天基寬帶信息傳輸網(wǎng)架構(gòu)與路由協(xié)議分析

陳特 高曌 劉偉 陶瀅 周鈉

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

天基寬帶信息傳輸網(wǎng)依托高軌寬帶通信衛(wèi)星，為陸?？仗旄黝惛咚賹拵в脩籼峁拵I(yè)務(wù)接入和全球骨干傳輸服務(wù)，是聯(lián)通陸?？仗斓男畔⒏咚俟?，可為我國(guó)“一帶一路”等戰(zhàn)略提供快速響應(yīng)的全球信息服務(wù)能力。當(dāng)前，由單星、多星向網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成為了衛(wèi)星寬帶通信領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，從美國(guó)21世紀(jì)初的轉(zhuǎn)型通信體系[1]，到我國(guó)前期論證的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)[2]，都體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)。衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，將引領(lǐng)信息領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施的巨大變革，對(duì)人類社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

傳統(tǒng)的高軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用星上透明轉(zhuǎn)發(fā)模式，通過(guò)在地面關(guān)口站進(jìn)行協(xié)議處理來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶用戶組網(wǎng)與信息傳輸。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)基本的組網(wǎng)應(yīng)用，但很難滿足未來(lái)各類用戶隨遇接入、全球廣域組網(wǎng)通聯(lián)、多媒體業(yè)務(wù)靈活服務(wù)和快速響應(yīng)等需求。特別在我國(guó)不具備海外廣泛建站的情況下，發(fā)展基于星上IP處理和天地融合組網(wǎng)的下一代天基寬帶信息傳輸網(wǎng)尤為重要。

隨著載荷技術(shù)的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星逐漸具備一定的協(xié)議處理能力，從透明轉(zhuǎn)發(fā)、物理層/鏈路層處理逐步向星上IP路由轉(zhuǎn)發(fā)方向發(fā)展。從國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況來(lái)看，具有星上路由交換功能的衛(wèi)星通信系統(tǒng)已得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。美國(guó)休斯公司研制和運(yùn)營(yíng)的太空之路(Spaceway-3)系統(tǒng)具備星上數(shù)字處理和分組交換能力，由星載處理器和地面網(wǎng)控中心共同實(shí)現(xiàn)了路由功能[3]，使終端之間能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)狀組網(wǎng)通信，提升了組網(wǎng)靈活性。美國(guó)思科公司的空間因特網(wǎng)路由器(IP Routing In Space, IRIS)搭載在國(guó)際通信衛(wèi)星(Intelsat-14)上，使衛(wèi)星具備完整的IP路由器功能，并實(shí)現(xiàn)了虛擬專用網(wǎng)絡(luò)、視頻/數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍谲壴囼?yàn)[4]。

鑒于上述背景，本文面向高軌天基寬帶信息傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化能力提升需求開(kāi)展組網(wǎng)技術(shù)研究，提出網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與組網(wǎng)方案，并針對(duì)IP路由協(xié)議進(jìn)行適用性分析，從而為天基寬帶信息傳輸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)

天基寬帶信息傳輸網(wǎng)主要由空間段、地面段和用戶段3個(gè)部分組成，系統(tǒng)采用天地一體化設(shè)計(jì)理念，通過(guò)分組路由交換、星載網(wǎng)控等技術(shù)提高天地融合組網(wǎng)能力。其中，空間段星座由多顆高軌衛(wèi)星構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)全球常態(tài)覆蓋；同軌道面衛(wèi)星通過(guò)星間鏈路形成星間骨干環(huán)網(wǎng)，國(guó)土可見(jiàn)衛(wèi)星與地面關(guān)口站之間通過(guò)星地饋電鏈路構(gòu)成星地骨干傳輸鏈路。地面段包括地面關(guān)口站、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管控中心、地面測(cè)控站等，主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管控、資源調(diào)控、衛(wèi)星測(cè)控、與地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通等功能。用戶段包含陸?？仗旄黝悓拵в脩簦w固定、便攜、車載、船載、機(jī)載和星載等終端類型。根據(jù)系統(tǒng)組成，天基寬帶信息傳輸網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，星間、星地和地面鏈路連接空間段、地面段和用戶段的各類路由器節(jié)點(diǎn)、主機(jī)終端等，實(shí)現(xiàn)全球信息通聯(lián)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)

