据用户的信息、识别出的业务类型查找预先保存的用户、业务类型和优先级的对应关系找到该用户和业务类型对应的优先级，分配给该报文。

作为上述方法的一种改进，所述对接收到的IP报文和CCSDS报文分别进行类型识别和标记之后还包括：采用流量整形限制每类卫星业务的最大流量。

作为上述方法的一种改进，所述将相同类型的报文装入CCSDS数据帧，具体包括：

选取相同类型的IP报文封装在一个CCSDS帧中；封装IP报文时，根据IP报文优先级设置AOS帧中的虚拟信道标识域，由此完成IP报文优先级和虚拟信道的对应；

把相同优先级的CCSDS帧复用并分段装入固定长度的复用协议数据单元的包区中，再分别加入MPDU主导头、帧主导头、帧尾，从而生成一帧。

作为上述方法的一种改进，所述利用令牌统筹分配为各类CCSDS数据帧动态分配带宽；具体包括：

为每个卫星业务配置一个令牌产生器和一个令牌桶；为每个业务设置一个初始带宽，每个令牌生产器根据初始带宽以固定速率产生令牌；其中，卫星业务7和卫星业务6为定额分配，卫星业务5、卫星业务4和卫星业务3为足额分配可借出，卫星业务2、卫星业务1和卫星业务0为余额分配可扩展；

按照令牌统筹分配算法将各令牌产生器产生的令牌放入某个令牌桶；

在传输一个卫星业务数据时，需要从该卫星业务的令牌桶中获取一个令牌，才能传输一个CCSDS报文，令牌桶中令牌数减1；若令牌桶无令牌，则不能传输该CCSDS报文。

作为上述方法的一种改进，所述按照令牌统筹分配算法将各令牌产生器产生的令牌放入某个令牌桶，具体包括：

步骤S1)判断本卫星业务令牌桶是否满，如果是满的，则进入步骤S2)，否则，将令牌放入本业务令牌桶，结束；

步骤S2)判断令牌是否为定额分配业务的令牌，如果为是，则丢弃令牌，结束；否则，进入步骤S3)；

步骤S3)判断所有余额可扩展业务令牌接收器权重为0，如果为是，则重置所有余额可扩展业务令牌接收器权重；并指向第一个余额分配可扩展的业务；否则进入步骤S4)；

步骤S4)遍历所有余额可扩展业务令牌桶，找到令牌桶不满且权重不为零的令牌桶，放置令牌，结束；如果找不到，丢弃令牌，结束。

作为上述方法的一种改进，所述将CCSDS报文放入对应的虚拟信道之前还包括：当为业务类型为卫星业务3、卫星业务2、卫星业务1或卫星业务0的数据分配带宽时，对IP数据包进行调度，具体包括：

将各类CCSDS报文送入对应的IP队列；IP队列采用加权轮询队列调度，即在每个队列之间进行轮流调度，保证每个队列中的报文都能得到一定的转发。

作为上述方法的一种改进，所述将CCSDS报文放入对应的虚拟信道；具体为：

从CCSDS报文中获取报文的优先级，根据预存的报文优先级和虚拟信道的对应关系获取对应的虚拟信道，将所述获取到的通过所述虚拟信道进行传输。

作为上述方法的一种改进，所述基于帧的紧急度的动态调度对虚拟信道进行调度，具体包括：

计算帧的紧急度F为：

F＝(Tmax-Tw)×P其中，Tmax为虚拟信道允许的最大调度时延；Tw为虚拟信道中帧已经等待的时间：虚拟信道当前调度时刻k△t与虚拟信道中当前第一个帧的到达时刻Ta的时间差，被定义为虚拟信道中帧已经等待的时间，即：

Tw＝kΔt–TaP为静态优先级，把各个虚拟信道在开始传输前的传输实时性称为静态优先级，对于实时性要求高的虚拟信道可赋予一个数值为1的静态优先级，否则，赋予一个数为10的静态优先级；静态优先级的最大值为10，最小值为1；

首先调度传送帧的紧急度的值F最小的虚拟信道；如果出现两个或更多虚拟信道同时具有最小帧的紧急度的值F的情况，这时需要考虑这些虚拟信道的静态优先级，优先调度传送静态优先级数值最小的虚拟信道，如果同时出现最小静态优先级的信道也不止一个，则优先调度选择序号小的信道并为之提供服务。

