CN114598648A - 基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制装置及方法。该装置包括：源端发送单元、地面通信网、中段调度单元、末端调制单元、中继前向KSA链路和空间站多个舱段，所述源端发送单元、所述地面通信网、所述中段调度单元、所述末端调制单元、所述中继前向KSA链路和所述空间站多个舱段依次串接形成前向限速数据传输链，用于传输上行网络数据并对多个方向上行资源进行合理规划调度；所述末端调制单元、所述中段调度单元和所述源端发送单元依次串接形成逆向约束控制链，用于传导流量控制约束信息。本发明可实现多源输入、按需规划调度、末端限速反馈的上行网络的流量控制，以保障多个用户中心和任务中心的上行网络业务服务质量。

Description

基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制装置及方法

技术领域

本发明涉及航天测运控技术领域，尤其涉及一种基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制装置及方法。

背景技术

我国在轨航天器上行数据主要采用PCM遥控、CCSDS分包遥控等传统手段，数据格式相对固定、传输路径单一。其中，航天器平台注入数据由任务中心生成并封装后，经中继卫星系统或地面测控站发送至在轨航天器，由航天器平台数管分系统接收后送至航天器平台的相应终端处理；载荷中心生成载荷注入数据后发送至任务中心，由任务中心封装后经中继卫星系统或地面测控站发送至在轨航天器，由航天器平台数管分系统接收后转发至载荷相应终端进行处理。

载人航天工程空间站建造及长期运营阶段，航天器平台、载荷实验机柜、图像话音单元等在轨设备设施具备空间信息网络接入功能，通过空间站通信网、载荷网及天地测控通信链路实现空间站网络与地面网络的互联互通，这在我国航天任务中尚属首次应用。作为连接天地一体化空间信息网络的唯一手段，测控通信系统将为空间站各类网络业务终端提供高覆盖率、大容量测控通信支持及灵活高效的网络接入服务，确保空间段与地面段端到端网络业务数据传输的安全及时可靠。

载人空间站在轨飞行期间，不同用户中心的上行网络数据均需汇总至任务中心，由任务中心统一将IP数据包封装至CCSDS AOS传输帧中，经中继卫星系统发送至空间站，由航天器平台的高速通信处理器完成IP over CCSDS AOS解封后，将IP数据包由通信网或载荷网分发至相应网络终端。由于存在的不同用户中心的上行网络业务信息传输特性不同、中继卫星系统上行链路能力边界约束等限制性条件，再加上我国航天器上行数据来源主要为单一用户中心，且通常采用PCM遥控、CCSDS分包遥控等传统数据链路层封装格式，为此，需要面向任务中心提出一种可实现多源输入、按需规划调度、末端限速反馈的流量控制方法，以满足上行网络服务质量。

发明内容

为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制装置及方法，可实现多源输入、按需规划调度、末端限速反馈的上行网络的流量控制，以保障多个用户中心和任务中心的上行网络业务服务质量。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一方面，本发明提供一种基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制装置，包括：源端发送单元、地面通信网、中段调度单元、末端调制单元、中继前向KSA链路和空间站多个舱段，

所述源端发送单元、所述地面通信网、所述中段调度单元、所述末端调制单元、所述中继前向KSA链路和所述空间站多个舱段依次串接形成前向限速数据传输链，用于传输上行网络数据并对多个方向上行资源进行合理规划调度；

所述末端调制单元、所述中段调度单元和所述源端发送单元依次串接形成逆向约束控制链，用于传导流量控制约束信息。

根据本发明的一个方面，所述源端发送单元用于完成所述源端发送单元的上行网络数据的生成、输出限速和封装发送；

所述中段调度单元用于通过所述地面通信网汇集所述源端发送单元输入的多路数据及所述中段调度单元生成的上行网络数据，根据约定的上行带宽规划结果进行统一调度与流量控制，按照IP over CCSDS AOS协议对串行排队的上行网络数据进行封装后输出至所述末端调制单元；