如圖1所示，其中，星載路由交換設(shè)備、地面關(guān)口站、路由器型終端等運(yùn)行基于IP協(xié)議框架的路由協(xié)議，相互進(jìn)行路由信息交互和學(xué)習(xí)；此外，地面?zhèn)染W(wǎng)絡(luò)用戶可通過(guò)衛(wèi)星終端/地面關(guān)口站接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，獲取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

1.2 節(jié)點(diǎn)功能

1.2.1 衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)作為空間段核心路由節(jié)點(diǎn)，具備完整的IP路由器功能，與地面關(guān)口站、衛(wèi)星終端構(gòu)成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)具有路由功能的地面節(jié)點(diǎn)(地面關(guān)口站和路由器型終端)拓展到地面網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成天地一體融合網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 地面段和用戶段節(jié)點(diǎn)

在天基寬帶信息傳輸網(wǎng)中，地面段和用戶段節(jié)點(diǎn)作為各類用戶業(yè)務(wù)的匯聚節(jié)點(diǎn)，既包括路由器型節(jié)點(diǎn)(地面關(guān)口站、能力較強(qiáng)的用戶終端)，也包括無(wú)法進(jìn)一步擴(kuò)散路由信息的主機(jī)型節(jié)點(diǎn)(能力較弱的用戶終端)。地面段、用戶段節(jié)點(diǎn)功能如圖2所示，其中，路由器型節(jié)點(diǎn)主要為地面大站，包含路由交換模塊，可掛接地面?zhèn)染W(wǎng)絡(luò)和各類主機(jī)用戶；主機(jī)型節(jié)點(diǎn)設(shè)備功能簡(jiǎn)單，不具有路由交換功能，僅需完成標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議與衛(wèi)星鏈路協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。

圖2 地面段、用戶段節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)功能示意圖

2 組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

考慮到地面?zhèn)染W(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、形態(tài)多樣，且分屬不同的管理機(jī)構(gòu)，為便于獨(dú)立管理，同時(shí)減少路由擴(kuò)散范圍，降低星載路由計(jì)算開(kāi)銷，天基寬帶信息傳輸網(wǎng)可采用劃分路由自治域的組網(wǎng)策略(見(jiàn)圖3)。

如圖3所示，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與用戶側(cè)網(wǎng)絡(luò)分屬不同的路由自治域，自治域內(nèi)部采用相同的域內(nèi)路由協(xié)議，解決端到端最優(yōu)路由問(wèn)題，其中衛(wèi)星路由自治域采用標(biāo)準(zhǔn)或改進(jìn)路由協(xié)議，用戶側(cè)網(wǎng)絡(luò)則采用地面標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；自治域之間部署邊界路由器，采用邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(Border Gateway Protocol, BGP)實(shí)現(xiàn)域間互通、路由聚合與隔離。

為實(shí)現(xiàn)波束內(nèi)、不同波束間、不同星間的快速轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)采用二層快速交換結(jié)合三層路由轉(zhuǎn)發(fā)的路由交換策略[5]：可將衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)波束配置為一個(gè)快速交換域，對(duì)于域內(nèi)終端間的IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，衛(wèi)星基于鏈路層地址(二層)快速交換；不同交換域之間的IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，基于目的IP地址進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層(三層)路由轉(zhuǎn)發(fā)，以降低協(xié)議處理開(kāi)銷和復(fù)雜度，提高星上路由交換性能。

