一种低轨卫星信道高效可靠数据传输方法与流程

1.本发明涉及卫星通信技术领域中的一种用于低轨卫星通信中的高效可靠数据传输方法，在卫星段引入空口链路可靠传输层，使其适用于低轨卫星通信中数据业务的可靠传输。


背景技术：

2.低轨卫星由于轨道高度低，具有传输时延和空间损耗小、通信距离远、组网方式灵活、抗毁和抗干扰能力强以及能够实现全球覆盖等一系列优点。低轨卫星网络中链路切换较为频繁，存在丢包现象。
3.地面网络中广泛使用的传输层协议无法适应低轨卫星信道频繁切换的特点。udp协议面向无连接本身不保证可靠性。标准tcp协议普遍使用的reno与cubic拥塞控制算法由于低轨网络链路频繁切换的特点，在丢包时降低发送速率，无法充分利用带宽。
4.用户终端所采用的协议无法很好适应低轨卫星网络，在此背景下在卫星段引入空口链路可靠传输层，进行基于卫星段具有良好抗丢包性能的传输协议封装的可靠传输。对于udp数据，由于其本身不具备可靠机制，进行封装后保证了其可靠性。对于tcp数据，虽然其是可靠传输，但通过上述分析可知地面用户业务终端普遍采用的拥塞算法无法很好适应卫星。即使有性能更好的新算法，大量业务终端更新换代需要耗费大量人力物力。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对低轨卫星信道频繁切换的特点，在卫星段引入空口链路可靠传输层，进行基于卫星段具有良好抗丢包性能的传输协议封装的可靠传输，提出了一种低轨卫星信道高效可靠数据传输方法。
6.本发明采用的技术方案为：
7.一种低轨卫星信道高效可靠数据传输方法，应用于网关或卫星路由器，在卫星段引入空口链路可靠传输层，包括以下步骤：
8.(1)发端网关或卫星路由器接收源业务终端发送的数据包，保留数据包的网络层及其上层内容字段，并增加同步标签；其中，网络层及其上层内容字段包括ip头以及tcp或udp头；
9.(2)处于可靠传输状态的发端网关或卫星路由器根据已协商好的规则将同步标签与数据一起进行卫星段封装发往收端网关或卫星路由器；
10.(3)收端网关或卫星路由器收到发端网关或卫星路由器发送的同步标签与数据后，根据同步标签内容读取包含ip头以及tcp或udp头完整长度单个数据包，并进行校验，判断是否符合包含ip头的数据包格式，校验成功后将数据包发往目的业务终端。
11.其中，所述的步骤(1)中读取数据后，增加同步标签的方法为：
12.将数据包的网络层及其上层内容字段放入消息队列，并循环从消息队列中读取数据，从消息队列中取出数据后，将数据长度作为同步标签的内容放在数据的头部，一并组成
新的数据内容。
13.其中，所述的步骤(3)中读取完整长度单个数据包的步骤为：
14.(301)从缓冲区中读取2个字节的同步标签，同步标签中的内容即为所要读取数据包的长度；
15.(302)依据所要读取数据包的长度值从缓冲区中进行数据包的读取；
16.(303)若实际读取的数据包长度小于所要读取数据包的长度，则将所要读取数据包的长度更新为所要读取数据包的长度与实际读取数据包的长度之差，再次执行步骤(302)，若实际读取的数据包长度等于所要读取数据包的长度，则完成单个完整数据包的读取。
17.其中，步骤(2)之前还包括以下过程：
18.发端网关或卫星路由器判断当前是否处于可靠传输状态，若未处于则与收端网关或卫星路由器进行可靠传输交互，交互成功后发端网关或卫星路由器与收端网关或卫星路由器进入可靠传输状态。
19.本发明与现有技术相比具有以下优点：
20.1、现有技术中udp数据，其本身不具备可靠机制，采用本发明保证了其可靠性。
21.2、对于现有技术中tcp数据，内层tcp提供用户端到端可靠性，外层本发明提供卫星段可靠性，可提供双重可靠，有效应对了低轨卫星网络中链路频繁切换造成的丢包现象。
22.3、本发明部署于网关或卫星路由器，随着可靠传输技术演进，更新网关或卫星终端即可实现可靠性能提升，业务终端无感且无需改动，避免了为提升可靠性而造成大量业务终端更新换代所耗费的人力物力。
附图说明
23.图1是本发明的实施例流程图。
24.图2是本发明应用于网关或卫星路由器部署示意图。
25.图3是本发明在协议栈中等效位置。
具体实施方式
26.为了实现本发明，下面结合附图1
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3进行进一步说明，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
27.参照图1，主要示意了一种低轨卫星信道高效可靠数据传输方法，如图2所示该方法应用于网关或卫星路由器，在卫星段引入空口链路可靠传输层，其在协议栈中等效位置如图3所示在，具体包括以下步骤：
28.(1)网关或卫星路由器a接收源业务终端发送的数据包1，保留数据包1的网络层及其上层内容字段，放入消息队列，并循环从消息队列中读取数据，增加同步标签；其中，网络层及其上层内容字段包括ip头以及tcp或udp头；
29.其中，增加同步标签的方法为：在从消息队列中取出数据后，将其长度作为同步标签的内容，放在该数据的头部，一并组成新的数据内容。
30.(2)网关或卫星路由器a判断当前未处于可靠传输状态，与网关或卫星路由器b进行可靠传输交互，交互成功后网关或卫星路由器a与网关或卫星路由器b进入可靠传输状
态，处于可靠传输状态的网关或卫星路由器a根据已协商好的规则将同步标签1与数据包1一起进行卫星段封装发往网关或卫星路由器b；
31.(3)由于卫星链路切换等原因导致网关或卫星路由器b并未收到同步标签1与数据包1，网关与卫星路由器a负责进行重传，直至网关与卫星路由器b收到。
32.(4)网关或卫星路由器b收到网关或卫星路由器a发送的同步标签1与数据包1后，根据同步标签内容读取包含ip头以及tcp或udp头完整长度单个数据包，并进行校验，判断是否符合包含ip头的数据包格式，校验成功后将数据包发往目的业务终端。
33.其中，读取完整长度单个数据包的步骤为：
34.(401)从缓冲区中读取2个字节的同步标签，同步标签中的内容即为所要读取数据包的长度；
35.(402)依据所要读取数据包的长度值从缓冲区中进行数据包的读取；
36.(403)若实际读取的数据包长度小于所要读取数据包的长度，则将所要读取数据包的长度更新为所要读取数据包的长度与实际读取数据包的长度之差，再次执行步骤(402)，若实际读取的数据包长度等于所要读取数据包的长度，则完成单个完整数据包的接收；
37.(5)网关或卫星路由器a接收源业务终端发送的数据包2，处理方法同步骤(1)，判断当前已处于可靠传输状态，根据已协商好的规则将同步标签2与数据包2一起进行卫星段封装发往网关或卫星路由器b。
38.(6)网关或卫星路由器b收到网关或卫星路由器a发送的同步标签2与数据包2后，处理方法同步骤(4)，完成数据包2的发送。
39.(7)由业务终端b发往业务终端a的数据处理流程同上。


