李園利，王 宇

（中國空間技術研究院西安分院 陜 西 西 安710100）

目前，大部分支持IP包傳送的衛(wèi)星系統(tǒng)，不管是透明轉發(fā)還是再生處理，衛(wèi)星都只是提供一個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絡一體化等需求。為了實現(xiàn)與地面Internet網的互聯(lián)，衛(wèi)星系統(tǒng)的IP化已是其發(fā)展的一個趨勢。

從國內外的情況來看，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)在星上整合了一個具有路由功能的星載處理器，將地面路由交換機的功能分解到衛(wèi)星終端、星載交換機和地面網絡控制設備共同完成，即從地面IP網絡用戶的角度看，由終端、衛(wèi)星和地面網控構成的衛(wèi)星網絡相當于一個虛擬路由器。 IRIS（Internet Protocol Routing In Space）[2]系統(tǒng)在星上搭載一個IP路由器用以測試空間路由技術，即GEO衛(wèi)星實現(xiàn)一個完整的IP路由器功能，衛(wèi)星與地面路由器完全對等的。TSAT[3]系統(tǒng)針對星上實現(xiàn)大容器處理的需求，在星上搭載了個下一代路由器，不僅具備IRIS路由器這種獨立完整的IP路由功能，并采用MPLS標簽交換技術，充分發(fā)揮衛(wèi)星終端的處理能力。這些項目都針對GEO衛(wèi)星實現(xiàn)IP路由的研究都是在網絡層級來實現(xiàn)的，它帶來了很多優(yōu)勢。

鑒于以上GEO衛(wèi)星網絡的發(fā)展背景，文中提出了一個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)議的基礎上構建了一種GEO衛(wèi)星IP組網方案，星上采用三層路由交換的思路。這一系統(tǒng)需要實現(xiàn)的目標主要有：1）實現(xiàn)大量終端的單跳/雙跳通信以及和地面網絡的IP互聯(lián)；2）實現(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絡層IP路由交換處理。3）IP路由協(xié)議（RIP路由協(xié)議）在此網絡中的適應性研究。本章將主要從系統(tǒng)的網絡結構、組網方案以及星載IP路由協(xié)議的建模仿真幾方面進行闡述。

1 GEO衛(wèi)星網絡結構

衛(wèi)星IP網絡系統(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)星在網絡層面展開。其網絡結構圖如圖1所示。

圖1 GEO衛(wèi)星網絡結構圖Fig.1 Architecture diagram of GEO satellite network

衛(wèi)星網絡的組成主要包括寬帶GEO衛(wèi)星、地面網絡控制中心和衛(wèi)星終端，衛(wèi)星終端包括無路由功能終端，如用戶計算機或路由器的無線網卡，主要完成地面以太網協(xié)議與星地鏈路層協(xié)議之間的轉換；還包括有路由功能終端，如高性能路由器，與用戶設備之間采用地面標準以太網接口連接，與衛(wèi)星之間按照星地接口規(guī)范實現(xiàn)。

2 IP組網方案的設計

2.1 設計目的

RIP路由協(xié)議是最簡單的IP路由協(xié)議，但其包含水平分割技術[5]，即從某個接口學習到的路由信息將不再重新轉發(fā)到某個接口。而衛(wèi)星波束下的不同用戶之間由于這種技術的存在將不能完全實現(xiàn)信息的交互，因此，為滿足星載RIP路由協(xié)議的實現(xiàn)及其水平分割技術，設計了一個三層路由交換的組網方案，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絡層IP路由交換處理。

2.2 組網方案

為在GEO衛(wèi)星上實現(xiàn)星上RIP路由協(xié)議和IP包路由轉發(fā)，同時實現(xiàn)鏈路層快速交換功能，即星上實現(xiàn)三層交換機功能。具體的組網方案如圖2所示。

圖2 GEO衛(wèi)星網絡IP組網方案Fig.2 IP Networking method of GEO satellite network

GEO衛(wèi)星的多個波束可以根據(jù)系統(tǒng)應用劃分為多個快速交換域，一個快速交換域可以由1個或多個波束組成。同一個快速交換域內終端之間通信數(shù)據(jù)在星載路由器內基于鏈路層幀（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)在星載路由器內恢復為IP包，基于IP目的地址進行網絡層（三層）查表路由轉發(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，實現(xiàn)終端與衛(wèi)星以及通過衛(wèi)星實現(xiàn)交換域（即LAN內）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)星終端的用戶設備/子網產生的IP數(shù)據(jù)包到達衛(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地址及對應的MAC地址（目的站號），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，首先判別其中的目的站號是否為本星，若是本星則直接按鏈路層幀頭中的目的站號查找轉發(fā)表獲取輸出端口，并進行鏈路層快速轉發(fā)；若非衛(wèi)星則從鏈路層幀中恢復出IP包，查找IP路由表獲取輸出端口、下一跳MAC地址等信息，其后進行IP三層路由轉發(fā)處理。

