CN101005460A - 实现航空电信网与ip网互通的装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现航空电信网与IP网互通的装置，包括：封装模块，用于接收航空电信网的数据包，给数据包加上数据包头；置位模块，用于接收IP网的拥塞信息，并将拥塞信息置入数据包头中；解封装模块，用于接收置位模块发送的数据包，去掉数据包头并将数据包头中的拥塞信息保留到数据包中。本发明还提供了一种实现ATN与IP网互通的系统及方法。本发明通过对ATN与IP网间传送的数据包进行封装和解封装，并且在解封装后将表明IP网拥塞情况的信息仍然保留在数据包中，从而在无需改造协议及改动接收端系统的情况下，解决ATN与IP网互通的不匹配问题。

Description

实现航空电信网与IP网互通的装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及一种实现网络互通的装置、系统及方法，尤其是一种实现航空电信网与IP网互通的装置、系统及方法，属通信技术领域。

背景技术

随着近年来世界范围内民航业务的迅猛增长，及跨洋飞行的日益频繁，原有的航空通信体系结构已经不能满足目前民航通信发展的需要。国际民航组织(International Civil Aviation Organization，简称ICAO)为此提出建立一个全球化无缝隙的互联网络--航空电信网(AeronauticalTelecommunications Network，简称ATN)，它将满足空管和各类航空企业的通信需求，成为未来新航行系统(CNS/ATM)的数据通信基本设施，可以说ATN是国际航空界的Internet。

ICAO规定，各个ICAO成员国有权利在其内部使用现有网络作为ATN地/地子网。由于基于IP的地面网络有很高的市场占有率，并且能够很大程度上满足ATN的需求，目前各国正在策划将IP网络作为ATN的地面子网。

ATN依据国际标准化组织(ISO)的七层开放式系统互联参考模型(OpenSystem Interface，简称OSI)组建网络，其传输层采用ISO面向连接传输协议(Connection-Oriented Transport Protocol，简称COTP)和无连接传输协议(Connection-Less Transport Protocol，简称CLTP)，网络层采用ISO无连接网络协议(Connection-Less Network Protocol，简称CLNP)，这与IP网络中所普遍采用的TCP/IP协议不同。ATN工作组(ATN Panel，简称ATNP)已经制定出将IP网作为ATN子网的隧道方案，即ATN over IP方案。

IP网络的传输层拥塞控制主要由传输层协议TCP来完成，它分为慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复四个阶段。传统TCP中的拥塞控制机制是将网络作为一个黑匣子，端系统根据慢启动机制通过不断给网络增加负载，直到网络发生拥塞而致使有一个包丢失，端系统将此丢失作为网络发生拥塞的隐含指示，执行窗口减半等相关拥塞控制措施。整个拥塞控制的过程中不需要中间路由器的参与。

ATN中所采用COTP/CLNP拥塞控制机制是由路由器的网络层和接收端的传输层协同实现的明确流量控制机制。其拥塞控制行为是由接收端根据收到的数据包中所指示的拥塞状况来调整传输层连接的窗口大小。这种拥塞控制方式无需像传统TCP中基于发送端传输层实体的慢启动算法那样不断探测网络而导致丢包，同时，当移动系统(如飞机)改变其接入点而引起的丢包也不会被误认为拥塞。

综上，COTP/CLNP是基于接收端的拥塞控制而TCP/IP是基于发送端的拥塞控制，两种拥塞控制机制的本质不同导致当IP网被用作ATN子网时，COTP拥塞控制机制会失效。由于COTP不会像TCP那样不断去探知网络拥塞情况，而是通过中间路由器的网络层来明确通告其自身拥塞情况；同时IP路由器不会向端系统的传输层通告其自身拥塞情况，因此，将IP网作为ATN子网时，由于COTP无法获知IP网中的拥塞情况而使ATN的拥塞控制策略失去意义。

为了解决这一问题，目前有一些方案：

(1)将实现IP封装的子网会聚层(Sub-Network Dependent ConvergenceFunction，简称SNDCF)建立在TCP之上，直接使用TCP来管理IP网中的拥塞，该方案缺点：比较简单但是TCP与COTP共存会带来很大的额外协议开销；

(2)在COTP中加入类似TCP的慢启动/拥塞避免机制，这样没有额外协议开销，但是缺点是：存在因拥塞而丢包的问题，同时ATN的端系统也必须改造；依靠网络的服务质量(Quality of Service，简称QoS)保证，这种方案一旦真正发生拥塞没有办法解决。

