一种基于移动代理的卫星网服务质量保证方法

摘要

本发明的目的是提供一种基于移动代理的卫星网服务质量保证方法，来解决各种QoS业务在卫星网传输中端到端的服务质量保证问题。本发明提出的方法使得卫星网上不需要专门的资源预留信令协议，而是通过移动代理之间的协商为QoS路径分配所需的带宽资源，利用移动代理监测卫星节点和链路的变化，对链路切换、链路失效或者节点失效自主地、动态地做出反应，保持资源预留信息的准确性，同时利用移动代理实现了资源预留的协商，从而满足更多的QoS请求。通过使用本发明提出的方法可以在传送数据之前，根据业务的QoS需求进行网络资源预留，为该数据流提供端到端的QoS保证，并且可以对资源预留进行协商。

说明书

技术领域

本发明是一种基于移动代理的卫星网服务质量保证方法。主要用于解决各种QoS(Quality of Service，服务质量)业务在卫星网传输中端到端的服务质量保证问题，属于卫星网络通信技术领域。

背景技术

随着不断增长的交互式实时多媒体业务和移动性的需求，卫星网必将成为全球移动通信系统的重要组成部分，全球无缝覆盖、移动性、无地域限制和提供QoS保证已经成为全球移动通信系统重要特征。卫星网络动态变化的拓扑、有限的星上处理能力和宇宙空间的背景噪音等这些特殊的因素使得卫星网络QoS技术面临着特别的挑战。

智能代理特别是移动代理目前已经成为一个极具活力和影响力的研究领域。移动代理是具有移动特性的智能代理，它是包含代码、数据以及执行语境的软件包，可以在执行的过程中，有目的、自治地在网络中移动，利用分布资源的交互而完成分布任务的软件实体。移动代理技术能有效地节约网络带宽、克服网络延迟、提高通信效率、支持断连操作、支持异步自主交互、可动态适应网络环境。移动代理技术是分布式技术与代理技术相结合的产物，具有自主性、反应性、导向目标性、针对环境性和移动性等特点，它的出现，给分布式计算和移动计算带来了巨大的革新。

为了解决QoS问题，IETF(Internet Engineer Task Force，互联网工程任务组)提出了集成服务的模型。集成服务的基本思想是在传送数据之前，根据业务的QoS需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的QoS保证。RSVP(Resource ReSer Vation Protocol，资源预留协议)是集成服务的核心，是一种信令协议，用来通知网络节点预留资源。资源预留用于实现对QoS要求较为严格的实时业务的传输。RSVP的设计采用了在路由器和主机中建立和维护流量控制与RSVP的“软”状态，即通过周期性地发送刷新消息来维护节点上的状态，如果超过一定的时间没有收到刷新消息，则相应的状态被删除。资源预留协议在地面网络中得到广泛的应用，但卫星网络拓扑的动态变化导致频繁切换，链路状态信息实时变化，卫星链路中存在着高误码率、时延过大，带宽不对称的问题，以上这些特点，使得以信令传输来实现资源预留的RSVP，无法在卫星网环境中高效应用。

卫星网拓扑的动态变化，一方面，使得资源预留协议增加了大量的状态维护信令，另一方面，RSVP的刷新消息机制使得真实的链路信息和预留信息得不到及时的更新，造成了网络资源的浪费。而卫星链路高误码率、时延过大、带宽不对称的问题影响信令的正确传输，使得链路中存在大量的信令，增加了拥塞的可能。在卫星网中使用RSVP存在不足之处，因此需要新的服务质量保证方法被提出来实现卫星网端到端服务质量的保证。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于移动代理的卫星网服务质量保证方法，来解决各种QoS业务在卫星网传输中端到端的服务质量保证问题。通过使用本发明提出的方法可以在传送数据之前，根据业务的QoS需求进行网络资源的预留，为该数据流提供端到端的QoS保证，并且可以对资源预留进行协商。

技术方案：本发明的卫星网服务质量保证方法是通过移动代理间的协商为QoS路径分配相应的带宽资源，同时利用移动代理的自主性、针对环境性、智能性和移动性的特点，实时监测卫星节点和链路的变化，保持资源预留信息的准确性，并且对资源预留进行协商。

本发明的基于移动代理的卫星网服务质量保证方法通过移动代理之间的协商为QoS路径分配所需的带宽资源，其步骤如下：

步骤1：接入卫星节点接收到用户的QoS业务请求，通过QoS映射模块把业务需求转化为QoS参数，产生预留代理，同时把QoS参数、本地地址和目的卫星地址加载到预留代理中，预留代理为QoS路径申请带宽资源；

