CN103813381B - 基于信息隐藏的卫星处理系统拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

基于信息隐藏的卫星处理系统拥塞控制方法将拥塞控制与信息隐藏技术结合起来，通过在业务数据中隐藏拥塞控制信息的方法将拥塞控制消息发送给地面终端。当星上交换机出现拥塞时，根据拥塞情况决定发送控制信息的类型，主要包括告警信息和丢弃通知消息。然后通过信息隐藏方法将拥塞控制信息融入到待发送的业务数据中，并按照相应的输出端口发送出去。地面终端收到含有拥塞控制信息的业务数据后，利用解隐藏方法提取出拥塞控制信息，根据控制信息的要求减缓发送速率或直接停止发送数据。本发明方法无需增加额外的物理资源，也无需丢弃缓存区中的数据，即可将星上状态信息通知给地面终端，既节省了链路资源，也保证了星载处理交换系统性能和正常运行。

Description

基于信息隐藏的卫星处理系统拥塞控制方法

技术领域

本发明属于卫星通信领域，涉及一种卫星处理系统拥塞信息的控制传输方法。

背景技术

星上交换是卫星通信的发展趋势之一。采用星上交换技术，可进行卫星的多波束交换，方便多个地面站之间的通信，从而构成天地一体化的无线通信网络。因此卫星交换技术将会大大促进我国卫星通信事业的发展。

分组交换包括ATM交换及IP交换等。以ATM交换为例，为了在卫星ATM交换中实现最佳资源利用，预留给每个用户的所有资源并不都是按照数据的峰值速率来分配的，而是按照连接允许控制(CAC，Connection Admission Control)的方法。当地面源端信元发出的速率超过预约速率时，在局部时间上就可能出现业务总负载超过系统所能承受的最大吞吐量、大量信元丢失及系统性能大幅度下降的现象，这种现象即为拥塞。这时星上交换机需要向地面源端发送控制信息来降低地面源端的信元发送速率。此时，仅靠增加交换机内部缓存区的大小只能延迟拥塞，并不能减缓、解决拥塞现象的发生，也不能使交换机在拥塞时实现自恢复。要保证系统的交换性能和正常运行，星上交换机必须将自身的拥塞情况反馈给地面终端。

在现有的拥塞控制技术中，当星上交换机出现拥塞时，要保证系统的交换性能和正常运行，星上交换机必须将自身的拥塞情况反馈给地面终端。由于在拥塞情况下，交换机负载已经达到了饱和，要发送拥塞控制消息，就必须增加物理资源或者丢弃缓存区中的信元，因此造成额外的硬件开销或者有效信元丢失的情况。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术中交换机出现拥塞时无法将星上状态信息通知给地面终端的问题，提供了一种基于信息隐藏的卫星处理系统拥塞控制方法，通过将拥塞控制消息融入业务数据中，利用信息隐藏的方法来传输拥塞消息，无需增加额外的物理资源，也无需丢弃缓存区中的数据，即可将星上的状态信息通知给地面终端，既节省了链路资源，也保证了星载处理交换系统的性能和正常运行。

本发明的技术解决方案是：基于信息隐藏的卫星处理系统拥塞控制方法，步骤如下：

(1)当星上交换机出现拥塞时，根据拥塞情况决定发送拥塞控制信息的类型；所述拥塞控制信息类型包括告警信息和丢弃通知消息；

(2)形成信息隐藏的控制信息，包括隐藏标识、隐藏信息类型及隐藏位置；所述的信息隐藏控制信息用于标识待隐藏的拥塞控制信息在业务数据信元中的隐藏位置，其中隐藏标识表明业务数据中是否含有隐藏的拥塞控制信息，隐藏信息类型表明隐藏的拥塞控制信息隐藏在信元头部或者信元的载荷部分，隐藏位置表明拥塞控制信息的具体隐藏位置；