发明内容

本发明的目的是解决ATN与IP网互通时的拥塞控制机制的协议不匹配问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种实现ATN与IP网互通的装置，包括：

封装模块，用于接收航空电信网的数据包，给数据包加上数据包头；

置位模块，用于接收IP网的拥塞信息，并将拥塞信息置入数据包头中；

解封装模块，用于接收置位模块发送的数据包，去掉数据包头并将数据包头中的拥塞信息保留到数据包中。

所述封装模块设置在第一网关内，所述第一网关用于封装从航空电信网发送到IP网的数据包，所述解封装模块设置在第二网关内，所述第二网关用于解封装从IP网发送到航空电信网的数据包。

基于上述装置，本发明还提供了一种实现航空电信网与IP网互通的系统，包括：航空电信网、IP网、网关以及设置有置位模块的路由器，所述网关连接所述航空电信网和所述IP网，用于封装从航空电信网发送到IP网的数据包并解封装从IP网发送到航空电信网的数据包，所述路由器设置于IP网内，用于将拥塞信息置入数据包头中。

所述网关包括第一网关和第二网关，所述第一网关设置有所述封装模块，用于封装从航空电信网发送到IP网的数据包，所述第二网关设置有所述解封装模块，用于解封装从IP网发送到航空电信网的数据包。

基于上述装置和系统，本发明还提供了一种实现ATN与IP网互通的方法，包括：

给数据包加上数据包头；

根据网络拥塞情况，将拥塞信息置入数据包头中；

去掉数据包头，并将数据包头中的拥塞信息保留到数据包中。

因此，本发明通过对ATN与IP网间传送的数据包进行封装和解封装，并且在解封装后将表明IP网拥塞情况的信息仍然保留在数据包中，实现基于接收端的拥塞控制，从而在无需改造协议及改动接收端系统的情况下，解决ATN与IP网互通的不匹配问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的装置的优选实施例一的示意图。

图2为本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的装置的优选实施例二的示意图。

图3为本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的系统的优选实施例二的流程图。

图4为本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的方法的优选实施例一的流程图。

图5为基于本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的方法的优选实施例三的ECNT拥塞控制模型的示意图。

图6为本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的方法的优选实施例五的仿真场景示意图。

图7为使用本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的方法的优选实施例五前后路由器缓冲区队列长度比较。

图8为使用本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的方法的优选实施例五前后传输时间比较。

图9为使用本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的方法的优选实施例五前后公平性比较。

具体实施方式

在本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的装置的优选实施例一中，参见图1，包括：封装模块，用于接收航空电信网的数据包，给数据包加上数据包头；置位模块，用于接收IP网的拥塞信息，并将拥塞信息置入数据包头中；解封装模块，用于接收置位模块发送的数据包，去掉数据包头并将数据包头中的拥塞信息保留到数据包中。

由上可知，本优选实施例通过对ATN与IP网间传送的数据包进行封装和解封装，并且在解封装后将表明IP网拥塞情况的信息仍然保留在数据包中，在IP网作为ATN子网的情况下仍然能实现基于接收端的拥塞控制，从而在无需改造协议及改动接收端系统的情况下，解决ATN与IP网互通的不匹配问题。

在本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的装置的优选实施例二中，参见图2，与优选实施例一的不同在于，具体地，所述封装模块和所述解封装模块设置在同一网关内，所述同一网关用于封装从航空电信网发送到IP网的数据包并解封装从IP网发送到航空电信网的数据包。

在本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的装置的优选实施例三中，与优选实施例一的不同在于，具体地，所述封装模块设置在第一网关(通常称为入口网关)内，所述第一网关用于封装从航空电信网发送到IP网的数据包，所述解封装模块设置在第二网关(通常称为出口网关)内，所述第二网关用于解封装从IP网发送到航空电信网的数据包。

在本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的系统的优选实施例一中，包括：航空电信网、IP网、网关以及设置有置位模块的路由器，所述网关连接所述航空电信网和所述IP网，用于封装从航空电信网发送到IP网的数据包并解封装从IP网发送到航空电信网的数据包，所述路由器设置于IP网内，用于将拥塞信息置入数据包头中。具体地，所述网关设置有所述封装模块和所述解封装模块。

由上可知，本优选实施例通过对ATN与IP网间传送的数据包进行封装和解封装，并且在解封装后将表明IP网拥塞情况的信息仍然保留在数据包中，在IP网作为ATN子网的情况下仍然能实现基于接收端的拥塞控制，从而在无需改造协议及改动接收端系统的情况下，解决ATN与IP网互通的不匹配问题。