3）地址解析

地址解析功能完成網絡層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，為網絡上的IP數(shù)據(jù)包選擇合適的傳輸路徑。本文僅討論最簡單，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部網關路由協(xié)議。它通過UDP報文進行路由信息的交互，周期性地向相鄰路由器廣播距離向量表來反映網絡的狀態(tài)，逐步逐跳式完成全網信息的擴散。RIP協(xié)議在地面網絡中具有路由算法不能完全杜絕路由環(huán)路，收斂相對較慢，擴展性較差，最大跳數(shù)不能超過16跳的局限性；但是其具有配置簡單，算法占用較少的內存和CPU處理時間的優(yōu)點。

由于星載路由器資源有限，受功耗、尺寸的限制，只有有限的內存空間，因此星載路由器中運行的路由協(xié)議不能太大，太復雜。針對我們構建的GEO衛(wèi)星IP網絡路由系統(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超過兩跳的特點，結合RIP運行時系統(tǒng)資源占有量非常小、實現(xiàn)簡單的優(yōu)點，試探性地研究了RIP路由協(xié)議在GEO衛(wèi)星網絡中的實現(xiàn)。

4 星載RIP路由協(xié)議的OPNET仿真

4.1 仿真建模

為簡化仿真，衛(wèi)星節(jié)點和衛(wèi)星終端采用OPNET仿真軟件[7]中的標準路由器模塊。根據(jù)上文陳述的衛(wèi)星網絡IP路由交換方案，建立的仿真模型如圖4所示。

圖4 GEO衛(wèi)星網絡仿真建模Fig.4 Simulation chart of GEO satellite network

衛(wèi)星節(jié)點：由一個路由器和以太網交換機組成（一個交換機代表星載路由器的端口）。每個端口作為一個快速交換域，一個交換域由一個波束組成，即每個端口對應一個波束；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，鏈路的傳播時延，誤碼率都可以設置。

4.2 網絡參數(shù)

表1 整個網絡的參數(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個時，按照表1所示的參數(shù)配置網絡，在衛(wèi)星節(jié)點和地面節(jié)點的所有接口上都啟動RIP路由協(xié)議，并分為未設置水平分割技術和設置水平分割技術兩種情況，選取整個網絡的協(xié)議開銷為統(tǒng)計量，仿真時間為1小時。仿真結果如圖5所示。

圖5 仿真結果Fig.5 Simulation result chart

4.3 仿真結果分析

從圖5可以看出，隨著網絡規(guī)模的擴大，整個網絡的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，當網絡設置水平分割技術之后，就避免了從鄰居接口學習到路由信息重新發(fā)回到鄰居，降低了協(xié)議開銷。從圖5（a）和5（b）結果對比，可以算出協(xié)議開銷降低的最大程度達到97%，并且隨著網絡規(guī)模的擴大，這種趨勢還會更加明顯。這對GEO衛(wèi)星星上空間有限來說，將是一大優(yōu)勢。

5 結束語

文中根據(jù)GEO衛(wèi)星網絡的發(fā)展背景，提出了一個星上三層路由交換的思路，并基于此構建了一種GEO衛(wèi)星IP組網方案，主要實現(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絡層IP路由交換處理。最后，進行了RIP路由協(xié)議在此網絡中的適應性研究，得出RIP協(xié)議設置水平分割技術能很大程度的降低網絡的協(xié)議開銷，對GEO衛(wèi)星星上空間有限來說，將是一大優(yōu)勢。

[1]Gopal W D，Arnold R，et al.SpaceWay now and in the Future:On-Board IP Packet Switching Satellite Communition Network[C]//Proceedings of IEEE Conference on Military Communications，2006：l-7.

[2]Florio，F(xiàn)isher M A，Mittal S J，et al.Internet Routing in Space Prospects and Challenges of the IRIS JCTD[C]//Proceedings of IEEE Conference on Military Communications.Orlando：IEEE ，2006：l-7.

[3]Pulliam，JZambre，Y Karmrkar，eta1.TSAT network architecture[C]//Proceedings of IEEE Conference on Military Communications.San Diego：IEEE ，2008：l-7.

[4]C.Hedrick， “Routing Information Protocol”，RFC-1058[S]，Rutgers University，June 1988.

[5]G.Malkin，“RIP Version 2-Carrying Additional Information”，RFC-1388[S]， Xylogics， Inc.， January，1993.

[6]G.Malkin， “RIP Version 2 analysis”，RFC-1387[S]，Xylogics， Inc.， January 1993.

[7]龍華.OPNET Modeler與計算機網絡仿真[M].西安：西安電子科技大學出版社.