3 路由協(xié)議適用性分析

路由選擇信息協(xié)議(Routing Information Protocol, RIP)與開(kāi)放最短路徑優(yōu)先(Open Shortest Path First, OSPF)路由協(xié)議是最常用的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。針對(duì)以上兩種協(xié)議，本文重點(diǎn)從鏈路開(kāi)銷和收斂特性兩方面進(jìn)行分析，從而為天基寬帶信息傳輸網(wǎng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

3.1 RIP協(xié)議

RIP協(xié)議適用于中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，是動(dòng)態(tài)路由中最先得到廣泛應(yīng)用的一種協(xié)議，在使用上非常簡(jiǎn)單，對(duì)路由器的處理和存儲(chǔ)能力要求相對(duì)較低。RIP協(xié)議基于距離向量算法完成路由計(jì)算，路由器在剛開(kāi)始工作時(shí)，只知道到直連網(wǎng)絡(luò)的距離；經(jīng)過(guò)若干次路由信息交互后，所有的路由器最終都會(huì)知道到達(dá)域內(nèi)任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最短距離和下一跳路由器的地址。

值得注意的是，由于我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)各自的操作規(guī)程不同，爐批材料的成分和性能也不一致，雖都符合材料標(biāo)準(zhǔn)，但波動(dòng)范圍大，材質(zhì)的一致性、均勻性和穩(wěn)定性較差。同時(shí)，國(guó)內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)眾多，各自技術(shù)水平、設(shè)備生產(chǎn)能力不同，導(dǎo)致航空用鋼鐵材料的性能數(shù)據(jù)較為分散，離散系數(shù)大[9]。

3.1.1 鏈路開(kāi)銷分析

根據(jù)RIP協(xié)議基本原理[6]，每個(gè)RIP報(bào)文最多包含25條路由信息，而路由信息條目數(shù)量等于網(wǎng)絡(luò)中子網(wǎng)個(gè)數(shù)NSubnet。因此，結(jié)合RIP報(bào)文封裝格式，每個(gè)路由器終端發(fā)送的RIP路由開(kāi)銷可以表示為

(1)

式中：LRIP為路由信息條目的長(zhǎng)度(byte)；協(xié)議的頭部開(kāi)銷H=HRIP+HUDP+HIP+HMAC，其中HRIP為RIP報(bào)文頭部長(zhǎng)度(byte)，HUDP為UDP頭部長(zhǎng)度(byte)，HIP為IP報(bào)文頭部長(zhǎng)度(byte)，HMAC為鏈路幀開(kāi)銷(byte)；nRIP=Ceil(NSubnet/25)為每個(gè)路由器一個(gè)發(fā)送周期內(nèi)發(fā)送的RIP報(bào)文數(shù)量；TRIP為RIP報(bào)文發(fā)送周期。

在同一個(gè)波束下，每個(gè)路由器(衛(wèi)星和衛(wèi)星終端)均需要向鄰居路由器發(fā)送路由信息，因此該波束的RIP路由協(xié)議星地鏈路總開(kāi)銷為

CBeam=NU·CRIP

(2)

式中：NU為該波束下終端數(shù)量。而對(duì)于星間鏈路，路由協(xié)議開(kāi)銷為

CISL=CRIP

(3)

為驗(yàn)證上述理論分析的正確性，本文基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行了RIP協(xié)議鏈路開(kāi)銷仿真計(jì)算，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。受仿真規(guī)模的限制，每個(gè)衛(wèi)星的波束數(shù)量為6，每波束的終端數(shù)量為40。由表1的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。因此對(duì)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大的天基寬帶信息傳輸網(wǎng)，可采用本文得出的理論公式開(kāi)展鏈路開(kāi)銷分析。