本发明的优势在于：

1、本发明根据报文多个特定域信息识别和标记IP报文和CCSDS报文类型，基于帧类型对CCSDS数据帧进行统筹带宽分配，优先调度时延要求高且信道权值高的信道，提高CCSDS协议和IP协议共存的卫星通信的服务质量；

2、本发明的方法对于采用IP格式和CCSDS格式传输的空间信息，根据优先级进行传输，也即根据QoS指标的要求进行传输，使各类型业务都能够满足其QoS指标，提供服务质量保障；

3、本发明的方法满足了卫星通信中不同业务QoS需求，又满足了卫星信道动态带宽分配的需求。

附图说明

图1为卫星通信协议体系结构；

图2为本发明的流量控制方法的示意图；

图3为本发明的流量整形过程示意图；

图4为固定时隙的MPDU封装示意图——有填充包的情况；

图5为固定时隙的MPDU封装示意图——刚好填满的情况；

图6为固定时隙的MPDU封装示意图——有剩余包的情况；

图7为IP Over CCSDS封装的示意图；

图8为CCSDS帧的封装过程；

图9为基于令牌统筹分配的动态带宽分配的流程图；

图10为令牌统筹分配的流程图；

图11为IP数据包调度的流程图；

图12基于帧的紧急度的虚拟信道调度算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

首先介绍缩略语和关键术语定义：

带宽：指单位时间内卫星链路能够传输的数据量。

延时：指网络数据从网络入口到出口平均经过的时间。产生延时的因素包括分组时延、排队时延、交换时延和传播时延。

延时抖动：指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同。

丢包率：指丢失的报文与发送的报文总数之比。

吞吐量：指在网络用户之间有效地传输数据的能力。

本发明提出一种CCSDS帧和IP报文共存的卫星通信流量控制方法，该方法满足了卫星通信中不同业务QoS需求，又满足了卫星信道动态带宽分配的需求。

与地面通信相比，卫星通信传输具有以下三个特点：

业务的实时性需求差异化，例如：卫星遥控业务是最重要的保命数据，关系到卫星的正常飞行和运行，实时性要求最高；遥测业务是从卫星传输到地面指控中心的卫星运行信息，实时性要求较高；话音图像业务，实时性要求一般。局域网业务对实时性无要求。

业务的优先级划分多个等级，空间信息根据其紧急性严格分级，在卫星通信资源紧张的情况下，确保优先传输高紧急性的信息。

业务传输的空间资源有限：卫星平台处理能力有限，并且卫星通信链路带宽有限。针对以上三个特点，本流量控制方法的设计目标是：

满足时敏业务的实时性需求；满足高优先级业务的优先转发需求；提高带宽利用率，提供带宽的管理和保证能力。

卫星通信协议体系结构如图1所示。卫星通信协议体系采用CCSDS协议和IP协议。在该协议体系中，应用层包含8类卫星业务的传送，卫星业务0至卫星业务7的优先级依次增高。在网络层，CCSDS空间包承载4类业务，IP和CCSDS封装包承载4类业务。在数据链路层，基于CCSDS AOS协议实现流量控制，具体包括：基于业务优先级的帧封装、带宽分配和虚拟信道调度。按照表1中业务应用模式4，每个业务对应一个虚拟信道，如表1所示。

表1：卫星通信中的业务类型

首先，通过将数据按卫星业务类型进行分类，如表1所示，分为8类。为每类卫星业务分配相应的虚拟信道；然后，对每个虚拟信道做全局统筹的动态带宽分配；最后，采用基于紧急度的虚拟信道动态调度算法依据各业务的优先级对封装好的报文进行调度，保证重要的、低延时的数据优先发送。这样，既满足了空天信息传输中不同业务QoS要求，又满足了空天信息传输动态带宽分配的要求。

如图2所示，本发明的方法包括：业务分类和标记、流量整形、包信道复用、带宽分配、IP数据包调度和虚拟信道调度。

步骤1)业务分类和标记：

从地面局域网或空间局域网接收IP报文，从地面CCSDS设备或空间CCSDS设备接收CCSDS报文。

流量控制设备接收的IP报文携带卫星业务7、卫星业务6、卫星业务5、卫星业务4的数据。接收的CCSDS报文携带卫星业务3、卫星业务2、卫星业务1、卫星业务0的数据。