步骤2：预留代理迁移到一个中间节点时，预留代理与信息代理交互，根据业务特点和QoS要求来计算出所需的资源，调用程序来判断是否接受该业务流；如果接受，就会分配相应的带宽和缓冲空间并记录该数据流的相关状态消息，对带宽资源进行预留，预留代理迁移到下一个卫星节点，如果拒绝，则向源卫星节点发送协调代理通知源卫星节点启动资源预留协商模块同时销毁预留代理；

步骤3：如果预留代理到达了目的节点，若目的节点没有发生星地切换，则发送一个确认代理给源卫星节点通知其资源预留成功同时销毁预留代理，若监测代理发现目的卫星此时没有覆盖地面接收端，则发送撤销代理来释放已经预留的资源，同时发送移动代理通知源卫星节点进行重路由，重新产生预留代理为QoS路径申请带宽资源；

步骤4：如果源卫星节点接收到确认代理，通过监测代理判断源卫星节点有没有发生星地切换；若没有发生切换，接受用户的QoS请求，同时调用控制信息加载模块，对接收到的数据分组分组头进行扩展，保存带宽资源预留路径的控制信息，若发生切换，向目的卫星节点发送撤销代理来释放已经预留的资源，进行重路由，重新产生预留代理为QoS路径申请带宽资源；

步骤5：如果监测代理发现卫星发生星间切换或链路失效，且卫星中保存有带宽资源预留的信息，该卫星产生撤销代理，并携带使用该切换链路资源的预留数据流信息，向其他节点迁移，若迁移到的节点含有跟撤销代理中相同的预留数据流信息的话，对该数据流预留的资源进行撤销；若在迁移中若遇到确认代理或预留代理，撤销代理跟它们进行交互，判断撤销代理中的预留数据流信息是否包含了确认代理或预留代理的数据流信息，如果包含了，发送移动代理通知源卫星节点进行重路由，重新产生预留代理为QoS路径申请带宽资源，对确认代理或预留代理进行销毁。

所述的预留协商模块，当预留代理为QoS路径申请所需的带宽资源时发现某节点的资源不满足时，启动了预留协商模块对该QoS请求进行协商，具体流程如下：

步骤21：如果用户所需的资源跟卫星节点剩余资源相差较小时，发送协商代理跟用户进行协商，询问是否可以降低服务要求，倘若用户许可，修改预留代理的QoS参数信息，同时在该节点分配相应的带宽和缓冲空间并记录该数据流的相关状态消息，预留代理迁移到下一节点，继续为QoS路径申请带宽资源；

步骤22：如果用户不同意降低服务要求，判断链路资源是否分配给了非QoS路径或者服务要求等级比较低的QoS路径，如果是，则释放一定的资源，来满足新的QoS请求，否则，协商失败；

步骤23：如果用户所需的资源跟卫星节点剩余资源相差较大或协商失败时，发送拒绝代理通知源卫星节点拒绝QoS请求，并发送撤销代理释放已经预留的资源。

有益效果：本发明方法提出了一种卫星网服务质量保证方法，主要用于解决各种QoS业务在卫星网传输中端到端的服务质量保证问题。通过使用本发明提出的方法使得卫星网上不需要专门的资源预留信令协议，通过移动代理之间的协商为QoS路径分配相应的带宽资源，节约了网络资源，克服了卫星链路延时和拥塞对预留确认信息正确传输的影响，利用移动代理监测卫星节点和链路的变化，对链路切换、链路失效或者节点失效自主地、动态地做出反应，保持资源预留信息的准确性，同时利用移动代理的特点实现资源预留的协商，从而满足更多的QoS请求。

协议无关性：各种卫星网路由协议可以通过本发明方法来实现端到端服务质量的保证，用于对QoS要求较为严格的实时业务的传输。

具有动态适应性：卫星网络拓扑变化较快，本发明方法中移动代理和卫星网络进行交互，感知卫星节点和链路的变化，对链路切换、链路失效或者节点失效自主地、快速地做出反应，一方面，保持卫星网链路状态信息和资源预留信息的准确性，另一方面，失效的预留资源能够得到及时释放，节约了卫星网络的带宽资源。

克服卫星网带宽不对称的问题：在卫星链路上带宽的不对称，反向链路的延时和拥塞影响预留确认信息的正确传输。本发明方法通过移动代理携带预留确认信息的迁移来实现确认信息的传输，预留确认信息的传送跟数据流的传送相互独立，使得预留确认信息能及时的传送到接收卫星，缩短了用户QoS请求的等待时间。

