空间网络与地面网络间的交互方法及通信协议网关

摘要

本发明涉及一种空间网络与地面网络间的交互方法及通信协议网关。该交互方法包括：基于因特网呈分布式互联的通信协议网关通过本地主通道监听并接收网络传输包；识别网络传输包的传输网络类别，根据传输网络类别将网络传输包分配给空地分通道、地空分通道、空空分通道或地地分通道；空地分通道和地空分通道对网络传输包进行协议转换后发送；空空分通道或地地分通道对网络传输包进行处理后发送。该通信协议网关包括主通道、空地分通道、地空分通道、地地分通道和空空分通道。本发明采用通信协议网关进行协议转换，可以实现空间网络和地面网络之间的便捷交互，采用通道形式处理各个网络传输包，可以提高处理效率，避免产生数据传输瓶颈。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术，尤其涉及一种空间网络与地面网络间的交互方法及通信协议网关。

背景技术

近年来，移动通信网络逐渐过渡到由多种互相覆盖的异构网组成，各种异构网可以划分为两类：空间网络和地面网络。空间网络是指采用空间通信技术形成的网络，诸如卫星网，又诸如宇宙飞船、空间站、航天飞机、空天飞机等航天器通过空间链路互通互联组成的移动自组织网络等；地面网络是指采用地面通信技术形成的网络，诸如蜂窝网、移动主机构成的移动自组织网络、全球微波互联接入(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess；以下简称：WiMAX)网络及无线局域网络(Wireless Local AreaNetworks；以下简称：WLAN)等。

移动通信网络的发展趋势是使各种网络从隔离到互通、从互通到协同的演进，通过网络间的协同，对分离的、局部的优势能力与资源进行有序的整合，从而最终使系统拥有自愈、自管理、自发现、自规划、自调整、自优化等一系列新的功能，更加智能化，实现面向用户的自由、透明而无缝的空天地一体化信息网络。

随着空间网络通信和地面互联网技术的不断发展，卫星间、卫星与地面网络间以及地面各网络系统间信息的交叉传输不断增多，这就要求有一套统一、兼容、高效的空间通信协议来保障。但是，目前空间网络的通信协议并没有统一的设计和建设，这在星地和星间通信中尤其明显。为了适应空间技术的发展要求，1982年由8个美国国内及国际上的空间机构，例如美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration；以下简称：NASA)、欧洲航天局(European Space Agency；以下简称：ESA)等发起成立了空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space DataSystem；以下简称：CCSDS)，其目标是实现端到端系统的数据通信和处理。近20年来，CCSDS推出了一整套技术标准(建议书)，其中一部分已直接转化为国际标准化组织(ISO)的正式国际标准，我国的卫星通信也已开始使用CCSDS空间数据标准。而各地面通信系统在互联网的迅速发展下，已基本全部采用全IP通信方式，以支持各种各样的应用要求，实现了地面通信协议的大统一。

针对空间网络与地面网络之间的数据传输解决方案，近年来NASA开展了“OMNI(Operating Missions as a Nodes on the Internet)”项目，其思想是将商用因特网(Int erne t)延伸到航天器，实现随时随地以最经济、最便捷的方式为地面最终用户提供与其航天器的端到端的全IP连接，目前正处在试验阶段。

但是，上述解决方案在实施过程中存在如下缺陷：卫星系统在任务多样复杂、缺乏统一标准的情况下，往往采用各自独立开发的通信协议，在短期内将所有空间网络更新为基于IP原理传输数据的可行性低、成本高，会消耗大量的资金与研究力量，而且不能很好地与地面网络相结合。

20世纪80年代，CCSDS相继制定了包遥测协议和遥控系列标准。为了满足诸如国际空间站等高级在轨系统的通信要求，CCSDS对以上两个标准(COS)进行了扩展，提出了高级在轨系统标准(AOS)。地面网络在当前有两种可选的网络接入方式：面向连接的异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode；以下简称：ATM)与无连接的IP。传统网关大多针对上述特定的网络系统设计，实现某种特定的业务功能，不易扩展到其他网络系统。如：CCSDS制定的AOS与ATM协议之间的转换；基于无连接路由协议的IP多播协议，如何将地面网络的多播信息转换为卫星网的多播信息；对航天器采用固定的分配IP，进行AOS和IP协议之间的转换等。因此，传统网关的协同性差，网关内部结构往往耦合度较高，易成为大容量数据传输的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间网络与地面网络间的交互方法及通信协议网关，以高效实现空间网络和地面网络之间的数据传输。

