CN111884930B - 应用于天地一体化网络的网络层报文处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于天地一体化网络的网络层报文处理方法及装置，所述方法包括：网络层接收上层的数据包并根据控制信息确定网络层报头的关键字段值；其中所述网络层报文采用16位地址空间，所述报文格式包括以下字段：版本号、跳数限制、载荷长度、下一个头部、源地址、目的地址、用户等级和服务类型；根据业务需求对所述数据包添加相关的扩展报头；路由模块通过用户等级和服务需求决定所述数据包的发送路径；根据优先级将所述数据包插入转发队列等待发送；网络层接收下层的数据包；根据网络层报头所指示的优先级决定处理顺序；根据网络层所承载的报文对所述数据包进行处理或递交上层。

Description

应用于天地一体化网络的网络层报文处理方法及装置

技术领域

本发明涉及网络与通信技术领域，具体涉及一种基于卫星网络的网络层数据收发方法及装置。

背景技术

基于卫星的天地一体化网络定位提供全球连接服务，具有网络规模庞大、结构复杂、业务繁多、鲁棒性要求高、时空跨度大等突出特点，难以用地面网络技术实现。

传统Internet网络协议也暴露出一些原始设计弊病，比如移动性和安全性差、网络资源利用率低等。现有的网络协议栈大都是为地面网络环境所开发的，不仅不适用于基于卫星的网络体系和协议体系，而且太过冗余，不适合部署在资源受限型的网络设备之上。现有IPv4协议网络层的设计在基于标识的天地一体化网络中具有以下问题：

(1)现有的32位的地址空间数量较大，会带来带宽资源的浪费；(2)IPv4中地址前缀的存在及最长前缀匹配原则使得路由非常复杂，不管是对内存资源还是对计算资源都是一种很大的消耗；(3)原有IPv4的报头结构比较冗余，不满足轻量要求，设计不贴合天地一体化网络的需求；(4)IPv4的网络层不够灵活，不能根据需求自主的扩展功能，不便于协议栈的处理；(5)现有技术中仅包含一级QoS，无法基于用户身份进行服务保障，对网络资源的配置不够精细灵活。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述缺陷，提供一种可以有效节约计算资源、提高数据传输效率的网络层报文处理方案。

根据本发明第一方面，提供了一种应用于天地一体化网络的网络层报文处理方法，包括以下步骤：

网络层接收上层的数据包，并根据控制信息确定网络层报头的关键字段值；其中所述网络层报文采用16位地址空间，所述报文格式包括以下字段：版本号、跳数限制、载荷长度、下一个头部、源地址、目的地址、用户等级和服务类型；

根据业务需求对所述数据包添加相关的扩展报头；

通过用户等级和服务需求决定所述数据包的发送路径；

根据优先级将所述数据包插入转发队列等待发送。

示例性地，所述版本号字段用于标识协议栈的版本号，占2个bit；所述跳数限制字段用于限制网络层报文在网络中的转发次数，解决环路问题，占6个bit；所述载荷长度字段用于指示网络层报头携带的有效载荷的长度，占12个bit；所述下一个头部字段用于根据需要引入额外的扩展头部，占4个bit；所述源地址字段和所述目的地址字段分别用于标识网络层数据包的源地址和目的地址，每个地址字段占16个bit；所述用户等级字段用于标识接入用户的等级，所述服务类型字段用于标识所述数据包传输数据的类型。

示例性地，所述对来自上层的数据包根据配置信息进行处理，确定关键字段值的步骤包括：

根据Netlink、Ioctl或Sockopt方式配置的信息对所述数据包进行处理，确定所述跳数限制字段、所述用户等级字段和所述服务类型字段的值。

示例性地，所述下一个头部字段用于指示所承载的上层报文，包括UCMP报文、TCP报文、UDP报文和分片扩展报文。

示例性地，所述分片扩展报文的报头包括下一头部字段、保留字段、分片标志位字段、分片偏移量字段和标识符字段。

示例性地，所述根据优先级将所述数据包插入转发队列等待发送的步骤包括：

根据所述用户等级字段和所述服务类型字段确定所述数据包的优先级；其中，所述用户等级包括16个不同等级，所述服务类型包括低时延优先、低丢包率优先和高吞吐量优先。

示例性地，还包括：

网络层接收下层的数据包；

根据网络层报头所指示的优先级决定处理顺序；

根据网络层所承载的报文对所述数据包进行处理或递交上层。

根据本发明第二方面，提供了一种应用于天地一体化网络的网络层报文处理装置，包括：

配置单元，适用于对来自上层的数据包根据配置信息进行处理，确定关键字段值；其中所述数据包采用16位地址空间，所述数据包的报文格式包括以下字段：版本号、跳数限制、载荷长度、下一个头部、源地址、目的地址、用户等级和服务类型；