节约网络资源：本发明方法不使用信令传输，而通过移动代理之间交互来实现资源预留，减少了网络中信令传输的开销，节约了网络资源，减少了卫星网络拥塞的可能性。特别是在卫星网络带宽不足的情况下，使用本发明方法可以有效的节省网络负载。

可扩展性：本发明方法适用于类似极地轨道星座的单层卫星网络，同时也可在多层卫星体系结构。

附图说明

图1是基于移动代理的卫星网服务质量保证方法总体结构图。

图2是移动代理体系架构图。

图3基于移动代理的资源预留模块的工作流程。

图4是基于移动代理的卫星网监测模块的工作流程。

图5是基于移动代理的预留协商模块的工作流程。

具体实施方式

本发明的基于移动代理的卫星网服务质量保证方法由服务质量的映射、资源的预留、卫星网络的监测和资源预留的协商四部分组成。通过服务质量的映射把用户的业务需求转化为网络层能识别的带宽、时延、时延抖动、丢包率等QoS参数，通过资源预留为QoS路径分配了相应的带宽资源，通过卫星网络的监测来判断卫星链路是否发生切换或卫星节点和链路是否失效，使预留的资源得到更新，通过资源预留的协商来满足更多的QoS请求。本发明的服务质量保证方法被描述如下：

1)用户发出QoS请求，接收卫星通过服务质量的映射把该请求转化为QoS参数，并把QoS参数加载到预留代理；

2)发送预留代理按照路由协议计算的QoS路径迁移申请所需的带宽资源，可以得到以下三种情况：

● 资源申请成功

向源卫星节点发送确认代理通知其QoS路径资源申请成功(预留成功)，倘若源卫星节点收到确认代理时未发生星地切换或者没有接收到撤销代理对预留数据流的资源释放消息，则接受QoS请求，否则重新为QoS路径申请所需的带宽资源。

● 资源预留的协商

如果用户所需的资源跟卫星节点剩余资源相差较小时，发送协商代理跟用户进行协商，询问是否可以降低服务要求，倘若用户许可，协商成功，倘若用户不同意降低服务要求，判断资源是否分配给接受连接的非QoS路径或者服务要求等级比较低的QoS路径，如果有，则释放一定的资源，来满足新的QoS请求，协商成功，否则，协商失败。

● 资源申请失败

用户所需的资源跟卫星节点剩余资源相差较大、协商失败或请求门限时间内资源预留未完成的情况下，发送拒绝代理通知源卫星节点拒绝QoS请求，并发送撤销代理释放已经预留的资源。

3)资源预留协商成功的预留代理继续为QoS路径申请所需的带宽资源直到资源申请成功或者失败为止。

4)对于因卫星切换、卫星节点失效或卫星链路失效而产生的重新资源申请，倘若在请求门限时间内资源申请未完成，那么宣告资源申请失败。

一、体系结构

基于移动代理的卫星网服务质量保证方法是通过端到端资源预留来实现的。本发明方法的资源预留通过移动代理之间的协商来完成，不但节约了网络资源，而且克服了卫星链路延时和拥塞对预留确认信息正确传输的影响，其中，QoS映射模块、资源预留模块、控制信息加载模块、监测模块和预留协商模块是实现本发明方法的主要功能部件，下面就对几个具体部分给出说明：

QoS映射模块：把用户的业务需求转化为带宽、时延、时延抖动、丢包率等QoS参数。

资源预留模块：在该模块中，实现了信息的收集、资源的预留和资源的撤销，通过信息代理、预留代理、确认代理、撤销代理等一系列移动代理来完成。主要的移动代理的作用如下：

信息代理：用来自主地动态收集并保存卫星链路的状态信息和时延、带宽、丢包率等实时QoS信息。

预留代理：携带了QoS请求业务数据分组的源卫星地址、目的卫星地址和用户需求的带宽、时延、时延抖动、丢包率等QoS参数等数据，来进行QoS路径的资源预留。

确认代理：用来返回预留确认信息通知接收端QoS路径预留成功。

拒绝代理：用来通知接收端QoS路径预留失败，拒绝用户QoS请求。

撤销代理：用来对失效的预留资源进行释放。资源释放是通过释放分配的带宽和缓冲空间并删除数据流的状态消息来实现的。

控制信息加载模块：用于增加数据分组的控制信息扩展头。把数据流的相关控制消息加载到数据分组，跟卫星节点中记录的预留数据流状态消息相对应，使得数据分组的传输不需要额外的控制分组，数据分组能够独立地传输，减轻网络的负载。