为实现上述目的，本发明提供了一种空间网络与地面网络间的交互方法，包括：

步骤100、基于因特网呈分布式互联的通信协议网关，通过本地主通道监听并接收网络传输包；

步骤200、所述通信协议网关识别所述网络传输包的传输网络类别，当识别到所述传输网络类别为空地传输或地空传输时，执行步骤300，当识别到所述传输网络类别为空空传输或地地传输时，执行步骤400；

步骤300、所述通信协议网关根据所述传输网络类别将所述网络传输包传送至本地的空地分通道或地空分通道，并进行协议转换，而后执行步骤500；

步骤400、所述通信协议网关根据所述传输网络类别将所述网络传输包传送至本地的空空分通道或地地分通道进行处理，并执行步骤500；

步骤500、所述通信协议网关将分通道中的网络传输包发送至对应网络。

为实现上述目的，本发明还提供了一种通信协议网关，包括主通道、空地分通道、地空分通道、地地分通道和空空分通道，其中

所述主通道包括：

监听接收模块，用于基于因特网监听并接收网络传输包；

传输网络类别识别模块，用于识别所述网络传输包的传输网络类别；

分配模块，用于根据识别到的传输网络类别将网络传输包传送至所述空地分通道、地空分通道、空空分通道或地地分通道，

所述空地分通道和地空分通道分别包括：

解封装模块，用于根据所述网络传输包的源网络协议进行解封装操作，获取传输信息；

协议转换模块，用于对所述网络传输包进行协议转换；

封装模块，用于根据所述网络传输包的下一跳网络协议进行封装操作，根据所述传输信息和下一跳网络地址填写封装新的网络传输包；

第一发送模块，用于发送新的网络传输包至对应的网络，所述地地分通道和空空分通道分别包括：

处理模块，用于对所述网络传输包进行处理；

第二发送模块，用于发送处理后的网络传输包至对应的网络。

由以上技术方案可知，本发明采用通信协议网关进行协议转换，可以实现空间网络和地面网络之间的端到端交互；通信协议网关采用通道形式处理各个网络传输包，可以提高处理效率，避免产生数据传输瓶颈；各个分通道中的功能模块独立，顺序对网络传输包进行操作，形成层次化、模块化的处理，有利于提高处理效率。

附图说明

图1为本发明空间网络与地面网络间的交互方法所基于的网络架构图；

图2为图1中网络软交换中心的策略服务器的结构示意图；

图3为本发明第一实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法流程图；

图4为本发明第二实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法流程图；

图5为本发明第二实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法中网络传输包传输路径示意图；

图6为本发明第二实施例中所基于的通信协议网关结构示意图；

图7为本发明第三实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法中传输网络连接请求的流程图；

图8为本发明第三实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法中传输网络连接响应的流程图；

图9为本发明第三实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法中网络传输包传输路径示意图；

图10为本发明第四实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法流程图；

图11为本发明第四实施例中所采用的地面网络传输包一种帧结构的示意图；

图12为本发明第四实施例中所采用的空间网络遥控包一种帧结构的示意图；

图13为本发明第四实施例中所采用的空间网络遥测包一种帧结构的示意图；

图14为本发明第六实施例所提供的通信协议网关中主通道的结构示意图；

图15为本发明第六实施例所提供的通信协议网关中空地分通道或地空分通道的结构示意图；

图16为本发明第六实施例所提供的通信协议网关中空空分通道或地地分通道的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明空间网络与地面网络间的交互方法所基于的网络架构图，如图1所示，按照地域或行政区等特征可以将通信网络划分为多个区域，例如图1所示的区域A、区域B、区域C、区域D和区域E等。在每个区域中，都由多种不同的网络所覆盖，例如区域A可以由WiMAX网络、WLAN、卫星网(Satelite)和蜂窝网(Cellular)等网络所覆盖。在上述网络架构中布设有多个网络软交换中心(Network Soft-switch Center；以下简称：NSC)1，例如NSC A、NSC B、NSC C、NSC D和NSC E等，各NSC 1基于IP协议通过Internet实现互联，构成全球网络软交换中心系统(Global NetworkSoft-switch Centers system；以下简称：GNSC system)。各NSC 1之间采用了静态路由和动态路由相结合(Cooperative Static and Dynamic Routing；以下简称：CSDR)的路由方式，即骨干NSC 1之间采用静态路由(Staticrouting)，图1中以实线表示；非骨干NSC 1之间采用动态路由(Dynamicrouting)的方式连接，图1中以虚线表示。从而提高效率，减小时延，增强网络协同性。各区域中的终端通过该区域内的某个网络连接至对应的NSC 1。NSC 1并不限于与某区域或某网络一一对应，可以为多多对应等形式。上述网络架构能够实现分布式控制，每个NSC 1可以负责对应区域的网络优化和该区域与其他区域间的网络协同通信。该网络架构具有较高的灵活性，可以根据网络的实际部署情况，以分布式方式扩展具有网络管理功能的节点。

