一種基于GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的IP組網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)及仿真

李園利，王 宇

（中國空間技術(shù)研究院西安分院 陜 西 西 安710100）

目前，大部分支持IP包傳送的衛(wèi)星系統(tǒng)，不管是透明轉(zhuǎn)發(fā)還是再生處理，衛(wèi)星都只是提供一個(gè)在地面路由器之間的物理連接通道而已。這種方法適用于第一代的星地組網(wǎng)要求，但卻難以滿足像衛(wèi)星寬帶接人、多媒體、信息中繼以及星地網(wǎng)絡(luò)一體化等需求。為了實(shí)現(xiàn)與地面Internet網(wǎng)的互聯(lián)，衛(wèi)星系統(tǒng)的IP化已是其發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

從國內(nèi)外的情況來看，具有星上IP路由交換處理功能的衛(wèi)星系統(tǒng)都吸引了較大的資金和興趣用于研究和發(fā)展。如Spaceway-3[1]系統(tǒng)在星上整合了一個(gè)具有路由功能的星載處理器，將地面路由交換機(jī)的功能分解到衛(wèi)星終端、星載交換機(jī)和地面網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備共同完成，即從地面IP網(wǎng)絡(luò)用戶的角度看，由終端、衛(wèi)星和地面網(wǎng)控構(gòu)成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè)虛擬路由器。 IRIS（Internet Protocol Routing In Space）[2]系統(tǒng)在星上搭載一個(gè)IP路由器用以測(cè)試空間路由技術(shù)，即GEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的IP路由器功能，衛(wèi)星與地面路由器完全對(duì)等的。TSAT[3]系統(tǒng)針對(duì)星上實(shí)現(xiàn)大容器處理的需求，在星上搭載了個(gè)下一代路由器，不僅具備IRIS路由器這種獨(dú)立完整的IP路由功能，并采用MPLS標(biāo)簽交換技術(shù)，充分發(fā)揮衛(wèi)星終端的處理能力。這些項(xiàng)目都針對(duì)GEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)IP路由的研究都是在網(wǎng)絡(luò)層級(jí)來實(shí)現(xiàn)的，它帶來了很多優(yōu)勢(shì)。

鑒于以上GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景，文中提出了一個(gè)分組傳輸和交換均基于IP的GEO衛(wèi)星系統(tǒng)，在滿足星載RIP路由協(xié)議的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種GEO衛(wèi)星IP組網(wǎng)方案，星上采用三層路由交換的思路。這一系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)主要有：1）實(shí)現(xiàn)大量終端的單跳/雙跳通信以及和地面網(wǎng)絡(luò)的IP互聯(lián)；2）實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星同交換域下用戶信息的鏈路層快速交換，不同交換域下用戶信息的網(wǎng)絡(luò)層IP路由交換處理。3）IP路由協(xié)議（RIP路由協(xié)議）在此網(wǎng)絡(luò)中的適應(yīng)性研究。本章將主要從系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)方案以及星載IP路由協(xié)議的建模仿真幾方面進(jìn)行闡述。

1 GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要圍繞具有多波束能力的地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit）寬帶衛(wèi)星在網(wǎng)絡(luò)層面展開。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of GEO satellite network

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的組成主要包括寬帶GEO衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)控制中心和衛(wèi)星終端，衛(wèi)星終端包括無路由功能終端，如用戶計(jì)算機(jī)或路由器的無線網(wǎng)卡，主要完成地面以太網(wǎng)協(xié)議與星地鏈路層協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換；還包括有路由功能終端，如高性能路由器，與用戶設(shè)備之間采用地面標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口連接，與衛(wèi)星之間按照星地接口規(guī)范實(shí)現(xiàn)。

