葉榮飛，唐 瑜，陳 量

(重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030）

0 引言

隨著商業(yè)航天興起，基于星上處理及星間鏈路的低軌衛(wèi)星星座已經(jīng)成為當(dāng)前衛(wèi)星通信的研究及建設(shè)熱點(diǎn)[1]。低軌衛(wèi)星的用戶鏈路為衛(wèi)星用戶站提供寬帶接入，星間鏈路實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)在衛(wèi)星間的路由傳輸，因此，低軌星座作為骨干網(wǎng)絡(luò)為地面用戶網(wǎng)絡(luò)提供了多跳路由交換功能，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域地面網(wǎng)絡(luò)的靈活互聯(lián)。

低軌衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)除了導(dǎo)致星座的衛(wèi)星之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓猓矊?dǎo)致衛(wèi)星用戶站的接入衛(wèi)星在不停地變化。若要符合互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)段路由規(guī)則，則用戶站的IP 地址需要變化，這對于以IP 地址為標(biāo)識(shí)的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生丟包、尋址錯(cuò)誤等一系列問題?；谝苿?dòng)IP、用戶單體路由等傳統(tǒng)的路由尋址方式可以解決上述問題，但低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)的地面用戶規(guī)模十分巨大，用戶的移動(dòng)、衛(wèi)星的移動(dòng)導(dǎo)致衛(wèi)星接入用戶整體移動(dòng)，導(dǎo)致了路由的不可聚合性，衛(wèi)星之間路由更新的頻率和通信量增大，路由收斂變慢，傳統(tǒng)路由方式的可擴(kuò)展性被嚴(yán)重削弱。同時(shí)，由于星載資源的限制，在星上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的路由表項(xiàng)存儲(chǔ)和查找在現(xiàn)階段的工程實(shí)踐也不現(xiàn)實(shí)[2][3][4]。

基于名址分離的低軌星座組網(wǎng)架構(gòu)可以使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面用戶網(wǎng)絡(luò)的路由隔離，從而降低衛(wèi)星星間組網(wǎng)路由規(guī)模，提高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性，并且可支持用戶在衛(wèi)星間無縫移動(dòng)切換。

1 名址分離思想及地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案

對于TCP/IP 協(xié)議棧，每層地址都有其標(biāo)識(shí)，并具有一定的含義，例如以太網(wǎng)鏈路層的MAC 地址標(biāo)識(shí)了網(wǎng)卡硬件身份，傳輸層的端口標(biāo)識(shí)了本機(jī)的處理程序位置等。Internet 業(yè)務(wù)均使用IP 承載，IP 地址標(biāo)識(shí)了虛擬身份；同時(shí)由于互聯(lián)網(wǎng)的路由規(guī)則采用了分類聚合的方式，IP 地址也代表位置信息。因此，IP 地址具有身份和位置雙重屬性。[5]

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大量移動(dòng)用戶在不同接入點(diǎn)的移動(dòng)導(dǎo)致用戶路由不可聚合，這種情況嚴(yán)重影響了骨干路由的擴(kuò)展性，并引入了其他難以解決的問題。因此，國際IAB 組織提出引入兩個(gè)名字空間來分別表示節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)和位置，即Identifier 和Locator，在骨干網(wǎng)絡(luò)中采用RLOC(Routing Locator)，在邊緣接入處采用EID（Endpoint Identifier）的方式實(shí)現(xiàn)名址分離，這樣的方式實(shí)現(xiàn)了骨干網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)絡(luò)的路由隔離，保證了很好的擴(kuò)展性及獨(dú)立性[6]。

基于名址分離的思想，地面網(wǎng)絡(luò)提出多種解決方案。比較著名的有思科公司提出的LISP（The Locator Identifier Separation Protocol） 等協(xié)議[5]。LISP 協(xié)議采用入口隧道路由器（ITR-Ingress Tunnel Router）、出口隧道路由器（ETR-Engress Tunnel Router）實(shí)現(xiàn)報(bào)文的隧道封裝及EID 和RLOC 的映射，最終完成數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)發(fā)。如圖1 所示，用戶網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)到達(dá)ITR 后，ITR 提取EID，并查找EID 和RLOC 的映射，若本地未能獲得信息，則可通過MR 的查詢獲得；ITR 獲得映射關(guān)系后，通過隧道封裝發(fā)送至ETR，ETR 解封裝后，完成目標(biāo)用戶的正確轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 LISP 框架

