专利名称：空间信息网络的动态剥夺式业务传输方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，具体涉及一种空间信息网络的动态剥夺式业务传输方法。
背景技术：
空间信息网络是一种以在轨运行的卫星群为主体、结合临近空间各种飞行设备 (如无人飞机，飞艇等)、地空传输设备以及地面网络等组成的庞大信息平台，和传统网络 一样，带宽同样也是空间信息网络中特别重要的资源。随着空间卫星信息平台用户数目及 服务种类的日益增加，空间信息平台中的流量变得日益复杂，网络流量的非线性增长也给 空间信息平台造成空前压力；同时一些异常流量不仅极大的占用带宽资源，而且无时无刻 都在消耗着CPU、内存等空间信息平台终端的系统资源；加之还存在网络拓扑结构时刻变 化、链路切换频繁、延迟大等空间信息网络自身存在的缺陷。因此，除持续的提高带宽承载 能力以外，合理分配和回收带宽资源、提高带宽的管理和维护能力，已经成为空间信息平台 运行、维护、信息安全，保障服务端到端QoS非常关键的因素，这也成为了当前空间信息平 台研究的热门课题。 当前针对空间信息网络带宽分配的研究主要有两大方案一是借助于经济学领域 的知识解决带宽分配问题；二是基于需求的动态带宽分配策略。第一种方案中，带宽资源被 当作具有一定价格的商品，服务被当作拥有一定资产的消费者，消费者资产的多少则对应 决定其服务优先级的高低，消费者可以"直接购买"或从拍卖市场上"拍得" 一定数量的带 宽，通过上述处理带宽分配全过程就形成了一个具有买方、卖方的经济市场。在市场中，拥 有商品(即带宽)的代理以盈利最大化为最终目标，相反消费者(即服务)则以耗资最小 化为最终目标、使用最少的资本获得满足QoS要求的服务。这类处理方法在理论上有比较 成熟的经济学基础，但其实现细节复杂、计算量大，不利于在资源受限的空间信息网络中使 用。第二种方案是基于需求的动态带宽分配策略。由于在现实服务运行过程中，数据流并 非恒定不变的，比如一次视频会议过程中，正式开会时需要一定数量的带宽来保持画面、声 音的清晰、流畅，中间休息过程中则数据传输量大幅下降，此时最初预约的带宽资源很大部 分处于空闲状态，大大降低了带宽资源的利用率。IP网络中提供QoS保障的两种传统方法 是区分服务和综合服务。综合服务结合RSVP(资源预约技术)技术确保了基于流的端到端 QoS。这种RSVP技术是针对最坏情况进行的资源预约，但最坏状态下传输时间只占整个传 输时间的小部分，其他状态下传输都存在空闲资源，造成极大浪费，以及空间信息网络的动 态拓扑性，最终导致Intel/RSVP技术不能直接应用于空间信息网络。 基于需求的动态带宽分配策略的主要特点是不仅当新的服务到达时可以通过事 先约定分配不同数量的带宽，而且在服务传输过程中可以动态调整已分配的带宽，这类策 略比较适合当前无线的、具有动态拓扑结构的空间信息网络。目前基于需求的动态带宽分 配策略是通过在服务的QoS需求和网络当前负载能力之间寻求平衡点，以达到带宽资源利 用最大化。当前纯粹基于需求的动态带宽分配策略的研究有l)基于多条链路之间共享带 宽资源的机制。打破了以往在单一链路上调整带宽，提出了针对多条链路的动态调整带宽策略。该机制存在两种解决方法， 一种是将端到端的QoS要求平均划分到每段链路上，即假 设有n段链路，每段链路的QoS =总QoS/n，该方法比较简单，但效果不理想，不能有效反应 整条链路中各段之间的闲忙差异。另一种则是针对第一种方法的弱点，依据各段链路忙闲 状态，将QoS要求进行不均等分配，但需要保证总QoS > = E段QoS。该方法提高了网络运 行的效能，但计算复杂。2)统一QoS机制。该机制中所有服务都具有统一的QoS需求，平等 共享带宽资源，并通过渐减、渐增的过程最终趋于使用均等的带宽。