扩展报头处理单元，适用于对所述数据包封装扩展报头；

路由单元，适用于根据目的地址、用户等级和服务需求通过查找路由确定所述数据包的发送路径；

转发单元，适用于根据优先级将所述数据包插入转发队列等待发送。

根据本发明第三方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

根据本发明第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过精简的报头格式和报文处理流程，对资源受限型设备友好，适合天地一体化网络。本发明的网络层报头仅有8字节，极大的简化了网络层的处理，可以将省下的系统资源分给协议栈的其他部分。

(2)16位地址空间采用了扁平化设计，简化了卫星网络节点处理地址的工作，进一步提高了处理效率，降低了处理开销。

(3)不同于现有的基于分布式的互联网协议架构，基于标识的天地一体化网络在天基节点以及地基节点网络协议栈的设计上，采用集中控制的设计思想，系统复杂的运算处理部分将由管控中心进行处理，天基节点以及地基节点作为整个网络系统的执行者，将只保留必要的接入认证鉴权、标识映射查询、标识路由转发等协议的执行模块，这使得协议栈更加简洁高效。

(4)本发明支持内生安全与攻击防御，能够屏蔽非法用户，32位、128位地址无法攻击天地一体化信息网络，接入卫星直接丢弃用户侧发送的16位地址空间报文，可显著提升骨干网安全性。

(5)扩展报头设计，网络层更加灵活，提升可拓展性。

(6)服务分级；两级QoS，可根据全网运行状态和用户身份调度网络资源进行按需服务保障，提高多样化应用服务保障能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实施例所应用的基于标识的天地一体化网络16位地址空间协议栈总体架构图；

图2示出了本发明实施例1中网络层报文处理方法的一个具体示例的流程图；

图3示出了本发明实施例1中基于标识的天地一体化网络16位地址空间协议栈网络层的数据处理的流程图；

图4示出了本发明实施例1中网络空间和用户空间分离的结构示意图；

图5示出了本发明实施例1中16位地址空间协议栈网络层的报头格式示意图；

图6示出了本发明实施例1中分片扩展报头的格式示意图；

图7示出了用户等级和服务类型这两个字段的内容示意图；

图8示出了本发明实施例2中网络层数据接收方法的示意性流程图；

图9示出了本发明实施例3中网络层数据发送装置的结构示意图；

图10示出了本发明实施例4中网络层数据接收装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例适应于基于卫星的天地一体化网络，图1示出了本实施例所应用的基于标识的天地一体化网络总体架构图，包括物理层、链路层、网络层、上层和应用层。不同于现有的基于分布式的互联网协议架构，本实施例中基于标识的天地一体化网络在天基节点以及地基节点网络协议栈的设计上，采用集中控制的设计思想，系统复杂的运算处理部分将由管控中心进行处理，天基节点以及地基节点作为整个网络系统的执行者，将只保留必要的接入认证鉴权、标识映射查询、标识路由转发等协议的执行模块，这使得协议栈更加简洁高效。

图2示出了本发明实施例1中网络层数据发送方法的一个具体示例的流程图。如图2所示，网络层数据发送方法包括以下步骤：

S210:对来自上层的数据包根据配置信息进行处理，确定关键字段值。具体的，由传输层或更高层(UCMP)到达网络层的数据包，会根据通过Netlink、Ioctl或Sockopt等方式配置的信息先进行处理，确定hoplimit、user rank和Tos字段的值。

S220:对所述数据包封装扩展报头。

图3示出了本发明实施例1中天地一体化网络16位地址空间协议栈网络层数据处理的流程图。如图3所示，如果上层到达网络层的数据包的长度大于网络层报头所能表示的最大值，或其长度与网络层报头长度(8字节)之和大于MTU(最大传输单元MaximumTransmission Unit，该值可通过上述方式进行配置)值，就会进行分片处理(图3中②部分)，并为每个分片报文封装分片扩展报头。