识别IP报文和CCSDS报文中的数据的业务类型。

根据IP报文携带的源地址、目的地址、源端口号、目的端口号、协议类型、TOS等信息中的一种或几种识别IP报文中数据的业务类型。

根据CCSDS报文携带的帧类型，识别CCSDS帧的业务类型。

根据IP报文中数据的业务类型为IP报文确定优先级并在IP报文中进行标记，根据CCSDS报文中的数据的业务类型为CCSDS报文确定优先级。

其中，为报文(IP报文和CCSDS报文)确定优先级的方法包括两种：

表2：业务类型和优先级的对应关系

第一种：根据预先保存的业务类型和优先级的对应关系，如表2所示

1、识别报文中是否携带优先级，若携带，查找预先保存的业务类型和优先级的对应关系找到该业务类型对应的优先级，判断携带的优先级和查找到的优先级是否一致，如果不一致，将报文的优先级修改为查找到的优先级。

2、识别报文中是否携带优先级，若未携带，根据识别出的业务类型查找预先保存的业务类型和优先级的对应关系找到该业务类型对应的优先级，分配给该IP报文。

第二种：根据预先保存的业务类型、用户和优先级的对应关系

1、识别报文中是否携带优先级，若携带，从报文中获取用户的信息和业务类型，查找预先保存的用户、业务类型和优先级的对应关系找到该用户和业务类型对应的优先级，判断携带的优先级和查找到的优先级是否一致，如果不一致IP报文的优先级修改为查找到的优先级。

2、识别报文中是否携带优先级，若未携带，从报文中获取用户的信息和业务类型，根据用户的信息、识别出的业务类型查找预先保存的用户、业务类型和优先级的对应关系找到该用户和业务类型对应的优先级，分配给该报文。

关于优先级的设定：优先级与业务类型一一对应，每一业务类型唯一对应一优先级。每一业务类型对应若干QoS描述参数，例如时延、时延抖动、丢包率、吞吐量。

步骤2)流量整形

流量整形采用流量整形限制每类卫星业务的最大流量。

当报文到来的时候，首先根据预先设置的匹配规则来对报文进行分类，然后进入缓冲区和令牌桶中进行处理。令牌桶按用户设定的速度向桶中放置令牌，如果令牌桶中有足够的令牌可以用来发送报文，则报文直接被继续发送出去，同时，令牌桶中的令牌量随报文发送相应减少。当令牌桶中的令牌少到报文不能再发送时，报文将被缓存入缓冲区中(后续到达缓冲区的报文，检测到缓冲区有报文，直接进入缓冲区队列。若队列长度达到上限，报文被直接丢弃)。当缓冲区中有报文的时候，缓冲区按一定的周期从缓冲区队列中取出报文进行发送，每次发送都会与令牌桶中的令牌数作比较，直到令牌桶中的令牌数减少到缓冲区队列中的报文不能再发送或是缓冲区队列中的报文全部发送完毕为止。如图3所示。

步骤3)包信道复用

帧生成是指为高层协议产生的各种类型的数据包提供一种共享虚拟信道(帧)的机制。

采用等时帧生成算法。等时帧生成算法是指每隔一段固定的时间将上层到达的包封装成一帧并释放。在源包封装过程中，可能会出现三种情况：

第一种：固定成帧等待时间Sw内，到达的包数n小于N，则需用空闲数据包填充剩余的MPDU包区，如图4所示；

第二种：在固定成帧等待时间Sw内，到达的包数n正好等于N，如图5所示；

第三种：在固定成帧等待时间Sw内，到达的包数n大于N，此时只将前N个CCSDS包封装成一个MPDU并进行发送，其它剩余包留到下一个MPDU中发送，如图6所示。

IP报文的包信道复用

选取相同类型的IP报文封装在一个CCSDS帧中。封装IP报文时，根据IP报文优先级设置AOS帧中的VCID(虚拟信道标识域)标识域，这样，完成IP报文优先级和虚拟信道的对应。如图7所示。

