一種適合GEO衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)的路由架構(gòu)及協(xié)議設(shè)計(jì)

尹 波，劉金燦，劉洛希

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)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(dòng)下，我國(guó)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(dāng)前我國(guó)衛(wèi)星通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[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(guān)站實(shí)現(xiàn)多星組網(wǎng)，如美國(guó)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(shí)現(xiàn)多星組網(wǎng)，如美國(guó)TSAT項(xiàng)目[3-4]。由于我國(guó)不具備在境外部署大型衛(wèi)星接入站的基礎(chǔ)與實(shí)力，因此只能采用天網(wǎng)地網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)基于GEO衛(wèi)星的寬帶多星IP組網(wǎng)。

地面網(wǎng)絡(luò)采用分域的路由策略，單個(gè)自治域內(nèi)的路由器規(guī)模有限(通常為數(shù)十臺(tái))，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(dá)數(shù)千個(gè)，且星載路由器與地面終端之間星狀連接，星載硬件計(jì)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(fù)責(zé)星間路由的維護(hù)與計(jì)算，不再參與地面終端路由的計(jì)算，從而簡(jiǎn)化了星載路由處理，保證基于國(guó)產(chǎn)星載硬件平臺(tái)的寬帶多星IP網(wǎng)絡(luò)可以支持大規(guī)模地面終端組網(wǎng)應(yīng)用。

1 寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)概述

寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)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(wù)。與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用可以對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)形成很好的補(bǔ)充和延伸[7-8]。由于我國(guó)不具備全球建站能力，寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)需要在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)具備星上路由交換、星間互聯(lián)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建全球覆蓋、多星組網(wǎng)的寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并與地面互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通。寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)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?fù)渥兓l繁，各種基于虛擬拓?fù)浜吞摂M節(jié)點(diǎn)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(luò)。

如圖1所示，寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

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

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)搭載星載交換機(jī)，為不同衛(wèi)星、不同波束下的用戶IP業(yè)務(wù)提供快速轉(zhuǎn)發(fā)。路由技術(shù)是實(shí)現(xiàn)寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)星間組網(wǎng)、星地組網(wǎng)的基礎(chǔ)，為使用戶IP業(yè)務(wù)在寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)中多跳傳輸，路由技術(shù)必須高效、靈活、可擴(kuò)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(luò)具有地面終端網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、星載平臺(tái)處理能力弱等特點(diǎn)，因此不能照搬地面網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，研究適合寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)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(biāo)簽交換和大二層網(wǎng)絡(luò)等設(shè)計(jì)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(kuò)散、星上標(biāo)簽交換等設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建一個(gè)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(yùn)行OSPF路由協(xié)議，負(fù)責(zé)維護(hù)GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)，生成星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表。地面終端運(yùn)行RIP路由協(xié)議，負(fù)責(zé)維護(hù)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(hù)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的路由轉(zhuǎn)發(fā)信息，且衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)規(guī)模很小(5～6個(gè)節(jié)點(diǎn))，因此大大降低了對(duì)星載硬件平臺(tái)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(biāo)簽交換方式，星載交換通過識(shí)別由目的衛(wèi)星ID和目的終端ID構(gòu)成的短標(biāo)簽實(shí)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(jìn)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(jìn)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(hù)，星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表由星載路由器運(yùn)行路由協(xié)議生成。由于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)簽中的衛(wèi)星ID信息，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)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(bào)文如何在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間擴(kuò)散也是該路由架構(gòu)需要解決的關(guān)鍵問題。

3 路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 星上OSPF路由協(xié)議優(yōu)化

寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，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(luò)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(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(luò)設(shè)計(jì)的，且應(yīng)用廣泛、配置簡(jiǎn)單，星載路由器采用OSPF協(xié)議實(shí)現(xiàn)星間路由。為實(shí)現(xiàn)以O(shè)SPF路由表到基于衛(wèi)星標(biāo)簽的星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表的轉(zhuǎn)換，本文設(shè)計(jì)了一種基于LoopBack接口路由表項(xiàng)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(shè)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(xiàng)，獲取衛(wèi)星ID與相應(yīng)出口等信息，生成基于衛(wèi)星標(biāo)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(wù)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(luò)的地面終端間組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)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(bào)文[15-16]，由于星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表僅支持單播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，無法實(shí)現(xiàn)RIP路由報(bào)文的跨星轉(zhuǎn)發(fā)，為此設(shè)計(jì)了一種基于反向路徑檢查的終端RIP路由報(bào)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(bào)文后，不需要解析處理RIP路由報(bào)文，僅需根據(jù)所攜帶的衛(wèi)星ID進(jìn)行反向路徑檢查，即可完成RIP路由報(bào)文的跨星轉(zhuǎn)發(fā)，有效降低了星載硬件平臺(tái)的協(xié)議處理壓力。

圖4 終端RIP報(bào)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(bào)文中，發(fā)送給衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的星載交換。星載交換接收到RIP報(bào)文后，若該報(bào)文來自星地接口，則向所有的星間接口和星地接口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；若該報(bào)文來自星間接口，則根據(jù)RIP報(bào)文的衛(wèi)星ID進(jìn)行反向路徑檢查，若檢查成功(即星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)出口與報(bào)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(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，否則丟棄該RIP報(bào)文。

4 仿真驗(yàn)證

使用OPNET軟件進(jìn)行寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)路由架構(gòu)及協(xié)議仿真。OPNET軟件可提供近似真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真中得到了廣泛應(yīng)用[17-20]。寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)路由架構(gòu)及協(xié)議仿真場(chǎng)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(gè)星地波束，每個(gè)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(yùn)行OSPF路由協(xié)議，星載交換采用衛(wèi)星標(biāo)簽交換方式。地面終端運(yùn)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(xiàng)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(xiàng)對(duì)應(yīng)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(biāo)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(shí)也驗(yàn)證了基于反向路徑檢查的RIP報(bào)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(shí)間由標(biāo)準(zhǔn)RIP協(xié)議的180 s左右，縮短至1～2 s，為實(shí)現(xiàn)用戶站跨星無感切換提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)星載硬件平臺(tái)無法支持GEO寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)運(yùn)行OSPF路由協(xié)議，不參與終端的路由計(jì)算，僅負(fù)責(zé)維護(hù)星間路由轉(zhuǎn)發(fā)表。地面終端運(yùn)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(shí)現(xiàn)全網(wǎng)擴(kuò)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(shí)現(xiàn)路由收斂，有效降低了星載硬件平臺(tái)協(xié)議處理能力需求，為GEO寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模終端組網(wǎng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。