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    一种适合GEO卫星IP网络的路由架构及协议设计

    时间：2023-01-20 17:45:41来源：百花范文网本文已影响人

    尹 波，刘金灿，刘洛希

    (1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；
    2.火箭军驻廊坊军事代表室，河北 廊坊 065000)

    近年来，在全球无缝覆盖、宽带高速传输、用户随遇接入、与地面网融合等需求的推动下，我国卫星通信系统开始向天地一体化宽带多星IP组网发展，基于GEO卫星的宽带多星IP组网成为当前我国卫星通信领域的研究热点[1-2]。目前，宽带多星IP组网有天星地网和天网地网两种技术发展路线。天星地网依托全球部署信关站实现多星组网，如美国WGS、MUOS和Intelsat等卫星系统；
    天网地网基于星上处理、星间链路实现多星组网，如美国TSAT项目[3-4]。由于我国不具备在境外部署大型卫星接入站的基础与实力，因此只能采用天网地网的方式实现基于GEO卫星的宽带多星IP组网。

    地面网络采用分域的路由策略，单个自治域内的路由器规模有限(通常为数十台)，且路由器之间网状连接，路由器硬件处理能力能够满足路由协议处理的要求，因此现有RIP和OSPF等路由协议能够很好地工作[5-6]。但在基于星上处理的宽带多星IP组网中，单星下的地面终端数量可达数千个，且星载路由器与地面终端之间星状连接，星载硬件计算处理能力无法满足路由协议处理的要求。为此，提出了一种新的宽带多星IP组网路由架构及协议方案，通过星地路由隔离，星载路由器仅负责星间路由的维护与计算，不再参与地面终端路由的计算，从而简化了星载路由处理，保证基于国产星载硬件平台的宽带多星IP网络可以支持大规模地面终端组网应用。

    宽带卫星IP网络是卫星通信网络与计算机网络融合应用的产物，为用户提供各类基于IP体制的宽带互联网服务。与计算机网络相比，卫星通信网络具有传输距离远、覆盖范围广等得天独厚的优势，卫星通信网络与计算机网络的融合应用可以对地面网络形成很好的补充和延伸[7-8]。由于我国不具备全球建站能力，宽带卫星IP网络需要在卫星节点具备星上路由交换、星间互联的基础上，构建全球覆盖、多星组网的宽带互联网络，并与地面互联网互联互通。宽带卫星IP网络的空间段可以是各类不同轨道卫星，包括GEO、MEO、LEO等，由于MEO和LEO等非地球静止轨道卫星的星间拓扑变化频繁，各种基于虚拟拓扑和虚拟节点等专用卫星路由策略与路由算法已有诸多提法[9-11]，本文所讨论的路由架构及协议仅限于基于GEO的宽带卫星IP网络。

    如图1所示，宽带卫星IP网络空间段由5～6颗GEO卫星，通过星间激光链路组成环网，实现全球覆盖。

    图1 GEO宽带卫星IP网络示意图Fig.1 Schematic diagram of GEO broadband satellite IP network

    卫星节点搭载星载交换机，为不同卫星、不同波束下的用户IP业务提供快速转发。路由技术是实现宽带卫星IP网络星间组网、星地组网的基础，为使用户IP业务在宽带卫星IP网络中多跳传输，路由技术必须高效、灵活、可扩展性。路由技术具体又包括了路由架构和路由协议等。由于宽带卫星IP网络具有地面终端网络规模大、星载平台处理能力弱等特点，因此不能照搬地面网络的路由协议，需要结合实际应用场景，研究适合宽带卫星IP网络的路由架构及协议。

    借鉴地面标签交换和大二层网络等设计思想[12]，采取卫星路由与终端路由隔离、终端路由跨星无感扩散、星上标签交换等设计方法，构建一个星上OSPF路由、终端RIP路由和星地隔离的路由架构。星载路由器运行OSPF路由协议，负责维护GEO卫星节点之间的网络拓扑状态，生成星间路由转发表。地面终端运行RIP路由协议，负责维护地面终端之间的路由信息，并完成到卫星路由的转换。在该路由架构下，星载路由器仅需维护卫星节点之间的路由转发信息，且卫星节点规模很小(5～6个节点)，因此大大降低了对星载硬件平台处理能力的要求。星地隔离的路由架构如图2所示。

    图2 星地隔离的路由架构Fig.2 Routing architecture base on satellite-ground isolation

    在该架构下，星上采用标签交换方式，星载交换通过识别由目的卫星ID和目的终端ID构成的短标签实现星间路由功能。星载交换接收到数据包后，如果其中的卫星ID与本星相同，则根据终端ID查找二层快速转发表进行端口交换，如果卫星ID与本星不同，则根据卫星ID查找星间路由转发表进行星间转发。二层快速转发表由终端入退网信令维护，星间路由转发表由星载路由器运行路由协议生成。由于标准OSPF路由协议生成的路由表格式为目的网段、下一跳、出口等字段，不含标签中的卫星ID信息，因此需要设计相应的转换策略，将星间路由转发表格式转换为卫星ID、出口等字段。此外，终端RIP路由报文如何在卫星节点间扩散也是该路由架构需要解决的关键问题。