当前，随着多媒体服务 的新兴和发展，空间信息网络中的服务种类日益繁多，有些服务对延迟敏感度不高，如邮件 服务等，但还有很大一部分服务对延迟敏感度很高，需要进行实时服务，如视频会议等。上 文描述的两种基于需求的动态带宽分配策略都没有考虑延迟敏感度方面的需求，与网络的 实际运行情况不相符。 总之，现有的针对空间信息平台中带宽分配策略的优化方法还不够成熟，面对空 间信息网络中因链路的频繁切换、恶意服务而导致的带宽资源耗尽、不能满足特殊类业务 QoS要求等问题仍不能及时处理，容易造成网络拥塞，最终可能导致整个网络瘫痪。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺点，提供一种可保证高敏感业务端到端的QoS、延迟 高敏感业务的传输延迟少，整体传送效率高、传输性能好、传输延迟少、传输可靠、掉包率低 的空间信息网络的动态剥夺式业务传输方法。 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种空间信息网络的动态剥 夺式传输方法，其实施步骤如下 1)根据业务传输服务的延迟敏感度将业务分类为延迟高敏感业务和延迟低敏感 业务，然后将带有延迟敏感信息的业务数据发送至网络中； 2)网络中的中心控制节点定期逐一更新网络中传输的业务的占用带宽和需求带
宽当业务占用带宽大于其需求带宽时，将多余带宽资源回收至空闲带宽池；当业务占用
带宽小于其需求带宽时，则从空闲带宽池中为该业务分配带宽，当空闲带宽池无法满足该
业务的带宽需求、且当前业务为延迟高敏感业务时，首先剥夺延迟低敏感业务的占用带宽
并回收至空闲带宽池，然后从空闲带宽池中为该延迟高敏感业务分配带宽。
作为本发明的进一步改进 所述剥夺延迟低敏感业务的占用带宽时，被剥夺业务在网络中的数据被暂存在网 络链路的断点中，当空闲带宽池充足时中心控制节点重新为被剥夺业务分配带宽，并通过 网络的路由策略对上述暂存的业务数据进行传送； 所述延迟高敏感业务包括保障服务式延迟高敏感业务，当所述保障服务式延迟高 敏感业务进入网络时，如果空闲带宽池无法满足其带宽需求，则中心控制节点拒绝接收该 保障服务式延迟高敏感业务； 所述剥夺延迟低敏感业务的占用带宽时，选择被剥夺业务的步骤如下 1)初步选择延迟低敏感业务集合从优点级最低的延迟低敏感业务中，按照占用
带宽从大到小的原则选出总占用带宽能够满足传输所述延迟高敏感业务的第一延迟低敏
感业务集合； 2)优化集合个数将步骤1)的第一延迟低敏感业务集合中的每一个业务按照从大到小的顺序与所有的延迟低敏感业务进行一一替换，得到多个第二延迟低敏感业务集 合，在多个第二延迟低敏感业务集合中保留带宽能够满足传输所述延迟高敏感业务、且业 务个数比第一延迟低敏感业务个数少的集合； 3)选定延迟低敏感业务集合在步骤2)保留的第二延迟低敏感业务集合中，选择 占有带宽总和与所述延迟高敏感业务的需求带宽正向差额最大的集合作为选定的被剥夺 业务。
本发明具有下述优点 本发明对业务数据根据延迟敏感度进行分类、并通过剥夺式抢占延迟低敏感业务 的带宽资源分配给延迟高敏感业务的方式，有针对性的解决延迟高敏感业务的带宽分配问 题，可以根据延迟敏感度对服务进行区分处理，延迟高敏感业务的传送效率高、传输延迟 少、传输性能高。被剥夺带宽资源的延迟低敏感业务被暂存在被剥夺带宽时的节点中，在带 宽缓解时进行发送，因此保证最终完成被剥夺带宽的延迟低敏感业务的传送，因此能够提 高整个网络的整体传送效率，具有整体传送效率高、传输性能高、掉包率低的优点。针对保 障服务式延迟高敏感业务，采用选择性进入策略，可以有效提高该类业务的传输可靠性和 可预测性。在选择被剥夺带宽的延迟低敏感业务的时候，通过选择尽量少、优先级尽量低的 业务，因此可以以最小的代价来增强高延迟敏感服务的传输性能，具有整体传送效率高、掉 包率低的优点。
图1为本发明实施例的方法实施步骤示意图；
图2为空间信息网络的拓扑结构示意图；