S230:通过查找路由确定所述数据包的发送路径。如图3所示。根据目的地址和用户等级(图3中①部分)、服务类型(图3中④部分)为数据包选择合适的路径。

S240:根据优先级将所述数据包插入转发队列等待发送。本实施例中的优先级由用户等级和服务类型确定，转发队列如图3中⑤部分所示。

从体系结构上来看，本实施例采用网络空间和用户空间分离的设计来保障网络安全与可控，可极大的提升核心网的安全性。基于标识的天地一体化网络被分割成网络空间和用户空间，如图4所示。网络空间包含天基骨干网、天基接入网、地基节点网以及现有的地面互联网和移动通信网，网络空间与用户空间分别运行两种不同的标识空间，网络空间除地面互联网和移动通信网(采用原有地址空间)外都采用16位地址空间，用户空间采用非16位地址空间(主要是32位与128位地址空间)，这两种空间也称为路由标识空间和接入标识空间，两个地址空间的映射工作由标识交换路由器完成。以上设计使得接入网的用户节点以接入标识发送的网络包，若未经过接入标识到路由标识的映射变换，将不能在核心网进行路由和转发，反之亦然。从协议设计的角度来看，该协议栈采用了标识自主协议体系，包括映射协议、认证鉴权协议、路由控制协议、物联组网协议和网络管理协议，通过各个协议内部和协议间安全有效处理，保证了网络的正常运行。

本实施例的网络层采用16位地址空间，且每个卫星节点只分配一个16位地址空间，极大的减少了对地址的消耗；采用扁平化设计，取消了原网络层地址前缀的概念，从而极大的简化了网络层的路由，减少了网络层对计算和存储资源的需求，进一步轻量化协议栈；使用16位地址空间的前3位用作所属设备类型的区分，目前支持：天基骨干网、天基接入和地基三种类型，未来可支持扩展到8种类型。

示例性地，本实施例中的数据包包括16位地址空间的报头格式，如图5所示。所述报头格式包括版本号、跳数限制、载荷长度、下一个头部、源地址、目的地址、用户等级和服务类型等字段。以下对每个字段逐一介绍。

1)版本号(Version)：标识协议栈的版本号，占2个bit。

2)跳数限制(Hop Limit)：与IPv4中的生存时间类似(TTL)，限制网络层报文在网络中的转发次数，避免无效的报文一直在网络中转发，占6个bit，可支持最大63跳。

3)载荷长度(Payload Length)：该字段指示了网络层报头携带的有效载荷(不包含网络层报头)的长度，以字节为单位，共12个bit，当有效载荷长度大于该字段所能表示的最大长度或有效载荷长度加上网络层头部和链路层头部的长度大于MTU时需要进行网络层分片，用到分片扩展报头。

4)下一个头部(Next Header)：相比IPv4的40字节选项，扩展头部的设计更加的灵活，协议栈处理起来也比较简单。扩展头部的存在使得网络层的扩展性更好，可以根据需要引入额外的扩展头部。目前支持的扩展头部有：UCMP(1)、TCP(2)、UDP(3)、分片扩展报头(4)，其中UCMP协议是一种类似IPv4中ICMP的协议，协议后的数字代表其在Next Header字段中的值，占4个bit，最多可支持16种扩展头部。分片扩展报头的格式如图6所示，共6个字节，其中Next Header的含义与网络层头部中NextHeader字段一样，占8个bit；FragmentOffset表示分片偏移，标识了分片扩展报头的有效载荷在原始数据报中以8字节为单位的偏移量；如果M字段的值为1，则表示在数据报中包含更多分片，如果该值为0，则表示该分片是原始数据报的最后一个分片；标识符则标识了同一个数据报，即同一个数据报的多个分片报文该值相同。在接收端，网络层会根据标识符为不同的原始数据报分配链式存储结构，并根据分片偏移字段将这些分片报文排序，当所有分片报文都到达后，再将它们进行重组。

5)源目的地址(Source ID、Destination ID)：地址字段为16个bit，标识数据包的源地址和目的地址。

6)用户等级(User Rank)和服务类型(Tos)：图7示出了用户等级和服务类型这两个字段的内容。这两个字段共同构成了网络层的两级QoS。用户等级字段标识了接入用户的等级，不同等级的用户可采用不同粒度的接入控制以及对系统不同权限的访问，或产生额外的服务响应；服务类型标识了数据包所传输数据的类型，不同的服务类型具有不同的质量要求，网络可以根据这些要求决定对数据包的处理和转发策略，从而实现QoS以及服务分级能力。用户等级分为16级，0为普通用户，15为最高等级用户；服务类型主要有低时延优先、低丢包率优先和高吞吐量优先等。相比于IPv4的单级QoS设计，两级QoS的引入提高了多样化应用服务保障能力，增强了网络调度的灵活性，网络的资源利用率也得到了有效提升。

实施例2

本施例提供一种基于卫星网络的网络层数据接收方法，如图8所示，包括：

S810:网络层接收来自链路层的数据包。

S820:根据所述数据包的目的地址判断所述数据包是否为发送至本机地址。具体的，先对数据包的目的地址进行判断，如果不是发给本机的并且跳数限制字段的值大于1(图3中⑥部分)则进行路由查询并转发，否则丢弃该数据包。