(3)将信息隐藏的控制信息存储在业务数据信元头部的相应位置；

(4)将拥塞控制信息隐藏在业务数据信元的头部或者业务数据信元的载荷部分，方法为：将信元的M字节载荷的每一个字节二进制数均转换为十进制数，转换完成后搜索M个十进制数中出现频次最高的数字X-1，且要求数字X没有出现过；如果数字X-1出现的频次小于等于隐藏位置的位宽，则直接将拥塞控制信息作为隐藏位置信息存储于业务数据信元的头部；如果数字X-1出现的频次大于隐藏位置的位宽，则将数字X-1出现频次最多的位置作为隐藏位置，每一个隐藏位置存储一位拥塞控制信息，当拥塞控制信息中的二进制数为1时，将隐藏位置处对应的二进制字节变为与数字X对应的二进制字节，当拥塞控制信息中的二进制数为0时，保持隐藏位置处对应的二进制字节不变，依次将每一比特的拥塞控制信息按顺序隐藏在信元载荷的隐藏位置中；

(5)星上交换机将隐藏有拥塞控制信息的业务数据信元按照相应的输出端口发送给相应的地面终端；

(6)地面终端收到含有拥塞控制信息的业务数据信元后，利用信息隐藏的控制信息提取出拥塞控制信息，根据拥塞控制信息类型减缓信元发送速率或者直接停止发送数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)无需增加额外的物理资源就可将拥塞控制信息传送至地面终端。由于在拥塞情况下，交换机已经达到了饱和，要想将拥塞控制信息发送出去，必须增加物理资源或丢弃交换机缓存区中的信元。本发明方法利用信息隐藏的方法将拥塞控制信息融入到业务数据中就可将信息发送至地面终端，无需增加额外的物理资源；

(2)提高带宽利用率，节省了链路资源。本发明方法将信息隐藏技术引入到星上交换机中，增加了交换机各端口可传输的信息量，例如交换ATM信元时，传输一个53字节的ATM信元最大可多传输6字节的信息，既节省了链路资源，也保证了星载处理交换系统的性能和正常运行；

(3)隐藏效率高。以交换ATM信元为例，本发明提出的信息隐藏方法可以保证在每个ATM信元中至少隐藏8位信息，最多隐藏48位信息。在最差情况下，发送三个ATM信元就可将拥塞控制信息发送出去，信息隐藏效率高，可以将拥塞信息有效的隐藏发送至地面站。

附图说明

图1为卫星处理交换系统原理图；

图2为本发明方法中星上交换机向地面终端发出告警消息示意图；

图3为本发明方法中星上交换机向地面终端发送丢弃通知消息示意图；

图4为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

1、卫星处理交换系统

如图1所示，卫星处理交换系统由星上交换机、地面终端和地面网控中心组成。在该系统中，N个地面源端通过一台星上交换机向N个地面目的端发送数据，地面网控中心完成基本的卫星网络管理功能。

在该系统中，星上交换机负责将业务数据交换到相应的输出端口处。正常情况下，地面源端发送业务数据之前，先向星上交换机发送建立连接请求，星上交换机根据资源以及卫星上、下行链路情况决定是否同意建立连接，如果同意该连接请求，则为该连接预留带宽、连接参考值等资源，然后向地面源端发送同意建立连接消息。地面源端只有在收到星上交换机的同意建立连接消息后才能发送数据。

当地面源端发送的数据率超过预约资源，或者当业务突发强度过高时，就会出现在局部时间内星上交换机的总负载超过所能承受的最大吞吐量现象，这种情况下仅靠增加星上交换机的缓存区大小并不能解决拥塞问题，星上交换机需要向地面源端发送拥塞控制信息来降低地面源端的信元发送速率。

卫星处理交换系统中各部分的功能可以简单的归纳如下：

●星上交换机：负责交换业务数据，根据星上状态进行拥塞控制。

●地面终端：完成业务数据的发送和接收，每个地面终端都具有发送信元和接收信元的功能，可作为地面源端或者地面目的端。

●地面网控中心：完成基本的卫星网络管理功能(入网鉴权，星上设备状态监管，用户的入网注册登记)。

2、基于信息隐藏的星载处理交换拥塞控制方法

当星上交换机出现拥塞，需要向地面终端发送控制消息时，本发明方法将拥塞控制消息利用信息隐藏的方法融入业务数据中，交换机在交换业务数据的同时也将拥塞控制信息发送给了地面终端。