CCSDS帧的包信道复用：把相同优先级的CCSDS帧复用并分段装入固定长度的复用协议数据单元(MPDU)的包区中，再分别加入MPDU主导头、帧主导头、帧尾，从而生成一帧。在特定的任务内MPDU的长度是固定的，并恰好能装入固定长度的虚拟信道数据单元(VCDU)的数据区内，数据结构变化如图8所示。

步骤4)带宽分配

由于卫星通信中的各类卫星业务有不同的优先级。本发明提出基于令牌统筹分配的动态带宽分配方法，原理图如图9所示。基本组成结构如下：令牌生成器：以恒定速率产生令牌。令牌统筹分配模块：对各个令牌桶中的令牌进行统筹分配。令牌桶：令牌的容器。

为每类业务流配置一个令牌桶整形器对其进行流量整形。各个业务流的输出流量由其相应令牌桶进行控制，令牌桶的参数设置决定了输出流量的速率以及带宽占用比率。将令牌桶的令牌产生器和令牌桶分割开来，令牌产生器以固定速率产生令牌，将令牌收集，进行统筹调度，在令牌桶未满的情况下，产生的令牌全部放入相应的令牌桶，用于保证该类数据可能发生的突发要求。定额分配业务的令牌桶装满后，新产生的令牌丢弃。足额分配可借出分配业务或余额分配可扩展业务的令牌桶装满后，将新产生的令牌用于传输数据而不是丢弃。在余额分配可扩展业务令牌桶中有待发送的数据，同时因为令牌不足而不能发送的时候，其新产生的多余令牌就会被调用到令牌不足的令牌桶。这样就实现多种业务类型之间的链路带宽共享，提高网络带宽的利用率。

首先为每类卫星业务分配带宽，然后基于令牌统筹分配机制，对所有业务进行带宽分配。

表3：卫星业务的带宽分配方式

带宽分配方式分3种：定额分配、足额分配可借出、余额分配可扩展。

定额分配：分配固定的带宽资源，本业务带宽资源不被其他业务占用，也不使用其他业务的带宽资源。例如，卫星业务7和卫星业务6采用定额分配方式。

足额分配可借出：初始时分配足够的带宽，本类业务流量小于初始带宽时，可以将本类业务的富余带宽借出给余额分配可扩展业务。本类业务流增大时，借出的带宽必须归还本类业务带宽。足额分配可借出类业务不借用其他业务带宽。例如，卫星业务5、卫星业务4和卫星业务3采用足额分配可借出方式。

余额分配可扩展：初始分配的带宽为流量控制设备的剩余带宽资源。本业务流量小于初始带宽时，可以将富余带宽借给其他余额分配可扩展业务。本业务流增大时，其他余额分配可扩展业务必须归还本业务初始带宽，并可以从其他业务借用带宽，达到每个用户最大带宽后，不再借用其他业务带宽。例如，卫星业务2、卫星业务1和卫星业务0采用余额分配可扩展方式。

该步骤具体包括：

步骤4-1)令牌产生器和令牌桶的配置

每个业务配置一个令牌产生器和一个令牌桶。各令牌产生器产生的令牌按照统筹分配算法将令牌放入某个令牌桶。传输某业务数据时，需要从该业务令牌桶中获取一个令牌，才能传输一个CCSDS报文，令牌桶中令牌数减1。如果业务令牌桶无令牌，不能传输CCSDS报文。

步骤4-2)初始带宽

为每个业务设置一个初始带宽，每个令牌生产器根据初始带宽产生令牌。每个业务的令牌首选放置在本业务的令牌桶。这样，有业务流时，所有业务都能获得初始带宽；令牌桶满时，也就是无业务流时，富余令牌分配给其他令牌桶，也就是将带宽分配给其他业务。

步骤4-3)令牌统筹分配

令牌统筹分配方式分为3种：

1、固定带宽

令牌只放入相应令牌桶，如果令牌桶已满，丢弃令牌。

2、带宽借出

足额分配可借出业务可将富裕带宽借给余额分配可扩展业务，余额分配可扩展业务可将富裕带宽借给其他余额分配可扩展业务。带宽借出基于加权优先级规则。每个业务类型预设权重，令牌统筹分配时按照每个业务的权重进行富余令牌的调度。保证各业务可以按比例获得富裕带宽分配。

