CN113890682B - 一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法 - Google Patents

一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法,包括以下步骤：S1.构建数据传输模型：S2.在源节点，按照预先定义的发送数据帧格式对数据进行组帧，得到待发送信号；在目标节点，按照预先定义的数据帧格式，保存数据传输的帧头结构；S3.确定源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻节点之间的数据传输方式：S4.当来自源节点的信号传输到目标节点后，目标对数据字节进行比对，当接收到的一串数据字节与帧头结构相同时，判定为帧头，并依次取出后续数据帧中所包含的数据内容，完成数据接收过程。本发明在不改变整体帧结构的基础上添加保管转发功能，更适用于深空大延迟频繁终端环境。

Description

一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法
技术领域
本发明涉及近地环境与深空环境间的通讯，特别是涉及一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法。
背景技术
随着通信技术的不断发展和更新换代，现在人们的触角开始伸向遥远的太空，自然就提出了深空探测的需求。作为航天活动的三大领域(地球卫星、载人航天、深空探测)之一，深空探测是人类探索宇宙奥秘和寻求长久发展的必然途径，是衡量一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要标志。开展深空探测活动能够有效带动空间科学、空间技术、空间应用的大发展，促进对太阳系及宇宙的起源与演化，太阳及小天体活动对人类生存环境的灾害性影响，地外生命信息探寻等重大科学问题的研究，为人类可持续发展服务。从地球到任何航天器的通信都是一项复杂的挑战，这主要是由于二者之间极远的距离。当数据传输和接收跨越数千公里甚至数百万公里时，延迟和中断或数据丢失的可能性非常大。
在以前从近地轨道到深空的任务中，可以使用点对点(直连)或单中继链路与航天器进行通信；这与直接连接两个通信节点的电话系统非常相似。虽然这种方法在以前的任务中取得了成功，但未来的探索概念将引入更为复杂的通信需求，在许多节点之间进行数据传输。这些传输将需要像地球上的互联网一样运行——通过中继航天器和其他中间节点涉及多个跳跃，为太阳系互联网(Solar System Internet，SSI)创造基础。
在深空场景中，SSI将利用容延迟容中断(Delay Tolerant Networks，DTN)协议，该协议可用于任何场景，包括那些链路频繁中断的场景，但其在传统互联网协议(IP)将无法使用。DTN使用自动存储和转发机制提供可靠的数据传输。如果可能的话，接收到的每个数据包都会被立即转发，但是如果转发当前不可能，但预期在将来可能，则会被存储以备将来传输。因此，在使用DTN时，只需要下一次转发可用即可实现正常通信。
针对通信距离不那么远的近地空间，空间数据系统咨询委员会(ConsultativeCommittee for Space Data Systems，CCSDS)提供了CCSDS协议，其主要用于近地及月球空间，在这段空间以内，链路衰减虽然较大但中断情况较少，但布设的节点较多，需要对近地卫星、地月飞行器等单元同时进行数据传输。该协议虽然与地面TCP/IP协议在一定程度上兼容，但是与DTN协议差别较大，无法同时使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法，在不改变整体帧结构的基础上添加保管转发功能，更适用于深空大延迟频繁终端环境。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法，包括以下步骤：
S1.构建数据传输模型：
所述数据传输模型包括源节点、目标节点，以及至少一个布设于源节点与目标节点传输路径上的中继节点，所述源节点将待发送的信号通过中继节点向目标节点进行传输；
S2.在源节点，按照预先定义的发送数据帧格式对数据进行组帧，得到待发送信号；在目标节点，按照预先定义的数据帧格式，保存数据传输的帧头结构；
S3.确定源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻节点之间的数据传输方式：