图3为本发明实施例的详细实施流程示意图；
图4为本发明实施例中选择BE类业务的流程示意图。
具体实施例方式
在图1所示，本发明实施例中的空间信息网络的动态剥夺式传输方法实施步骤如 下 1)根据业务传输服务的延迟敏感度将业务分类为延迟高敏感业务和延迟低敏感 业务，然后将带有延迟敏感信息的业务数据发送至网络中； 2)网络中的中心控制节点定期逐一更新网络中传输的业务的占用带宽和需求带
宽当业务占用带宽大于其需求带宽时，将多余带宽资源回收至空闲带宽池；当业务占用
带宽小于其需求带宽时，则从空闲带宽池中为该业务分配带宽，当空闲带宽池无法满足该
业务的带宽需求、且当前业务为延迟高敏感业务时，首先剥夺延迟低敏感业务的占用带宽
并回收至空闲带宽池，然后从空闲带宽池中为该延迟高敏感业务分配带宽。
在图2所示的一种空间信息网络中，包括空间站、中继卫星、卫星星群、移动交换
中心、卫星测控中心等节点，网络控制中心作为中心控制节点，通过空闲带宽池的形式对各
个节点上的空闲带宽进行统一的管理，网络控制中心使用路径状态记录所有通信链路上的
信息，并根据这些信息实时调整每条链路分配的带宽，每隔固定时间间隔扫描当前状态下
各个业务的通信情况，为网络中的每一个业务进行带宽回收和带宽分配操作。
5
现有用来传输业务的报文分组的分组头中一般只含有优先级信息，在本发明的报 文分组的分组头报文分组分组头除表示优先级的priority—域以外，还包含表示报文分组 的延迟敏感分类的class—域。class—域被预定义为RS、DS或BE，延迟低敏感业务以BE类 业务表示，延迟高敏感业务分为RS类业务和DS类业务，其中RS类业务代表保障服务式延 迟高敏感业务 延迟低敏感业务对延迟不敏感、对带宽没有特殊要求的服务等级，比如一些邮件 等业务，在tl时刻进行服务和tl+T(T > 0)时刻进行服务对整体服务的QoS没有太大的影 响，这成为整个动态剥夺式带宽分配算法得以实现的前提。
延迟高敏感业务中 RS代表对延迟较敏感、有最低QoS带宽需求的保障服务式延迟高敏感类业务，只 有满足最低QoS带宽才能进行服务，采用保障服务机制，当RS业务进入网络时，如果空闲带 宽池无法满足其带宽需求，则中心控制节点拒绝接收该保障服务式延迟高敏感业务；
DS代表对延迟非常敏感、QoS带宽需求高的服务等级，比如通过卫星网络远程控 制、指导一项心脏搭桥手术，或者对突然爆发局部战争的地区紧急进行信息收集，指令下达 等服务，这类业务虽然专业领域不同，但是在服务过程中，对QoS的要求都存在如下特点 一是要求实时性特别高，二是要求误码率特别低。本发明对这类业务采用剥夺BE类业务的 带宽资源保障该类业务的传输机制。 剥夺延迟低敏感业务的占用带宽时，选择被剥夺业务的步骤如下 1)初步选择延迟低敏感业务集合从优点级最低的延迟低敏感业务中，按照占用
带宽从大到小的原则选出总占用带宽能够满足传输延迟高敏感业务的第一延迟低敏感业
务集合； 2)优化集合个数将步骤1)的第一延迟低敏感业务集合中的每一个业务按照从 大到小的顺序与所有的延迟低敏感业务进行一一替换，得到多个第二延迟低敏感业务集 合，在多个第二延迟低敏感业务集合中保留带宽能够满足传输延迟高敏感业务、且业务个 数比第一延迟低敏感业务个数少的集合； 3)选定延迟低敏感业务集合在步骤2)保留的第二延迟低敏感业务集合中，选择
占有带宽总和与延迟高敏感业务的需求带宽正向差额最大的集合作为选定的被剥夺业务。 如图3所示，中心控制节点采用动态剥夺式带宽分配算法(DDBA)为传输业务分配
带宽资源，网络开始提供新服务时，中心控制节点尚未为其传输业务分配带宽，也即分配的
带宽为零，因此中心控制节点在下一轮更新网络中传输业务的占用带宽和需求带宽时，对
网络中的所有业务进行逐一处理一方面为新传输业务分配带宽，另一方面也为原有的传