3、带宽归还

带宽借出后，当本业务流量增加时，借出的带宽归还本业务。

如图10所示，令牌统筹分配算法描述如下：

步骤S1)判断本卫星业务令牌桶是否满，如果是满的，则进入步骤S2)，否则，将令牌放入本业务令牌桶，结束；

步骤S2)判断令牌是否为定额分配业务的令牌，如果为是，则丢弃令牌，结束；否则，进入步骤S3)；

步骤S3)判断所有余额可扩展业务令牌接收器权重为0，如果为是，则重置所有余额可扩展业务令牌接收器权重；并指向第一个余额分配可扩展的业务；否则进入步骤S4)；

步骤S4)遍历所有余额可扩展业务令牌桶，找到令牌桶不满且权重不为零的令牌桶，放置令牌，结束；如果找不到，丢弃令牌，结束。

令牌统筹分配策略具有如下特点：

1、定额分配方式保证高等级业务带宽：重要业务对丢包率要求高并且该类业务占用带宽资源少，因此可采用定额分配带宽方式为重要业务分配固定带宽，保证该类业务丢包率为最小值。

2、足额分配可借出方式保证中等级业务的带宽有效利用：为每个业务类型设置一个初始带宽，这个初始带宽能够保证相应业务的正常运行，因此依据应用场景的最大值配置其初始带宽。当某业务流量低时，可以将本业务带宽借出给余额可扩展业务。当该业务流量增加导致自身剩余带宽不足时，并且其初始带宽被其他业务占用，必须归还其初始带宽。这个机制保证了中等级业务带宽的有效利用。

3、余额分配可扩展方式保证低等级业务的最小带宽：通过加权优先级令牌统筹分配策略，富余带宽根据权重比例分配给带宽不足的业务，保证不存在业务“饿死”的情况，也就避免了业务恢复时的TCP全局同步现象。

从以上三个特点，可以看出，本发明提出的基于令牌统筹分配的动态带宽分配策略，首先满足了所有业务的正常运行的初始带宽，并且具备业务间动态占用未使用带宽的动态分配能力，提高了卫星通信带宽利用率。同时，这种动态分配的机制是基于加权优先级规则的分配，保证了网络流量平稳过渡。

步骤5)IP数据包调度

当为业务类型VC3、VC2、VC1、VC0的数据分配带宽时，由于这些业务是多用户IP业务，需要在进入虚拟信道之前，需要进行IP数据包调度。调度方法如图所示。如图11所示，具体步骤如下：

步骤5-1)根据CCSDS报文类型将报文分类。卫星业务3-0都是IP业务，CCSDS帧中封装了一个或多个IP报文，并且IP报文的优先级是一致的。

步骤5-2)将各类CCSDS报文送入对应的IP队列。IP队列采用加权轮询队列调度，即，在每个队列之间进行轮流调度，保证每个队列中的报文都能得到一定的转发。

如图所示，IP报文出端口有N个队列，出端口的传输带宽为M，优先级从1的到N依次升高，首先为每个队列设置相应的权重值，依次为W₀-W_N，权重值表示获得带宽的比重，队列x获得的带宽为M*W_x/权重值之和。例如一个端口的传输带宽为1000M，在出端口为5个队列设置的权重值分别为4、3、1、1、1，则相应队列获得的转发带宽分别为400M，300M，100M，100M，100M。

WRR队列还有一个优点，虽然每个队列的调度是轮流调度，但分配服务的时间并不是固定的，当某个优先级队列中没有报文时，那么将继续调度下一个优先级队列中的报文，这样带宽资源可以得到充分的利用。适用于IP业务的间歇型传输。

步骤5-3)将CCSDS报文放入对应虚拟信道。

步骤6)虚拟信道调度

从CCSDS报文中获取报文的优先级，根据预存的报文优先级和虚拟信道的对应关系获取对应的虚拟信道，将所述获取到的通过所述虚拟信道进行传输。

由于不同虚拟信道传输的业务类型不同，而与优先级对应的业务类型与虚拟信道一一对应，则相当于虚拟信道本身也就拥有了不同的服务***等级。因此，对虚拟信道的调度也就成了为不同应用数据提供服务质量保障的措施之一。