对于源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻的节点，基于SCPS-TP协议进行信号传输，在SCPS-TP协议包头不变的情况下，通过SCPS-TP协议的可添加选项，增加保管转发相关功能，并在此基础上进行数据传输：
设源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻的节点分别为节点A和节点B，在节点A向节点B进行数据传输的过程中，增加的保管转发相关功能如下：
节点A将传输层的数据帧传输给节点B，并保存在节点A的存储空间中，节点B接收到该数据帧后，向节点A反馈确认信息，表明收到该帧数据；
当节点A未收到节点B反馈的信息，则一直保存该数据帧；直至该数据帧指定的生命周期过期，或接收到来自节点B反馈的信息后，将该数据帧从当前存储空间删除；
S4.当来自源节点的信号传输到目标节点后，目标对数据字节进行比对，当接收到的一串数据字节与帧头结构相同时，判定为帧头，并依次取出后续数据帧中所包含的数据内容，完成数据接收过程。
进一步地，所述源节点为近地环境中的节点时，所述目标节点为深空环境中的节点；所述源节点为深空环境中的节点时，所述目标节点为近地环境中的节点。
所述源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻的节点，包括如下三种情况：
(1)两个相邻的节点为：源节点与第一个中继节点；
(2)任何两个相邻的中继节点；
(3)最后一个中继节点与目标节点。
所述保管转发功能的位置位于SCPS-TP协议中的选项位置，供32个字节的保管转发功能选项，包括：
1个字节用于表示选项类型；
3个字节用于进行保管转发的控制；
1个字节用于表示保管转发功能选项长度；
3个字节用于表示当前数据块在整个传输数据中的序号；
4个字节表示该数据块的发送节点；
4个字节表示传递该数据块的上一个节点；
4个字节表示传递该数据块的下一个节点；
4个字节表示该数据块的目的节点；
4个字节表示该数据块的创建时间；
4个字节表示该数据块的生存时间。
本发明的有益效果是：本发明中相比较于CCSDS中的SCPS-TP协议，不改变整体帧结构的基础上添加保管转发功能，更适用于深空大延迟频繁终端环境；相比较于传统DTN协议中的保管转发机制，简化了协议设计，去除了集束层(Bundle)，使其与近地空间协议中的SCPS-TP协议与TCP协议兼容性更好。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的报文结构示意图；
图3为本发明的否定应答机制流程示意图；
图4为本发明的保管转发机制流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法，包括以下步骤：
S1.构建数据传输模型：
所述数据传输模型包括源节点、目标节点，以及至少一个布设于源节点与目标节点传输路径上的中继节点，所述源节点将待发送的信号通过中继节点向目标节点进行传输；
S2.在源节点，按照预先定义的发送数据帧格式对数据进行组帧，得到待发送信号；在目标节点，按照预先定义的数据帧格式，保存数据传输的帧头结构；
S3.确定源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻节点之间的数据传输方式：
对于源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻的节点，基于SCPS-TP协议进行信号传输，在SCPS-TP协议包头不变的情况下，通过SCPS-TP协议的可添加选项，增加保管转发相关功能，并在此基础上进行数据传输：
设源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻的节点分别为节点A和节点B，在节点A向节点B进行数据传输的过程中，增加的保管转发相关功能如下：
节点A将传输层的数据帧传输给节点B，并保存在节点A的存储空间中，节点B接收到该数据帧后，向节点A反馈确认信息，表明收到该帧数据；
当节点A未收到节点B反馈的信息，则一直保存该数据帧；直至该数据帧指定的生命周期过期，或接收到来自节点B反馈的信息后，将该数据帧从当前存储空间删除；
S4.当来自源节点的信号传输到目标节点后，目标对数据字节进行比对，当接收到的一串数据字节与帧头结构相同时，判定为帧头，并依次取出后续数据帧中所包含的数据内容，完成数据接收过程。