    3.1 星上OSPF路由协议优化

    宽带卫星IP网络的卫星节点间组成环形网络，较适合采用基于链路状态算法的路由协议。目前，地面网络中基于链路状态算法的路由协议主要包括OSPF路由协议和IS-IS路由协议，二者应用于卫星网络的协议性能基本相同[13-14]。考虑到OSPF路由协议是基于IP网络设计的，且应用广泛、配置简单，星载路由器采用OSPF协议实现星间路由。为实现以OSPF路由表到基于卫星标签的星间路由转发表的转换，本文设计了一种基于LoopBack接口路由表项的转换方法，如图3所示。

    图3 星间路由转发表生成示意图Fig.3 Schematic diagram of inter-satellite routing forwarding table generating

    星间路由转发表转换流程：星上OSPF路由启用LoopBack接口和星间接口，其中LoopBack接口IP地址设置规则为1.1.1.X/32，X代表卫星ID。星上OSPF路由收敛后，根据LoopBack接口路由表项，获取卫星ID与相应出口等信息，生成基于卫星标签的星间路由转发表，下发给星载交换模块，用于业务数据的星间转发。

    3.2 终端RIP路由协议优化

    宽带卫星IP网络的地面终端间组成网状网络，网络拓扑简单，不存在冗余链路，且任意地面终端间仅一跳距离，较适合采用RIP路由协议。RIP路由协议采用组播或广播方式向外发送路由报文[15-16]，由于星间路由转发表仅支持单播报文的转发，无法实现RIP路由报文的跨星转发，为此设计了一种基于反向路径检查的终端RIP路由报文跨星转发流程，如图4所示。星载交换接收到RIP路由报文后，不需要解析处理RIP路由报文，仅需根据所携带的卫星ID进行反向路径检查，即可完成RIP路由报文的跨星转发，有效降低了星载硬件平台的协议处理压力。

    图4 终端RIP报文星间转发示意Fig.4 Inter-satellite forwarding mechanism of terminal RIP packet

    终端RIP路由星间转发流程：地面终端将其所在卫星的ID封装到RIP报文中，发送给卫星节点的星载交换。星载交换接收到RIP报文后，若该报文来自星地接口，则向所有的星间接口和星地接口进行转发；
    若该报文来自星间接口，则根据RIP报文的卫星ID进行反向路径检查，若检查成功(即星间路由转发表项出口与报文接收接口一致)，则向除接收接口以外的所有星间接口以及星地接口进行转发，否则丢弃该RIP报文。

    使用OPNET软件进行宽带卫星IP网络路由架构及协议仿真。OPNET软件可提供近似真实的网络环境及丰富的网络协议模型，在卫星网络仿真中得到了广泛应用[17-20]。宽带卫星IP网络路由架构及协议仿真场景由5颗GEO卫星利用星间链路组成环状结构，每颗卫星有2个星地波束，每个波束下有若干地面终端。仿真模型包括卫星模型和地面终端模型，其中卫星模型由星载路由器、星载交换、无线收发等模块组成，星载路由器运行OSPF路由协议，星载交换采用卫星标签交换方式。地面终端运行RIP路由协议，仿真结果如图5所示。

    图5 星上OSPF和终端RIP路由仿真结果Fig.5 Simulation result ofsatellite OSPF routing protocol and terminal RIP routing protocol

    从星上OSPF路由表仿真结果可以看出，每一条OSPF路由表项包括卫星ID、出口等信息，如网段为1.1.1.2/32的路由表项对应的卫星ID为sat_2、出口为IF2，因此可利用OSPF路由表转换为基于卫星标签的星间路由转发表。从终端RIP路由表仿真结果可以看出，在星地路由隔离条件下，地面终端RIP路由仍能正常收敛，同时也验证了基于反向路径检查的RIP报文星间转发流程的正确性。在路由收敛性能方面，地面终端RIP路由收敛速度大幅提高，用户站跨星切换收敛时间由标准RIP协议的180 s左右，缩短至1～2 s，为实现用户站跨星无感切换提供了技术基础。

    针对目前国内星载硬件平台无法支持GEO宽带卫星IP网络大规模终端组网的问题，提出了一种星地隔离的路由架构，卫星节点运行OSPF路由协议，不参与终端的路由计算，仅负责维护星间路由转发表。地面终端运行RIP路由协议，通过基于反向路径检查的星间转发方式，实现全网扩散。通过仿真证明在星地路由隔离条件下，地面终端仍能正常实现路由收敛，有效降低了星载硬件平台协议处理能力需求，为GEO宽带卫星IP网络大规模终端组网提供了技术基础。

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