在进行虚拟信道调度时，考虑虚拟信道中帧已经等待的时间和每个虚拟信道中帧所允许的最大时延，这样能充分反映帧的真实的传送紧急度，提出一种基于CCSDS帧的紧急度的虚拟信道动态调度算法。

基于帧的紧急度的动态调度算法涉及到3个因素：虚拟信道允许的最大调度时延、虚拟信道中帧已经等待的时间、静态优先级。

虚拟信道允许的最大调度时延Tmax：每个虚拟信道都有一个允许的最大调度时延，不同的信源对最大时延的要求各不相同。当虚拟信道缓存中的帧等待的时间超过它允许的最大调度时延，则这些帧将会丢失。

虚拟信道中帧已经等待的时间Tw：虚拟信道当前调度时刻k△t与虚拟信道中当前第一个帧的到达时刻Ta的时间差，被定义为虚拟信道中帧已经等待的时间，即：

Tw＝kΔt–Ta (1)

静态优先级P：把各个虚拟信道在开始传输前的传输实时性称为静态优先级，对于实时性要求高的虚拟信道可赋予一个数值较小的静态优先级，反之，可赋予一个数值较大的静态优先级，体现了不同虚拟信道对传输延迟的不同要求。

帧的紧急度F可定义如下：

F＝(Tmax-Tw)×P (2)

将(1)式代入(2)式，得到：

F＝(Tmax-Tw)×P

＝(Tmax-kΔt+Ta)×P (3)

在调度过程中，在任一异步调度时刻，首先调度传送帧的紧急度的值F最小的虚拟信道。这是因为帧的紧急度的值F越小，其虚拟信道对实时性的要求越高。如果出现两个或更多虚拟信道同时具有最小帧的紧急度的值F的情况，这时需要考虑这些虚拟信道的静态优先级，优先调度传送静态优先级数值最小的虚拟信道，如果同时出现最小静态优先级的信道也不止一个，则优先调度选择序号小的信道并为之提供服务。如图12所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种CCSDS帧和IP报文共存的卫星通信流量控制方法，所述方法包括：

对接收到的IP报文和CCSDS报文分别进行类型识别和标记；

将相同类型的报文装入CCSDS数据帧；

利用令牌统筹分配为各类CCSDS数据帧动态分配带宽；

将CCSDS帧放入对应的虚拟信道；

基于帧的紧急度的动态调度对虚拟信道进行调度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述IP报文来源于地面局域网或空间局域网，所述CCSDS报文来源于地面局域网或空间局域网；所述IP报文携带卫星业务7、卫星业务6、卫星业务5、卫星业务4的数据；所述CCSDS报文携带卫星业务3、卫星业务2、卫星业务1、卫星业务0的数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对接收到的IP报文和CCSDS报文分别进行类型识别和标记，具体包括：

识别IP报文中数据的业务类型；所述IP报文携带的源地址、目的地址、源端口号、目的端口号、协议类型、TOS信息中的一种或多种；

根据CCSDS报文携带的帧类型，识别CCSDS帧的业务类型；

根据IP报文中数据的业务类型为IP报文确定优先级并在IP报文中进行标记，根据CCSDS报文中的数据的业务类型为CCSDS报文确定优先级；

所述优先级与业务类型一一对应，每一业务类型唯一对应一优先级，每一业务类型对应若干QoS描述参数，包括时延、时延抖动、丢包率和吞吐量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定优先级的依据为：根据预先保存的业务类型和优先级的对应关系，具体包括：

识别报文中是否携带优先级；

若携带，查找预先保存的业务类型和优先级的对应关系找到该业务类型对应的优先级，判断携带的优先级和查找到的优先级是否一致，如果不一致，将报文的优先级修改为查找到的优先级；

若未携带，根据识别出的业务类型查找预先保存的业务类型和优先级的对应关系找到该业务类型对应的优先级，分配给该IP报文。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定优先级的依据为：根据预先保存的业务类型、用户和优先级的对应关系，具体包括：

识别报文中是否携带优先级；

若携带，从报文中获取用户的信息和业务类型，查找预先保存的用户、业务类型和优先级的对应关系找到该用户和业务类型对应的优先级，判断携带的优先级和查找到的优先级是否一致，如果不一致IP报文的优先级修改为查找到的优先级；

