王金海，尹　波，王旭陽

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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多星組網(wǎng)路由交換架構技術研究

王金海，尹波，王旭陽

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要基于星上處理的多星IP組網(wǎng)是天地一體化網(wǎng)絡關鍵技術。針對星載硬件平臺處理能力不足的現(xiàn)狀，提出了一種地面IP路由、星上標識交換和星間標識轉(zhuǎn)發(fā)的多星路由交換架構，設計了專用的衛(wèi)星路由協(xié)議和星上數(shù)據(jù)標識交換。利用OPNET仿真軟件搭建了基于星上處理的多星組網(wǎng)網(wǎng)絡模型，對星地協(xié)同的路由控制和路由標識交換進行仿真，仿真結果表明，基于地面IP路由、星上標識交換和星間標識轉(zhuǎn)發(fā)的路由交換架構，可減少路由協(xié)議開銷，提高網(wǎng)絡收斂速度，滿足多星IP組網(wǎng)應用。

關鍵詞衛(wèi)星通信；IP路由；標識交換；路由信息協(xié)議；開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議

0引言

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)取得了巨大進步，在軍事通信、商業(yè)通信、企業(yè)專網(wǎng)和應急通信等不同領域發(fā)揮著重要作用[1]。

近年來，在全球無縫覆蓋、用戶隨遇接入需求的推動下，我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)開始從過去的單星獨立組網(wǎng)向多星天地一體化組網(wǎng)發(fā)展，基于GEO衛(wèi)星的多星IP組網(wǎng)成為當前我國衛(wèi)星通信領域的研究熱點[2]。

多星IP網(wǎng)絡具有傳輸時延大、用戶數(shù)量多和網(wǎng)絡變化頻繁等特點，直接使用OSPF和RIP等地面成熟網(wǎng)絡路由協(xié)議，面臨網(wǎng)絡規(guī)模受限、協(xié)議傳輸開銷大和路由計算處理復雜等一系列問題[3]。

本文提出了一種新的多星組網(wǎng)路由交換架構方案，減少衛(wèi)星路由協(xié)議開銷，降低星上處理的復雜度，保證基于國產(chǎn)星載硬件平臺的多星IP網(wǎng)絡可以高效、快速地收斂。

1多星組網(wǎng)技術

目前，多星組網(wǎng)有基于透明轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)和基于星上處理組網(wǎng)2種技術發(fā)展路線[4]。在星上路由交換、星載網(wǎng)控和星間鏈路傳輸?shù)燃夹g成熟以前，主要以基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的多星組網(wǎng)為主。

基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的多星組網(wǎng)架構，采用天星地網(wǎng)思路，衛(wèi)星透明、地面站路由轉(zhuǎn)接，依托地面網(wǎng)絡實現(xiàn)多星組網(wǎng)，滿足全球覆蓋要求。例如，美軍依托全球部署互連的多個地面電信港，將幾十顆高軌軍事通信衛(wèi)星組網(wǎng)，構建成了一個全球覆蓋的天地一體化網(wǎng)絡[5]。

近年來，隨著星上處理技術的逐步成熟，國外陸續(xù)開展了基于星上處理、星間鏈路的組網(wǎng)研究。例如，IRIS項目在星上搭載了一個標準IP路由器，測試多星空間組網(wǎng)路由技術[6]。

采用天星地網(wǎng)方式，基于透明轉(zhuǎn)發(fā)多星組網(wǎng)，可以極大地降低衛(wèi)星技術難度，充分使用地面成熟網(wǎng)絡技術，但是需要全球部署信關站。由于我國不具備在境外部署大型衛(wèi)星接入站點的基礎與實力[7]，因此無法采用天星地網(wǎng)方式進行多星組網(wǎng)，只能采取基于星上處理、星間鏈路進行多星組網(wǎng)。

目前，國內(nèi)星載硬件計算處理能力比較低，如果星上直接使用地面標準路由協(xié)議，在網(wǎng)絡規(guī)模、處理速度和協(xié)議開銷等方面均無法滿足多星組網(wǎng)要求[8]。因此，基于星上處理的多星組網(wǎng)，必須簡化星載路由交換處理，降低對星載硬件處理能力的要求。