所述末端调制单元用于接收所述中段调度单元发送的CCSDS AOS数据帧，通过所述中继KSA前向链路发送至所述空间站多个舱段。

根据本发明的一个方面，所述源端发送单元包括多个用户中心，所述用户中心包括数据生成模块、限速控制模块和封装发送模块，

所述数据生成模块用于生成本用户中心的上行网络数据IP包；

所述限速控制模块用于根据所述中段调度单元反馈的源端约束要求对所述上行网络数据IP包进行限速控制，并根据控制调度结果提取所述上行网络数据IP包；

所述封装发送模块用于根据接口约定对所述上行网络数据IP包进行封装并向所述中段调度单元发送数据包交换协议数据包。

根据本发明的一个方面，所述中段调度单元为任务中心，所述任务中心包括接收解封模块、多源输入缓存模块、调度串行排队模块和输出封装模块，

所述接收解封模块用于接收所述多个用户中心的PDXP数据包，解封装后提取上行网络数据IP包；

所述多源输入缓存模块用于接收所述多个用户中心的上行网络数据IP包；

所述调度串行排队模块用于根据控制调度结果提取串行综合上行网络数据IP包并送至所述输出封装模块，并根据所述末端调制单元反馈的包频约束并结合任务规划各方向带宽分配结果，形成对所述多个用户中心的前向传输调度策略以及匹配的源端约束，将源端约束逆向传递至相应的用户中心；

所述输出封装模块用于按照IP over CCSDS AOS协议封装调度后的串行综合上行网络数据IP包，并按所述多个用户中心的接口约定封装后向所述末端调制单元发送数据包交换协议数据包。

根据本发明的一个方面，所述末端调制单元为中继卫星系统，所述中继卫星系统用于对所述任务中心的数据包交换协议数据包解封装以及CCSDS AOS数据帧调制发送，并根据所述中继KSA前向链路的能力将调制端传输帧频约束折算至对所述任务中心的输出包频约束，逆向传递至所述任务中心。

另一方面，本发明还提供了一种基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制方法，包括：

步骤101、利用由源端发送单元、地面通信网、中段调度单元、末端调制单元、中继前向KSA链路和空间站多个舱段依次串接形成的前向限速数据传输链传输上行网络数据；

步骤102、利用所述末端调制单元根据所述末端调制单元链路传输帧周期要求传导流量控制约束信息，逆向约束所述中段调度单元的输出端数据帧的发送速率；

步骤103、利用所述中段调度单元结合任务规划的带宽分配结果及业务优先级统筹调度各类业务，进一步逆向约束所述源端发送单元的上行网络数据发送速率，实现航天器上行网络的流量控制。

根据本发明的另一个方面，所述源端发送单元包括多个用户中心，用于上行网络数据IP包的生成、输出限速和封装发送。

根据本发明的另一个方面，所述中段调度单元为任务中心，在所述步骤103中，所述中段调度单元采用的调度策略为多缓冲区机制、带宽调度机制和定时发送机制结合，

所述多缓冲区机制用于对各类业务的上行网络数据IP包进行缓存；

所述带宽调度机制用于根据当前空间任务弧段内的带宽规划结果，对各类业务进行平滑加权队列调度；

所述定时发送机制用于每个空间任务弧段内，预先存储一个时隙的业务数据，并在每个时隙中按照该空间任务弧段预先计算的时间序列图样依次从各类业务队列中读取数据包放入待发送批次，无数据则读空，待时间序列图样扫描完毕后则即时对外发送该批次数据。

根据本发明的另一个方面，在所述步骤103中，所述中段调度单元采用两级流量缓存的方式对上行网络数据IP包进行流量控制，一级流量缓存和二级流量缓存均采用队列方式对超标的上行网络数据IP包进行丢弃，一级流量缓存与二级流量缓存之间使用条件变量的方式进行通信，实现多个一级流量缓存队列数据对二级流量缓存区的传递。

