一种面向用户定制的卫星网络资源适配方法及系统与流程

1.本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种面向用户定制的卫星网络资源适配方法及系统。


背景技术：

2.卫星网络是重要的空间信息基础设施，对我国未来实现全球覆盖、空海天跨域、多体制接入的全时通信起到关键作用。用户和业务的多样性，决定了卫星网络需要满足用户对时延、带宽、丢包率等各种不同的网络通信资源需求。
3.当前业界的主流思想是通过支持服务质量保障的路由技术实现网络资源适配。地面网络已有比较成熟的解决方案，比如适用于ip网络的intserv模型和diffserv模型。而在卫星网络领域，对路由技术的研究更多集中在解决卫星网络拓扑动态性的问题上，而网络资源适配方面研究较少，所以如何实现基于网络资源适配来进行卫星网络资源的有效利用成为现在亟待需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种面向用户定制的卫星网络资源适配方法及系统，以解决现有技术中不能通过在用户侧进行网络资源适配以更好地实现卫星网络资源分配的问题。
5.第一方面，本发明提供了一种面向用户定制的卫星网络资源适配方法，该方法包括：接收用户终端通过通信网络发来的请求，所述通信网络包括卫星网络和地面网络，其中，所述卫星网络包括相互连接的卫星节点，所述地面网络包括依次相连接的地面节点、网管中心以及控制中心；基于所述通信网络，根据用户终端的请求来动态分配网络资源，并基于链路状态计算实时路由，使得所分配的通信网络的资源与用户终端的当前请求相适配，以降低网络拥塞概率；其中，所述请求包括该请求的业务类型、预约时间以及通信资源需求，且所述通信资源需求包括时延类型、丢包率类型和带宽类型。
6.进一步地，通过所述地面节点来接收用户终端的请求，并由所述地面节点将所述请求通过所述网管中心发送给所述控制中心，以使所述控制中心基于所述请求进行路由计算。
7.进一步地，所述控制中心为集中式网络控制器，用于进行用户终端注册入网，并基于用户终端的请求进行集中式路由计算。
8.进一步地，所述控制中心是根据用户终端的请求，基于预设的全局映射表来计算实时路由；
9.所述全局映射表内保存了用户终端标识和节点标识的映射关系，其中，所述用户终端标识用于对用户终端进行唯一性标识，所述节点标识用于对卫星节点和地面节点进行唯一性标识，也即所述全局映射表保存了网络中所有节点的映射关系以及所有节点的网络资源情况。
10.进一步地，所述方法还包括：所述卫星节点和所述地面节点上分别设有与其自身
相对应的局部映射表；所述局部映射表内保存了与该卫星节点或者该地面节点相连接的所有节点以及用户终端情况，并通过用户终端标识和节点标识来在所述局部映射表内体现节点与节点之间，以及节点与用户终端之间的对应映射关系。
11.进一步地，在路由过程中，所述地面节点和所述卫星节点是根据其自身所存储的局部映射表以及所述控制中心计算的路由来进行具体路由。
12.进一步地，所述方法还包括：对所述全局映射表和所述局部映射表进行周期性路由更新。
13.进一步地，对所述全局映射表和所述局部映射表进行周期性路由更新，包括：按照预定时间间隔来对所述全局映射表和所述局部映射表进行更新。
14.进一步地，所述网管中心用于进行网络状态监控、态势显示以及设备管理。
15.第二方面，本发明提供了一种用于实现上述任一种所述的面向用户终端定制的卫星网络资源适配方法的系统，该系统包括：卫星网络和地面网络，所述卫星网络包括相互连接的卫星节点，所述地面网络包括依次相连接的地面节点、网管中心以及控制中心；
16.控制中心，基于所构建的通信网络，根据用户终端的请求来动态分配网络资源，并基于链路状态计算实时路由，使得所分配的通信网络的资源与用户终端的当前请求相适配，以降低网络拥塞概率，其中，所述请求包括该请求的业务类型、预约时间以及设置选项，且所述设置选项包括时延类型、丢包率类型和带宽类型；
17.地面节点和卫星节点，用于进行数据转发操作；
18.网管中心，用于进行网络状态监控、态势显示以及设备管理。
19.本发明有益效果如下：
