尹 波，劉金燦，劉洛希

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.火箭軍駐廊坊軍事代表室，河北 廊坊 065000)

0 引言

近年來，在全球無縫覆蓋、寬帶高速傳輸、用戶隨遇接入、與地面網(wǎng)融合等需求的推動下，我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)開始向天地一體化寬帶多星IP組網(wǎng)發(fā)展，基于GEO衛(wèi)星的寬帶多星IP組網(wǎng)成為當前我國衛(wèi)星通信領域的研究熱點[1-2]。目前，寬帶多星IP組網(wǎng)有天星地網(wǎng)和天網(wǎng)地網(wǎng)兩種技術(shù)發(fā)展路線。天星地網(wǎng)依托全球部署信關站實現(xiàn)多星組網(wǎng)，如美國WGS、MUOS和Intelsat等衛(wèi)星系統(tǒng)；天網(wǎng)地網(wǎng)基于星上處理、星間鏈路實現(xiàn)多星組網(wǎng)，如美國TSAT項目[3-4]。由于我國不具備在境外部署大型衛(wèi)星接入站的基礎與實力，因此只能采用天網(wǎng)地網(wǎng)的方式實現(xiàn)基于GEO衛(wèi)星的寬帶多星IP組網(wǎng)。

地面網(wǎng)絡采用分域的路由策略，單個自治域內(nèi)的路由器規(guī)模有限(通常為數(shù)十臺)，且路由器之間網(wǎng)狀連接，路由器硬件處理能力能夠滿足路由協(xié)議處理的要求，因此現(xiàn)有RIP和OSPF等路由協(xié)議能夠很好地工作[5-6]。但在基于星上處理的寬帶多星IP組網(wǎng)中，單星下的地面終端數(shù)量可達數(shù)千個，且星載路由器與地面終端之間星狀連接，星載硬件計算處理能力無法滿足路由協(xié)議處理的要求。為此，提出了一種新的寬帶多星IP組網(wǎng)路由架構(gòu)及協(xié)議方案，通過星地路由隔離，星載路由器僅負責星間路由的維護與計算，不再參與地面終端路由的計算，從而簡化了星載路由處理，保證基于國產(chǎn)星載硬件平臺的寬帶多星IP網(wǎng)絡可以支持大規(guī)模地面終端組網(wǎng)應用。

1 寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡概述

寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與計算機網(wǎng)絡融合應用的產(chǎn)物，為用戶提供各類基于IP體制的寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務。與計算機網(wǎng)絡相比，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡具有傳輸距離遠、覆蓋范圍廣等得天獨厚的優(yōu)勢，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與計算機網(wǎng)絡的融合應用可以對地面網(wǎng)絡形成很好的補充和延伸[7-8]。由于我國不具備全球建站能力，寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡需要在衛(wèi)星節(jié)點具備星上路由交換、星間互聯(lián)的基礎上，構(gòu)建全球覆蓋、多星組網(wǎng)的寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡，并與地面互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通。寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡的空間段可以是各類不同軌道衛(wèi)星，包括GEO、MEO、LEO等，由于MEO和LEO等非地球靜止軌道衛(wèi)星的星間拓撲變化頻繁，各種基于虛擬拓撲和虛擬節(jié)點等專用衛(wèi)星路由策略與路由算法已有諸多提法[9-11]，本文所討論的路由架構(gòu)及協(xié)議僅限于基于GEO的寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡。

如圖1所示，寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡空間段由5～6顆GEO衛(wèi)星，通過星間激光鏈路組成環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)全球覆蓋。

圖1 GEO寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡示意圖Fig.1 Schematic diagram of GEO broadband satellite IP network

衛(wèi)星節(jié)點搭載星載交換機，為不同衛(wèi)星、不同波束下的用戶IP業(yè)務提供快速轉(zhuǎn)發(fā)。路由技術(shù)是實現(xiàn)寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡星間組網(wǎng)、星地組網(wǎng)的基礎，為使用戶IP業(yè)務在寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡中多跳傳輸，路由技術(shù)必須高效、靈活、可擴展性。路由技術(shù)具體又包括了路由架構(gòu)和路由協(xié)議等。由于寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡具有地面終端網(wǎng)絡規(guī)模大、星載平臺處理能力弱等特點，因此不能照搬地面網(wǎng)絡的路由協(xié)議，需要結(jié)合實際應用場景，研究適合寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡的路由架構(gòu)及協(xié)議。