根据本发明的另一个方面，所述末端调制单元为中继卫星系统。

有益效果：

根据本发明的一个方案，基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制装置，能够通过构建一套“逆向速率约束、前向限速传输、多源汇聚融合”的上行网络数据流量控制装置，保障各用户中心及任务中心的上行网络业务服务质量；同时，该装置在传输过程中不对源端上行网络IP包进行加工处理，调度过程只完成合法性检验与外部封装，可确保各用户数据上行的实时性及内容的一致性。

根据本发明的一个方案，基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制方法，能够通过末端调制单元无线链路传输帧周期要求，逆向约束中段调度单元输出端数据帧发送速率，中段调度单元结合任务规划的带宽分配结果及业务优先级进一步逆向约束多个源端发送节点的上行网络数据发送速率，从而实现航天器上行网络流量控制。

附图说明

图1示意性表示本发明的一种实施方式的基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制装置的系统构成图；

图2示意性表示本发明的一种实施方式的任务中心内部基于规划结果的多源分布串行调度策略示意图；

图3示意性表示本发明的一种实施方式的用户中心A上行网络数据的传输系统结构示意图；

图4示意性表示本发明的一种实施方式的用户中心A上行网络数据的限速处理逻辑示意图；

图5示意性表示本发明的一种实施方式的PDXP协议数据包格式示意图；

图6示意性表示本发明的一种实施方式的用户中心B上行网络数据的传输系统结构示意图；

图7示意性表示本发明的一种实施方式的用户中心B上行网络数据的限速处理逻辑示意图；

图8示意性表示本发明的一种实施方式的用户中心C上行网络数据的发送工作流程图；

图9示意性表示本发明的一种实施方式的任务中心内部调度实施逻辑示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，本实施方式的基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制装置，包括：源端发送单元、地面通信网、中段调度单元、末端调制单元、中继前向KSA链路和空间站多个舱段。该装置由逆向约束传递链及前向限速传输链两条数据链构成，其中：

源端发送单元、地面通信网、中段调度单元、末端调制单元、中继前向KSA链路和空间站多个舱段依次串接形成前向限速数据传输链，用于传输上行网络数据并对多个方向上行资源进行合理规划调度，以满足用户使用需求，属于数据面。

末端调制单元、中段调度单元和源端发送单元依次串接形成逆向约束控制链，用于传导流量控制约束信息，约束信息传导方向与前向限速数据传输链的数据流向方向相反，属于控制面。

上述源端发送单元用于完成源端发送单元的上行网络数据的生成、输出限速和封装发送，包括多个用户中心。用户中心i包括数据生成模块i-SM-1、限速控制模块i-SM-2和封装发送模块i-SM-3。其中，数据生成模块承担数据面职能，用于生成本用户中心的上行网络数据IP包；限速控制模块承担控制面与数据面职能，用于根据中段调度单元反馈的源端约束要求对上行网络数据IP包进行限速控制，并根据控制调度结果提取上行网络数据IP包；封装发送模块承担数据面职能，用于根据接口约定对上行网络数据IP包进行封装并向中段调度单元发送数据包交换协议数据包。

上述中段调度单元用于通过地面通信网汇集所述源端发送单元输入的多路数据及所述中段调度单元生成的上行网络数据，根据约定的上行带宽规划结果进行统一调度与流量控制，按照IP over CCSDS AOS协议对串行排队的上行网络数据进行封装后输出至末端调制单元。中段调度单元为任务中心，并包括接收解封模块RM-1、多源输入缓存模块RM-2-i、调度串行排队模块RM-3和输出封装模块RM-4。其中，接收解封模块承担数据面职能，用于接收多个用户中心的PDXP数据包，解封装后提取上行网络数据IP包；多源输入缓存模块承担数据面职能，用于接收所述多个用户中心的上行网络数据IP包；调度串行排队模块承担控制面和数据面职能，用于根据控制调度结果提取串行综合上行网络数据IP包并送至所述输出封装模块，并根据末端调制单元反馈的包频约束并结合任务规划各方向带宽分配结果，形成对多个用户中心的前向传输调度策略以及匹配的源端约束，将源端约束逆向传递至相应的用户中心；输出封装模块承担数据面职能，用于按照IP over CCSDS AOS协议封装调度后的串行综合上行网络数据IP包，并按多个用户中心的接口约定封装后向末端调制单元发送数据包交换协议数据包。