20.本发明是根据用户的专用场景定制需求，基于实时链路信息提供了多种资源适配，使得卫星网络系统能够为用户提供相应的最优路由转发服务，增加了用户的资源可选择性，也即本发明是在用户侧提供了为多种专用场景应用的资源适配支持，使得卫星网络能够获取用户的细粒度定制需求输入，从而为用户精准提供了基于专用场景的网络资源适配，继而有效解决了现有卫星网络只在网络侧提供资源适配机制、而忽略了用户在各种专用场景下的定制需求的问题。
21.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
22.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
23.图1是本发明实施例提供的一种面向用户定制的卫星网络资源适配方法的流程示意图；
24.图2是本发明实施例提供的一种面向用户定制的卫星网络资源适配系统的结构示意图；
25.图3是本发明实施例提供的用户定制按需传输的方法的示意图；
26.图4是本发明实施例提供的根据用户定制需求计算最优路由方法的示意图；
27.图5是本发明实施例提供的用户定制按需传输的方法的流程示意图；
28.图6是本发明实施例提供的用户定制需求计算最优路由的流程示意图；
29.图7是本发明实施例提供的周期性路由更新的流程示意图；
30.图8是本发明实施例提供的udp数据域的示意图。
具体实施方式
31.本发明实施例针对现有卫星网络只在网络侧提供资源适配机制、而忽略了用户在各种专用场景下的定制需求的问题，通过在用户侧提供了为多种专用场景应用的资源适配支持，使得卫星网络能够获取用户的细粒度定制需求输入，为用户精准提供了基于专用场景的网络资源适配，从而更好地实现卫星网络资源分配。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
32.本发明第一实施例提供了一种面向用户定制的卫星网络资源适配方法，参见图1，该方法包括：
33.s101、接收用户终端通过通信网络发来的请求；
34.具体地，如图2所示，本发明实施例所述通信网络包括卫星网络和地面网络，其中，所述卫星网络包括相互连接的卫星节点，所述地面网络包括依次相连接的地面节点、网管中心以及控制中心，由于上述的通信网络是现有的，因此本发明对此不作详细的说明。
35.并且，本发明实施例中的所述请求包括该请求的业务类型、预约时间以及通信资源需求，且所述通信资源需求包括时延类型、丢包率类型和带宽类型。
36.具体实施时，通过所述地面节点来接收用户终端的请求，并由所述地面节点将所述请求通过所述网管中心发送给所述控制中心，以使所述控制中心基于所述请求进行路由计算。且所述控制中心为集中式网络控制器，用于进行用户终端注册入网，并基于用户终端的请求进行集中式路由计算。所述网管中心用于进行网络状态监控、态势显示以及设备管理。
37.如图3所示，具体实施时，操作人员可以根据自身需求来具体选择业务类型、预设时间(即，对请求进行处理的时间)以及在高级选项中来选择时延类型、丢包率类型和带宽类型。
38.需要说明的是，图3仅仅是本发明实施例的一个示意，在具体实施时，本领域技术人员也可以对请求来设置其他各种类型等等，最终以满足用户的不用场景需求来进行任意设置，本发明对此不作具体限定。
39.总体来说，本发明实施例是通过在用户侧提供了为多种专用场景应用的资源适配支持，以使得卫星网络能够获取用户的细粒度定制需求输入，从而可以为用户精准适配网络资源，最终实现对卫星网络资源进行更好地分配，以提升用户体验。
40.s102、基于所述通信网络，根据用户终端的请求来动态分配网络资源，并基于链路状态计算实时路由，使得所分配的通信网络的资源与用户终端的当前请求相适配，以降低网络拥塞概率。
41.也就是说，本发明实施例是根据用户的专用场景定制需求，基于实时链路信息提
供了多种资源适配，使得卫星网络系统能够为用户提供相应的最优路由转发服务，增加了用户的资源可选择性，实现为用户精准提供了基于专用场景的网络资源适配，最终有效解决了现有卫星网络只在网络侧提供资源适配机制、而忽略了用户在各种专用场景下的定制需求的问题。
42.具体实施时，本发明实施例专门设置了全局映射表和局部映射表，全局映射表是设置在控制中心上，局部映射表是设置在各个节点上。
43.所述全局映射表内保存了用户终端标识和节点标识的映射关系，其中，所述用户终端标识用于对用户终端进行唯一性标识，所述节点标识用于对卫星节点和地面节点进行唯一性标识，也即所述全局映射表保存了网络中所有节点的映射关系以及所有节点的网络资源情况。