图2为图1中网络软交换中心的策略服务器的结构示意图。每个NSC 1中至少设置一个策略服务器，其是分布式控制的决策中心，在核心控制层面与传送承载层面进行协调沟通。策略服务器可以包括如下功能模块：用户接入控制(User Access Control；以下简称：UAC)模块8、子网接入控制(Sub-Network Access Control；以下简称：SNAC)模块7、网络状态估计(Network Condition Estimation；以下简称：NCE)模块6、控制策略(ControlStrategy Set；以下简称：CSS)模块5、地区内部网络连接(Intra-connection)模块3以及地区间的网络连接(Inter-connection)模块4。其中，CSS模块5用于根据网络运行状况为用户选择最好的空闲网络，即指导用户所传输数据的路由，决定实施地区内部网络连接或者地区间网络连接的链路路径。

在进行本发明的研究过程中，发明人发现：国际上空中实验与地面通信使用的空-空链路和空-地链路在未来相当长的时间内势必仍采用CCSDS标准协议，因此开展协议转换，即网关技术研究来实现空间网络与地面网络间的无阻通信是非常必要且有深远意义的。本发明所基于的上述网络架构中还引入了通信协议网关(GateWay；以下简称：GW)2，以分布式方式嵌入Internet中，与NSC 1分别相连，负责在区域内和/或区域间连接各种网络，实现网络间的端到端交互，尤其是空间网络与地面网络之间的交互。通信协议网关2可以与NSC 1一一对应的连接，也可以是多对一或一对多关系，这可以根据业务流量的需要来设计。通信协议网关2可以是独立于NSC 1的一个网元，也可以是集成在NSC 1中的模块。各个通信协议网关2可通过NSC 1的路由方式互相联系，也可通过Internet相互直接联系(图1中未示出完全连接路径)。本发明的空间网络与地面网络间的交互方法即主要由通信协议网关2来实现的，下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

第一实施例

图3为本发明第一实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法流程图。本实施例的方法可以基于图1所示的网络架构，由通信协议网关来实现，具体步骤如下：

步骤100、基于Internet呈分布式互联的通信协议网关，通过本地主通道监听并接收网络传输包；

步骤200、通信协议网关识别网络传输包的传输网络类别，当识别到传输网络类别为空地传输或地空传输时，执行步骤300，当识别到传输网络类别为空空传输或地地传输时，执行步骤400；

步骤300、通信协议网关根据传输网络类别将网络传输包传送至本地的空地分通道或地空分通道，并进行协议转换，而后执行步骤500；

步骤400、通信协议网关根据传输网络类别将网络传输包传送至本地的空空分通道或地地分通道进行处理，并执行步骤500；

步骤500、通信协议网关将分通道中的网络传输包发送至对应网络，具体可以发送给对应网络中接收网元内的指定应用过程，例如广播或组播程序等。

采用本实施例的技术方案，通信协议网关内基于通道实现通信，由主通道监听并接收网络传输包，而后根据网络传输包的类别将其分配至分通道进行处理，可以对空地、地空类别的网络传输包进行协议转换，实现了空间网络和地面网络之间的无阻交互，而且对现有空间网络和地面网络的改进较小，尤其是无须调整目前空间网络所基于的CCSDS标准，因此可行性好、成本低。另外，各分通道可以并行对空地、地空、地地或空空的网络传输包进行处理，处理效率提高，避免了网关成为网络传输的瓶颈。

第二实施例

图4为本发明第二实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法流程图。本实施例的方法仍然可以基于图1所示的网络架构，由通信协议网关与NSC配合来实现。图5为本发明第二实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法中网络传输包传输路径示意图，图中示出了两种类似的传输情况。其中一种传输情况具体为NSC B负责地区的卫星网络中的终端通过NSC A及对应的GW A向NSC A负责地区的地面蜂窝网络中的终端发送请求数据，蜂窝网络中的终端在接收到请求数据后向卫星网络中的终端返回响应数据的过程。第二种传输情况具体为NSC A负责地区的地面WiMAX网络中的终端通过NSC B及对应的GW B向NSC B负责地区的卫星网络中的终端发送请求数据，卫星网络中的终端在接收到请求数据后向WiMAX网络中的终端返回响应数据的过程。图5中点划线为请求数据的发送路径，虚线为响应数据的发送路径，请求数据和响应数据都属于网络传输包的一种。下面以第二种情况为例，详细说明具体步骤。