上述末端调制单元用于接收中段调度单元发送的CCSDS AOS数据帧，通过中继KSA前向链路发送至空间站多个舱段。末端调制单元为中继卫星系统，用于对任务中心的数据包交换协议数据包解封装以及CCSDS AOS数据帧调制发送，并根据中继KSA前向链路的能力将调制端传输帧频约束折算至对任务中心的输出包频约束，逆向传递至任务中心。

在本发明的实施方式中，基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制方法，包括：

步骤101、利用由源端发送单元、地面通信网、中段调度单元、末端调制单元、中继前向KSA链路和空间站多个舱段依次串接形成的前向限速数据传输链传输上行网络数据；

步骤102、利用末端调制单元根据末端调制单元链路传输帧周期要求传导流量控制约束信息，逆向约束中段调度单元的输出端数据帧的发送速率；

步骤103、利用中段调度单元结合任务规划的带宽分配结果及业务优先级统筹调度各类业务，进一步逆向约束源端发送单元的上行网络数据发送速率，实现航天器上行网络的流量控制。

源端发送单元包括多个用户中心，中段调度单元为任务中心，末端调制单元为中继卫星系统。在空间站任务中，各用户中心及任务中心的上行网络业务采用中继KSA前向信道上传至空间站各舱段，为确保数据传输服务质量，在上述各个节点构成的传输链路上采取逆向速率约束、前向限速传输、多源汇聚融合的分布式串行流量控制方法，具体描述如下：

在本实施方式中，中继卫星系统地面终端站按中继KSA前向信道能力约束将定长AOS帧以固定周期间隔发送至中继卫星，在本实施方式中，逆向速率约束指标为AOS帧长为约900字节、帧周期约0.8ms，由此给出任务中心输出流控要求为最大瞬时帧频不超过60帧/50ms。此外，中继卫星系统应确保本节点输入/输出流量特征的严格一致，以便将调制端帧频约束逆向传导至任务中心输出端。

任务中心按照任务规划的带宽分配结果统筹调度各类业务并对上行网络数据进行流量控制，其中，空间站任务中，中继KSA前向信道承载的上行业务按以下3个类别进行带宽分配：类别1：飞行控制类业务，预留固定带宽，确保航天器安全性与任务可靠性。类别2：图像话音类业务，为每路图像/话音设置固定带宽，按任务规划结果预留所需路数的带宽，确保天地通信的实时性。类别3：上行网络类业务，从中继KSA前向信道总带宽中扣除类别1与类别2业务带宽后，按照任务规划结果为各用户中心及任务中心分配共享带宽，确保业务服务质量。

任务中心在向中继卫星系统发送前，需对各类前向业务(上述类别1、2、3)进行统筹调度，采用“多缓冲区机制+带宽调度机制+定时发送机制”的调度策略。其中，

多缓冲区机制：每个前向业务类别维护一个独立的队列，用于对各类前向业务数据包分别进行缓存，数据形式为AOS帧。

带宽调度机制：根据当前任务弧段内的带宽规划结果，对各前向业务类别进行平滑加权队列调度，即对单位时隙(50ms)内发送的数据包序列(不超过60包)进行预先编排(优先级按类别1、2、3依次降低)，构成符合带宽权重关系的时间序列图样。

定时发送机制：每个任务弧段内，预先存储一个时隙(50ms)的前向业务数据，后续在每个时隙中按照该任务弧段预先计算的时间序列图样依次从各前向业务类别队列中读取数据包放入待发送批次(无数据则读空)，待时间序列图样扫描完毕后则即时对外发送该批次数据。