2 一種星地隔離的路由架構(gòu)

借鑒地面標簽交換和大二層網(wǎng)絡等設計思想[12]，采取衛(wèi)星路由與終端路由隔離、終端路由跨星無感擴散、星上標簽交換等設計方法，構(gòu)建一個星上OSPF路由、終端RIP路由和星地隔離的路由架構(gòu)。星載路由器運行OSPF路由協(xié)議，負責維護GEO衛(wèi)星節(jié)點之間的網(wǎng)絡拓撲狀態(tài)，生成星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表。地面終端運行RIP路由協(xié)議，負責維護地面終端之間的路由信息，并完成到衛(wèi)星路由的轉(zhuǎn)換。在該路由架構(gòu)下，星載路由器僅需維護衛(wèi)星節(jié)點之間的路由轉(zhuǎn)發(fā)信息，且衛(wèi)星節(jié)點規(guī)模很小(5～6個節(jié)點)，因此大大降低了對星載硬件平臺處理能力的要求。星地隔離的路由架構(gòu)如圖2所示。

圖2 星地隔離的路由架構(gòu)Fig.2 Routing architecture base on satellite-ground isolation

在該架構(gòu)下，星上采用標簽交換方式，星載交換通過識別由目的衛(wèi)星ID和目的終端ID構(gòu)成的短標簽實現(xiàn)星間路由功能。星載交換接收到數(shù)據(jù)包后，如果其中的衛(wèi)星ID與本星相同，則根據(jù)終端ID查找二層快速轉(zhuǎn)發(fā)表進行端口交換，如果衛(wèi)星ID與本星不同，則根據(jù)衛(wèi)星ID查找星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表進行星間轉(zhuǎn)發(fā)。二層快速轉(zhuǎn)發(fā)表由終端入退網(wǎng)信令維護，星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表由星載路由器運行路由協(xié)議生成。由于標準OSPF路由協(xié)議生成的路由表格式為目的網(wǎng)段、下一跳、出口等字段，不含標簽中的衛(wèi)星ID信息，因此需要設計相應的轉(zhuǎn)換策略，將星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表格式轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星ID、出口等字段。此外，終端RIP路由報文如何在衛(wèi)星節(jié)點間擴散也是該路由架構(gòu)需要解決的關鍵問題。

3 路由協(xié)議優(yōu)化設計

3.1 星上OSPF路由協(xié)議優(yōu)化

寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡的衛(wèi)星節(jié)點間組成環(huán)形網(wǎng)絡，較適合采用基于鏈路狀態(tài)算法的路由協(xié)議。目前，地面網(wǎng)絡中基于鏈路狀態(tài)算法的路由協(xié)議主要包括OSPF路由協(xié)議和IS-IS路由協(xié)議，二者應用于衛(wèi)星網(wǎng)絡的協(xié)議性能基本相同[13-14]?？紤]到OSPF路由協(xié)議是基于IP網(wǎng)絡設計的，且應用廣泛、配置簡單，星載路由器采用OSPF協(xié)議實現(xiàn)星間路由。為實現(xiàn)以OSPF路由表到基于衛(wèi)星標簽的星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表的轉(zhuǎn)換，本文設計了一種基于LoopBack接口路由表項的轉(zhuǎn)換方法，如圖3所示。

圖3 星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表生成示意圖Fig.3 Schematic diagram of inter-satellite routing forwarding table generating

星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表轉(zhuǎn)換流程：星上OSPF路由啟用LoopBack接口和星間接口，其中LoopBack接口IP地址設置規(guī)則為1.1.1.X/32，X代表衛(wèi)星ID。星上OSPF路由收斂后，根據(jù)LoopBack接口路由表項，獲取衛(wèi)星ID與相應出口等信息，生成基于衛(wèi)星標簽的星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表，下發(fā)給星載交換模塊，用于業(yè)務數(shù)據(jù)的星間轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 終端RIP路由協(xié)議優(yōu)化

寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡的地面終端間組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡，網(wǎng)絡拓撲簡單，不存在冗余鏈路，且任意地面終端間僅一跳距離，較適合采用RIP路由協(xié)議。RIP路由協(xié)議采用組播或廣播方式向外發(fā)送路由報文[15-16]，由于星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表僅支持單播報文的轉(zhuǎn)發(fā)，無法實現(xiàn)RIP路由報文的跨星轉(zhuǎn)發(fā)，為此設計了一種基于反向路徑檢查的終端RIP路由報文跨星轉(zhuǎn)發(fā)流程，如圖4所示。星載交換接收到RIP路由報文后，不需要解析處理RIP路由報文，僅需根據(jù)所攜帶的衛(wèi)星ID進行反向路徑檢查，即可完成RIP路由報文的跨星轉(zhuǎn)發(fā)，有效降低了星載硬件平臺的協(xié)議處理壓力。

圖4 終端RIP報文星間轉(zhuǎn)發(fā)示意Fig.4 Inter-satellite forwarding mechanism of terminal RIP packet

終端RIP路由星間轉(zhuǎn)發(fā)流程：地面終端將其所在衛(wèi)星的ID封裝到RIP報文中，發(fā)送給衛(wèi)星節(jié)點的星載交換。星載交換接收到RIP報文后，若該報文來自星地接口，則向所有的星間接口和星地接口進行轉(zhuǎn)發(fā)；若該報文來自星間接口，則根據(jù)RIP報文的衛(wèi)星ID進行反向路徑檢查，若檢查成功(即星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表項出口與報文接收接口一致)，則向除接收接口以外的所有星間接口以及星地接口進行轉(zhuǎn)發(fā)，否則丟棄該RIP報文。

4 仿真驗證

使用OPNET軟件進行寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡路由架構(gòu)及協(xié)議仿真。OPNET軟件可提供近似真實的網(wǎng)絡環(huán)境及豐富的網(wǎng)絡協(xié)議模型，在衛(wèi)星網(wǎng)絡仿真中得到了廣泛應用[17-20]。寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡路由架構(gòu)及協(xié)議仿真場景由5顆GEO衛(wèi)星利用星間鏈路組成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，每顆衛(wèi)星有2個星地波束，每個波束下有若干地面終端。仿真模型包括衛(wèi)星模型和地面終端模型，其中衛(wèi)星模型由星載路由器、星載交換、無線收發(fā)等模塊組成，星載路由器運行OSPF路由協(xié)議，星載交換采用衛(wèi)星標簽交換方式。地面終端運行RIP路由協(xié)議，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 星上OSPF和終端RIP路由仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result ofsatellite OSPF routing protocol and terminal RIP routing protocol

從星上OSPF路由表仿真結(jié)果可以看出，每一條OSPF路由表項包括衛(wèi)星ID、出口等信息，如網(wǎng)段為1.1.1.2/32的路由表項對應的衛(wèi)星ID為sat_2、出口為IF2，因此可利用OSPF路由表轉(zhuǎn)換為基于衛(wèi)星標簽的星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表。從終端RIP路由表仿真結(jié)果可以看出，在星地路由隔離條件下，地面終端RIP路由仍能正常收斂，同時也驗證了基于反向路徑檢查的RIP報文星間轉(zhuǎn)發(fā)流程的正確性。在路由收斂性能方面，地面終端RIP路由收斂速度大幅提高，用戶站跨星切換收斂時間由標準RIP協(xié)議的180 s左右，縮短至1～2 s，為實現(xiàn)用戶站跨星無感切換提供了技術(shù)基礎。

5 結(jié)論

針對目前國內(nèi)星載硬件平臺無法支持GEO寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡大規(guī)模終端組網(wǎng)的問題，提出了一種星地隔離的路由架構(gòu)，衛(wèi)星節(jié)點運行OSPF路由協(xié)議，不參與終端的路由計算，僅負責維護星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表。地面終端運行RIP路由協(xié)議，通過基于反向路徑檢查的星間轉(zhuǎn)發(fā)方式，實現(xiàn)全網(wǎng)擴散。通過仿真證明在星地路由隔離條件下，地面終端仍能正常實現(xiàn)路由收斂，有效降低了星載硬件平臺協(xié)議處理能力需求，為GEO寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡大規(guī)模終端組網(wǎng)提供了技術(shù)基礎。