楊芫，徐明偉，李賀武

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天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一編址與路由研究

楊芫1,2，徐明偉1,2，李賀武2,3

（1. 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京 100084；2. 清華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3. 清華大學(xué)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)空間研究院，北京 100084）

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)將是支持地面互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)相互連通、深度融合的一體化網(wǎng)絡(luò)，采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高效融合與互聯(lián)互通的關(guān)鍵所在。針對(duì)空間鏈路和空間網(wǎng)絡(luò)在穩(wěn)定性、可靠性等方面的特點(diǎn)，提出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編址與路由的方案，基于IPv6和層次路由的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的高效融合，具有良好的可擴(kuò)展性、可用性、穩(wěn)定性、可管控性。

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；空間網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)融合；網(wǎng)絡(luò)編址；網(wǎng)絡(luò)路由

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展給人們的通信方式帶來(lái)了巨大的變化，高速通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域也在持續(xù)不斷地?cái)U(kuò)展，對(duì)于國(guó)家和個(gè)人都有著意義深遠(yuǎn)的影響。如今，宇宙空間已經(jīng)成為了各國(guó)繼陸、海、空之后的第四疆域，我國(guó)在海洋、太空等領(lǐng)域的安全利益以及空間科學(xué)探索任務(wù)的飛速發(fā)展也對(duì)跨地域、跨空域信息實(shí)時(shí)傳輸和及時(shí)共享提出了更高的要求?？臻g衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有地理覆蓋面廣、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢(shì)，而傳統(tǒng)地面互聯(lián)網(wǎng)以及移動(dòng)通信網(wǎng)具有技術(shù)成熟、資源豐富等長(zhǎng)處，將它們進(jìn)行一體化融合能最大限度地發(fā)揮各網(wǎng)絡(luò)自身的特長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)對(duì)種類更豐富、數(shù)量更龐大的業(yè)務(wù)的支持，打破國(guó)外對(duì)技術(shù)進(jìn)行壟斷的現(xiàn)狀。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是支持互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、深度融合的一體化網(wǎng)絡(luò)，目前業(yè)內(nèi)已就其建設(shè)的緊迫性達(dá)成了廣泛共識(shí)[1,2]。

衛(wèi)星通信技術(shù)在最近的幾十年內(nèi)得到了較大的發(fā)展，然而目前衛(wèi)星的功能主要是作為信號(hào)中繼，提供彎管式的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，組網(wǎng)和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的能力較為缺乏。為了實(shí)現(xiàn)空間組網(wǎng)和一體化網(wǎng)絡(luò)融合，需要在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層解決一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)，其中，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高效的多網(wǎng)融合與互聯(lián)互通的關(guān)鍵所在。這不僅僅是因?yàn)榻y(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層能夠避免協(xié)議轉(zhuǎn)換或翻譯帶來(lái)的復(fù)雜性和開(kāi)銷，更是因?yàn)橐訧P技術(shù)為核心的網(wǎng)絡(luò)層作為互聯(lián)網(wǎng)沙漏模型的“細(xì)腰”，起到了對(duì)上層屏蔽鏈路差異的作用，正是這一抽象層的設(shè)計(jì)，奠定了互聯(lián)網(wǎng)數(shù)十年來(lái)所取得的成功的基礎(chǔ)，也成為了互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)、能源等傳統(tǒng)領(lǐng)域深化融合的動(dòng)力[3,4]。然而，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的編址與路由技術(shù)不能直接運(yùn)用于空間網(wǎng)絡(luò)，這主要是源于空間網(wǎng)絡(luò)在穩(wěn)定性、可靠性等方面的特點(diǎn)，如拓?fù)渥兓l繁、鏈路帶寬和誤碼率波動(dòng)較大等。因此急需在已有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出適合空間網(wǎng)絡(luò)特性和多網(wǎng)融合目標(biāo)的路由方案。