本实施方式以用户中心A、用户中心B、用户中心C同时输入上行网络数据为例，在本实施方式中，其带宽分配结果分别为3Mbps、2Mbps、1Mbps，则任务中心内部基于规划结果的多源分布串行调度策略如图2所示。

任务中心输入端对各用户中心输出端的逆向限速约束，其中：各用户中心控制输出至任务中心的上行网络数据速率。在本实施方式中，控制要求为：设某中心i任务规划可用带宽为ri(单位Mbps，0.1步进)，则要求2秒统计平均速率不超过4ri，8秒统计平均速率不超过ri。任务中心对各用户中心方向输入数据进行缓存，缓冲区要求不小于8秒×r Mbps＝r MB，r取决于航天任务状态，在本实施方式中，r取值约为9；同时具备速率测量与输入开关功能，若各用户中心输入流量不满足控制要求，则任务中心对超出部分予以丢弃。

在空间站工程中，上行网络数据生成方包括多个地面用户中心，如航天员支持中心、有效载荷运行管理中心、在轨航天器支持中心等。在本实施方式中，分别以在轨航天器支持中心(用户中心A)、航天员支持中心(用户中心B)、有效载荷运行管理中心(用户中心C)在任务中的具体方式描述不同源端发送单元的实施流程。

针对用户中心A，用户中心A上行网络数据系统采用libpcap技术，以上行网络数据服务器作为地面网关，通过libpcap捕获到通过限流算法，稳定地向北京中心发送PDXP数据包。说明：Libpcap是一个平台独立的网络数据包捕获开发包，具有高层的编程接口，可以捕获网络上的所有数据包，包括到达的其他数据包。Libpcap使用了BPF过滤机制，具有捕获特定数据包的功能，可以过滤掉网络上不需要的数据包，其中主要功能包括：捕获各种网络数据包；过滤网络数据包；分析网络数据包；存储网络数据包。

上行网络数据服务器有两个网络接口，其中一个为内部Cap接口，负责监听所有本中心地面设备的上行数据请求；另一个为外部网络接口，负责按地面中心间接口约定向任务中心发送数据包交换协议(PDXP)数据包。

用户中心A上行网络数据传输系统的系统结构如图3所示，其中数据发送端C系统即为所述上行网络数据服务器系统。

上行网络数据服务器系统的软件部分运行逻辑如图4所示，其运行步骤包括：

步骤1：初始化，从配置文件中获取Cap监听配置并创建Cap监听；从配置文件中读取统计窗口时间TW和窗口字节数BW，初始化发送字节总数BT＝0；同时从配置文件中获取定时器配置，并依据该定时器配置创建循环定时器；

步骤2：等待内部Cap接口捕获到上行网络数据，将捕获到的需要发送的数据压入待发送数据队列，并执行步骤3；

步骤3：遍历<发送时间-发送字节总数>字典项，将与当前时间的间隔大于统计窗口时间TW的字典项删除，所述字典项中每个记录均是一个“时间-字节数”的键值对，并执行步骤4；说明：字典记录了固定时间间隔内可发送的总字节数，“时间”由定时器产生、均匀分布，字节数由系统根据单位时间间隔与受控发送速率折算得到，二者协同进行流量控制。

步骤4：获取<发送时间-发送字节总数>字典项中的第一项，记为发送时间T0和字节总数B0，并执行步骤5；

步骤5：判断当前待发送数据队列是否为空，若为空则返回步骤2；若不为空则执行步骤6；

步骤6：若待发送数据队列第一项的字节数+BT<＝B0+BW，则执行步骤7；否则返回步骤2；

步骤7：从待发送数据队列中取出第一项的数据，将此数据打包成PDXP数据包(格式如图5所示)并发送，更新BT＝BT+PDXP包头长度+上述第一项数据长度，并将待发送数据队列第一项从待发送数据队列中删除，并执行步骤5；

