董飛虎，孫晨華，董忠文，章 偉

(1.中國電子科技集團第五十四研究所，河北石家莊050081;2.中國人民解放軍66440部隊，河北石家莊050081)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信以其獨特的優(yōu)勢在通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中發(fā)揮著重要的作用。地面IP網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)不斷融合，衛(wèi)星通信作為廣域網(wǎng)實現(xiàn)對IP業(yè)務(wù)的接入，正在逐步演變成事實［1］。

IP網(wǎng)絡(luò)互連中，路由器提供數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，是不同網(wǎng)絡(luò)連通的關(guān)鍵設(shè)備。它使用動態(tài)路由協(xié)議完成轉(zhuǎn)發(fā)路徑的交互、更新與維護。動態(tài)路由協(xié)議與所在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集成程度對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)性能有重要的影響。針對不同的網(wǎng)絡(luò)使用相適應(yīng)的動態(tài)路由協(xié)議，可以提高整個網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)效率。

1 MF-TDMA衛(wèi)星網(wǎng)及終端

MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活、支持綜合業(yè)務(wù)接入、能夠?qū)崿F(xiàn)大小終端同網(wǎng)工作以及可以針對不同的應(yīng)用需求進行靈活設(shè)計等特點，目前已成為國內(nèi)外衛(wèi)星研究及應(yīng)用的熱點［2］。國內(nèi)完全自主研制的MF-TDMA衛(wèi)星網(wǎng)屬于網(wǎng)狀組網(wǎng)，所有在網(wǎng)節(jié)點的綜合業(yè)務(wù)一跳可達［3］。

一般衛(wèi)星終端主要由IP處理單元與綜合接入單元完成對數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。IP處理單元與綜合接入單元通過自定義內(nèi)部幀結(jié)構(gòu)交互信息。目前終端在IP業(yè)務(wù)處理上存在以下特點與問題:

①MF-TDMA系統(tǒng)由于站數(shù)較多及客戶IPv4網(wǎng)段地址有限等因素，可能無法滿足組網(wǎng)需求。在中小規(guī)模組網(wǎng)時，衛(wèi)星側(cè)接口與本地接口網(wǎng)段配置屬于不同管理機構(gòu)，網(wǎng)段可能產(chǎn)生重疊而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷。

②TDMA終端中存在2次數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)操作，系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)功能集成度不高，降低了內(nèi)部系統(tǒng)效率及幀效率。

2 RIP-S路由協(xié)議

根據(jù)MF-TDMA衛(wèi)星網(wǎng)的上述特點及應(yīng)用需求，提出了更加適應(yīng)的動態(tài)路由協(xié)議RIP-S，它基于標(biāo)準(zhǔn)的RIP路由協(xié)議改進而來，采用了2項技術(shù)—擴展的無編號IP(extended unnumbered IP)技術(shù)與雙層尋址路由技術(shù)，既可規(guī)避網(wǎng)段沖突又高度集成轉(zhuǎn)發(fā)功能，實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)發(fā)到地球站的路由操作，能靈活適應(yīng)和優(yōu)化MF-TDMA衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

2.1 擴展的Unnumbered IP技術(shù)

Unnumbered IP技術(shù)本是一種地面網(wǎng)中點對點連接的鏈路上節(jié)約IP地址的方案，同時它也能節(jié)約點對點連接的設(shè)備上的路由表開銷。所謂的Unnumbered IP，就是路由器的串行接口在沒有配置有效的IP地址或借用本地接口的地址作為該接口的地址時，該接口仍能正常使用［4］。將Unnumbered IP技術(shù)擴展，使其不僅能在點對點的串口連接上實現(xiàn)，而且可以在廣播型鏈路的以太網(wǎng)口上存在。這樣IP處理單元的衛(wèi)星側(cè)接口借用本地接口的地址，衛(wèi)星側(cè)接口不用分配地址，既可以節(jié)約IP地址與路由表開銷，又能解決TDMA衛(wèi)星網(wǎng)中IP處理單元的網(wǎng)段沖突。應(yīng)用該技術(shù)的RIP-S協(xié)議可以保證衛(wèi)星終端的靈活組網(wǎng)。

2.2 雙層尋址路由技術(shù)

雙層尋址路由技術(shù)是地址解析與3層路由的集成實現(xiàn)技術(shù)。一次路由即可完成下一跳邏輯地址與對應(yīng)物理地址的尋址。該技術(shù)利用RIP協(xié)議定期更新的特性，并且使用RIP-S協(xié)議自己定義的路由報文格式，使整個衛(wèi)星網(wǎng)的路由收斂和鏈路層地址解析同時完成，直接完成了到目的地球站的轉(zhuǎn)發(fā)工作。RIP-S協(xié)議形成的路由表與標(biāo)準(zhǔn)路由表相比，每條路由項中增加了下一跳地址所對應(yīng)的地球站站號字段。新的路由表結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 路由表重構(gòu)示意圖

雙層尋址路由技術(shù)剝離了綜合接入單元的轉(zhuǎn)發(fā)操作，在IP處理單元完成了整個終端的IP數(shù)據(jù)路由工作，同時實現(xiàn)了衛(wèi)星站號地址的解析，優(yōu)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)與流程，可以提高TDMA終端的有效數(shù)據(jù)傳輸效率。