44.所述局部映射表内保存了与该卫星节点或者该地面节点相连接的所有节点以及用户终端情况，并通过用户终端标识和节点标识来在所述局部映射表内体现节点与节点之间，以及节点与用户终端之间的对应映射关系。
45.总体上，本发明实施例的控制中心是根据用户终端的请求，基于预设的全局映射表来计算实时路由，而各个节点(即卫星节点和地面节点)是根据其自身所存储的局部映射表以及所述控制中心计算的路由来进行具体路由。
46.而且在具体实施时，本发明实施例还按照预定时间间隔来对所述全局映射表和所述局部映射表进行更新。
47.该预定时间间隔可以根据实际需要进行任意设置，本发明对此不作详细限定。
48.综上，本发明实施例提供一种面向用户定制的卫星网络资源适配方法，用户侧可以使用本地客户端发起按需传输定制申请，地面的控制中心收到定制消息后在数据包头中封装不同的资源类型，根据资源类型计算对应的最优路由，并根据用户定制时间进行路由更新，以此实现基于用户定制需求的网络资源动态适配。
49.下面将结合图2至图8，通过一个具体的实施例来对本发明所述的方法进行详细的解释和说明：
50.如图2所示，本发明实施例的总体架构是基于软件定义网络技术，包括卫星网络、地面网络和用户，其中卫星网络由低轨卫星节点组成，地面网络由地面节点、控制中心和网管中心组成。用户可以通过地面节点接入卫星网络，也可以通过特定终端直接接入卫星节点。
51.用户接入卫星网络或地面网络后，控制中心会为其分配用户标识，每个网络节点拥有自己的节点标识，通过节点本地的局部映射表将用户标识和节点标识绑定起来。同时，控制中心还保存全局映射表，保存全网所有节点标识和用户标识。在卫星网络中使用节点标识进行路由计算及转发，用户标识仅用于标记用户，以此实现卫星网络的移动性支持；计算路由时，基于虚拟拓扑的思想，将卫星动态拓扑根据一定周期划分时间片，时间片内提取静态拓扑，以此实现卫星网络的动态拓扑支持。
52.本发明实施例是在基于上述架构的基础上，主要分为四个步骤，即，用户定制按需传输、网络链路信息收集、根据用户定制需求计算最优路由、周期性路由更新。
53.所述用户定制按需传输包括：用户向控制中心发起按需传输定制服务是本发明流程的起点。用户接入卫星网络或地面网络，获得用户标识之后，通过按需传输定制客户端选
择业务类型，并填写按需传输的定制时间，随后向控制中心发起定制申请。申请消息通过用户接入的网络节点转发给控制中心，控制中心根据用户标识、业务类型、定制时间，将用户选择的业务类型对应为对网络资源，即时延、带宽、丢包率的需求，并在定制时间的起始时刻修改控制中心全局映射表中的用户条目，将该用户的资源类型修改为对应值，然后控制中心通知用户接入的网络节点，同步修改其节点本地上的局部映射表。到达定制时间的结束时刻时，控制中心将全局映射表中该用户条目的资源类型改回默认值，并通知接入网络节点同步修改局部映射表。
54.控制中心的全局映射表和网络节点的局部映射表分别如表1和表3所示：
55.表1全局映射表
[0056][0057]
表2局部映射表
[0058][0059]
本发明实施例所述的网络链路信息收集包括：
[0060]
链路信息收集是卫星网络计算路由、分配网络资源的基础。网络中所有节点均周期性获取自身链路信息并上报控制中心，控制中心掌握全网所有链路状态，包括每条链路的时延、带宽、丢包率，保存在链路信息数据库中。
[0061]
网络节点首先收集本地各端口的上下行数据包字节数及个数，通过计算得到各端口实时吞吐量。同时，节点定时向自身所有端口发送探测包，该节点的相邻网络节点收到探测包后回复自己的节点标识，此时该节点便得到了各端口的时延和对应的邻居节点。随后，节点周期性将各端口的时延、吞吐量、上下行数据包个数、相邻节点信息上报给控制中心。
[0062]
控制中心通过节点上报的各端口上下行数据包个数计算得到各端口丢包率，整理数据后将节点的各端口信息存储为节点之间的链路信息(源节点标识、源端口号、时延、带宽、丢包率、目的节点标识)存储在链路信息数据库中，对于同一条链路数据，新数据将把旧数据覆盖。全网所有节点的信息收集过程均一致。
[0063]
本发明实施例所述的根据用户定制需求计算最优路由包括：用户向控制中心发送按需传输定制消息后，在预约时间内控制中心会根据用户的定制消息提供对应的最优路由，以到达网络资源按需适配的效果。
[0064]