步骤8：等待定时器到达，并执行子步骤9；

步骤9：遍历<发送时间-发送字节总数>字典项，将与当前时间的间隔大于统计窗口时间TW的字典项删除，并执行子步骤10；

步骤10：获取<发送时间-发送字节总数>字典项中的第一项，记为发送时间T0和字节总数B0，并执行子步骤11；

步骤11：判断当前待发送数据队列是否为空，若为空则将“当前时间-此时的BT值”压入<发送时间-发送字节总数>字典项，并返回子步骤8；若不为空则执行子步骤12；

步骤12：若待发送数据队列第一项的字节数+BT<＝B0+BW，则执行子步骤13；否则将“当前时间-此时的BT值”压入<发送时间-发送字节总数>字典项，并返回子步骤8；

步骤13：从待发送数据队列中取出第一项的数据，将此数据打包成PDXP数据并发送，更新BT＝BT+PDXP包头长度+上述第一项数据长度，并将待发送数据队列第一项从待发送数据队列中删除，并执行子步骤11。

针对用户中心B，用户中心B上行网络数据分为主动和被动两种类型，主动上行网络数据由地面终端主动发起并根据需要对上行流量进行控制(预先设置)；被动上行网络数据当下行网络数据出现丢包时被动引发，上行流量随丢包情况动态变化，但地面可对上行流量上限进行设置。

用户中心B上行网络数据系统采用终端限速+出口速率监视控制双重保障技术，主要采用定时器+多线程技术实现上行速率控制，稳定向任务中心发送PDXP数据包。图6为用户中心B上行网络数据的系统结构。

1)终端限速：所有的主动终端均可设置上行数据的发送速率，每个主动终端上行数据包大小固定，发送速率由高精度定时器进行控制；被动终端发送速率随丢包情况动态变化，但受发送速率定时器控制最大速率，当丢包率超过发送定时器间隔时，缓存上行数据，并按定时器间隔发送上行数据。所有主动终端和被动终端的最大速率之和小于出口最大速率限制，各主动终端和被动终端的上行速率根据需求动态分配。

2)出口速率监视和控制：出口速率监视和控制软件部分的运行逻辑如图7所示，速率控制共分为三个线程，上行数据监听线程主要功能是监听所有主动终端和被动终端发送的上行数据，当监听到上行网络数据后，将数据存入发送缓冲区，返回循环进行监听；数据发送线程主要功能从发送缓冲区提取数据，按PDXP包格式将数据发送到任务中心，发送数据必须同时符合两个条件，一个是发送缓冲区有数，一个是发送定时器释放；流量监视线程主要功能是监视发送线程的流量，当流量超限后，增加数据发送间隔，降低发送速率。

针对用户中心C，用户中心C上行网络数据分为常规IP和IPinIP两种方式，内部接口分别采用KAFKA和网络抓包，常规IP与IPinIP数据复用同一个PDXP数据封装格式承载送至任务中心，两者速率相加不超过当前任务中心逆向传递的本中心上行限速值。

用户中心C上行网络发送步骤如图8所示，其中：

1)初始化IPMap映射表、上行限速表，向OIM发送IPMap映射表、上行限速表申请，接收反馈数据后进行初始化。

2)接收数据注入软件配置项发送的常规网络数据。

3)通过混杂模式抓取指定网卡上收到的所有上行网络数据IP包，源IP地址和目标IP地址必须在IPMap映射表中；其中包括科学应用研究领域的遥科学实时上行指令序列；根据IPMap映射表，查找目标IP地址(载荷或笔记本)所在的应用信息主机，外边加一个IP包头，组成IPinIP包。