S830:若是，通过本机接收所述数据包。具体的，如果是发给本机的，则进入接收流程，根据下一个头部字段判断该报文是否是分片报文。如果是分片报文，则根据分片扩展报头中的标识符字段将其插入对应的重组队列，其在队列中的位置由分片偏移字段确定；等待所有分片到达后进行重组(图3中②部分)，值得说明的是，这些重组队列会根据用户等级和服务类型设置优先级，如果同时有多个重组队列的报文都到齐，则高优先级的队列先进行重组。

S840:将所述报文或者重组报文交给上层协议进行处理。

实施例3

本实施例提供一种基于卫星网络的网络层数据发送装置900，包括：

配置单元910，适用于对来自上层的数据包根据配置信息进行处理，确定关键字段值；

扩展报头处理单元920，适用于对所述数据包封装扩展报头；

路由单元930，适用于通过查找基于优先级的路由确定所述数据包的发送路径；

转发单元940，适用于根据优先级将所述数据包插入转发队列等待发送。

实施例4

本实施例提供一种基于卫星网络的网络层数据接收装置1000，包括：

第一接收单元1010，适用于网络层接收来自链路层的数据包；

路由判断单元1020，适用于根据所述数据包的目的地址判断所述数据包是接收还是转发；

本机接收单元1030，适用于当确定所述数据包是发送至本机地址时，通过本机接收所述数据包并进行处理；

交付单元1040，适用于将所述数据包交付给上层协议进行处理。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种应用于天地一体化网络的网络层报文处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

网络层接收上层的数据包，并根据配置信息确定网络层报头的关键字段值；其中所述网络层报头采用16位地址空间，所述报头格式包括以下字段：版本号、跳数限制、载荷长度、下一个头部、源地址、目的地址、用户等级和服务类型；

根据业务需求对所述数据包添加相关的扩展报头；

通过用户等级和服务需求决定所述数据包的发送路径；

根据优先级将所述数据包插入转发队列等待发送。

2.根据权利要求1所述的网络层报文处理方法，其特征在于，所述版本号字段用于标识协议栈的版本号，占2个bit；所述跳数限制字段用于限制网络层报文在网络中的转发次数，解决环路问题，占6个bit；所述载荷长度字段用于指示网络层报头携带的有效载荷的长度，占12个bit；所述下一个头部字段用于指示网络层所承载的报文类型，可根据需要引入额外的扩展头部，占4个bit；所述源地址字段和所述目的地址字段分别用于标识网络层数据包的源地址和目的地址，每个地址字段占16个bit；所述用户等级字段用于标识接入用户的等级，所述服务类型字段用于标识所述数据包传输数据的类型。

3.根据权利要求1所述的网络层报文处理方法，其特征在于，对来自上层的数据包根据配置信息进行处理，确定关键字段值的步骤包括：

根据Netlink、Ioctl或Sockopt方式配置的信息对所述数据包进行处理，确定所述跳数限制字段、所述用户等级字段和所述服务类型字段的值。

4.根据权利要求2所述的网络层报文处理方法，其特征在于，所述下一个头部字段用于指示网络层所承载的报文，包括UCMP报文、TCP报文、UDP报文和分片扩展报文。

5.根据权利要求4所述的网络层报文处理方法，其特征在于，所述分片扩展报文的报头包括下一头部字段、保留字段、分片标志位字段、分片偏移量字段和标识符字段。

6.根据权利要求2所述的网络层报文处理方法，其特征在于，所述根据优先级将所述数据包插入转发队列等待发送的步骤包括：

根据所述用户等级字段和所述服务类型字段确定所述数据包的优先级；其中，所述用户等级包括16个不同等级，所述服务类型包括低时延优先、低丢包率优先和高吞吐量优先。

7.根据权利要求1所述的网络层报文处理方法，其特征在于，还包括：

网络层接收下层的数据包；

根据网络层报头所指示的优先级决定处理顺序；

根据网络层所承载的报文对所述数据包进行处理或递交上层。

8.一种应用于天地一体化网络的网络层报文处理装置，其特征在于，包括：

配置单元，适用于对来自上层的数据包根据配置信息进行处理，确定网络层报头关键字段值；其中所述网络层报头采用16位地址空间，所述报头格式包括以下字段：版本号、跳数限制、载荷长度、下一个头部、源地址、目的地址、用户等级和服务类型；

扩展报头处理单元，适用于对所述数据包封装扩展报头；

路由单元，适用于根据目的地址、用户等级和服务需求确定所述数据包的发送路径，提供按需服务保障能力；

转发单元，适用于根据优先级将所述数据包插入转发队列等待发送。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。

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