表1 單終端鏈路開(kāi)銷

在天基寬帶信息傳輸網(wǎng)中，假設(shè)地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星數(shù)量為5，每顆衛(wèi)星的波束數(shù)量為16，根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)可以得到在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的星地、星間RIP路由協(xié)議鏈路開(kāi)銷，見(jiàn)表2。當(dāng)單波束終端數(shù)為200(總終端數(shù)16 000)、地面子網(wǎng)規(guī)模達(dá)到20 000時(shí)，單終端的鏈路開(kāi)銷達(dá)到120 kbit/s，這對(duì)于能力相對(duì)較弱的衛(wèi)星終端來(lái)講將承受較大的鏈路壓力。此外，相比于星地開(kāi)銷，考慮到星間激光鏈傳輸能力相對(duì)很強(qiáng)(>Gbit/s)，因此星間開(kāi)銷不會(huì)占據(jù)太多的傳輸資源。

表2 RIP路由協(xié)議鏈路開(kāi)銷

當(dāng)衛(wèi)星終端發(fā)生跨波束切換時(shí)，終端IP地址切換至目的波束對(duì)應(yīng)的網(wǎng)段，將會(huì)發(fā)生路由觸發(fā)更新。根據(jù)RIP協(xié)議基本原理，由于切換前后路由跳數(shù)不變，因此路由信息將在超時(shí)定時(shí)器(默認(rèn)值為180 s)經(jīng)過(guò)一半時(shí)間后發(fā)生更新[6]，并完成路由計(jì)算。由此可知，當(dāng)發(fā)生跨波束切換時(shí)，RIP路由重收斂時(shí)間最長(zhǎng)大約為幾十秒量級(jí)[7]。

而當(dāng)衛(wèi)星終端發(fā)生跨星切換時(shí)，由于路由跳數(shù)發(fā)生變化，因此路由信息將在超時(shí)定時(shí)器超時(shí)后發(fā)生更新[6]。因此，跨星切換時(shí)RIP路由重收斂時(shí)間最長(zhǎng)大約在180 s左右[7]。

3.2 OSPF協(xié)議

OSPF協(xié)議是一種典型的鏈路狀態(tài)協(xié)議，采用問(wèn)候(Hello)分組來(lái)實(shí)現(xiàn)鄰居路由器的發(fā)現(xiàn)與保持，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)交換與泛洪達(dá)到數(shù)據(jù)庫(kù)的同步，最后采用迪克斯特拉(Dijkstra)最短路徑優(yōu)先算法計(jì)算路由，可以實(shí)現(xiàn)快速收斂，且不容易受到有害路由選擇信息的影響。此外，OSPF協(xié)議使用區(qū)域概念減少對(duì)路由器CPU和內(nèi)存的占用，可以支持大型網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)路由。

3.2.1 鏈路開(kāi)銷分析

OSPF路由協(xié)議開(kāi)銷主要分為兩類：一類是用于建立和維護(hù)鄰接關(guān)系的Hello數(shù)據(jù)包，另一類是進(jìn)行鏈路狀態(tài)同步的數(shù)據(jù)包。相比于RIP協(xié)議，OSPF協(xié)議不會(huì)定期發(fā)送路由信息，僅在鏈路度量更新時(shí)才會(huì)觸發(fā)鏈路狀態(tài)通告(Link State Advertisement，LSA)報(bào)文的發(fā)送，因此，在網(wǎng)絡(luò)路由收斂后，路由協(xié)議鏈路開(kāi)銷僅來(lái)源于Hello數(shù)據(jù)包的周期性發(fā)送，這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RIP路由協(xié)議造成的鏈路開(kāi)銷。

根據(jù)OSPF協(xié)議基本原理[8]，Hello數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包含的是鄰居路由器的列表，因此其長(zhǎng)度取決于建立鄰接關(guān)系的鄰居路由器的數(shù)量。假設(shè)路由器ID長(zhǎng)度為L(zhǎng)OSPF,建立鄰接關(guān)系的鄰居路由器個(gè)數(shù)為M，則單個(gè)路由器終端發(fā)送的Hello數(shù)據(jù)包開(kāi)銷為

(4)

(5)