LISP 對于骨干網(wǎng)中的用戶之間的路由尋路采用了“先尋找目的網(wǎng)關(guān)，再解映射”兩步方式，使接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)的路由域相互隔離，把映射關(guān)系的維護(hù)推向其他層次，這樣的變換使得骨干網(wǎng)絡(luò)的路由體系非常簡潔，具有更好的擴(kuò)展性。

2 低軌衛(wèi)星組網(wǎng)架構(gòu)

對于低軌衛(wèi)星的組網(wǎng)應(yīng)用，除了采用信關(guān)站落地中心交換的方式外，還大量存在用戶間的直通應(yīng)用。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示。低軌衛(wèi)星之間采用星間鏈路（Inter-Satellite Links,ISL）實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，信關(guān)站采用饋線鏈路實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星的互聯(lián)，衛(wèi)星用戶站利用衛(wèi)星提供的用戶鏈路接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，用戶站又可對外提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這樣，形成了以低軌衛(wèi)星為基礎(chǔ)的骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，用戶站之間接入低軌衛(wèi)星形成地面網(wǎng)絡(luò)直通互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.1 雙層路由結(jié)構(gòu)

對于一般的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，地面信關(guān)站實(shí)現(xiàn)用戶的鑒權(quán)注冊、移動(dòng)管理等用戶控制功能，即信關(guān)站可以保存用戶站的名址映射關(guān)系，這樣，可以通過向信關(guān)站查詢名址關(guān)系，實(shí)現(xiàn)邊緣衛(wèi)星路由器的正確尋路。但是，由于衛(wèi)星星座的全球覆蓋性，來回查詢位置關(guān)系導(dǎo)致往返時(shí)延較大，很難滿足對時(shí)延要求較高的特殊應(yīng)用；并且低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換頻繁，信關(guān)站可能保存了用戶站“過時(shí)”的位置信息，從而導(dǎo)致路由轉(zhuǎn)發(fā)丟包的情況。因此，本架構(gòu)采用了分布式雙層路由實(shí)現(xiàn)名址分離機(jī)制。

名址分離機(jī)制最重要的是映射關(guān)系如何建立?？紤]到衛(wèi)星星間網(wǎng)絡(luò)需要支持大規(guī)模的專網(wǎng)用戶接入，EID 和RLOC 的映射關(guān)系如果在星上處理，則需要：

圖2 低軌衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）在衛(wèi)星星間網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量名址映射表的同步，消耗一定的帶寬；

（2）維護(hù)大量的映射關(guān)系，對星載硬件內(nèi)存容量有一定的要求；

（3）名址映射查找功能，增加星載路由軟件復(fù)雜度，對處理能力要求高。

根據(jù)上述分析，若在星上載荷實(shí)現(xiàn)映射關(guān)系等功能，其擴(kuò)展性不強(qiáng)：用戶數(shù)量映射路由表項(xiàng)的膨脹、路由更新的頻率和通信量的增大、路由收斂變慢,都會(huì)嚴(yán)重影響核心路由的可擴(kuò)展性，因此，EID 和RLOC 映射關(guān)系采用在用戶站實(shí)現(xiàn)的方式。

如圖3 所示，雙層路由結(jié)構(gòu)分為衛(wèi)星路由域和用戶站路由域：衛(wèi)星之間的路由實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間的尋址，即RLOC 路由域；衛(wèi)星用戶站作為ITR 或ETR 實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的路由，即EID 路由域。

圖3 雙層路由架構(gòu)

衛(wèi)星用戶站間通過同步均在本地建立分布式映射系統(tǒng)方式：在每個(gè)入口-衛(wèi)星用戶站都同步復(fù)制了一份完整的映射數(shù)據(jù)庫,改善了映射查詢延遲，并能很好地和低軌網(wǎng)絡(luò)切換結(jié)合。