监测模块：在预留代理进行资源预留和QoS数据流传输时利用监测代理监测卫星是否发生卫星链路切换、卫星节点失效或者卫星链路失效。对于星间链路切换和卫星链路失效，链路两端的卫星节点通过发送撤销代理来释放预留资源，对于卫星节点失效，移动代理的反应性使其能及时的感知卫星节点的失效，移动代理对卫星节点存储的预留数据流信息进行备份，并通过撤销代理携带这些信息迁移到所有的邻居节点，撤销代理的预留资源释放处理过程跟星间链路切换和卫星链路失效的情况一样。

预留协商模块：在该模块中，对用户所需的资源跟卫星节点剩余资源相差较小的卫星发送移动代理与用户协商来降低服务质量要求或释放一些已预留的资源来满足新的请求，如果协商失败或卫星节点剩余资源跟用户所需的资源相差较大时，拒绝用户的QoS请求。

二、方法流程

本发明方法通过移动代理之间的协商为QoS路径分配所需的带宽资源，其步骤如下：

(1)接入卫星节点接收到用户的QoS业务请求，通过QoS映射模块把业务需求转化为QoS参数，产生预留代理，同时把QoS参数、本地地址和目的卫星地址加载到预留代理中，预留代理为QoS路径申请所需的带宽资源；

(2)预留代理迁移到一个中间节点时，预留代理与信息代理交互，根据业务特点和QoS要求来计算出所需的资源，调用程序来判断是否接受该业务流；

a.如果接受，就会分配相应的带宽和缓冲空间并记录该数据流的相关状态消息，对带宽资源进行预留，预留代理迁移到下一个卫星节点；

b.如果拒绝，则向源卫星节点发送协调代理通知源卫星节点启动预留协商模块同时销毁预留代理；

(3)如果预留代理到达了目的节点，若目的节点没有发生星地切换，则发送一个确认代理给源卫星节点通知其资源预留成功同时销毁预留代理，若监测代理发现目的卫星此时没有覆盖地面接收端，则发送撤销代理来释放已经预留的资源，同时发送移动代理通知源卫星节点进行重路由，重新产生预留代理为QoS路径申请带宽资源；

(4)如果源卫星节点接收到确认代理，通过监测代理判断源卫星节点有没有发生星地切换；

a.若没有发生切换，接受用户的QoS请求，同时调用控制信息加载模块，对接收到的数据分组分组头进行扩展，保存资源预留路径的控制信息；

b.若发生切换，向目的卫星节点发送撤销代理来释放已经预留的资源，进行重路由，重新产生预留代理为QoS路径申请带宽资源；

(5)如果监测代理发现卫星发生星间切换或链路失效，且卫星中保存有预留资源的信息，该卫星产生撤销代理，并携带使用该切换链路资源的预留数据流信息，向其他节点迁移，若迁移到的节点含有跟撤销代理中相同的预留数据流信息的话，对该数据流预留的资源进行撤销。若在迁移中若遇到确认代理或预留代理，撤销代理跟它们进行交互，判断撤销代理中的预留数据流信息是否包含了确认代理或预留代理的数据流信息，如果包含了，发送移动代理通知源卫星节点进行重路由，重新产生预留代理为QoS路径申请带宽资源，对确认代理或预留代理进行销毁；当预留代理在为QoS路径申请所需的带宽资源时发现某节点的资源不满足时，启动了预留协商模块对该QoS请求进行协商，具体流程如下：

步骤21：如果用户所需的资源跟卫星节点剩余资源相差较小时，发送协商代理跟用户进行协商，询问是否可以降低服务要求，倘若用户许可，修改预留代理的QoS参数信息，同时在该节点分配相应的带宽和缓冲空间并记录该数据流的相关状态消息，预留代理迁移到下一节点，继续为QoS路径申请带宽资源；

步骤22：如果用户不同意降低服务要求，判断链路资源是否分配给了非QoS路径或者服务要求等级比较低的QoS路径，如果是，则释放一定的资源，来满足新的QoS请求，否则，协商失败；

步骤23：如果用户所需的资源跟卫星节点剩余资源相差较大或协商失败时，发送拒绝代理通知源卫星节点拒绝QoS请求，并发送撤销代理释放已经预留的资源。