技术特征：
1.一种低轨卫星信道高效可靠数据传输方法，应用于网关或卫星路由器，在卫星段引入空口链路可靠传输层，其特征在于，包括以下步骤：(1)发端网关或卫星路由器接收源业务终端发送的数据包，保留数据包的网络层及其上层内容字段，并增加同步标签；其中，网络层及其上层内容字段包括ip头以及tcp或udp头；(2)处于可靠传输状态的发端网关或卫星路由器根据已协商好的规则将同步标签与数据一起进行卫星段封装发往收端网关或卫星路由器；(3)收端网关或卫星路由器收到发端网关或卫星路由器发送的同步标签与数据后，根据同步标签内容读取包含ip头以及tcp或udp头完整长度单个数据包，并进行校验，判断是否符合包含ip头的数据包格式，校验成功后将数据包发往目的业务终端。2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星信道高效可靠数据传输方法，其特征在于，所述的步骤(1)中读取数据后，增加同步标签的方法为：将数据包的网络层及其上层内容字段放入消息队列，并循环从消息队列中读取数据，从消息队列中取出数据后，将数据长度作为同步标签的内容放在数据的头部，一并组成新的数据内容。3.根据权利要求1所述的一种低轨卫星信道高效可靠数据传输方法，其特征在于，所述的步骤(3)中读取完整长度单个数据包的步骤为：(301)从缓冲区中读取2个字节的同步标签，同步标签中的内容即为所要读取数据包的长度；(302)依据所要读取数据包的长度值从缓冲区中进行数据包的读取；(303)若实际读取的数据包长度小于所要读取数据包的长度，则将所要读取数据包的长度更新为所要读取数据包的长度与实际读取数据包的长度之差，再次执行步骤(302)，若实际读取的数据包长度等于所要读取数据包的长度，则完成单个完整数据包的读取。4.根据权利要求1所述的一种低轨卫星信道高效可靠数据传输方法，其特征在于，步骤(2)之前还包括以下过程：发端网关或卫星路由器判断当前是否处于可靠传输状态，若未处于则与收端网关或卫星路由器进行可靠传输交互，交互成功后发端网关或卫星路由器与收端网关或卫星路由器进入可靠传输状态。

技术总结
本发明公开一种低轨卫星信道高效可靠数据传输方法，涉及低轨卫星通信网络中的可靠传输领域。低轨卫星信道链路具有频繁切换的特点，相对于地面网络会出现大量丢包，导致TCP协议与UDP协议性能下降。我们在卫星段设置网关，通过网关间引入空口链路可靠传输层，进行采用具有良好抗丢包性能的传输协议封装实现数据可靠传输，克服了低轨卫星信道链路频繁切换对TCP/IP协议族性能的影响，现有业务终端不需具有良好抗丢包性能，不需进行任何修改，即可实现低轨卫星信道下的可靠传输。现低轨卫星信道下的可靠传输。现低轨卫星信道下的可靠传输。


技术研发人员：杨光祥 张亚生 孙晨华 柳长青 何辞
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2021.09.27
技术公布日：2021/11/17