由此可見(jiàn)，單波束Hello數(shù)據(jù)包開(kāi)銷近似與該波束下終端數(shù)量的平方成正比。

本文基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行了OSPF協(xié)議鏈路開(kāi)銷仿真計(jì)算。受仿真規(guī)模的限制，GEO衛(wèi)星的數(shù)量為5，每個(gè)衛(wèi)星的波束數(shù)量為8，每波束下的終端數(shù)量為50。圖4所示為OSPF路由協(xié)議的單波束星地鏈路總開(kāi)銷，其中，在路由收斂過(guò)程中鏈路的峰值開(kāi)銷約為2.3 Mbit/s，這主要是鏈路狀態(tài)同步造成的；而當(dāng)路由收斂之后，星地鏈路開(kāi)銷穩(wěn)定在11 kbit/s左右，這主要來(lái)源于周期性發(fā)送的Hello數(shù)據(jù)包。可見(jiàn)，OSPF路由協(xié)議相比于RIP路由協(xié)議可顯著降低鏈路開(kāi)銷。

圖4 OSPF路由協(xié)議鏈路開(kāi)銷

3.2.2 跨波束和跨星切換條件下的收斂特性分析

當(dāng)衛(wèi)星終端發(fā)生跨波束切換時(shí)，會(huì)發(fā)送新的Hello包和LSA信息。根據(jù)OSPF協(xié)議基本原理[6]，由于新LSA包中的度量值未發(fā)生變化，需要等到Hello包定時(shí)器(默認(rèn)值為40 s)超時(shí)后才會(huì)更新路由條目，并完成路由計(jì)算。由此可知，在跨波束切換條件下的路由收斂時(shí)間最長(zhǎng)大概在40 s左右。

而當(dāng)衛(wèi)星終端發(fā)生跨星切換時(shí)，新LSA包中的度量值變大，此時(shí)同樣需要等到Hello包定時(shí)器超時(shí)后才會(huì)更新路由信息[8]。因此，跨星切換時(shí)OSPF路由重收斂時(shí)間最長(zhǎng)大概在40 s左右。

3.3 協(xié)議對(duì)比

總體而言，RIP協(xié)議具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)算開(kāi)銷較小等優(yōu)點(diǎn)，但同樣具有明顯的缺點(diǎn)，在開(kāi)展天基寬帶信息傳輸網(wǎng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)需要針對(duì)性考慮：一方面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，RIP協(xié)議重路由收斂較慢，這是由RIP協(xié)議的定時(shí)更新機(jī)制決定的；另一方面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，由于形成路由環(huán)路，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能將故障信息傳送到所有的路由器，因此在實(shí)用中需要采用水平分割策略以避免環(huán)路的形成。

與RIP協(xié)議相比，OSPF協(xié)議具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：支持更大范圍、更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，并且在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)快速的收斂；進(jìn)行嚴(yán)格的開(kāi)銷控制，將協(xié)議自身的鏈路開(kāi)銷控制到最?。淮送?，由于OSPF協(xié)議基于鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)信息計(jì)算路由，從算法本身可避免路由環(huán)路的出現(xiàn)。然而，OSPF路由協(xié)議配置管理比較復(fù)雜，鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)和路由計(jì)算的處理開(kāi)銷比較大，因此在開(kāi)展路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)需要有針對(duì)性地進(jìn)行輕量化處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文面向高軌天基寬帶信息傳輸網(wǎng)天地融合組網(wǎng)需求，一方面基于系統(tǒng)組成，開(kāi)展了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析與組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)，提出了路由自治域劃分方案和路由交換總體策略；另一方面重點(diǎn)針對(duì)RIP和OSPF路由協(xié)議進(jìn)行了鏈路開(kāi)銷與收斂特性分析，并完成了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：地面IP路由協(xié)議各有優(yōu)缺點(diǎn)，在后續(xù)開(kāi)展路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。本文的研究結(jié)果可為天基寬帶信息傳輸網(wǎng)的總體論證和組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)提供參考。