2多星組網(wǎng)路由交換網(wǎng)絡架構設計

借鑒標識交換思想，采取管理控制與路由交換聯(lián)合設計、星地協(xié)同路由控制等設計方法，構建一個地面IP路由、星上標識交換和星間標識轉(zhuǎn)發(fā)的多星路由交換網(wǎng)絡，實現(xiàn)星上路由交換處理的簡化，降低路由協(xié)議的開銷。星地協(xié)同多星組網(wǎng)路由交換網(wǎng)絡架構如圖1所示。

圖1　星地協(xié)同多星組網(wǎng)路由交換網(wǎng)絡架構

2.1　多星組網(wǎng)路由交換控制設計

星地協(xié)同多星組網(wǎng)路由交換網(wǎng)絡架構采用專用路由協(xié)議，利用星載路由服務、星載網(wǎng)控，結合衛(wèi)星廣播特性，減少路由信令的交互，降低路由協(xié)議傳輸開銷。多星組網(wǎng)專用路由協(xié)議如圖2所示。

圖2　多星組網(wǎng)專用路由協(xié)議過程

主要步驟包括：

① 衛(wèi)星終端入網(wǎng)時，星載網(wǎng)控為其動態(tài)分配一個全網(wǎng)唯一的標識號；

② 衛(wèi)星終端入網(wǎng)后，向本星路由服務上報匯聚后的地面路由信息，并從本星路由服務獲得全網(wǎng)路由標識映射；

③ 星載路由服務負責匯集本星路由，并與鄰星同步，生成全網(wǎng)路由標識映射；

④ 衛(wèi)星終端主動上報路由變化，路由服務廣播變更的路由標識映射信息；

⑤ 衛(wèi)星終端根據(jù)星載路由服務下發(fā)路由標識映射信息，生成并維護IP路由表。

通過上述路由協(xié)議的星地協(xié)同設計以及與管理控制的聯(lián)合設計，可將衛(wèi)星網(wǎng)收斂時星內(nèi)路由信息的交互次數(shù)從標準路由過程的O(n*n)降為O(2n)，n為衛(wèi)星終端入網(wǎng)數(shù)量,而路由變化時星內(nèi)路由信息的交互次數(shù)僅為O(2)，極大地減少了路由協(xié)議開銷，提高了網(wǎng)絡拓撲收斂速度。

2.2　多星路由交換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設計

星地協(xié)同多星組網(wǎng)路由交換網(wǎng)絡架構采用路由標識映射交換技術，衛(wèi)星網(wǎng)內(nèi)部采用標識尋址而非IP尋址，如圖3所示。

圖3　多星組網(wǎng)路由交換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

地面衛(wèi)星終端負責地面IP數(shù)據(jù)的路由查找、標識封裝，而星載路由服務僅輔助地面衛(wèi)星終端生成IP路由表，不需要復雜的查表算法。星載標識交換僅識別數(shù)據(jù)包中的標識號(含衛(wèi)星號+終端標識)，如果其中的衛(wèi)星號與本星相同，則根據(jù)終端標識查找標識交換表進行端口交換，如果衛(wèi)星號與本星不同，則根據(jù)衛(wèi)星號查找星間轉(zhuǎn)發(fā)表進行端口轉(zhuǎn)發(fā)。

星上標識交換表、星間轉(zhuǎn)發(fā)表采用一維數(shù)組存儲結構，分別以終端標識、衛(wèi)星號為索引，可將星上查表時間復雜度降為O(1)。標識交換表最多n條表項，n為本星入網(wǎng)終端最大數(shù)量，星間轉(zhuǎn)發(fā)表最多m條表項，m為組網(wǎng)衛(wèi)星最大數(shù)量，地面網(wǎng)絡的頻繁變化不影響星上標識交換表和星間轉(zhuǎn)發(fā)表。

3仿真驗證

使用OPNET軟件進行多星組網(wǎng)網(wǎng)絡仿真。OPNET軟件可提供近似真實的網(wǎng)絡環(huán)境以及豐富的網(wǎng)絡協(xié)議模型，并支持二次開發(fā)定制，同時具備有效、直觀的仿真結果分析工具[9]。