若未携带，从报文中获取用户的信息和业务类型，根据用户的信息、识别出的业务类型查找预先保存的用户、业务类型和优先级的对应关系找到该用户和业务类型对应的优先级，分配给该报文。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对接收到的IP报文和CCSDS报文分别进行类型识别和标记之后还包括：采用流量整形限制每类卫星业务的最大流量。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将相同类型的报文装入CCSDS数据帧，具体包括：

选取相同类型的IP报文封装在一个CCSDS帧中；封装IP报文时，根据IP报文优先级设置AOS帧中的虚拟信道标识域，由此完成IP报文优先级和虚拟信道的对应；

把相同优先级的CCSDS帧复用并分段装入固定长度的复用协议数据单元的包区中，再分别加入MPDU主导头、帧主导头、帧尾，从而生成一帧。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用令牌统筹分配为各类CCSDS数据帧动态分配带宽；具体包括：

为每个卫星业务配置一个令牌产生器和一个令牌桶；为每个业务设置一个初始带宽，每个令牌生产器根据初始带宽以固定速率产生令牌；其中，卫星业务7和卫星业务6为定额分配，卫星业务5、卫星业务4和卫星业务3为足额分配可借出，卫星业务2、卫星业务1和卫星业务0为余额分配可扩展；

按照令牌统筹分配算法将各令牌产生器产生的令牌放入某个令牌桶；

在传输一个卫星业务数据时，需要从该卫星业务的令牌桶中获取一个令牌，才能传输一个CCSDS报文，令牌桶中令牌数减1；若令牌桶无令牌，则不能传输该CCSDS报文。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述按照令牌统筹分配算法将各令牌产生器产生的令牌放入某个令牌桶，具体包括：

步骤S1)判断本卫星业务令牌桶是否满，如果是满的，则进入步骤S2)，否则，将令牌放入本业务令牌桶，结束；

步骤S2)判断令牌是否为定额分配业务的令牌，如果为是，则丢弃令牌，结束；否则，进入步骤S3)；

步骤S3)判断所有余额可扩展业务令牌接收器权重为0，如果为是，则重置所有余额可扩展业务令牌接收器权重；并指向第一个余额分配可扩展的业务；否则进入步骤S4)；

步骤S4)遍历所有余额可扩展业务令牌桶，找到令牌桶不满且权重不为零的令牌桶，放置令牌，结束；如果找不到，丢弃令牌，结束。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述将CCSDS报文放入对应的虚拟信道之前还包括：当为业务类型为卫星业务3、卫星业务2、卫星业务1或卫星业务0的数据分配带宽时，对IP数据包进行调度，具体包括：

将各类CCSDS报文送入对应的IP队列；IP队列采用加权轮询队列调度，即在每个队列之间进行轮流调度，保证每个队列中的报文都能得到一定的转发。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述将CCSDS报文放入对应的虚拟信道；具体为：

从CCSDS报文中获取报文的优先级，根据预存的报文优先级和虚拟信道的对应关系获取对应的虚拟信道，将所述获取到的通过所述虚拟信道进行传输。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述基于帧的紧急度的动态调度对虚拟信道进行调度，具体包括：

计算帧的紧急度F为：

F＝(Tmax-Tw)×P

其中，Tmax为虚拟信道允许的最大调度时延；Tw为虚拟信道中帧已经等待的时间：虚拟信道当前调度时刻k△t与虚拟信道中当前第一个帧的到达时刻Ta的时间差，被定义为虚拟信道中帧已经等待的时间，即：

Tw＝kΔt–Ta

P为静态优先级，把各个虚拟信道在开始传输前的传输实时性称为静态优先级，对于实时性要求高的虚拟信道可赋予一个数值为1的静态优先级，否则，赋予一个数为10的静态优先级；静态优先级的最大值为10，最小值为1；

首先调度传送帧的紧急度的值F最小的虚拟信道；如果出现两个或更多虚拟信道同时具有最小帧的紧急度的值F的情况，这时需要考虑这些虚拟信道的静态优先级，优先调度传送静态优先级数值最小的虚拟信道，如果同时出现最小静态优先级的信道也不止一个，则优先调度选择序号小的信道并为之提供服务。

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