目前已有的研究主要解決天基網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自身的路由問(wèn)題，缺少對(duì)天地多網(wǎng)融合這一目標(biāo)的考慮，難以較好地實(shí)現(xiàn)天基網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。為此，本文以天地互聯(lián)融合為目標(biāo)，提出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)（尤其是其中天基網(wǎng)絡(luò)部分）的編址以及路由方案，首先對(duì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行概述，并在此基礎(chǔ)上依次對(duì)天基網(wǎng)絡(luò)的編址以及路由方案進(jìn)行闡述。

2 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)概述

國(guó)際上已經(jīng)有多個(gè)項(xiàng)目致力于建設(shè)融合了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)合一組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這些已經(jīng)完成或正在開(kāi)展的項(xiàng)目既包括民用系統(tǒng)，也包括軍用系統(tǒng)。從組網(wǎng)結(jié)構(gòu)上看，已有系統(tǒng)可以分為天星地網(wǎng)、天基網(wǎng)絡(luò)、天網(wǎng)地網(wǎng)3類。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，領(lǐng)土特點(diǎn)使得衛(wèi)星地面站難以在全球范圍進(jìn)行部署，為了實(shí)現(xiàn)通信全球覆蓋，并提供關(guān)鍵應(yīng)用快速響應(yīng)能力，擺脫對(duì)國(guó)外衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的依賴，需要設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。綜合這些因素，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的專家經(jīng)過(guò)探討，創(chuàng)造性地提出了天地雙主干結(jié)構(gòu)的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)[2]，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在地球同步軌道（geostationary earth orbit，GEO）上，由3顆以上衛(wèi)星搭載高性能空間路由器組成天基主干網(wǎng)絡(luò)。借助地球同步衛(wèi)星相對(duì)于地面靜止和覆蓋面廣的優(yōu)勢(shì)，充分利用有限的地球同步軌道資源，使用高性能設(shè)備和高容量激光鏈路建設(shè)天基高速主干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，將地表和空間任意位置的數(shù)據(jù)傳回本土。

利用高速光纖將多個(gè)地面站互連，組成地基主干網(wǎng)絡(luò)，并在地面站使用互為備份的微波鏈路和激光鏈路與天基主干網(wǎng)絡(luò)互連，組成一個(gè)完整的主干網(wǎng)絡(luò)?；谝呀?jīng)相對(duì)成熟的互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)和路由技術(shù)，為天基網(wǎng)絡(luò)提供最大限度的支持和保障。

圖1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

由低軌道（low earth orbit，LEO）衛(wèi)星、中軌道（medium earth orbit，MEO）衛(wèi)星、平流層氣球或其他飛行器組成一個(gè)個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)，為不同地域、不同用戶的各類應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。這類衛(wèi)星和飛行器的優(yōu)勢(shì)在于距離地面較近，用較少的資源即可提供較強(qiáng)的通信能力，缺點(diǎn)在于單一節(jié)點(diǎn)的覆蓋面積較小，且中低軌衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度較快。因此，一方面可以由大量的節(jié)點(diǎn)組成覆蓋面積較廣的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)星地鏈路連接到地基主干網(wǎng)，從而獲得更高速的傳輸信道；另一方面可以通過(guò)星間鏈路連接到天基主干網(wǎng)，利用天地雙主干的優(yōu)勢(shì)與地面站點(diǎn)通信。

通過(guò)部署于地面的一體化網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中心，將地基主干網(wǎng)連接到互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合統(tǒng)一。

3 統(tǒng)一編址方案

網(wǎng)絡(luò)層方案首先需要解決節(jié)點(diǎn)的編址問(wèn)題，即如何標(biāo)識(shí)與定位網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)委員會(huì)（Internet Architecture Board，IAB）于2016年 11月7日發(fā)布的關(guān)于推進(jìn)IPv6部署的最新官方正式公告，建議IETF等標(biāo)準(zhǔn)化組織停止要求新設(shè)備和新的擴(kuò)展協(xié)議兼容IPv4，未來(lái)的新協(xié)議全部在IPv6基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，用行動(dòng)支持并實(shí)施IPv6在全球范圍內(nèi)的部署。根據(jù)該發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)也將基于IPv6協(xié)議進(jìn)行一體化融合。