多星組網(wǎng)仿真環(huán)境由3顆GEO衛(wèi)星構成，每顆衛(wèi)星有2條星間鏈路和2條星地鏈路。仿真模型包括衛(wèi)星模型和衛(wèi)通站模型，其中衛(wèi)星節(jié)點模型由星載網(wǎng)控、星載路由服務、星載標識交換以及星間/星地波束等模塊組成。

仿真場景有：RIP路由協(xié)議組網(wǎng)、OSPF路由協(xié)議組網(wǎng)和衛(wèi)星專用路由協(xié)議組網(wǎng)3種。

3種路由協(xié)議在多星網(wǎng)絡中的信道開銷仿真結果統(tǒng)計如圖4所示。

圖4　路由協(xié)議信道開銷統(tǒng)計

由圖4可以看出，在網(wǎng)絡初始收斂、網(wǎng)絡穩(wěn)定運行過程中以及路由發(fā)生變化時，衛(wèi)星專用路由協(xié)議的信道開銷均是最小。路由協(xié)議信道開銷仿真結果表明，衛(wèi)星專用路由協(xié)議可極大地降低多星組網(wǎng)網(wǎng)絡中的路由協(xié)議開銷。

限定星上CPU處理能力為50 MHz后，3種路由協(xié)議在不同網(wǎng)絡規(guī)模下,網(wǎng)內(nèi)節(jié)點路由變化時的平均網(wǎng)絡收斂時間如表1所示。

表1　平均網(wǎng)絡收斂時間

通過表1可以看出，如果星上CPU處理能力為50 MHz、網(wǎng)絡規(guī)模為200時，OSPF路由協(xié)議網(wǎng)絡無法收斂，RIP路由協(xié)議網(wǎng)絡收斂時間非常大，網(wǎng)絡規(guī)模400及以上時，RIP、OSPF路由協(xié)議網(wǎng)絡均無法收斂，而衛(wèi)星專用路由協(xié)議網(wǎng)路收斂時間基本無變化。統(tǒng)計結果表明，衛(wèi)星專用路由協(xié)議復雜度最低，星上處理資源占用最少，網(wǎng)絡收斂速度最快，適合較大規(guī)模的多星組網(wǎng)應用。

4結束語

針對國內(nèi)星載硬件平臺無法支持地面標準IP路由協(xié)議在多星組網(wǎng)環(huán)境中應用的情況，提出一種地面IP路由、星上標識交換和星間標識轉(zhuǎn)發(fā)的多星路由交換架構，通過使用與管理控制相結合的專用多星組網(wǎng)路由協(xié)議、星地協(xié)同的路由標識數(shù)據(jù)交換轉(zhuǎn)發(fā)，減少了路由信令交互，降低了路由協(xié)議傳輸開銷，簡化了星上處理復雜度，提高了網(wǎng)絡收斂速度。通過仿真證明大量衛(wèi)星終端多星組網(wǎng)時，路由變化產(chǎn)生的路由協(xié)議開銷非常小，星上資源占用少，網(wǎng)絡收斂時間短，因此該架構能夠更好地滿足基于星上處理的多星IP組網(wǎng)的需求。

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王金海男，(1976—)，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究、運行管理控制研制和業(yè)務接入控制研制。

尹波男，(1982—)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡融合。

Research on Routing and Switching Architecture of

Multi-satellite Network

WANG Jin-hai,YIN Bo,WANG Xu-yang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe multi-satellite IP network based on on-board processing is one of key technologies for earth integrated network.Considering limited processing capability of satellite hardware platform,this paper proposes an multi-satellite routing and switching architecture for ground IP routing,on-board identifier-based switching and inter-satellite identifier-based forwarding.The private satellite routing protocol and on-board identifier-based switching process are given.The OPNET simulation software is used to build Multi-satellite Network model.The simulation of routing control and identifier-based switching based on satellite-ground coordination is implemented,The simulation results show that multi-satellite routing and switching architecture have lower bandwidth overhead and higher routing convergence performance,and can be used in multi-satellite IP network.

Key wordssatellite communication;IP routing;identifier-based switching;RIP;OSPF

作者簡介

基金項目：國家部委基金資助項目。

收稿日期：2015-03-23

中圖分類號TP391.4

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)06-0001-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.01

引用格式：王金海，尹波，王旭陽.多星組網(wǎng)路由交換架構技術研究[J].無線電工程，2015，45(6)：1-3.