2 IP組網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目的

RIP路由協(xié)議是最簡(jiǎn)單的IP路由協(xié)議，但其包含水平分割技術(shù)[5]，即從某個(gè)接口學(xué)習(xí)到的路由信息將不再重新轉(zhuǎn)發(fā)到某個(gè)接口。而衛(wèi)星波束下的不同用戶之間由于這種技術(shù)的存在將不能完全實(shí)現(xiàn)信息的交互，因此，為滿足星載RIP路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)及其水平分割技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)三層路由交換的組網(wǎng)方案，即相同交換域下用戶信息基于鏈路層快速交換，不同交換域下用戶信息基于網(wǎng)絡(luò)層IP路由交換處理。

2.2 組網(wǎng)方案

為在GEO衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)星上RIP路由協(xié)議和IP包路由轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鏈路層快速交換功能，即星上實(shí)現(xiàn)三層交換機(jī)功能。具體的組網(wǎng)方案如圖2所示。

圖2 GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)IP組網(wǎng)方案Fig.2 IP Networking method of GEO satellite network

GEO衛(wèi)星的多個(gè)波束可以根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用劃分為多個(gè)快速交換域，一個(gè)快速交換域可以由1個(gè)或多個(gè)波束組成。同一個(gè)快速交換域內(nèi)終端之間通信數(shù)據(jù)在星載路由器內(nèi)基于鏈路層幀（二層）快速交換；不同交換域之間（不同衛(wèi)星屬于不同交換域）的終端通信數(shù)據(jù)在星載路由器內(nèi)恢復(fù)為IP包，基于IP目的地址進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層（三層）查表路由轉(zhuǎn)發(fā)。其具體的IP路由交換階段流程如圖3所示。

圖3 IP路由交換流程Fig.3 Flow chart of IP the routing exchange

1）更新路由過程

終端及衛(wèi)星基于相同的路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)終端與衛(wèi)星以及通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)交換域（即LAN內(nèi)）其他終端之間的路由信息交互，從而在終端和星上建立起路由表；新終端加入，將觸發(fā)衛(wèi)星及其他終端路由表的更新。

2）IP數(shù)據(jù)包路由過程

連接到衛(wèi)星終端的用戶設(shè)備/子網(wǎng)產(chǎn)生的IP數(shù)據(jù)包到達(dá)衛(wèi)星終端，終端根據(jù)IP目的地址查找路由表，獲得下一跳IP地址及對(duì)應(yīng)的MAC地址（目的站號(hào)），將IP數(shù)據(jù)包封裝在鏈路層幀中發(fā)送；衛(wèi)星接收到終端發(fā)送的上行鏈路層幀時(shí)，首先判別其中的目的站號(hào)是否為本星，若是本星則直接按鏈路層幀頭中的目的站號(hào)查找轉(zhuǎn)發(fā)表獲取輸出端口，并進(jìn)行鏈路層快速轉(zhuǎn)發(fā)；若非衛(wèi)星則從鏈路層幀中恢復(fù)出IP包，查找IP路由表獲取輸出端口、下一跳MAC地址等信息，其后進(jìn)行IP三層路由轉(zhuǎn)發(fā)處理。

3）地址解析

地址解析功能完成網(wǎng)絡(luò)層IP地址與鏈路層地址之間的映射。終端和衛(wèi)星發(fā)送的IP數(shù)據(jù)包必須封裝在鏈路層幀中，鏈路層幀頭中包含接收對(duì)端的鏈路層地址，接收方根據(jù)鏈路層幀頭中的MAC地址判斷該數(shù)據(jù)幀是否該接收。

3 星載IP路由協(xié)議

IP路由選擇協(xié)議是TCP/IP協(xié)議棧中的重要成員之一，為網(wǎng)絡(luò)上的IP數(shù)據(jù)包選擇合適的傳輸路徑。本文僅討論最簡(jiǎn)單，最常用的RIP路由協(xié)議。