用户经过第1步之后，控制中心已经根据用户的申请修改了全局映射表和局部映射表，此时映射表中的用户条目已经有对应的资源类型。当该用户的通信数据包经过接入节点进入卫星网络时，接入节点根据用户数据包中的源节点、目的节点和资源类型向控制
中心发送路由询问报文，控制中心根据资源类型，对应为时延最小、带宽最大、丢包最小、跳数最小四种不同的策略，从链路信息数据库中提取相应所有链路的实时信息，将用户数据包中资源类型对应的链路信息作为各链路的权值，进行全网的加权最短路径计算，得到符合用户定制需求的最优路由。
[0065]
完成计算后，控制中心向沿途各网络节点下发路由条目，用户数据包便可沿计算出的最优路径进行数据转发，实现按需通信。
[0066]
本发明实施例所述的周期性路由更新包括：
[0067]
控制中心依据用户需求计算好路由后，最优路由是有存活周期的。由于最优路由是基于实时链路状态计算的，因此为了卫星网络能持续为用户提供最佳的网络资源适配，最优路由每隔一段周期就需要更新，根据当前的链路信息重新计算一遍最优路由。
[0068]
最优路由的持续时间与用户发送给控制中心的定制时间相同。在持续时间内，周期性路由更新根据用户需求资源类型的不同分为两种。对于时延和丢包率类型，控制中心进行第一次路由计算时，下发的路由条目持续时间与卫星网络时间片周期相同。每隔1个周期，控制中心便会根据链路信息数据库实时重新计算路由，并下发新的路由条目。每次计算出的路由条目的持续时间要到用户定制时间的结束时刻为止。这是由于因为路由条目的计算和下发需要时间，如果每次计算出的路由条目持续时间也是1个周期，在周期切换时可能会有真空期，造成丢包现象。同时，如果控制中心发生故障，无法下发新的路由条目，需要保证此时节点依然有路由条目存在，才可以继续保持用户通信。本发明实施例通过根据不同的资源需求采取了不同的路由更新策略，兼顾了路由计算的实时性和用户服务的持续性。
[0069]
对于带宽类型，最优路由仅在起始时刻时计算一次，不再随周期变化。这是由于如果采取与时延和丢包率一样的计算更新策略，当下一次重新计算路由时，当前计算出的路径上还存在该用户之前的流量，可能造成此路径的剩余带宽反而比其他路径要小，导致用户路径频繁切换，造成卡顿。
[0070]
如图3和图5所示，当用户1向控制中心发起按需传输定制申请的具体步骤包括：
[0071]
1)用户1打开按需传输定制客户端界面，选择【业务类型】，此处以【紧急通信】为例；
[0072]
2)用户1填写按需传输【预约时间】，包括定制时间的起始时刻和结束时刻；
[0073]
3)用户1点击【提交】，客户端通过udp(在udp数据域头部增加标志位1和用户ip，标志位1字节，ip4字节，如图8所示)将申请消息(标志位＝1、用户标识、资源类型、起始时刻、结束时刻)发送给r1；
[0074]
4)r1收到消息，读取【标志位】＝1，识别到是按需定制申请消息，根据用户1映射条目(用户1
‑
ip、源节点标识，目的节点标识)在路由表中查找去往控制中心的路径，发送给r2，转发给控制中心；
[0075]
5)控制中心收到消息，向r1回复申请成功消息(标志位＝2、源节点标识、目的节点标识、消息内容＝申请成功)；
[0076]
6)r1收到消息，根据【标志位】＝2，识别到是按需申请回复消息，r1根据第4步中udp数据域中的【用户1
‑
ip】获得用户1的ip，向用户1发送申请成功消息；
[0077]
7)控制中心提取消息中的用户标识、资源类型、起始时刻和结束时刻，根据保存在控制中心的业务类型与资源类型对应表(如表3是一种示例)，将业务类型对应为相应资源
类型的值，此例中【资源类型】＝1；
[0078]
表3业务类型与资源类型对应表
[0079][0080][0081]
8)控制中心在起始时刻，根据用户标识在全局映射表中修改用户1条目，将【资源类型】赋1，并通知r1同步修改局部映射表；
[0082]
9)用户1进行按需传输(如图5所示)；
[0083]
10)控制中心在结束时刻，根据用户标识在全局映射表中修改用户1条目，将【资源类型】赋0(默认值)，并通知r1同步修改局部映射表。
[0084]
如图4和图6所示，本发明实施例根据用户定制需求计算最优路由，包括：
[0085]
以用户1向控制中心申请【紧急通信】后，发起与用户2的通信为例，如图6：
[0086]
1)用户1发起与用户2的通信；
[0087]