2.1拥塞控制信息类型

星上交换机根据拥塞程度来决定是否向地面源端发送告警消息或者直接丢弃整条连接的信元，因此星上交换机拥塞控制信息主要包括以下两类：

(1)告警信息

当星上交换机即将出现拥塞时，星上交换机根据缓存区中连接及信元的数量情况向相应地面源端发出反馈消息，过程如图2所示。

当缓存区到达设定的告警门限时，星上交换机向发送违约信元的地面源端(发送业务数据的速率超过预约速率的地面终端)和对星上交换机拥塞影响最严重的地面源端(发送的业务数据占据了交换机中较多缓存区的地面终端)发送告警消息，同时向地面网控中心报告该情况。对于预先需要建立连接的ATM交换来说，在建立连接时，星上交换机已经获取了该连接的业务参数(主要包括连接参考值、输入VPI/VCI、输出VPI/VCI)、业务类型(主要包括固定比特率CBR、实时可变比特率RT-VBR、非实时可变比特率NRT-VBR、可用比特率ABR、未定比特率UBR)和QoS(服务质量，包括信元丢失率、信元差错率、信用传输时延)要求。对于不需要提前建立连接的IP交换来说，IP报文头部里面也包含了数据帧的业务参数(主要包括源IP地址、目的IP地址)、业务类型(IP报文中封装的协议类型，主要有UDP、TCP、ICMP、RSVP等)和QoS(服务质量，主要包括低时延需求、高吞吐量需求、高可靠性需求)要求。因此告警信息包括了星上交换机缓存使用情况、该连接的业务参数、业务类型和QoS等信息。

地面源端收到控制消息后，根据目前星上交换机的缓存使用情况决定平滑数据流或者停止发送信元。如果该连接继续发送数据信元将造成星上交换机的严重拥塞，使缓存区达到设定的丢弃门限，那么地面源端就停止发送信元；如果通过平滑该连接业务数据率就能够避免星上交换机的拥塞，使缓存区低于设定的告警门限，那么地面源端平滑该连接的业务数据率，降低该业务的发送速率。该状态维持一段时间后，地面源端恢复正常发送状态。

(2)丢弃通知消息

如果星上交换机发送了告警信息后，拥塞现象还没有解决，当星上交换机的缓存区达到了设定的丢弃门限时，那么交换机就要选择按照优先级的高低丢弃优先级低的连接。在丢弃一条连接的同时，星上交换机要向该连接的地面源端和地面网控中心发送丢弃通知消息，过程如附图3所示。丢弃通知消息包括了该连接的业务参数、业务类型和QoS等消息。

2.2星上交换机拥塞控制信息格式

本发明中待隐藏的星上交换机拥塞控制信息的内容包括信息类型、缓存状态、业务参数、业务类型、QoS等信息，共24bits，如表1所示。

表1星上交换机拥塞控制信息格式

表1中：

●信息类型：指示该控制信息的类型。01表示告警消息，10表示丢弃通知消息；

●缓存状态：指示目前星上交换机缓存区的状态。如果发送的是告警信息，那么01表示减缓发送信元速率，10表示停止发送信元；如果发送的是丢弃通知消息，那么该状态为11；

●业务类型：指示该业务的类型。00：表示为单播数据包；01：表示为组播数据包；10：表示为广播数据包；11：保留；

●业务参数：指示该业务的连接参数；

●QoS：指示该业务的服务质量等级；

●预留：保留域。

3、信息隐藏与解隐藏方法

这里介绍具体的信息隐藏与解隐藏方法。

3.1星上信元格式

本发明在星上交换机进行拥塞控制时，将拥塞控制信息隐藏在待发送的业务数据中，其中信息隐藏控制消息位于ATM信元或IP报文的头部。本发明中用于信息隐藏的控制信息共有10位(这里的10位信息隐藏控制信息与表1是不同的消息，指的是在信元或报文头部中用于指示待隐藏信息，即表1所示信息位置的控制信息。表1中的24bits信息是用来指示拥塞情况的，是需要被隐藏的信息)。