RIP路由協(xié)議[4-6]是一種基于距離向量算法的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議。它通過UDP報(bào)文進(jìn)行路由信息的交互，周期性地向相鄰路由器廣播距離向量表來反映網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，逐步逐跳式完成全網(wǎng)信息的擴(kuò)散。RIP協(xié)議在地面網(wǎng)絡(luò)中具有路由算法不能完全杜絕路由環(huán)路，收斂相對(duì)較慢，擴(kuò)展性較差，最大跳數(shù)不能超過16跳的局限性；但是其具有配置簡(jiǎn)單，算法占用較少的內(nèi)存和CPU處理時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。

由于星載路由器資源有限，受功耗、尺寸的限制，只有有限的內(nèi)存空間，因此星載路由器中運(yùn)行的路由協(xié)議不能太大，太復(fù)雜。針對(duì)我們構(gòu)建的GEO衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)路由系統(tǒng)，雖然衛(wèi)星終端數(shù)量非常大，但地面不同終端之間通信過程最多不會(huì)超過兩跳的特點(diǎn)，結(jié)合RIP運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)資源占有量非常小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，試探性地研究了RIP路由協(xié)議在GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)。

4 星載RIP路由協(xié)議的OPNET仿真

4.1 仿真建模

為簡(jiǎn)化仿真，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和衛(wèi)星終端采用OPNET仿真軟件[7]中的標(biāo)準(zhǔn)路由器模塊。根據(jù)上文陳述的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)IP路由交換方案，建立的仿真模型如圖4所示。

圖4 GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真建模Fig.4 Simulation chart of GEO satellite network

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)：由一個(gè)路由器和以太網(wǎng)交換機(jī)組成（一個(gè)交換機(jī)代表星載路由器的端口）。每個(gè)端口作為一個(gè)快速交換域，一個(gè)交換域由一個(gè)波束組成，即每個(gè)端口對(duì)應(yīng)一個(gè)波束；衛(wèi)星終端：都采用具有路由功能的路由器；星地鏈路：用有線鏈路代替無線鏈路，鏈路的傳播時(shí)延，誤碼率都可以設(shè)置。

4.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

表1 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)Tab.1 Parameter of the whole network

仿真環(huán)境：衛(wèi)星共8波束，地面衛(wèi)星終端數(shù)量分別為200、400、800個(gè)時(shí)，按照表1所示的參數(shù)配置網(wǎng)絡(luò)，在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和地面節(jié)點(diǎn)的所有接口上都啟動(dòng)RIP路由協(xié)議，并分為未設(shè)置水平分割技術(shù)和設(shè)置水平分割技術(shù)兩種情況，選取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議開銷為統(tǒng)計(jì)量，仿真時(shí)間為1小時(shí)。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result chart

4.3 仿真結(jié)果分析

從圖5可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的RIP協(xié)議開銷非常大，這是由于RIP協(xié)議是周期性更新路由信息的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置水平分割技術(shù)之后，就避免了從鄰居接口學(xué)習(xí)到路由信息重新發(fā)回到鄰居，降低了協(xié)議開銷。從圖5（a）和5（b）結(jié)果對(duì)比，可以算出協(xié)議開銷降低的最大程度達(dá)到97%，并且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，這種趨勢(shì)還會(huì)更加明顯。這對(duì)GEO衛(wèi)星星上空間有限來說，將是一大優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語

文中根據(jù)GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景，提出了一個(gè)星上三層路由交換的思路，并基于此構(gòu)建了一種GEO衛(wèi)星IP組網(wǎng)方案，主要實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星同交換域下用戶信息的鏈路層快速交換，不同交換域下用戶信息的網(wǎng)絡(luò)層IP路由交換處理。最后，進(jìn)行了RIP路由協(xié)議在此網(wǎng)絡(luò)中的適應(yīng)性研究，得出RIP協(xié)議設(shè)置水平分割技術(shù)能很大程度的降低網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議開銷，對(duì)GEO衛(wèi)星星上空間有限來說，將是一大優(yōu)勢(shì)。

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