具体步骤如下：

上述实施例的步骤100具体可以为：

步骤110、基于Internet呈分布式互联的NSC接收用户终端发起的网络传输包，该NSC可以是接收到该网络传输包的第一跳网元，也可以是接收到被转发后的网络传输包的第N跳网元，其中N为自然数，本实施例中具体是NSC B接收WiMAX网络中的终端发起的网络传输包；

步骤120、该NSC B根据网络运行情况和该网络传输包中的目的网络地址确定该网络传输包的下一跳网络地址，同时确定能够到达该下一跳网络的网关地址，并将该下一跳网络地址和网关地址均添加到该网络传输包中。具体的，网络传输包中通常包含有目的网络地址，NSC B中的策略服务器可以进行策略分配，例如具体由CSS根据当前网络运行情况，诸如网络带宽占用率、网元负荷等参数，结合目的网络地址为网络传输包选择一较优的传输路径；

步骤130、与NSC B相连的通信协议网关(GW)采用设定加权频率周期性地监听NSC B。通信协议网关可以连接一个NSC，也可以连接多个，当GW B监听到NSC B中存在网关地址为本机地址的网络传输包时，GW B通过本地主通道接收该网络传输包。

在上述方案的基础上，通信协议网关监听所采用的设定加权频率经初始化之后，在监听过程中是可以进行调整，具体的，在上述步骤130之前，还可以包括下述步骤：

步骤D10、统计设定时间内到达GW B的网络传输包的数量Q，其中，k·f为设定加权频率，f为大于零的常数，k为频率变化系数，且0＜k₁≤k≤k₂，k₁和k₂为设定的常数；

步骤D20、首先要初始化频率变化系数k，判断监听采用的设定加权频率k·f是否满足业务流量速度变化要求，业务流量速度即是时间内到达该网关的网络传输包的数量Q，则按照公式(1)计算流量与设定加权频率的比值r：

$r=\frac{Q}{k·f}---\left(1\right)$

并比较比值r与最小门限值r₁和最大门限值r₂，若r₁≤r≤r₂，则表示设定加权频率满足业务流量速度变化要求，执行步骤130，否则，当r＜r₁或r＞r₂时执行步骤D30；

步骤D30、在0＜k₁≤k≤k₂的范围内调整频率变化系数k，并根据调整后的频率变化系数k重新计算比值r；

步骤D40、识别比值r，若r₁≤r≤r₂，则取调整后的频率变化系数k，此次调整可以进行多次，直至r₁≤r≤r₂，若在0＜k₁≤k≤k₂范围内始终是r＜r₁，即$\frac{Q}{k·f}<r_1,$或调整设定次数后仍然是$\frac{Q}{k·f}<r_1,$则设定k＝k₁，若在0＜k₁≤k≤k₂范围内始终是r＞r₂，即$\frac{Q}{k_2·f}<r_2,$或调整设定次数后仍然是$\frac{Q}{k_2·f}<r_2,$则设定k＝k₂；

步骤D50、根据调整后的频率变化系数k更新设定加权频率k·f，并执行步骤130。采用上述方案，通信协议网关可以根据业务流量变化调整设定加权频率，以便及时获取网络传输包，且不浪费带宽资源。具体可以对设定加权频率的最大值和最小值分别进行限定，根据业务流量的增大或减少的速度，相应地提高或降低周期性监听频率增大或减小的变化系数。

在执行步骤200之前，可以执行下述步骤：

步骤A10、GW B识别网络传输包的传输区域类别，当识别到传输区域类别为区域间传输时，执行步骤A20，当识别到传输区域类别为区域内传输时，执行步骤A30，识别传输区域类别的方法可以是从网络传输包中解析获取上一跳网络地址和下一跳网络地址，据此识别该网络传输包是在区域内传输还是从其他区域传输至本区域中的区域间传输。网络传输包经逐跳转发后，每一跳网络地址可以携带在网络传输包之中；

步骤A20、GW B根据传输区域类别将网络传输包传送至本地的区域间分通道进行处理，并跳过步骤A30执行后续步骤；

步骤A30、GW B根据传输区域类别将网络传输包传送至本地的区域内分通道进行处理，并执行后续步骤。

步骤200具体可以包括下述步骤：

步骤210、GW B从该网络传输包中解析获取上一跳网络地址和下一跳网络地址；

步骤220、GW B根据上一跳网络地址和下一跳网络地址识别网络传输包的传输网络类别，所谓传输网络类别是指网络传输包是从哪个网络传输至哪个网络的，根据上一跳网络地址和下一跳网络地址可以识别网络传输包的上一跳网络和下一跳网络。当识别到传输网络类别为空地传输或地空传输时，执行步骤300，当识别到传输网络类别为空空传输或地地传输时，执行步骤400；