本文提出的網(wǎng)絡(luò)層方案是基于IPv6協(xié)議的，首先從可擴(kuò)展性和天基鏈路動(dòng)態(tài)建立這兩個(gè)方面闡述采用IPv6協(xié)議族的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，然后對(duì)編址方案的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

3.1 協(xié)議族的選擇

從可擴(kuò)展性的角度看，盡管現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)普遍使用IPv4協(xié)議，而IPv6協(xié)議仍在發(fā)展中，但是全球IPv4地址已經(jīng)分配完畢，即使從擁有富余地址的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商那里獲取地址，也很難滿足天基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和鏈路數(shù)量較多的情形，網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性會(huì)受到很大的限制。例如，按照通常每條鏈路4個(gè)IPv4地址的分配方法，一個(gè)長(zhǎng)度為24 bit的IPv4地址前綴僅僅能夠支持64條鏈路。雖然可以使用無(wú)編號(hào)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來(lái)減少一定的地址，但這樣很難對(duì)每個(gè)天基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的接口進(jìn)行細(xì)致的管理，且能夠節(jié)省的地址數(shù)量十分有限。當(dāng)天基網(wǎng)絡(luò)需要為大量接入的用戶提供公有地址時(shí)，地址緊缺和可擴(kuò)展性的問(wèn)題就將更為突出。一個(gè)可選的方案是使用私有IPv4地址+NAT技術(shù)，然而這一方案對(duì)遠(yuǎn)程ICMP訪問(wèn)以及需要在兩個(gè)方向建立連接的應(yīng)用（如FTP）的支持不夠好，更本質(zhì)的原因在于：NAT技術(shù)的適用場(chǎng)景主要是位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的接入用戶，而天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是具有提供全球互聯(lián)能力的主干網(wǎng)。而如果采用IPv6地址對(duì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)編址，則可以依靠IPv6的龐大地址空間很好地解決可擴(kuò)展性問(wèn)題。一個(gè)與此類似的場(chǎng)景是物聯(lián)網(wǎng)，其中的海量設(shè)備通信和管理是IPv6的一個(gè)典型應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)中，如何以較低的開(kāi)銷在低端的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)IPv6協(xié)議棧是一個(gè)挑戰(zhàn)，而在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)IPv6協(xié)議棧的開(kāi)銷相比衛(wèi)星上其他復(fù)雜系統(tǒng)而言是微不足道的。