在本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的系统的优选实施例二中，参见图3，与优选实施例一的不同在于，所述网关包括第一网关和第二网关，所述第一网关(通常称为入口网关)设置有所述封装模块，用于封装从航空电信网发送到IP网的数据包，所述第二网关(通常称为出口网关)设置有所述解封装模块，用于解封装从IP网发送到航空电信网的数据包。

在本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的方法的优选实施例一中，参见图4，包括：

封装数据包，即给数据包加上数据包头；

根据网络拥塞情况，将拥塞信息置入数据包头中；

解封装数据包，即去掉数据包头，并将数据包头中的拥塞信息保留到数据包中。

在实际应用中，实现将拥塞信息置入数据包头或数据包中有多种实现方式，如数据包头或数据包中某些字段定义为拥塞信息字段，通过给这些字段赋不同的值来表明网络中的拥塞情况，本领域的技术人员能够基于上述方案和现有技术实现所述拥塞信息的置入。

由上可知，本优选实施例通过对ATN与IP网间传送的数据包进行封装和解封装，并且在解封装后将表明IP网拥塞情况的信息仍然保留在数据包中，在IP网作为ATN子网的情况下仍然能实现基于接收端的拥塞控制，从而在无需改造协议及改动接收端系统的情况下，解决ATN与IP网互通的不匹配问题。

在本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的方法的优选实施例二中，与优选实施例一的不同在于，所述给数据包加上数据包头具体为给数据包加上IP数据包头，并且所述将拥塞信息置入数据包头中具体为网络拥塞时将IP数据包头中明确拥塞通告(Explicit Congestion Notification，简称ECN)字段置位。其中，IP数据包头是一种符合IP网协议的数据包头，ECN字段是IP数据包头中通常用来表示网络拥塞情况的字段。

在实际应用中，也可以采用其他形式的数据包头和对应的字段来实现拥塞信息的置入。

在本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的方法的优选实施例三中，与优选实施例二的不同在于，所述将数据包头中拥塞信息保留到数据包中具体为，IP数据包头中ECN字段被置位时将相应数据包的拥塞指示(CongestionExperienced，简称CE)字段置位。其中，CE字段是在ATN中通常被用来表征拥塞的字段，当然在实际应用中，也可以采用其他字段来表征拥塞。

参见图5，基于本优选实施例的隧道中明确拥塞通告(ExplicitCongestion Notification in Tunnel，简称ECNT)拥塞控制模型，ATN网源端ES1和ATN网目的端ES2，均和ATN网络相连，对这个控制模型而言，数据传输从ATN网源端ES1开始，到ATN网目的端ES2结束；ATN路由器IS1和IS2，控制ATN网络中的数据传输；IP网路由器R，控制IP子网中的数据传输；IP子网入口G1和IP网出口G2，数据包从ATN源端系统通过入口G1进入IP子网，从IP子网最终通过IP网出口G2进入ATN网络目的端系统。

在本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的方法的优选实施例四中，与优选实施例三的不同在于，所述IP数据包头中ECN字段被置位时将相应数据包的CE字段置位具体为：

在IP子网中，随机早期检测(Random Early Detection，简称RED)算法被广泛使用于IP网的主动队列管理，加入ECN后的RED可以实现明确流量控制。在RED算法中，数据包ECN被置位这一事件Z发生的概率与路由器中平均队列长度avgL相关，具体关系见式(1)：

$P\left(Z\right|\mathrm{avgL}=i)=\left\{\begin{array}{cc}0& i\∈[0,{\min }_{\mathrm{th}})\\ \frac{{\max }_p(i-{\min }_{\mathrm{th}})}{{\max }_{\mathrm{th}}-{\min }_{\mathrm{th}}}& i\∈[{\min }_{\mathrm{th}},{\max }_{\mathrm{th}})\\ 1& i\∈[{\max }_{\mathrm{th}},\∞)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，max_p为到达最大门限时的置位概率，min_th和max_th分别为RED算法中平均队列长度的最小和最大门限，max_p、min_th和max_th值都可以通过其他方法测出；另外，由于在IP子网出口处网关不容易得到IP子网路由器中自上次置位后到达的包数，且在RED算法中数据包置位概率与最终数据包置位概率一般差别不大，这里我们使用数据包置位概率代替最终数据包置位概率；