步骤300、GW B根据传输网络类别将网络传输包传送至本地的空地分通道或地空分通道，并进行协议转换，而后执行步骤500；

步骤400、GW B根据传输网络类别将网络传输包传送至本地的空空分通道或地地分通道进行处理，并执行步骤500；

步骤500、GW B将分通道中的网络传输包发送至对应网络，具体可以为发送给对应网络中接收网元内的指定应用过程，可以根据网络传输包中的目的网络地址或是下一跳网络地址发送网络传输包，本实施例中具体是GW B将协议转换后的网络传输包传输给卫星网络。

此后，还可以包括卫星网络将作为响应数据的网络传输包返回WiMAX网络中终端的过程。具体的，卫星网络可以将网络传输包发送给NSC B，NSC B可分配给GW B处理，GW B将网络传输包作协议转换后再发送到WiMAX网络终端，如图5所示。按照上述方式传递的网络传输包是逐跳发送的，请求数据的传递路径和响应数据的传递路径可以相同或不同，如：卫星网络也可以将作为响应数据的网络传输包发送给NSC A，NSC A可分配给GW A处理，GW A将网络传输包作协议转换后再发送到WiMAX网络终端。在传递过程中，NSC可以实时地根据网络运行情况对下一跳路径进行优化。通常，可以通过上述方式传递实时性要求低、对时延不敏感的数据。

在本实施例中，通信协议网关是基于通道方式实现通信的，图6为本发明第二实施例中所基于的通信协议网关结构示意图，如图6所示，通信协议网关包括主通道20，主通道20下设置区域间分通道21和区域内分通道22，区域间分通道21下设置空地分通道211、地空分通道212、地地分通道213和空空分通道214，区域内分通道22下设置空地分通道221、地空分通道222、地地分通道223和空空分通道224。各种类别的网络传输包在分通道内并行异步处理，各网络传输包在分通道内以逐个进程的方式进行处理。在上述步骤300或步骤400中，当网络传输包被传送至分通道之后，还包括步骤B10，通信协议网关可以为网络传输包设置服务优先级，以指示分通道内处理各网络传输包的进程次序。

上述步骤A10～A30不仅可以在步骤200之前执行，也可以在步骤400中，执行步骤500之前，执行步骤A10～A30，则先识别传输网络类别，再识别传输区域类别，相应调整分通道的设置关系即可。

第三实施例

图7为本发明第三实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法中传输网络连接请求的流程图，图8为本发明第三实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法中传输网络连接响应的流程图。本实施例可以上述第一实施例为基础，仍然可以基于图1所示的网络架构，由通信协议网关与NSC配合来实现。图9为本发明第三实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法中网络传输包传输路径示意图，本实施例中具体为地面网络与空间网络中的终端交互实时性要求高的数据业务，例如语音电话等。具体包括如下步骤：

步骤E1、基于Internet呈分布式互联的NSC接收终端发起的网络连接请求，网络连接请求用于建立网络间链路，也是网络传输包的一种；

步骤E2、NSC根据网络运行情况及网络连接请求的目的网络地址确定下一跳网络地址以及连接该下一跳网络的网关地址，并将其添加到网络连接请求中；

步骤E3、基于Internet呈分布式互联的通信协议网关，周期性地监听自身所连的一个或多个NSC，当监听到网关地址为本机地址时，通过本地主通道接收网络连接请求；

步骤E4、通信协议网关识别该网络连接请求的传输网络类别，当识别到传输网络类别为空地传输或地空传输时，执行步骤E5，当识别到传输网络类别为空空传输或地地传输时，执行步骤E6；

步骤E5、通信协议网关根据传输网络类别将网络连接请求传送至本地的空地分通道或地空分通道，并进行协议转换，而后执行步骤E7；

步骤E6、通信协议网关根据传输网络类别将网络连接请求传送至本地的空空分通道或地地分通道进行处理，并执行步骤E7；

步骤E7、通信协议网关根据下一跳网络地址将分通道中的网络连接请求发送至对应网络。

重复上述步骤E1～E7，直至下一跳网络地址为目的网络地址，即网络连接请求发送至目的网络。本实施例为简单起见，第一个下一跳网络即为目的网络，而后目的网络中的终端需将网络连接响应反馈给发起网络连接请求的终端，即执行下述步骤：

步骤E8、网络连接请求的目的网络此时作为源网络，基于Internet呈分布式互联的NSC接收终端发起的网络连接响应，网络连接响应也是网络传输包的一种，其中携带有网络连接请求传输路径的逐跳网络地址；