在本申请的实施例中，SCPS-TP传输层改进协议主要应用于近地、深空间的信息传输，以火星探测器与地面之间的信息传输为例，当前环境中有四个节点，近地节点，近地中继节点，近火中继节点，火星探测器节点，以火星探测器回传数据为例进行说明。
仿真协议运行流程如下：
场景1：源节点(近地节点)创建一个数据传输帧，并将该数据帧在本地进行复制并存储在存储器中；
场景2：根据传输帧中下一个传输节点的地址，表明下一个节点为近地中继节点，向近地中继节点进行数据帧的副本的传输，并启动一个计时器用于等待近地中继节点的接收确认；
场景3：近地中继节点收到数据帧中的信息，并向近地节点发送接收确认回执，申请删除近地节点的保管信息，如未收到，采用否定应答机制要求重传丢失的数据；判断该信息的目的节点是否为本节点，如不是，将该数据进行重新封装，修改节点地址信息，将该数据帧在本地进行复制并存储在存储器中；
场景4：根据传输帧中下一个传输节点的地址，表明该节点为火星中继节点，向火星中继节点进行数据帧的副本的传输，并启动一个计时器用于等待火星中继节点的接收确认；
场景5：火星中继节点收到数据帧中的信息，并向近地中继节点发送接收确认回执，申请删除近地中继节点的保管信息；判断该信息的目的节点是否为本节点，如不是，将该数据进行重新封装，修改节点地址信息，将该数据帧在本地进行复制并存储在存储器中，等待回执信息后进行删除；
场景6：火星节点收到数据帧信息，向上一节点发送接收成功信息，根据数据帧的相关指令进行操作。
发射端按照图2的方式进行组帧，其中数据传输帧结构如图2所示，除TCP协议的基本报文结构外，包含否定应答选项和保管转发选项。
第1-4(0-31bit)个字节用于提供该数据字段来自哪里，要传给那个端口；
第5-8(32-63bit)个字节用于表示一次通信过程中每个字节的编号；
第9-12(64-95bit)个字节用于报文的响应；
第13(96-99bit)字节为TCP协议数据段包头；
第100-105bit为保留字节，用于备用；
第106bit用于表示紧急指针是否有效；
第107bit用于表示确认号是否有效；
第108bit用于提示从缓存中读走数据；
第109bit用于表示对方申请链接重建；
第110bit用于表示己方申请链接重建；
第111bit用于通知结束本报文；
第15-16(112-127bit)个字节用于控制发送数据速度；
第17-18(128-144bit)个字节为校验和；
第19-20(144-159bit)个字节为紧急指针，用于发送紧急情况下的数据；
否定应答机制共8个字节，采用传统的CCSDS协议中的否定应答机制，在此不进行详述。
第21(160-167bit)个字节为否认确定机制的选项类别；
第22(168-175bit)个字节为否认确定机制的选项长度；
第23-24(176-192bit)个字节为缺失数据段的长度；
第25-26(193-207bit)个字节为单个缺失数据段的位置；
第27-28(208-223bit)个字节为多个缺失数据段相对于已确认数据的偏移；
保管转发功能中的32个字节保管转发选项主要包括以下内容：
第29(223-231bit)个字节用于表示该保管转发模块的类型和编号；
第30-32(232-255bit)个字节用于表示该保管转发模块的相关属性，包括片段标志，保管转发标志；
第33(255-263bit)个字节表示该保管转发模块的的长度；
第34-36(264-287bit)个字节表示源节点向目的节点的请求指令，包括对当前保管的数据块进行的传输、托管、转发、接收、调度、删除等功能
第37-40(288-319bit)个字节表示源节点在整个深空网络中的地址；
第41-44(320-351bit)个字节表示上一节点在整个深空网络中的地址；
第45-48(352-383bit)个字节表示下一节点在整个深空网络中的地址；
第49-52(384-415bit)个字节表示目的节点在整个深空网络中的地址；
第53-56(416-447bit)个字节表示数据块的创建时间；
第56-60(448-480bit)个字节表示数据块的生存时间；
之后的字节为该数据包中所携带的信息数据。
在接收端，收到该数据包并成功解帧后，由于第1-20字节为传统的TCP报文结构，处理过程不再讨论；
第21-28用于否定应答选项。其中，否定应答选项流程如图3，当发现接收端的数据缓存中存在多个数据错误空洞时，请求发送端对这些数据错误信息进行重传。
第29-60个字节保管转发选项流程如图4，各步骤功能如下：
1.接收：根据解包后得到的保管转发相关信息，进行相关数据的提取，包括生存周期校验(第53-60个字节给出)，是否重复接受(第29个字节给出)，对错误的信息，超过生存周期的信息及重复接收的信息送入删除模块进行删除，对于正确接收的信息，送入调度模块进行处理，在传输模块中发送一个接收成功请求删除报文数据帧的信息；