根据贝叶斯公式，可以得到在置位条件下平均队列长度为各值时的概率，见式(2)：

$P(\mathrm{avgL}=i|Z)=\frac{P\left(Z\right|\mathrm{avgL}=i)\·P(\mathrm{avgL}=i)}{\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{P\left(Z\right|\mathrm{avgL}=i)\·P(\mathrm{avgL}=i)\}}---\left(2\right);$

平均队列长度是对路由器缓冲区中实际队列长度的低通滤波，可以近似认为平均队列长度与实际队列长度相等，得到式(3)：

P(avgL＝i|Z)≈P(L＝i|Z)    (3)

这样，根据式(2)即可计算出IP路由器实际队列长度估计值Length；

然后，将第一个ECN被置位的数据包及其后续(Length-1)个数据包的CE字段置位。

在本发明所提供的一种实现ATN与IP网互通的方法的优选实施例五中，与优选实施例四的不同在于，考虑到式(3)中使用数据包置位概率代替最终数据包置位概率，以及在IP子网出口网关处置位ECN所映射的后续若干个CE位可能处于COTP窗口更新周期中的等待阶段而非采样阶段等因素，使用矫正系数α对实际队列长度估计值Length进行矫正，将第一个ECN字段被置位的数据包及其后续CountCE个数据包的CE字段置位，其中CountCE＝α·Length-1，α为矫正系数，可以根据经验值给出。

下面将从IP路由器的队列长度、数据包传输延迟及通过IP子网的业务公平性方面给出本优选实施例五的仿真及性能分析。

仿真场景如图6所示，设IP网入口G1到IP网路由器R的链路传输速率为12数据包/秒，其它链路传输速率为6数据包/秒。若每个数据包40字节，那么IP网入口G1到IP网路由器R的信道容量相当于4M/s，其它链路信道容量为2M/s。场景中各条链路的延迟如图6所示，假设各路由器中的缓冲区足够大。COTP中的减小传送窗口的阈值λ取0.5，每次减小传送窗口的比例β取0.8。RED算法中min_th取3个数据包，max_th取9个数据包，max_p取0.05。假定路由器中队列长度以泊松概率分布，泊松概率分布中参数值λ设为2，选定修正系数α为1.3。在仿真中发送端S1、S2、S3、S4分别向接收端D1、D2、D3、D4发送500个数据包，若每个数据包40字节，则相当于传送20K的数据。

参照图5，当数据包到达ATN路由器IS1时，CLNP头部的CE位被用于表征拥塞，如果此时ATN路由器IS1中队列长度超过1，该数据包CE位被置位，否则仍为初始设置0；

数据包到达IP网入口G1时，IP网入口G1将数据包封装上IP头，IP头中的ECN功能字段也随之引入，并被初始化为0；

数据包以IP包的形式在IP子网内传输，在IP子网中，IP网路由器R根据RED/ECN算法，在其接近拥塞时将数据包IP头中的ECN功能字段置位(无论作为该IP包数据部分的CLNP头部CE位是否已经置位)；

IP包到达IP网出口G2时，IP网出口G2将其解封装为CLNP包，并将ECN被置位的数据包个数按照发明人提出的映射算法映射为若干个CE位，将后续相应数量数据包的CE位置为1；

此后的ATN路由器IS2及接收端行为与单一ATN网络相同。

下面将给出使用本优选实施例前后结果对比分析。

(1)缓冲区队列长度

图7显示了IP网路由器中缓冲区队列长度随着时间的变化情况。从图中可见，在不使用本优选实施例所提供的方法时，IP网路由器中的缓冲队列将会变得很长，那么在实际应用中很容易产生拥塞以至丢包。使用本优选实施例所提供的方法后，IP网路由器中的缓冲队列长度大大减少，在实际使用中所需的缓冲区不会很大同时也不会发生拥塞。

(2)传输时间

在图6的场景中，分别从各ATN源端发送不同大小的数据包，所需要的传输时间也会不同。图8显示了当数据包大小不同时，使用本优选实施例所提供的方法以及不使用本优选实施例所提供的方法，接收端所需要的传输时间。

由图8可见，即使在缓冲区无限大的情况下，使用本优选实施例所提供的方法比不使用本优选实施例所提供的方法时所需要的传输时间稍大一点，但差别不大。但当实际中缓冲区长度有限时，未使用本优选实施例所提供的方法的IP子网由于其队列长度很大会发生丢包重传，传输时间也会急剧变大。