步骤E9、该NSC根据网络连接响应中的逐跳网络地址确定下一跳网络地址以及连接该下一跳网络的网关地址，并将其添加到网络连接响应中；

步骤E10、基于Internet呈分布式互联的通信协议网关，周期性地监听自身所连的一个或多个NSC，当监听到网关地址为本机地址时，通过本地主通道接收网络连接响应；

步骤E11、通信协议网关识别该网络连接响应的传输网络类别，当识别到传输网络类别为空地传输或地空传输时，执行步骤E12，当识别到传输网络类别为空空传输或地地传输时，执行步骤E13；

步骤E12、通信协议网关根据传输网络类别将网络连接响应传送至本地的空地分通道或地空分通道，并进行协议转换，而后执行步骤E14；

步骤E13、通信协议网关根据传输网络类别将网络连接响应传送至本地的空空分通道或地地分通道进行处理，并执行步骤E14；

步骤E14、通信协议网关根据下一跳网络地址将分通道中的网络连接响应发送至对应网络。

重复上述步骤E8～E14，直至将网络连接响应发送至目的网络。经网络连接请求和网络连接响应的传输之后即可建立起一条网络连接路径。网络连接响应中携带有逐跳网络地址，终端可以根据逐跳网络地址将要传输的实时性要求高的数据包经各个通信协议网关传输至目的网络，而不必再经过NSC的路径优化。

采用上述技术方案可以适用于对实时性要求高的数据业务进行传输，网络连接请求、网络连接响应和业务数据包均可以称为网络传输包，由通信协议网关经过协议转换后发送至下一跳网络。通信协议网关采用通道形式来处理各个网络传输包，能够提高处理效率，避免通信协议网关成为数据传输的瓶颈。

第四实施例

图10为本发明第四实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法流程图。本实施例可以上述任一实施例为基础，具体在于步骤300中，通信协议网关根据传输网络类别将网络传输包传送至本地的空地分通道或地空分通道，并进行协议转换包括如下步骤：

步骤301、通信协议网关对网络传输包进行解码操作；

步骤302、通信协议网关判断是否解码成功，若是，则执行步骤303；

步骤303、通信协议网关识别网络传输包的包类型，当识别到为信号包时，执行步骤304，当识别到为数据包时，则执行步骤305；

步骤304、通信协议网关判断信号包的信号类型是否为用于在当前通信协议网关结束应用进程的结束请求信号，若是，则结束本次操作，若否，则执行步骤305；

步骤305、通信协议网关根据网络传输包的源网络协议进行解封装操作，解析获取其中的传输信息；

步骤306、通信协议网关创建一新的网络传输包，根据原有网络传输包的下一跳网络协议，根据传输信息和下一跳网络地址及相关的下一跳信息填写封装新的网络传输包，下一跳网络协议可以根据下一跳网络地址来确定；

步骤307、通信协议网关对封装后新的网络传输包进行编码操作，并执行步骤500。

在上述技术方案中，在步骤305和步骤306之间还包括：

步骤C1、通信协议网关判断是否执行中继操作，即判断该网络传输包发送至用户目的网络的同时，是否需要中继到其他网络，若是，则下一跳网络为中继网络，执行步骤C2，否则执行步骤306；

步骤C2、通信协议网关可以根据下一跳网络地址识别下一跳网络，即确定该中继网络对应的通信协议网关，此确定的通信协议网关是经过中继网络后需要连接的通信协议网关，以该通信协议网关的网关地址作为具体要中继到的待中继地址，以便后续填写封装入网络传输包，而后执行步骤306，以进行中继网络传输。

在上述技术方案中，当步骤302中通信协议网关判断出解码不成功时，则执行下述操作：

步骤308、引入重传机制，通信协议网关判断是否达到超时门限值，若否，则向该网络传输包传输路径的上一跳网元发送重传请求信号，并返回执行步骤100，若已超时，则执行步骤309；