输业务进行带宽回收和分配。 当新业务到达后，中心控制节点首先判断各报文分组的分组头中class—的值，根 据不同的类型进行不同处理 1、如果是BE类业务，则直接接收该业务。 2、如果是RS类业务，如果当前带宽池拥有足够带宽，则直接接收该业务；如果带 宽池没有足够的资源时，则拒绝该业务。 3、如果是DS类业务，如果当前空闲带宽池拥有足够带宽，则直接接收该业务；如 果带宽池没有足够的资源时，则从BE类业务中剥夺足够多的带宽资源回收至空闲带宽池，然后从空闲带宽池中为该待处理的DS类业务分配带宽。 如果同时多个新业务请求同时到达，首先判断各报文分组的分组头中class—的值，根据三类业务的优先级顺序等级处理，首先处理DS类，然后是RS类，最后处理BE类。在每类业务的处理过程中，根据优先级priority—的顺序进行处理首先选取优先级最高的业务进行后续处理，完成一个新业务请求判断后，则继续判断是否所有新业务请求都已处理结束，如果没有重复上述操作。 在通信过程阶段，中心控制节点在更新网络中传输业务的占用带宽和需求带宽时，对网络中的各个传输业务进行逐一处理当业务(包括BE、RS、DS类业务)的占用带宽大于需求带宽时将多余带宽资源回收至空闲带宽池，当业务(包括BE、RS、DS类业务)的占用带宽无法满足传输的带宽需求时，则从空闲带宽池中为所述业务分配带宽。当空闲带宽池无法满足当前业务的带宽需求、且当前业务为DS类业务时，则首先剥夺BE类业务的占用带宽并回收至空闲带宽池，然后从空闲带宽池中为当前DS类业务分配带宽。
选择被剥夺的BE类业务时的原则如下
I)优先选择BE类业务中优先级低；
II)优先选择占带宽资源多的业务； III)使被选中BE类的业务总占有带宽资源和该DS类的业务需求的带宽资源的正向差额最大。 此三条原则中，前两条原则是并列关系，同时执行，这样可以使得被剥夺的BE类业务的业务数量最少、优点级最低，从而可以保证高优先级、大多数的业务得到可靠的传输，以最小的性能代价来传输DS类业务。但最后一条和前两条是层次关系，先执行前两条原则，在此基础上再次执行第三条原则。 如图4所示，剥夺延迟低敏感业务的占用带宽时，选择被剥夺业务的步骤如下
1)初步选择延迟低敏感业务集合对所有延迟低敏感业务中的priority—域进行筛选，选出中优先级最低的BE类业务。然后按照占用带宽从大到小的原则选出总占用带宽能够满足传输DS类业务的第一 BE类业务集合。此处的满足传输DS类业务，是指将BE类业务集合的所有占用带宽回收至空闲带宽池后，空闲带宽池的带宽能够满足当前DS类业务的带宽需求。 2)优化集合个数将步骤1)的第一 BE类业务集合中的每一个业务按照从大到小的顺序与所有的BE类业务进行一一替换，得到多个第二 BE类业务集合，在多个第二 BE类业务集合中保留带宽能够满足DS类业务、且业务个数比第一 BE类业务个数少的集合；
3)在步骤2)保留的第二BE类业务集合中，选择占有带宽总和与DS类业务的需求带宽正向差额最大的集合作为选定的被剥夺业务。 如果在步骤1)中所有BE类业务的占用带宽总和也不足以传输DS类业务时，则直接将所有BE类服务作为选定的被剥夺业务。在选定被剥夺业务后，中心控制节点首先对集合中的BE类业务的带宽资源进行回收，如果回收带宽资源后，空闲带宽池仍然无法传输该DS类业务，则等到到下一个更新周期的时候再对该DS类业务进行处理，否则就为该DS类业务分配其所需的带宽资源。 剥夺BE类业务的占用带宽时，被剥夺业务在网络中的数据被暂存在网络链路的断点中，当空闲带宽池充足时中心控制节点重新为被剥夺的BE类业务分配带宽，并通过网
7络的路由策略对上述暂存的数据进行传送c
权利要求