2.2 地址封裝機(jī)制

本架構(gòu)中，用戶網(wǎng)絡(luò)路由互聯(lián)功能采用在地面用戶站側(cè)實(shí)現(xiàn)名址映射完成ITR 和ETR 的功能，并設(shè)計(jì)三層地址方式分離星間網(wǎng)絡(luò)尋址、空口用戶站尋址、應(yīng)用尋址，其地址封裝結(jié)構(gòu)如圖4 所示。衛(wèi)星星間網(wǎng)絡(luò)只實(shí)現(xiàn)RLOC 地址空間，這樣可以控制核心路由表的規(guī)模，降低星載處理的難度；EID用于無線鏈路空口尋址，分隔用戶站外接網(wǎng)絡(luò)路由，保證星載路由不再參與用戶站的路由交互；最后一層為應(yīng)用尋址，用于用戶站所連網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部尋址。

在上述地址封裝設(shè)計(jì)中，RLOC、EID 均采用IP 方式開展編址，實(shí)現(xiàn)各層次的尋址功能。

2.3 分布式映射同步

衛(wèi)星用戶站通過定期向衛(wèi)星發(fā)送組播Hello 報(bào)文，可實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的邏輯鄰居的信息交互。Hello信息如圖5 所示，包含衛(wèi)星用戶EID 地址/衛(wèi)星用戶所連網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址、衛(wèi)星用戶站的GPS 信息、衛(wèi)星用戶站是否車載/固定/機(jī)載、當(dāng)前接入的衛(wèi)星號(hào)及點(diǎn)波束號(hào)、最近一次接入的衛(wèi)星號(hào)及時(shí)戳等。由于衛(wèi)星星間組播路由是全網(wǎng)可見的，因此，衛(wèi)星用戶站可獲得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下所在子網(wǎng)的用戶站EID 與RLOC 的全部映射關(guān)系，甚至結(jié)合星歷信息可以提前預(yù)測對端用戶站的RLOC 信息。

2.4 對低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換的支持

在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，由于衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)及用戶站的移動(dòng)導(dǎo)致大量的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)切換[4]，用戶站網(wǎng)絡(luò)位置的實(shí)時(shí)變化需要快速進(jìn)行名址同步。通過鏈路層切換與網(wǎng)絡(luò)層的路由層操作，聯(lián)合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切換過程中的無縫切換。

如圖6 所示，鏈路層成功切換后，由于名址映射同步還未完成，導(dǎo)致切換過程中有一部分?jǐn)?shù)據(jù)在原衛(wèi)星發(fā)生數(shù)據(jù)前轉(zhuǎn)，暫時(shí)形成非最優(yōu)路徑的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。根據(jù)上一次交互RLOC 的消息提前預(yù)測或者采用跨層設(shè)計(jì)方式觸發(fā)映射同步處理協(xié)議交互，保證了名址映射表在衛(wèi)星網(wǎng)內(nèi)用戶站之間快速同步，即可消除切換過程中存在的“三角”路由。

圖4 三層地址封裝

圖5 Hello 報(bào)文基本內(nèi)容

圖6 網(wǎng)絡(luò)切換中的數(shù)據(jù)路徑

3 測試驗(yàn)證

搭建如圖7 所示的地面驗(yàn)證平臺(tái)。低軌衛(wèi)星骨干網(wǎng)采用軟件路由器模擬，用戶鏈路采用本單位研制的衛(wèi)星基站和用戶站。用戶站接入后，實(shí)現(xiàn)映射關(guān)系的同步，用戶站所連PC1/PC2 之間業(yè)務(wù)采用iperf 軟件的UDP 報(bào)文生成。通過相互發(fā)送業(yè)務(wù)及用戶無線移動(dòng)模擬網(wǎng)絡(luò)切換，實(shí)測本架構(gòu)對業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)及切換過程的支持性能。

測試記錄如表1 所示，結(jié)果表明，提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)滿足低軌衛(wèi)星組網(wǎng)要求。

圖7 測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

表1 測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出了一種基于名址分離機(jī)制的低軌衛(wèi)星組網(wǎng)架構(gòu)，通過設(shè)計(jì)雙層路由結(jié)構(gòu)，采用三層地址封裝機(jī)制，提出名址映射分布式同步方法，解決了衛(wèi)星路由域的擴(kuò)展問題，并能較好地支持低軌衛(wèi)星中的網(wǎng)絡(luò)切換。通過實(shí)際的測試驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了基于低軌衛(wèi)星基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的靈活組網(wǎng)。