采用雙層尋址路由技術(shù)后，IP處理單元接收數(shù)據(jù)后，會將匹配的站號信息封裝在數(shù)據(jù)幀中并通過內(nèi)部以太網(wǎng)接口傳給綜合接入單元，傳輸所用的幀格式需包括分片位，主要是考慮長度等于以太網(wǎng)MTU的數(shù)據(jù)報到達時添加站號字段必然要導(dǎo)致對數(shù)據(jù)報進行分片，否則會丟棄該數(shù)據(jù)報。

2.3 協(xié)議原理分析

RIP-S協(xié)議采用距離向量算法計算路由，路由交互原理與標(biāo)準(zhǔn)RIP相同，如圖1所示。

圖1 RIP-S路由交互信息示意圖

標(biāo)準(zhǔn)RIP交互的是＜目的地址，度量＞路由信息［5］，而RIP-S交互的是＜目的地址，下一跳站號，度量＞路由信息，當(dāng)路由收斂時，各終端中形成整個MF-TDMA衛(wèi)星網(wǎng)中的站號路由信息。RIP-S在輸入輸出路由信息時，要進行接口類型的判斷，若為Unnumbered IP接口，除了應(yīng)用擴展的Unnumbered IP技術(shù)，保證在衛(wèi)星側(cè)接口借用地址的情況下，與其他路由器能正常通信外，還要查詢地址站號映射表，封裝自定義格式的路由報文，攜帶上有用的站號信息。地址站號映射表要保持與內(nèi)部路由表的同步，包括路由的更新、失效及刪除，否則一致性失效會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)路由混亂。路由信息輸入輸出過程如圖2所示。

圖2 路由信息輸入輸出過程

3 RIP-S協(xié)議的OPNET仿真

OPNET仿真軟件不僅可以進行各種協(xié)議的仿真，而且提供所有仿真協(xié)議的源代碼，用戶可以方便地修改或設(shè)計新的協(xié)議軟件［6］。本文在OPNET提供的RIP源碼上實現(xiàn)了RIP-S路由軟件的所有功能，并進行了仿真與對比分析。

圖3是驗證RIP-S路由協(xié)議可行性的仿真環(huán)境。地面站為3個，IP處理單元由單獨的路由器實現(xiàn)，均運行RIP-S路由協(xié)議，每個終端后面都存在本地網(wǎng)絡(luò)。圖4是地面站 earthstation_1的客戶機wkstn_1向地面站earthstation_2的服務(wù)器server_2傳送數(shù)據(jù)流的仿真結(jié)果，表示數(shù)據(jù)連通性沒有問題，并且相同數(shù)據(jù)占用帶寬比使用標(biāo)準(zhǔn)RIP協(xié)議時占用的帶寬要低。表2為仿真結(jié)束時IP處理單元sat_router_1形成的路由表，可以看到路由表收斂，并且路由項均含有下一跳地址對應(yīng)的站號條目。選取地面站點50個，局域網(wǎng)接口開啟RIP協(xié)議，廣域網(wǎng)接口開啟RIP或RIP-S協(xié)議，仿真結(jié)果如圖5所示，可以看出使用RIP-S協(xié)議可占用較少的系統(tǒng)帶寬。圖6為對比RIP-S與標(biāo)準(zhǔn)RIP協(xié)議開銷的網(wǎng)絡(luò)拓撲。

圖3 仿真網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

圖4 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量對比

圖5 協(xié)議開銷對比

表2 實驗生成的RIP-S路由表

圖6 仿真網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

4 結(jié)束語

盡管MF-TDMA衛(wèi)星網(wǎng)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的RIP協(xié)議運行，但其潛在的問題和較低的幀效率讓系統(tǒng)性能有些折扣。由于 RIP-S協(xié)議采用擴展的unnumbered IP技術(shù)與雙層尋址路由技術(shù)，充分考慮MF-TDMA網(wǎng)的特殊性，整合了系統(tǒng)內(nèi)部的功能，與衛(wèi)星系統(tǒng)高度集成，可以提高衛(wèi)星終端的內(nèi)部系統(tǒng)效率及衛(wèi)星網(wǎng)的幀效率，使其協(xié)議開銷能夠更勝一籌。因此，RIP-S協(xié)議比標(biāo)準(zhǔn)的RIP協(xié)議更加適合于MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

［1］ 尹波，孫晨華，張俊哲.IP路由協(xié)議在MF-TDMA衛(wèi)星系統(tǒng)中適應(yīng)性研究［J］.無線電通信技術(shù)，2008，34(5):5-8.

［2］ 郝學(xué)坤，孫晨華，李文鐸.MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)體制研究［J］.無線電通信技術(shù)，2006，32(5):1-3.

［3］ 李子木.地面分組網(wǎng)利用MF-TDMA衛(wèi)星網(wǎng)組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)研究［J］.無線電工程，2011，41(6):8-10.

［4］ 華為技術(shù)有限公司.IP unnumbered使用指南［M］.深圳:華為技術(shù)有限公司，2001.

［5］ RFC2453，RIP Version 2［S］，1998.

［6］ 陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.