由于ATM信元或IP报文的头部中均有一些区域作为保留，因此本发明利用这些区域来存储信息隐藏的控制信息，主要包括隐藏标识、隐藏信息类型及隐藏位置。在本发明中，这三种信息的具体位置需要限定。

●隐藏标识(1bit)：1表示该信元中有隐藏信息，0表示该信元中无隐藏信息；

●隐藏信息类型(1bit)：当标识位为1时，该位为1表示信息隐藏在信元头部，为0表示信息隐藏在信元的载荷部分；

●隐藏位置(8bits)：当标识位为1、类型位为1时，该8位数据本身就是隐藏信息；当标识位为1、类型位为0时，该8位数据指示的是隐藏信息在载荷中隐藏的位置。

这里以星上ATM交换及IP交换为例来介绍信息隐藏的控制信息在信元中的具体位置。

表2所示为星上ATM信元格式，该信元共53字节，包括5字节的头部和48字节载荷，其中头部包括10位信息隐藏的控制信息。除了10位信息隐藏的控制信息，ATM信元头部内其他的都是通信协议标准里的格式。

表2星上ATM信元格式

表3所示为星上IP报文格式。IP数据包是一个包含首部和数据的不定长报文，其中头部可以包括10位信息隐藏的控制信息。

表3星上IP报文格式

3.2信息隐藏方法

本发明提出的信息隐藏方法，主要是利用信元载荷中没有出现的数字来隐藏拥塞控制信息。假设ATM信元或IP报文的载荷有M字节(对于固定长度的ATM信元来说，M值为48；对于不定长的IP报文来说，每个报文的M值不等)，而每个字节(8bit)可表示为0～255之间的数字(或者说每一种8bit的二进制数均可以和一个0～255之间的十进制的数字对应)，因此每个信元的载荷包括M个0～255之间的数字，也就是说至少有(255-M)个0～255之间的数字不会出现在信元载荷中。

假设数字X(0～255之间)没有在信元载荷M字节中出现，而X-1在信元载荷M字节中出现，那么本发明可以选择该数字X作为载体隐藏待传输的信息。如果某个“X-1”的数字在M字节的载荷中出现的次数最多，也就意味着选择该数字X为载体进行隐藏的话可以隐藏更多的信息(因为数字在载荷中出现的次数最多，那么载体就最多)。因此本发明的隐藏方法在多个没有在载荷中出现的数字X中，挑选一个在载荷中“X-1”数字出现次数最多的X为载体来进行信息隐藏，并将该X数字作为信息隐藏位置存储在信元头部中。

数字X作为载体进行信息隐藏的具体原则为：

如果待隐藏的二进制数为“1”，那么载荷中X-1的字节变为X；如果待隐藏的二进制数为“0”，那么载荷中X-1的字节不变。每一比特的待隐藏信息都按照上述原则按顺序隐藏在信元载荷中(每一个载体隐藏1bit的拥塞控制信息)。

在极端情况下，如果所有字节中“X-1”出现的次数都小于8，也就是说选择任意的数字X作为载体，载荷中可隐藏的信息都小于8位，这时，可以将待隐藏的信息直接存储在信元头部8比特的隐藏位置域中。信息根据实际情况可隐藏在多个信元载荷中。

信息解隐藏方法与隐藏方法相反。收到信元后，首先判断该信元是否隐藏了数据，然后判断信息隐藏的位置。如果信息隐藏在头部，则直接从信元头部“隐藏位置”域提取8位隐藏信息；如果信息隐藏在载荷，则按照信元头部隐藏位置的指示在载荷中提取隐藏信息。

整个流程如图4所示。

实施例

这里以星上ATM交换机出现拥塞时，根据缓存情况需要发送告警消息为例说明具体的实施方法。

1.产生告警控制信息。

由于需要发送告警消息，因此信息类型为“01”。假设目前的缓存情况仅需要地面终端减缓发送速率就可以解决拥塞，那么该消息的缓存状态位为“01”。如果信元为单播，假设连接参考值为5，QoS等级为1，那么产生的二进制拥塞控制消息为：