步骤309、通信协议网关丢弃该网络传输包，并结束本次操作。

若该通信协议网关出现异常，则启动备份通信协议网关，继续相应的工作，并尝试解决原通信协议网关工作异常的问题。

在经过上述处理之后，当分通道将网络传输包发送至对应网络后，还可以进一步判断是否需要向上一跳网络中的发送端返回响应信号，若是，则返回响应信号。

在上述步骤305、306中，地空分通道和空地分通道的协议转换过程不同。具体的，地空分通道所执行的封装操作具体包括下述步骤：

步骤305a、通信协议网关根据网络传输包的源网络协议进行解封装操作，图11为本发明第四实施例中所采用的地面网络传输包一种帧结构的示意图，图12为本发明第四实施例中所采用的空间网络遥控包一种帧结构的示意图，图13为本发明第四实施例中所采用的空间网络遥测包一种帧结构的示意图。源网络为地面网络中的一种，根据地面网络的相应协议解析获取地面网络传输包中的传输信息，即解析获取地面网络传送帧头、IP头、传输协议头和目的用户信息头以及源数据等。地面网络传送帧头可以包括地面物理网络源主机和目的主机的媒体访问控制(Medium Access Control；以下简称：MAC)地址及类型，帧尾是校验字，IP头中可以包括源主机和目的主机IP地址、类型、生存期等，传输协议头可以包括源主机和目的主机端口号、顺序号、确认号、校验字等。目的用户信息头可以包括目的网络标识和应用过程，由三部分组成：中继网络、目的网络、副信息头；中继网络表示若网络传输包到达目的用户终端需要中继该空间网络，则填写中继网络标识，否则可省略该项；目的网络是目的用户终端所在的网络；副信息头用来描述目的用户终端相关特征的信息，如：目的用户名、地址等，并标识所传输数据的类型；如果在发送传输帧的时候没有用户数据需要发送，那么用一个特定标识代表空数据的传输帧被发送。

步骤C1a、通信协议网关根据目的用户信息头中的目的网络标识判断是否中继该空间网络，若是，则下一跳网络为中继网络，执行步骤C2a，否则执行步骤306a；

步骤C2a、通信协议网关根据下一跳网络地址确定该中继网络对应的通信协议网关的地址，作为待中继地址以便填写封装入网络传输包，而后执行步骤306a；

步骤306a、通信协议网关创建一新的网络传输包，根据原有网络传输包的下一跳空间网络协议，根据传输信息及相关下一跳地址信息，填写封装入新的空间网络传输包。空间网络传送帧头、遥控源包段导头和遥测源包段导头，采用了CCSDS标准协议的帧格式方式，可根据不同的空间网络填写具体相关信息如：主信道标识，虚拟信道标识以及信令域等。目的用户数据头由三部分组成：中继网络、目的网络、副数据头。具体含义与目的用户信息头相似。源数据长度是可变的。差错控制域是可选的，使用具有纠错能力的编码来保护传输帧的关键信息。空间网络就是目的网络时，目的用户数据头中的中继网络，目的网络均可省略，并根据空间网络和目的用户地址信息填写空间网络通信协议对应的遥测包的传送帧头、源包段导头和遥控包的传送帧头、源包段导头；若空间网络是中继网络时，目的用户信息头的目的网络填入目的用户数据头的目的网络位置，要中继的该空间网络填入目的用户数据头的中继网络标识位置，并根据该中继空间网络及其之后的要经网关的地址信息填写空间网络通信协议对应的遥测包的传送帧头、源包段导头和遥控包的传送帧头、源包段导头；中继操作执行与否，目的用户信息头的副信息头填入空间网络传输帧的目的用户数据头的副数据头，再由源数据等传输信息封装形成新的空间网络传输包。

空地分通道的处理过程与地空分通道类似，网关根据空间网络的相应协议解析获取空间网络传输包中的传输信息，即解析获取空间网络通信协议对应的遥测包的传送帧头、源包段导头、目的用户数据头和遥控包的传送帧头、源包段导头以及源数据等。地面网络就是目的网络时，目的用户信息头中的中继网络，目的网络均可省略，根据地面网络和目的用户地址信息填写地面网络协议对应的传送帧头、IP头、传输协议头；若地面网络是中继网络时，目的用户数据头的目的网络填入目的用户信息头的目的网络位置，要中继的该地面网络填入目的用户信息头的中继网络标识位置，并由该中继地面网络及其之后的要经网关的地址信息填写地面网络通信协议对应的传送帧头、IP头、传输协议头；中继操作执行与否，目的用户数据头的副数据头填入地面网络传输帧的目的用户信息头的副信息头，再由源数据等传输信息封装形成新的地面网络传输包。

本发明各实施例的技术方案使得卫星网、WiMAX网络、蜂窝网和WLAN间可端到端的互相通信连接。目前空间网络使用较多的还是CCSDS标准协议，WiMAX网络、Cellular和WLAN之间可实现IP通信协议的互相连接通信，常用的通信协议有传输控制协议/互联网络协议(Transmission ControlProtocol/Internet Protocol；以下简称：TCP/IP)、用户数据报协议/IP(User Datagram Protocol/IP；以下简称：UDP/IP)等。