從空間鏈路動(dòng)態(tài)建立的角度看，中低軌衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的可見(jiàn)性不斷發(fā)生變化，需要空間鏈路具備動(dòng)態(tài)建連的能力。此外，天基節(jié)點(diǎn)不像地面節(jié)點(diǎn)那樣可以直接進(jìn)行配置，所以空間鏈路動(dòng)態(tài)建立和自動(dòng)配置的能力是不可缺少的。傳統(tǒng)的IPv4使用DHCP進(jìn)行地址自動(dòng)配置，然而這一方法存在對(duì)拓?fù)涞囊螅喝绻麑⒚總€(gè)天基節(jié)點(diǎn)的接口抽象為節(jié)點(diǎn)，將可能建立的鏈路抽象為邊，則只有當(dāng)拓?fù)錆M足二分圖時(shí)，才能區(qū)分發(fā)起配置的節(jié)點(diǎn)（即DHCP服務(wù)器）和接受配置的節(jié)點(diǎn)（即DHCP客戶端），如圖2所示。如果采用IPv6協(xié)議，則能夠以較小的開(kāi)銷解決這一問(wèn)題。具體方法是為每個(gè)接口預(yù)先配置自己的公有IPv6地址前綴和地址，當(dāng)兩個(gè)接口相連時(shí)，通過(guò)鄰居發(fā)現(xiàn)（neighbor discovery，ND）協(xié)議相互發(fā)現(xiàn)對(duì)方的前綴，并獲取對(duì)方前綴下的一個(gè)IPv6地址。這樣做的結(jié)果是，一條空間鏈路將具有兩條IPv6地址前綴，對(duì)于路由計(jì)算的正確性不會(huì)產(chǎn)生影響，僅僅是增加了少量路由信息的開(kāi)銷；而每個(gè)接口都具有兩個(gè)IPv6地址，通過(guò)其中任意一個(gè)地址都可以進(jìn)行訪問(wèn)。當(dāng)兩個(gè)接口間的鏈路由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)而斷開(kāi)時(shí)，每個(gè)接口將刪除從對(duì)方獲得的IPv6地址，仍然保留自己原有的IPv6地址前綴和地址，以便下一次與同一接口或其他接口建立鏈路。一方面，IPv6對(duì)接口多地址提供了良好的支持，這一點(diǎn)在IPv4中只能通過(guò)手動(dòng)配置secondary地址實(shí)現(xiàn)；另一方面，ND協(xié)議對(duì)鄰居自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和地址自動(dòng)配置提供了良好的支持，在靈活性和高效性方面優(yōu)于IPv4的DHCP。

圖2 空間鏈路如采用單向配置方案則需要拓?fù)淇啥?/p>

3.2 基于IPv6的統(tǒng)一編址

如前文所述，采用128 bit的IPv6地址為天基路由器上的一個(gè)接口賦予一個(gè)全球唯一可聚合單播地址。其中，前64 bit標(biāo)識(shí)了此地址的路由前綴和子網(wǎng)標(biāo)識(shí)，后64 bit為網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)識(shí)符，與IEEE 802系列規(guī)定的EUI-64地址保持一致。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的中低軌衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性，這一特性帶來(lái)了兩種可能的編址方案。

一種方案是根據(jù)衛(wèi)星相對(duì)于某個(gè)參照系的位置進(jìn)行編址，例如衛(wèi)星在地球表面投影的經(jīng)緯度坐標(biāo)。這種方案將空間按其所處的經(jīng)緯度劃分成若干個(gè)區(qū)域，并使用IPv6地址中的子網(wǎng)ID字段中的一部分對(duì)區(qū)域進(jìn)行編號(hào)，子網(wǎng)ID字段中剩余的比特用于區(qū)分該衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的不同接口，如圖3所示。例如，當(dāng)經(jīng)度和緯度各采用8 bit來(lái)標(biāo)識(shí)時(shí)，就可以支持256×256個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的邊長(zhǎng)最大僅約156 km。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)衛(wèi)星接入的用戶可以通過(guò)自己所在的地理位置，結(jié)合路由前綴，自動(dòng)獲取一個(gè)IPv6接入地址，即使用戶接入的衛(wèi)星發(fā)生了變化，用戶也無(wú)需改變地址（子網(wǎng)ID中除經(jīng)度ID和緯度ID之外的比特可以使用為接入網(wǎng)絡(luò)預(yù)留的固定值）。而該方案的缺點(diǎn)在于，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)需要頻繁地動(dòng)態(tài)更新地址和路由，給控制平面帶來(lái)了較大的開(kāi)銷和不穩(wěn)定性，尤其是劃分的區(qū)域數(shù)量較多時(shí)。此外，還需要對(duì)一些邊界情況進(jìn)行處理，例如確保一個(gè)區(qū)域內(nèi)不能有多顆衛(wèi)星。從本質(zhì)上看，這一方案是將衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)性完全交給網(wǎng)絡(luò)層來(lái)處理，使得用戶的傳輸層和應(yīng)用層保持簡(jiǎn)單，但不符合互聯(lián)網(wǎng)“邊緣復(fù)雜、核心簡(jiǎn)單”的設(shè)計(jì)原則。