4)将前述步骤2)、3)中得到的数据包按照地面中心间PDXP协议格式进行封装并按当前上行限速值发送至任务中心，无需等待任务中心的应答消息。

在空间站工程中，中段调度单元(任务中心)主要采用两级流量缓存的方式对上行网络数据IP包进行流量控制：

一级流量缓存：使用队列对各用户中心及本中心生成的上行网络数据分别进行流量缓存，队列长度为单位时间内(如8秒内)各方向最大上行网络数据量(由任务规划带宽约束)，当该方向网络流量把对应缓存队列填满时，新增上行网络数据将被丢弃；

二级流量缓存：通过信号量的方式汇集接收各一级缓存队列发来的上行网络数据，通过队列对上行网络数据进行综合缓存，当综合缓存队列满时，新增上行网络数据将会丢弃。

实施过程中，一级流量缓存和二级流量缓存均采用队列方式对超标的上行网络数据流量进行丢弃，一级流量缓存与二级流量缓存之间使用条件变量的方式进行通信，实现多个一级流量缓存队列数据对二级流量缓存区的高效传递。调度中转单元(任务中心)两级流量缓存控制上行IP数据关键流程如图9所示，主要处理步骤如下：

步骤1：通过本中心上行网络数据捕获模块将本地上行网络数据放入本地上行网络数据缓存队列，当队列满时，新增上行网络数据将被丢弃；未满时，发出有数据到达信号。

步骤2：通过外来用户中心上行网络数据接收模块，根据外来输入数据来源方向将上行网络数据放置于对应队列缓存，当队列满时，新增上行网络数据将被丢弃；未满时，发出有数据到达信号。

步骤3：通过信号量的通知机制将各用户中心及本中心上行网络数据传递至上行网络数据综合缓存队列，当队列满时，新增上行网络数据将被丢弃。

步骤4：定时器驱动上行网络数据封装发送模块按照任务规划的综合上行网络数据流量要求，将综合缓存队列中的串行网络数据拆分成每个时间区间可发送的最大上行网路数据，按照定时器驱动信号触发提取该区间内待发数据进行IP over CCSDS AOS协议封装，并按地面中心间接口约定将AOS帧封装至PDXP协议中实时发送给中继卫星系统。

末端调制单元(中继卫星系统)主要实施流程如下：

1)中继卫星系统运控中心接收任务中心发送地面接口数据包，实时解析得到中继KSA前向AOS传输帧并向地面终端站转发。运控中心应实现本节点输入/输出流量特征的严格一致，以确保前向KSA流量的稳定性。

2)中继卫星地面终端站按中继前向KSA信道能力约束，将定长AOS帧以固定周期间隔调制发送至中继卫星，由中继卫星转发至空间站中继终端，实现承载着各用户中心及任务中心的综合上行网络数据的空间段传输。

自空间站核心舱发射入轨以来，各用户中心上行网络数据限速效果正常，任务中心对各用户中心多源输入数据接收、调度、封装、发送正常，中继卫星系统接收、调制正常，空间站平台及载荷相关网络终端IP包接收、解析正常。因此，本发明可基于逆向约束传递流量控制策略实现航天器上行网络数据的有效调度与服务质量保障。

对于本发明的方法所涉及的上述各个步骤的序号并不意味着方法执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明的实施方式的实施过程构成任何限定。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制装置，其特征在于，包括：源端发送单元、地面通信网、中段调度单元、末端调制单元、中继前向KSA链路和空间站多个舱段，

所述源端发送单元、所述地面通信网、所述中段调度单元、所述末端调制单元、所述中继前向KSA链路和所述空间站多个舱段依次串接形成前向限速数据传输链，用于传输上行网络数据并对多个方向上行资源进行合理规划调度；

所述末端调制单元、所述中段调度单元和所述源端发送单元依次串接形成逆向约束控制链，用于传导流量控制约束信息。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述源端发送单元用于完成所述源端发送单元的上行网络数据的生成、输出限速和封装发送；

所述中段调度单元用于通过所述地面通信网汇集所述源端发送单元输入的多路数据及所述中段调度单元生成的上行网络数据，根据约定的上行带宽规划结果进行统一调度与流量控制，按照IP over CCSDS AOS协议对串行排队的上行网络数据进行封装后输出至所述末端调制单元；

