一种支持低轨卫星移动主机与陆基互联网主机互联的网关的制作方法

1.本发明属于网络通信领域，具体地说是一种支持低轨卫星网络域的移动主机与陆基互联网域主机双向通信的网关，通过该网关实现文件与短报文的双向可靠传输。


背景技术：

2.随着人类活动的疆域不断扩大和信息服务的类型不断丰富，各种陆基、空基、海基的网络信息服务的需求不断涌现。低轨卫星运行在距离地面120～2000km的低地球轨道上，具有低时延、低损耗、强信号、低成本和系统构建较快捷等优势，对于许多要求时延小、灵活移动的移动主机利用低轨卫星网络进行通信是一种较好的选择。考虑到陆基互联网覆盖范围广泛，若能解决低轨卫星网络中的移动用户与互联网用户之间的可靠通信问题，将进一步为移动用户带来更大的通信便利。
3.网关工作在低轨卫星网络与互联网之间，一侧与互联网相连，另一侧与低轨卫星网络相连。陆基互联网采用传统的tcp/ip体系结构。但低轨卫星网络由于受通信干扰、恶劣天气影响或(为降低成本)卫星数量少等原因，常常存在链路频繁中断、通信链路误码率高等问题，若采用tcp/ip网络架构其通信效率较低，通常该域的移动用户要采用如容断网络(dtn)这样的体系结构。因此，网关需要同时应对tcp/ip和dtn这两种不同的网络体系结构，并在两种协议栈之间进行协议转换，实现两个通信域之间的信息互联互通。
4.本发明的意义和重要性在于，提供一种支持低轨卫星网络域的移动主机与陆基互联网域主机有效通信的网关，来解决两个域主机之间文件与短报文的双向可靠传输问题。
5.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明专利的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.[发明目的]：本发明提供一种支持低轨卫星网络域的移动主机与陆基互联网域主机交互的网关，以支持这两个域之间主机进行文件和短报文的双向可靠传输。
[0007]
[技术方案]：本发明的技术方案是：
[0008]
1、一种连接异构域的网关，其特征在于，包括：
[0009]
(1)工作环境如图1所示，网关一侧与低轨卫星网络域相连，网关另一侧与陆基互联网域相连，低轨卫星网络域移动主机经网关能够与陆基互联网域主机进行双向通信；
[0010]
(2)能够支持这两个域之间主机分别进行文件和短报文的可靠传输。
[0011]
2、如1所述的网关，其特征在于，具有如图2所示两种不同的协议栈：
[0012]
(1)在低轨卫星网络域一侧则采用dtn协议架构，该域内的移动主机相互通信遵从dtn体系结构；
[0013]
(2)在陆基互联网域一侧采用传统的tcp/ip协议架构，该域内的主机相互通信遵从tcp/ip体系结构；
[0014]
(3)主机若要跨域与其他主机通信，则需要经网关的代理proxy进行协议转换。
[0015]
3、如2所述的代理proxy，其特征在于，所述协议转换：
[0016]
(1)网关转换协议(gtp)提供域内的源主机与网关之间的通信规范，以解决用户跨域通信主机之间协议转换时相关信息缺乏的问题，即源主机在跨越网关传输前先要与网关建立连接，网关获取构建tcp或dtn通信所需报文首部的信息，从而与目的主机进行连接；
[0017]
(2)图3定义了gtp报文的主要字段(单位是比特)，其中version和rsv为版本与保留字段；type字段用于存放独特的“gtp标识码”，以判断该协议是gtp；code字段与type字段配合用于定义协议属性；identification和sequence number两字段用于支持主机与网关之间的有序传输与确认；addr字段放置目的域目的地址，即可以是构建支持低轨卫星网络域通信的eid，以构建bundle的首部，也可以是构建支持互联网域通信的端口号和ip地址；file字段既可以用于存放与传输文件相关的信息，也可以放置短报文的消息内容。gtp报文的目的地址是网关一侧接口的地址，源地址是目的主机的地址。
[0018]
[有益效果]：本发明的意义在于，提供一种支持低轨卫星网络域的移动主机与陆基互联网域主机通信的网关，以支持这两个域的主机进行文件和短报文的并行、高效、双向地可靠传输。
[附图说明]：
[0019]
图1 互联低轨卫星网络域与陆基互联网域网关的工作环境；
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图2 网关的协议栈；
[0021]
图3 网关转换协议主要字段；
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图4 网关试验场景；
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图5 gtp产生的时延；
[0024]
图6 低轨卫星域内dtn性能；
[0025]
图7 传输不同长度文件时的网关性能。
[具体实施方式]：
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下面结合附图，对本发明专利的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明专利的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0027]
1、原型试验环境
[0028]