圖3 基于地理位置的編址

另一種方案是基于衛(wèi)星的邏輯位置進(jìn)行編址，將衛(wèi)星編號(hào)或衛(wèi)星所處的軌道和它在軌道中的位置嵌入IPv6地址子網(wǎng)ID字段的前面若干個(gè)比特，從而使得衛(wèi)星無(wú)論運(yùn)動(dòng)到何處都具有永久不變的地址，如圖4所示。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于控制平面更加簡(jiǎn)單和穩(wěn)定，地面站可以方便地對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行訪問(wèn)而無(wú)需知道其當(dāng)前坐標(biāo)。此外，還可以方便地進(jìn)行地址聚合，數(shù)據(jù)分組在星間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)只需要使用目標(biāo)地址中的衛(wèi)星編號(hào)來(lái)查找下一跳路由，而無(wú)需使用完整的IPv6地址，這樣就可以大幅減小控制平面的存儲(chǔ)、計(jì)算和帶寬消耗，實(shí)現(xiàn)輕量的路由協(xié)議。此編址方案的缺點(diǎn)在于，隨著中低軌衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)，用戶可能需要隨著其接入衛(wèi)星的改變而改變地址。然而，對(duì)于持續(xù)時(shí)間較短的通信而言，如瀏覽網(wǎng)頁(yè)或推送消息，地址的改變并不會(huì)造成太大影響；而對(duì)于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且不希望被中斷的通信，如實(shí)時(shí)音頻或視頻傳輸，可以通過(guò)IPv6協(xié)議對(duì)移動(dòng)性的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)平滑的地址切換。

圖4 基于邏輯位置的編址

4 路由方案

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)路由方案不僅要針對(duì)天基網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由協(xié)議的優(yōu)化或重新設(shè)計(jì)，更重要的是構(gòu)建一個(gè)完整的路由協(xié)議體系，滿足互聯(lián)互通、可管控性、可擴(kuò)展性等一系列需求，為此需要將一些不同的路由方案進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。借鑒互聯(lián)網(wǎng)路由的經(jīng)驗(yàn)，本文提出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的層次化路由方案。具體而言，可以分為域間路由、域內(nèi)路由與延遲容忍路由3個(gè)組成部分。

4.1 域間路由

站在整個(gè)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的角度，邏輯上可以將其看作一個(gè)大型的自治系統(tǒng)通過(guò)一體化互聯(lián)中心連接到互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)，因此可以采用邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（border gateway protocol，BGP）來(lái)傳遞網(wǎng)絡(luò)可達(dá)信息，尤其是當(dāng)存在多個(gè)一體化互聯(lián)節(jié)點(diǎn)提供對(duì)外連接時(shí)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的路由優(yōu)化。與地面互聯(lián)網(wǎng)不同的是，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)會(huì)承載軍用、民用等更加多元化的業(yè)務(wù)，且確保天基節(jié)點(diǎn)安全的需求更為強(qiáng)烈，為此可以在BGP路由的基礎(chǔ)上，結(jié)合真實(shí)源地址認(rèn)證、用戶身份認(rèn)證和多維策略路由等技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)流量感知、服務(wù)質(zhì)量區(qū)分、安全隔離等功能。