(3)公平性

在四个发送端到四个接收端间的四个连接中，设接收端D_n的接收到其相应发送端传来数据的速率r_n，其中最大值r_max，最小值r_min，最小值与最大值的比率q＝r_min/r_max。显然，比率q值越接近于1时，表示各连接的数据传送速率越接近，公平性越好。图9显示了比率q随时间变化而变化的情况。可以看到使用本优选实施例所提供的方法前后比率q值在各个时间段基本相同，使用本优选实施例所提供的方法后比率q值总体上更接近于1。所以使用本优选实施例所提供的方法不会降低各个连接之间的公平性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1、一种实现航空电信网与IP网互通的装置，其特征在于，包括：

封装模块，用于接收航空电信网的数据包，给数据包加上数据包头；

置位模块，用于接收IP网的拥塞信息，并将拥塞信息置入数据包头中；

解封装模块，用于接收置位模块发送的数据包，去掉数据包头并将数据包头中的拥塞信息保留到数据包中。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述封装模块设置在第一网关内，所述第一网关用于封装从航空电信网发送到IP网的数据包，所述解封装模块设置在第二网关内，所述第二网关用于解封装从IP网发送到航空电信网的数据包。

3、一种基于权利要求1-2任一所述装置的实现航空电信网与IP网互通的系统，其特征在于，包括：航空电信网、IP网、网关以及设置有置位模块的路由器，所述网关连接所述航空电信网和所述IP网，用于封装从航空电信网发送到IP网的数据包并解封装从IP网发送到航空电信网的数据包，所述路由器设置于IP网内，用于将拥塞信息置入数据包头中。

4、根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述网关包括第一网关和第二网关，所述第一网关设置有所述封装模块，用于封装从航空电信网发送到IP网的数据包，所述第二网关设置有所述解封装模块，用于解封装从IP网发送到航空电信网的数据包。

5、一种实现航空电信网与IP网互通的方法，其特征在于，包括：

给数据包加上数据包头；

根据网络拥塞情况，将拥塞信息置入数据包头中；

去掉数据包头，并将数据包头中的拥塞信息保留到数据包中。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述给数据包加上数据包头具体包括给数据包加上符合IP网协议的IP数据包头，所述将拥塞信息置入数据包头中具体包括网络拥塞时将IP数据包头中明确拥塞通告字段置位。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将数据包头中的拥塞信息保留到数据包中具体包括，IP数据包头中明确拥塞通告字段被置位时将相应数据包的拥塞指示字段置位。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述IP数据包头中明确拥塞通告字段被置位时将相应数据包的拥塞指示字段置位具体包括：

根据公式(1)计算明确拥塞通告字段被置位这一事件发生的概率，

$P\left(Z\right|\mathrm{avgL}=i)=$

$\left\{\begin{array}{cc}0& i\∈[0,{\min }_{\mathrm{th}})\\ \frac{{\max }_p(i-{\min }_{\mathrm{th}})}{{\max }_{\mathrm{th}}-{\min }_{\mathrm{th}}}& i\∈[{\min }_{\mathrm{th}},{\max }_{\mathrm{th}})\\ 1& i\∈[{\max }_{\mathrm{th}},\∞)\end{array}\right.---\left(1\right),$ 其中Z为置位事件，avgL为平均队列长度，即明确拥塞通告字段被置位的数据包个数，max_p为到达最大门限值时的置位概率，min_th和max_th分别为平均队列长度的最小和最大门限值；

根据公式(2)计算在明确拥塞通告字段被置位条件下平均队列长度为各值时的概率，

$P(\mathrm{avgL}=i|Z)=$

$\frac{P\left(Z\right|\mathrm{avgL}=i)\·P(\mathrm{avgL}=i)}{\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{P\left(Z\right|\mathrm{avgL}=i)\·P(\mathrm{avgL}=i)\}}---\left(2\right);$

根据公式(3)近似认为平均队列长度与实际队列长度相等，P(avgL＝i|Z)≈P(L＝i|Z)(3)；

根据公式(4)计算出实际队列长度估计值Length，

$\mathrm{Length}=\underset{l=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{l\·P(L=l|Z)\}---\left(4\right);$

根据Length值将相应个数数据包的拥塞指示字段置位。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据Length值将相应个数数据包的拥塞指示字段置位具体包括，将第一个明确拥塞通告字段被置位的数据包及其后续(Length-1)个数据包的拥塞指示字段置位。

10、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据Length值将相应个数数据包的拥塞指示字段置位具体包括，将第一个明确拥塞通告字段被置位的数据包及其后续CountCE个数据包的拥塞指示字段置位，CountCE＝α·Length-1，其中α为矫正系数。

Images