在如图4所示的原型试验环境中，除了低轨卫星与移动主机之间的无线信道是由基于网络功能虚拟化(nfv)技术的虚拟网络功能控制的虚拟化链路外，其他网关、路由器和主机等网络设备都是真实的网络设备；实现网关功能的计算机具有intcl core i7处理器，主频为3.2ghz，ram为16gb，操作系统版本ubuntu 20.04，linux内核版本5.4.0
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71
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generic。
[0029]
我们在linux容器(lxc)中安装和配置了dtn2软件(版本为dtn
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2.9.0)用于处理低轨卫星网络域通信过程，安装和配置了dhcp服务器以及open vswitch，并配置自行设计实现的协议转换程序proxy，从而形成网关。设置互联网域的所有链路带宽为1000mbps，端到端传输时延为90ms，而低轨卫星网络域中的低轨卫星链路带宽设为100mbps，传输时延为50ms，误码率设置为10
‑6。低轨卫星网络域中的气象条件、建筑物或树木等造成的遮蔽和环
境的干扰甚至可利用的卫星数量，对低轨卫星接收器通信质量会产生影响，我们采用多状态非平稳马尔可夫模型对这些干扰进行统计建模。通过区分“良好”状态(即没有干扰)、“适度”状态(即存在较少量的干扰)和“深度”状态(存在较多量的干扰)，模拟在低轨卫星网络域内的信道通信质量干扰程度。
[0030]
2、网关功能测试
[0031]
网关功能测试分两种情况进行：一种是低轨卫星网络域中主机发起通信，另一种是从陆基互联网域中主机发起通信。测试结果表明，网关在完成协议转换功能前提下，图5展示了gtp产生的时延。可以看出，在互联网域中，执行gtp的时延约为100ms；在低轨卫星网络域中，执行gtp的时延约为60ms；并且传输文件的长度不会对执行gtp的时延产生影响。此外，两个域的时延差距是由不同的设置引起的：对陆基互联网域的链路设置端到端时延为90ms，而对低轨卫星网络域所设置的链路时延为50ms。
[0032]
另外，在适度干扰状态下，我们设置1000个大小不等的短报文在图4中的主机b和主机e之间按不同的时间分布模式进行多次传输的试验。试验结果表明，1000个短报文能够全部传输成功，成功率为100％，且绝大部分短报文都在1～2s内传输完成，仅发现有少量短报文传输时延较大的情况，分析表明这是由于低轨卫星域中存在信道干扰导致的链路中断使短报文重传而引起的时延。
[0033]
3、网关性能测试
[0034]
根据3种干扰状态，我们将图4中的主机a和主机e之间分别设置为在a卫星数量充足和b数量较少两种情况下，对于采用tcp、dtn协议架构的吞吐量进行测试。其中，当a卫星数量充足时：若链路在良好状态下不会中断；在适度与深度状态下，设链路中断频率分别为60s和40s一次，每次中断时间满足正态分布，期望值为30s。当b卫星数量不足时：正常、低干扰与高干扰状态下需要设置链路中断频率分别为70s、50s和30s一次，每次中断时间满足正态分布，期望值为40s。其中，每组试验都重复10次，并取平均值作为试验结果。
[0035]
图6展示了低轨卫星网络域在a卫星数量充足和b数量较少两种情况下，采用tcp协议及dtn协议的吞吐量测试结果。可见，当链路通信状态良好时，采用tcp协议比采用dtn协议表现好，吞吐量几乎接近链路容量。然而，随着干扰加重导致的链路中断频率加剧，dtn协议表现出更好的性能，这是因为dtn协议本质上具有应对链路中断造成大量数据分组前功尽弃的能力。试验中，在信道条件良好时，采用tcp和dtn协议时的吞吐量分别为98.8mbps和67.6mbps；但在深度干扰时，采用tcp和dtn协议时的吞吐量分别为20.3mbps和31mbps。而在卫星数量不足时，在深度干扰时，采用tcp和dtn协议时的吞吐量更是分别变为17.7mbps和27.7mbps。显然，在存在链路中断的低轨卫星网络域中，低轨卫星通信采用dtn协议通常比采用tcp协议具有更优的性能，且网络性能在不同干扰下表现出较稳定的状态。
[0036]
图7给出了在适度干扰条件下，我们对图4中的主机a和主机b之间进行不同长度文件的传输，并测量经过网关传输时的吞吐量和时延的试验结果。可见，1)传输文件的方向不同对对网关传输时延几乎没有影响；2)传输较短的文件其吞吐量较低，而传输较长的文件其吞吐量较高，平均吞吐量此时可达为36mbps。
[0037]
综上所述，本发明专利提供的支持低轨卫星网络域移动主机与陆基互联网域主机通信的网关有益效果为：能够支持两个不同域间的主机进行文件和短报文并行、高效、可靠地传输。
[0038]
前述对本发明专利的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证。这些描述并非想将本发明专利限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实例进行选择和描述的目的在于解释本发明专利的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明专利的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明专利的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。