2)用户1的数据包进入r1，r1根据局部映射表中的用户1条目为数据包封装包头，包括源节点标识、目的节点标识、资源类型；
[0088]
3)r1进行转发时如果发现没有能匹配【资源类型】＝1的路由条目，则发送路由询问报文询问控制中心；
[0089]
4)控制中心收到报文，提取出资源类型＝1、源节点标识＝r1、目的节点标识＝r3，与本地的业务类型与资源类型对应表比对后得知用户需求是时延优先，从链路信息数据库中分别获取链路r1
‑
r2、r2
‑
r4、r1
‑
r3、r3
‑
r4的链路时延信息；
[0090]
5)控制中心将时延作为各链路的权值，进行加权最短路径计算，计算出一条时延最短的路径，即r1
‑
r3
‑
r4；
[0091]
6)控制中心向r1、r3、r4下发路由条目；
[0092]
7)用户1的数据包通过路径r1
‑
r2
‑
r4与用户2通信。
[0093]
如图7所示，本发明实施例中所述的周期性路由更新具体包括：
[0094]
以用户1向控制中心的定制申请为【紧急通信】，定制时间为10:00
‑
11:00，定制成功后发起与用户2的通信为例，如图4所示：
[0095]
1)控制中心在定制时间的起始时刻10:00:00收到从r1发出的资源类型＝1的路由询问报文后取链路信息数据库中的时延信息，将时延作为各链路的权值进行最短路径计算，计算出一条剩余时延最小的路径，即r1
‑
r3
‑
r4；
[0096]
2)控制中心向r1、r3、r4下发路由条目，最优路由条目持续时间到定制时间的结束时刻11:00:00为止，过期后条目自动清除；
[0097]
3)用户1的数据包匹配路由条目，通过路径r1
‑
r3
‑
r4与用户2通信；
[0098]
4)控制中心在5分钟后(10:05:00)取链路信息数据库中的时延信息，将时延作为各链路的权值进行最短路径计算，得到一条时延最小的路径；
[0099]
5)控制中心向路径经过的路由器下发路由条目，最优路由条目持续时间到结束时间(11:00:00)为止；
[0100]
6)重复4
‑
5步，直到达到用户定制的按需服务的停止时刻(11:00:00)为止。
[0101]
总体来说，本发明实施例所述的卫星网络系统及资源适配方法，至少具有以下优点：
[0102]
首先，本发明所述的方法解决了现有卫星网络只在网络侧提供资源适配机制、忽略了用户在各种专用场景下的定制需求。在用户侧提供了为多种专用场景应用的资源适配支持，使得卫星网络能够获取用户的细粒度定制需求输入，为用户精准提供基于专用场景的网络资源适配；
[0103]
其次，本发明实施例是根据用户的专用场景定制需求，基于实时链路信息提供了多种资源适配，卫星网络系统能够为用户提供相应的最优路由转发服务，增加了用户的资源可选择性；
[0104]
另外，本发明实施例通过周期性路由更新机制，在用户的定制时间内，控制中心可以为用户提供持续稳定的网络资源适配，为用户在各种不同专用场景应用下的按需通信提供持续保障。
[0105]
本发明第二实施例提供了一种用于实现本发明第一实施例中任一种所述的面向用户终端定制的卫星网络资源适配方法的系统，该系统包括：卫星网络和地面网络，所述卫星网络包括相互连接的卫星节点，所述地面网络包括依次相连接的地面节点、网管中心以及控制中心；
[0106]
控制中心，基于所构建的通信网络，根据用户终端的请求来动态分配网络资源，并基于链路状态计算实时路由，使得所分配的通信网络的资源与用户终端的当前请求相适配，以降低网络拥塞概率，其中，所述请求包括该请求的业务类型、预约时间以及设置选项，且所述设置选项包括时延类型、丢包率类型和带宽类型；
[0107]
地面节点和卫星节点，用于进行数据转发操作；
[0108]
网管中心，用于进行网络状态监控、态势显示以及设备管理。
[0109]
也就是说，本发明实施例针对现有卫星网络只在网络侧提供资源适配机制、而忽略了用户在各种专用场景下的定制需求的问题，通过在用户侧提供了为多种专用场景应用的资源适配支持，使得卫星网络能够获取用户的细粒度定制需求输入，为用户精准提供了基于专用场景的网络资源适配，从而更好地实现卫星网络资源分配。
[0110]
本发明实施例的相关内容可参见本发明第一实施例进行理解，在此不做详细论述。
[0111]
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。