進(jìn)一步地，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實(shí)際上并不僅僅包含一個(gè)自治系統(tǒng)，尤其是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展和天基接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的增加，天地雙骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)更加凸顯出來(lái)：天地雙主干網(wǎng)絡(luò)作為provider自治系統(tǒng)提供服務(wù)，而天基接入網(wǎng)絡(luò)作為customer自治系統(tǒng)。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各自治系統(tǒng)之間可能需要使用動(dòng)態(tài)的空間鏈路相互連接，因此域間路由方案需要根據(jù)具體情況，靈活采用靜態(tài)、分時(shí)配置、動(dòng)態(tài)等方案。當(dāng)采用動(dòng)態(tài)路由方案時(shí)，由于傳統(tǒng)的BGP會(huì)在重新建立會(huì)話后重新交換所有的路由信息，這在鏈路穩(wěn)定性較低且拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性較強(qiáng)的情況下會(huì)極大地增加路由收斂的時(shí)間，造成大量的資源浪費(fèi)。因此，可以對(duì)傳統(tǒng)的BGP進(jìn)行改進(jìn)：利用絕大多數(shù)域間路由信息變化不頻繁這一特點(diǎn)，當(dāng)已經(jīng)建立連接的BGP鄰居之間的連接中斷時(shí)，雙方僅對(duì)原有的路由信息進(jìn)行標(biāo)記而不是刪除，當(dāng)同一對(duì)鄰居間再次建立連接時(shí)，雙方僅僅需要交換在斷連期間發(fā)生了變化的路由信息即可，從而減少了發(fā)送的路由更新消息數(shù)量，最好的情況下可以不發(fā)送任何路由更新消息，節(jié)約了帶寬等資源，加速了域間路由的收斂。這一適用于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的域間路由協(xié)議稱為BGP+。

4.2 域內(nèi)路由

在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的自治系統(tǒng)內(nèi)部，各節(jié)點(diǎn)需要建立詳細(xì)的轉(zhuǎn)發(fā)表來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的高效傳遞。轉(zhuǎn)發(fā)表的建立對(duì)于動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)的天基節(jié)點(diǎn)而言是一個(gè)挑戰(zhàn)。一種可行的方案是采用集中式計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)表并下發(fā)給各節(jié)點(diǎn)的方式，如采用SDN技術(shù)[5]。這類方案能有效利用衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)可預(yù)測(cè)的特點(diǎn)，提前為各天基路由器配置好路由，使得路由具有較好的可控性。此外，還可以根據(jù)需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，例如增加使用同一路由配置的時(shí)間片的長(zhǎng)度以提高路由的穩(wěn)定性[6]，或者采用多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由的方法來(lái)提高路由的可擴(kuò)展性[7]，或者通過(guò)綜合考慮衛(wèi)星的能耗和路徑的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)節(jié)能的天基網(wǎng)絡(luò)路由[8]等。然而此類方案的缺點(diǎn)在于，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生難以預(yù)測(cè)的變化時(shí)不能快速地做出響應(yīng)，例如由于激光對(duì)準(zhǔn)時(shí)間的原因?qū)е骆溌方⒌臅r(shí)間提前或推遲，或者空間鏈路發(fā)生故障。為了處理這一情況，可以將基于配置的路由方案與動(dòng)態(tài)路由方案相結(jié)合。

設(shè)計(jì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)動(dòng)態(tài)路由方案需要克服許多挑戰(zhàn)，在之前的一項(xiàng)研究中提出的OSPF+協(xié)議[9]通過(guò)引入拓?fù)漕A(yù)測(cè)機(jī)制和修改OSPF狀態(tài)機(jī)，縮短了天基網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)路由收斂時(shí)間。已有相關(guān)方案仍然存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間，但在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中需要考慮的另一個(gè)重要問(wèn)題是動(dòng)態(tài)路由如何與基于配置的路由協(xié)同工作。通常來(lái)講，基于配置的路由應(yīng)該具有更高的優(yōu)先級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)良好的可管控性，而當(dāng)配置的路由與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況不相符時(shí)則應(yīng)該采用動(dòng)態(tài)路由。為此，天基路由器需要決定在什么情況下使用何種路由?？梢圆扇〉姆椒ㄊ亲屘旎酚善髋c發(fā)起路由配置的集中式控制器之間發(fā)送輕量級(jí)的保活消息，當(dāng)集中式控制器不可訪問(wèn)時(shí)表示配置的路由可能已經(jīng)失效，應(yīng)該將配置的路由設(shè)置為失效，采用動(dòng)態(tài)路由表項(xiàng)進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。