所述末端调制单元用于接收所述中段调度单元发送的CCSDS AOS数据帧，通过所述中继KSA前向链路发送至所述空间站多个舱段。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述源端发送单元包括多个用户中心，所述用户中心包括数据生成模块、限速控制模块和封装发送模块，

所述数据生成模块用于生成本用户中心的上行网络数据IP包；

所述限速控制模块用于根据所述中段调度单元反馈的源端约束要求对所述上行网络数据IP包进行限速控制，并根据控制调度结果提取所述上行网络数据IP包；

所述封装发送模块用于根据接口约定对所述上行网络数据IP包进行封装并向所述中段调度单元发送数据包交换协议数据包。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述中段调度单元为任务中心，所述任务中心包括接收解封模块、多源输入缓存模块、调度串行排队模块和输出封装模块，

所述接收解封模块用于接收所述多个用户中心的PDXP数据包，解封装后提取上行网络数据IP包；

所述多源输入缓存模块用于接收所述多个用户中心的上行网络数据IP包；

所述调度串行排队模块用于根据控制调度结果提取串行综合上行网络数据IP包并送至所述输出封装模块，并根据所述末端调制单元反馈的包频约束并结合任务规划各方向带宽分配结果，形成对所述多个用户中心的前向传输调度策略以及匹配的源端约束，将源端约束逆向传递至相应的用户中心；

所述输出封装模块用于按照IP over CCSDS AOS协议封装调度后的串行综合上行网络数据IP包，并按所述多个用户中心的接口约定封装后向所述末端调制单元发送数据包交换协议数据包。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述末端调制单元为中继卫星系统，所述中继卫星系统用于对所述任务中心的数据包交换协议数据包解封装以及CCSDS AOS数据帧调制发送，并根据所述中继KSA前向链路的能力将调制端传输帧频约束折算至对所述任务中心的输出包频约束，逆向传递至所述任务中心。

6.一种基于逆向约束传递的航天器上行网络流量控制方法，包括：

步骤101、利用由源端发送单元、地面通信网、中段调度单元、末端调制单元、中继前向KSA链路和空间站多个舱段依次串接形成的前向限速数据传输链传输上行网络数据；

步骤102、利用所述末端调制单元根据所述末端调制单元链路传输帧周期要求传导流量控制约束信息，逆向约束所述中段调度单元的输出端数据帧的发送速率；

步骤103、利用所述中段调度单元结合任务规划的带宽分配结果及业务优先级统筹调度各类业务，进一步逆向约束所述源端发送单元的上行网络数据发送速率，实现航天器上行网络的流量控制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述源端发送单元包括多个用户中心，用于上行网络数据IP包的生成、输出限速和封装发送。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述中段调度单元为任务中心，在所述步骤103中，所述中段调度单元采用的调度策略为多缓冲区机制、带宽调度机制和定时发送机制结合，

所述多缓冲区机制用于对各类业务的上行网络数据IP包进行缓存；

所述带宽调度机制用于根据当前空间任务弧段内的带宽规划结果，对各类业务进行平滑加权队列调度；

所述定时发送机制用于每个空间任务弧段内，预先存储一个时隙的业务数据，并在每个时隙中按照该空间任务弧段预先计算的时间序列图样依次从各类业务队列中读取数据包放入待发送批次，无数据则读空，待时间序列图样扫描完毕后则即时对外发送该批次数据。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤103中，所述中段调度单元采用两级流量缓存的方式对上行网络数据IP包进行流量控制，一级流量缓存和二级流量缓存均采用队列方式对超标的上行网络数据IP包进行丢弃，一级流量缓存与二级流量缓存之间使用条件变量的方式进行通信，实现多个一级流量缓存队列数据对二级流量缓存区的传递。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述末端调制单元为中继卫星系统。

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