2.调度：根据报头信息，若要求删除托管中的传输帧副本(第30-32个字节给出)，进入数据删除流程；如果目的节点为当前节点(第37-52个字节给出)，进入数据托管流程；如果目的节点不是当前节点(第37-52个字节给出)，进入转发流程；
3.转发：根据保管转发选项中的目的节点信息，选取合适的路由，进行数据帧的填充，进入数据托管流程；
4.托管：生成当前数据传输帧的副本，于本地存储器保存，若当前节点不是目的节点，进入数据传输流程；
5.删除：响应删除请求，若未成功接收，则将当前缓存区数据进行删除；若要求删除托管中的传输帧副本，则根据数据帧中序号进行删除；
6.传输：响应调用请求，若目的节点为上一节点，发送一个删除保管的信息给上一个节点；若目的节点为下一个的路由节点，则将该数据根据当前设备状态和控制字节填充数据帧报头，并进行发送.
7.发送：在完成上述处理后，以本单元为发送端，进行数据组帧后向相应的节点发送数据。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.构建数据传输模型：
所述数据传输模型包括源节点、目标节点，以及至少一个布设于源节点与目标节点传输路径上的中继节点，所述源节点将待发送的信号通过中继节点向目标节点进行传输；
S2.在源节点，按照预先定义的发送数据帧格式对数据进行组帧，得到待发送信号；在目标节点，按照预先定义的数据帧格式，保存数据传输的帧头结构；
S3.确定源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻节点之间的数据传输方式：
对于源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻的节点，基于SCPS-TP协议进行信号传输，在SCPS-TP协议包头不变的情况下，通过SCPS-TP协议的可添加选项，增加保管转发相关功能，并在此基础上进行数据传输：
设源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻的节点分别为节点A和节点B，在节点A向节点B进行数据传输的过程中，增加的保管转发相关功能如下：
节点A将传输层的数据帧传输给节点B，并保存在节点A的存储空间中，节点B接收到该数据帧后，向节点A反馈确认信息，表明收到该帧数据；
当节点A未收到节点B反馈的信息，则一直保存该数据帧；直至该数据帧指定的生命周期过期，或接收到来自节点B反馈的信息后，将该数据帧从当前存储空间删除；
S4.当来自源节点的信号传输到目标节点后，目标节点对数据字节进行比对，当接收到的一串数据字节与帧头结构相同时，判定为帧头，并依次取出后续数据帧中所包含的数据内容，完成数据接收过程。
2.根据权利要求1所述的一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法，其特征在于：所述源节点为近地环境中的节点时，所述目标节点为深空环境中的节点。
3.根据权利要求1所述的一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法，其特征在于：所述源节点为深空环境中的节点时，所述目标节点为近地环境中的节点。
4.根据权利要求1所述的一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法，其特征在于：所述源节点与目标节点传输路径上任意两个相邻的节点，包括如下三种情况：两个相邻的节点为：
（1）源节点与第一个中继节点；
（2）任何两个相邻的中继节点；
（3）最后一个中继节点与目标节点。
5.根据权利要求1所述的一种用于近地环境与深空环境间通讯的数据传输方法，其特征在于：所述保管转发相关功能的位置位于SCPS-TP协议中的选项位置，供32个字节的保管转发功能选项使用，包括：
1个字节用于表示选项类型；
3个字节用于进行保管转发的控制；
1个字节用于表示保管转发功能选项长度；
3个字节用于表示当前数据块在整个传输数据中的序号；
4个字节表示该数据块的发送节点；
4个字节表示传递该数据块的上一个节点；
4个字节表示传递该数据块的下一个节点；
4个字节表示该数据块的目的节点；
4个字节表示该数据块的创建时间；
4个字节表示该数据块的生存时间。
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