圖5 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

4.3 延遲容忍路由

除了上述域間路由和域內(nèi)路由，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)還存在對(duì)延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（delay-tolerant networking，DTN）路由的需求。這主要出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)不連通導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行端到端實(shí)時(shí)通信的特殊情況，例如在部署前期衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)較為稀疏，或者遭受軍事打擊或大規(guī)模故障時(shí)。由于基于衛(wèi)星技術(shù)的天基網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇深A(yù)測(cè)性較好，已有的研究中較少涉及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的DTN路由，然而從重大工程的角度看，DTN是增強(qiáng)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)可用性和靈活性的一項(xiàng)重要技術(shù)。DTN的轉(zhuǎn)發(fā)方式與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)有著很大的不同，它允許網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并在發(fā)現(xiàn)新的鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)復(fù)制和概率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。DTN實(shí)際上跨越了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層甚至應(yīng)用層。由于DTN從原理上難以支持需要實(shí)時(shí)性交互的應(yīng)用，所以不能簡(jiǎn)單地將TCP/IP與DTN協(xié)議進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。取而代之，在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)當(dāng)由終端用戶發(fā)起DTN傳輸，即當(dāng)終端用戶的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的或改進(jìn)的TCP/IP建立連接時(shí)，能夠選擇性地切換到DTN模式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。與已有的DTN技術(shù)不同，網(wǎng)絡(luò)中并不需要所有的節(jié)點(diǎn)都對(duì)DTN協(xié)議提供支持，這樣可以在網(wǎng)絡(luò)仍然連通的部分最大限度地將數(shù)據(jù)發(fā)送到距離目的地最近的節(jié)點(diǎn)。DTN節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行路由選擇時(shí)也可以利用拓?fù)漕A(yù)測(cè)或其他域間、域內(nèi)路由協(xié)議提供的信息來(lái)優(yōu)化發(fā)送數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程為背景，介紹了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出了以IPv6技術(shù)為核心的編址和路由設(shè)計(jì)。側(cè)重點(diǎn)在于滿足天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)高效互聯(lián)融合的需求，適應(yīng)其天基網(wǎng)絡(luò)部分的特點(diǎn)，提供具有較好可擴(kuò)展性、可用性、穩(wěn)定性、可管控性的編址和路由方案。限于篇幅和當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，本文的方案?jìng)?cè)重于總體方案設(shè)計(jì)和各技術(shù)之間的協(xié)同工作，一些具體的協(xié)議和算法設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)需要在今后的工程項(xiàng)目和科研工作中進(jìn)一步細(xì)化和完善。

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Study on addressing and routing in space-ground integrated information network

YANG Yuan1,2, XU Mingwei1,2, LI Hewu2,3

1. Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China2. Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China 3. Institute for Network Sciences and Cyberspace, Tsinghua University, Beijing 100084, China

The space-ground integrated information network is considered to be promising for interconnection and integration of the terrestrial internet, mobile communication networks, and space networks. A unified network layer is significant for efficient integration. Motivated by the characteristics of space links and space networks, an addressing and routing approach for the space-ground integrated information network was proposed, which leveraged IPv6 and hierarchical routing to achieve good efficiency, scalability, availability, stability, and controllability.

network architecture, space network, network integration, network addressing, network routing

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017320

2017?11?10；

2017?12?06

李賀武，lihewu@cernet.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61625203）；北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目（天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)地面互聯(lián)融合系統(tǒng)研究）

: The National Natural Science Foundation of China (No.61625203), Beijing Science and Technology Commission Project (Research on Heterogeneous Network Terrestrial Internet Convergence System)

楊芫（1984?），男，博士，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系助理研究員，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)路由等。

徐明偉（1971?），男，博士，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、高性能路由器、網(wǎng)絡(luò)安全等。

李賀武（1974?），男，博士，清華大學(xué)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)空間研究院副研究員，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)等。