一种空间信息网络的动态剥夺式业务传输方法，其特征在于其实施步骤如下1)根据业务传输服务的延迟敏感度将业务分类为延迟高敏感业务和延迟低敏感业务，然后将带有延迟敏感信息的业务数据发送至网络中；2)网络中的中心控制节点定期逐一更新网络中传输的业务的占用带宽和需求带宽当业务占用带宽大于其需求带宽时，将多余带宽资源回收至空闲带宽池；当业务占用带宽小于其需求带宽时，则从空闲带宽池中为该业务分配带宽，当空闲带宽池无法满足该业务的带宽需求、且当前业务为延迟高敏感业务时，首先剥夺延迟低敏感业务的占用带宽并回收至空闲带宽池，然后从空闲带宽池中为该延迟高敏感业务分配带宽。
2. 根据权利要求1所述的空间信息网络的动态剥夺式传输方法，其特征在于所述剥 夺延迟低敏感业务的占用带宽时，被剥夺业务在网络中的数据被暂存在网络链路的断点 中，当空闲带宽池充足时中心控制节点重新为被剥夺业务分配带宽，并通过网络的路由策 略对上述暂存的业务数据进行传送。
3. 根据权利要求1或2所述的空间信息网络的动态剥夺式传输方法，其特征在于所 述延迟高敏感业务包括保障服务式延迟高敏感业务，当所述保障服务式延迟高敏感业务进 入网络时，如果空闲带宽池无法满足其带宽需求，则中心控制节点拒绝接收该保障服务式 延迟高敏感业务。
4. 根据权利要求1或2所述的空间信息网络的动态剥夺式传输方法，其特征在于所 述剥夺延迟低敏感业务的占用带宽时，选择被剥夺业务的步骤如下1) 初步选择延迟低敏感业务集合从优点级最低的延迟低敏感业务中，按照占用带宽 从大到小的原则选出总占用带宽能够满足传输所述延迟高敏感业务的第一延迟低敏感业 务集合；2) 优化集合个数将步骤l)的第一延迟低敏感业务集合中的每一个业务按照从大到 小的顺序与所有的延迟低敏感业务进行一一替换，得到多个第二延迟低敏感业务集合，在 多个第二延迟低敏感业务集合中保留带宽能够满足传输所述延迟高敏感业务、且业务个数 比第一延迟低敏感业务个数少的集合；3) 选定延迟低敏感业务集合在步骤2)保留的第二延迟低敏感业务集合中，选择占有 带宽总和与所述延迟高敏感业务的需求带宽正向差额最大的集合作为选定的被剥夺业务。
5. 根据权利要求3所述的空间信息网络的动态剥夺式传输方法，其特征在于所述剥 夺延迟低敏感业务的占用带宽时，选择被剥夺业务的步骤如下1) 初步选择延迟低敏感业务集合从优点级最低的延迟低敏感业务中，按照占用带宽 从大到小的原则选出总占用带宽能够满足传输所述延迟高敏感业务的第一延迟低敏感业 务集合；2) 优化集合个数将步骤1)的第一延迟低敏感业务集合中的每一个业务按照从大到 小的顺序与所有的延迟低敏感业务进行一一替换，得到多个第二延迟低敏感业务集合，在 多个第二延迟低敏感业务集合中保留带宽能够满足传输所述延迟高敏感业务、且业务个数 比第一延迟低敏感业务个数少的集合；3) 选定延迟低敏感业务集合在步骤2)保留的第二延迟低敏感业务集合中，选择占有 带宽总和与所述延迟高敏感业务的需求带宽正向差额最大的集合作为选定的被剥夺业务。
全文摘要
本发明公开了一种空间信息网络的动态剥夺式业务传输方法，步骤为对传输的业务根据其传输服务的延迟敏感度分类为延迟高敏感业务和延迟低敏感业务，网络中的中心控制节点定期更新网络中传输业务的占用带宽和需求带宽，当传输业务的占用带宽大于需求带宽时将多余带宽资源回收至空闲带宽池，当传输业务的占用带宽无法满足延迟高敏感业务的带宽需求时，从空闲带宽池中为所述业务分配带宽，当空闲带宽池无法满足延迟高敏感业务的带宽需求时，通过剥夺延迟低敏感业务的带宽来优先传输延迟高敏感业务。本发明可保证高敏感业务端到端的QoS、延迟高敏感业务的传输延迟少，具有整体传送效率高、传输性能好、传输延迟少、传输可靠、掉包率低的优点。
文档编号H04L12/56GK101741733SQ200910227059
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月30日 优先权日2009年11月30日
发明者吴纯青, 吴鹏, 时向泉, 虞万荣, 赵峰, 陶静 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学