“0101000000000010100100000”。

2.将产生的告警控制信息隐藏到业务数据中。

假设第一个要发送的ATM信元为(十六进制)：

0241800022，

000010103333444410105555666610107777101000001010333344441010555566661010777710100000101033334444。

在该信元载荷中，十进制数字17未在载荷中出现且十进制数字16(十六进制为10)在载荷中出现次数最多，共出现了18次，也就是说选择17为隐藏位的话，该信元中可隐藏18位数字。

根据本发明的信息隐藏方法，含有控制信息的ATM信元变为(十六进制)：

2241811089，

000010113333444410115555666610107777101000001010333344441010555566661010777711100000111033334444。

将剩下的控制消息内容按上述方法隐藏到后面的ATM信元中。

3.按输出地址将业务数据发送到相应的地面终端。

4.地面收到业务数据后，提取拥塞控制消息，并恢复出原有的ATM信元。

收到的ATM信元为(十六进制)：

2241811089，

000010113333444410115555666610107777101000001010333344441010555566661010777711100000111033334444。

根据解隐藏方法，从ATM信元头部中可知道该信元含有隐藏信息，该信息隐藏在载荷中且隐藏位为“17”(十六进制为“11”)，那么在该信元载荷中，出现十六进制“10”的地方，提取出隐藏信息“0”，恢复原信元数据“10”；出现十六进制“11”的地方，提取出隐藏信息“1”，恢复原信元为数据“10”。最终从该信元中提取到的隐藏信息为“010100000000001010”。

之后隐藏信息按同样的方法从后续信元中提取。

5.地面终端按照提取出告警控制信息的要求减缓发送速率。

至此，完成基于信息隐藏的卫星处理系统拥塞控制过程。

综上所述，本发明中的信息隐藏与解隐藏方法可以将N位控制信息隐藏在业务数据中。以交换ATM信元为例，该算法最少可保证在每个信元中存储8位的控制信息，也就是说最差情况下发送3个ATM信元就可将24位的拥塞控制信息传送到地面终端。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.基于信息隐藏的卫星处理系统拥塞控制方法，其特征在于步骤如下：

（1）当星上交换机出现拥塞时，根据拥塞情况决定发送拥塞控制信息的类型；所述拥塞控制信息类型包括告警信息和丢弃通知消息；

（2）形成信息隐藏的控制信息，包括隐藏标识、隐藏信息类型及隐藏位置；所述的信息隐藏控制信息用于标识待隐藏的拥塞控制信息在业务数据信元中的隐藏位置，其中隐藏标识表明业务数据中是否含有隐藏的拥塞控制信息，隐藏信息类型表明隐藏的拥塞控制信息隐藏在信元头部或者信元的载荷部分，隐藏位置表明拥塞控制信息的具体隐藏位置；

（3）将信息隐藏的控制信息存储在业务数据信元头部的相应位置；

（4）将拥塞控制信息隐藏在业务数据信元的头部或者业务数据信元的载荷部分，方法为：将信元的M字节载荷的每一个字节二进制数均转换为十进制数，转换完成后搜索M个十进制数中出现频次最高的数字X-1，且要求数字X没有出现过；如果数字X-1出现的频次小于等于隐藏位置的位宽，则直接将拥塞控制信息作为隐藏位置信息存储于业务数据信元的头部；如果数字X-1出现的频次大于隐藏位置的位宽，则将数字X-1出现频次最多的位置作为隐藏位置，每一个隐藏位置存储一位拥塞控制信息，当拥塞控制信息中的二进制数为1时，将隐藏位置处对应的二进制字节变为与数字X对应的二进制字节，当拥塞控制信息中的二进制数为0时，保持隐藏位置处对应的二进制字节不变，依次将每一比特的拥塞控制信息按顺序隐藏在信元载荷的隐藏位置中；

（5）星上交换机将隐藏有拥塞控制信息的业务数据信元按照相应的输出端口发送给相应的地面终端；

（6）地面终端收到含有拥塞控制信息的业务数据信元后，利用信息隐藏的控制信息提取出拥塞控制信息，根据拥塞控制信息类型减缓信元发送速率或者直接停止发送数据。