采用本发明各实施例的技术方案，可以根据分布式网络组网架构，在各个不同地区分别配置通信协议网关，并将通信协议网关嵌入在Internet中。各通信协议网关采用层次化、模块化设计负责相应地区内部的各种网络连接和外部地区网络向该地区网络的连接请求，以通道方式进行通信，可以以编号的方式为通道命名。可以根据具体实施情况，增加或减少通信协议网关内的分通道数量，例如可以包括多个地地分通道、多个地空分通道等。各分通道可负责用户向该地区的一个或多个网络连接通信，例如，对于地地分通道，地面网络的形式可能为蜂窝网络、WiMAX网络或WLAN等，则地地分通道可以处理来自不同地面网络的网络传输包。

本发明实施例中的通信协议网关通道式处理用户连接请求通信过程中，采用多级进程并行异步工作的方式，具体为：一级监听进程，二级连接请求分配进程，三级基于地面网络协议和空间网络协议的转换进程，还可以有四级差错控制进程，即在各分通道将网络传输包发送至下一跳网络之前，再通过查错处理分通道，依据网络传输包的编码方式进行编码来实现差错控制。

第五实施例

本发明第五实施例所提供的空间网络与地面网络间的交互方法可以上述任一实施例为基础，进一步在通信协议网关的各分通道内实现进程半动态控制机制，步骤300和步骤400中分通道处理的每个网络传输包均为一个进程。进程可至少设置为三个状态，即工作状态、忙碌状态和空闲状态。处于工作状态的进程可接收网络传输包进行处理，处于忙碌状态的进程正在处理网络传输包而不能接收新的网络传输包，处于空闲状态的进程不工作也不接收网络传输包。各个分通道可以根据当前接收的网络传输包的数量来动态设置进程的状态。分通道进行进程控制具体可以执行下述操作：

步骤F1、分通道统计自身所接收到的未处理网络传输包的数量以及统计各进程的状态，正常情况或初始情况下，会设置一定数量的进程处于工作状态，其数量为Pn；

步骤F2、当分通道判断出未处理网络传输包的数量达到设定门限值时，创建一个或多个进程，或将空闲状态的进程设置为工作状态；

步骤F3、当分通道判断出忙碌状态进程的数量达到设定门限值时，创建一个或多个进程，或将空闲状态的进程设置为工作状态；

步骤F4、当分通道判断出工作状态进程的数量达到设定门限值时，将一个或多个工作状态的进程设置为空闲状态，或删除设定数量为PL的进程。

上述步骤F2～F4的顺序可以互换，并且不限于上述判断操作，可以采用多种条件设置来完成对进程数量和状态的动态控制，根据需要随时控制各进程的状态，满足网络传输包的处理要求。

第六实施例

本发明第六实施例所提供的通信协议网关具体包括主通道、空地分通道、地空分通道、地地分通道和空空分通道，进一步可以包括区域间分通道和区域内分通道，结构示意图可参见图6所示。其中，如图14所示，主通道包括：监听接收模块1401，用于基于因特网从各网络或NSC监听并接收网络传输包；传输网络类别识别模块1402，用于识别网络传输包的传输网络类别；分配模块1403，用于根据识别到的传输网络类别将网络传输包传送至空地分通道、地空分通道、空空分通道或地地分通道。如图15所示，空地分通道和地空分通道的结构类似，分别包括：解封装模块1501，用于根据网络传输包的源网络协议进行解封装操作，获取传输信息；协议转换模块1502，用于对空地或地空链路之间通信的网络传输包进行协议转换；封装模块1503，用于根据网络传输包的下一跳网络协议进行封装操作，根据传输信息和下一跳网络地址填写封装新的网络传输包；第一发送模块1504，用于发送新的网络传输包至对应的网络。如图16所示，地地分通道和空空分通道的结构类似，分别包括：处理模块1601，用于对网络传输包进行处理，例如地面网络之间的协议转换处理，查错处理等；第二发送模块1602，用于发送处理后的网络传输包至对应的网络。

本发明的通信协议网关可以执行本发明的空间网络与地面网络间的交互方法任一实施例的技术方案，具有执行上述操作的相应功能模块，还可以进一步设置差错处理模块、重传处理模块等。由于系统资源有限，即使分通道内包括的多个进程协调工作正常也必须考虑将多个任务分成若干个模块进行处理。本发明采用层次化，模块化的设计架构，让各模块尽可能的独立和通用，具有很好地扩展性。以通道的方式进行通信，可提高通信效率，减少网络之间端到端的连接通信时延。同时为了减少用户进程的等待时延和避免系统资源的浪费，考虑到用户的需求可能随机变化，可设置优先级进行服务，并引入了多进程异步并行处理方式以及半动态控制机制提高网关的性能，解决瓶颈问题。本发明可实现空间网络与地面网络间的端到端的连接，在提高通信效率，减小接入时延，节约系统资源，维护系统安全以及可升级性方面可获得较好的平衡性能。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：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。