一种星地一体化路由设计的卫星IP网络

(中国空间技术研究院 西安分院，西安 710100)

1 引 言

IP(Internet Protocol)在地面网络中已占据了支配地位，但其在卫星系统中的应用仍比较有限。为与地面Internet互联，卫星系统的IP化已是其发展的一个趋势。目前，大部分支持IP包传送的卫星系统，不管是透明转发还是再生处理，卫星都只是提供一个在地面路由器之间的物理连接通道而已。这种方法适用于第一代的星地组网要求，但却难以满足像卫星宽带接入、多媒体、信息中继以及星地网络一体化等需求。

从国内外的情况来看，具有星上IP路由交换功能的卫星系统都吸引了较大的资金和兴趣用于研究与发展。如CLEO(Cisco router on Low Earth Orbit)[1]项目，星上搭载了一个真正的思科路由器；E2E-TLC(End to End Telecommunication Satellite System with On-board IP Routing)[2]项目，星上进行IP包路由；TSAT (Transformational Satellite Communications)[3]，星上装载一个NGPR(Next-Generation Processor Router)用于包交换；SpaceWay3[4]，星上整合了一个具有路由功能的星载处理器；IRIS(Internet Protocol Routing In Space)[5]，星上搭载一个IP路由器用以测试空间路由技术。这些项目针对卫星上实现IP路由的研究都是通过像地面网络一样在网络层级来实现的，它带来很多优势的同时，对星上资源的需求也急剧增加。

限于现有硬件条件的制约，星上资源紧张的局面暂时难以缓解。鉴于此，本文提出了一种地面路由星上交换的思路，并基于此构建一个GEO卫星IP网络。这一系统需要实现的目标主要有：①实现大量卫星终端的单跳通信以及和地面网络的IP互联；②设计一个可扩展的路由结构以减少通过卫星的路由流量；③对终端进行分区以便路由和管理控制。文章将主要从系统的传输网络和路由结构两方面来进行阐述。

2 卫星网络结构

卫星IP网络系统主要围绕具有多波束能力的地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)宽带卫星在网络层面展开。卫星网络的组成主要包括宽带卫星、地面网络控制中心(NCC)和卫星终端(ST)，如图1所示。星上具备交换的能力，允许任意波束覆盖下的卫星终端间单跳通信。在服务覆盖区内，所有的网络管理、服务访问、终端管理以及路由表建立等都由NCC负责。

图1 卫星系统结构Fig.1 The architecture of satellite system

对于路由器来说，路由计算和更新、路由表的维护以及IP分组的选路占据了大部分资源，使得路由处理速度成为制约路由器的瓶颈。在参考地面高速路由器设计和充分考虑星上限制条件的基础上，提出了一个基于星地一体IP路由的卫星网络设计思路：

(1)将卫星和地面终端视作一个分布式路由器整体；

(2)IP分组的选路由地面终端执行，相当于分布式路由器的各端口处理部分；星上无需路由查找，只完成分组交换和流量控制等功能，相当于路由器的交换和中央处理器模块；

(3)NCC收集各终端发来的外部网络可达信息，再根据卫星网络拓扑创建一个路由转发表，当生成路由转发表后将其发往卫星节点并广播至所有ST，ST通过E-BGP协议向所连接的地面网络发送卫星网路由信息以及通过卫星网可达的地面网络的路由信息；同时，NCC动态维护一个地面终端与星上交换机端口的映射表，与路由表一块发送；

(4)终端执行路由查找，确定下一跳网络地址，如需经过卫星节点，则再查找端口映射表确定星上交换部分的输出转发端口；执行一个区分服务模型(Diffserv)，将IP分组进行QoS分类；判定IP包是单播还是多播分组，将这些信息写入一个固定长度的信息头(格式如图2所示)，并将其添加到IP分组的头部，然后发往卫星链路层组帧传输。

图2 添加的转发信息头格式Fig.2 The format of the additional head of packet

图2中，Sum域是信头校验和；M/B/U域指明信元为单播(U)、多播(M)还是广播(B)；QoS域根据业务和QoS服务等级来具体定义；Outport域指代信元的星上输出端口，从低到高每位二进制比特分别对应从低到高的输出端口编号，其位数根据星上交换机的输出端口数来确定。

3 基于IP的传输网络

目前能提供IP服务的卫星系统有不少，如基于透明转发的iPSTAR[6]和基于再生处理的WideBlue-1等，但都不是基于IP包一级的路由转发。文献[7]提出了一种基于ATM的IP传输与路由结构，但需设计复杂的地址转换。本文描述的卫星系统传输结构基于IP包的路由转发，全面支持端到端连接的IP服务。

一个典型的卫星IP分组传输过程如图3所示。

图3 卫星IP分组传输的过程Fig.3 The process of IP packet switching through satellite

其具体过程可描述如下：

(1)到达一个卫星终端或关口站的IP分组在本地进行路由选路，并确定星上交换机的转发端口；在IP分组的头部加上一个Eh信息头，其携带有IP分组的星上转发端口、QoS服务以及单播/多播/广播表示的相关信息；然后进行链路层组帧、编码和调制发送。这就是IP分组进入卫星网的地面段处理，可将其抽象成一个分布式路由器的输入输出处理部分；

(2)星上接收信号后进行解调、译码和解包，提取出IP分组的添加信息头，读取信息并进行相关处理；将IP分组分割并封装成定长的内部交换信元，然后根据携带端口信息进行调度与转发；交换机输出端重组信元并送往相应下行信道。这是星上处理部分，可抽象为路由器的交换模块，而地面NCC就相当于路由器的路由控制模块。

基于IP协议的卫星网络，由于无需预先建立卫星链路连接，降低了初次访问的延时；同时，利用缓冲机制，能灵活管理单一信道的流量峰值。

4 路由结构

减少路由信息流量和卫星终端分区管理控制的能力是设计路由结构面临的主要问题。减少路由流量可通过在NCC设置一个中心路由服务器 (Central Routing Service，CRS)进行集中路由来实现，避开网格式路由带来的终端间大量路由信息交换。终端通过卫星发送的路由信息满足基本需求即可，这样通过CRS就能减少通过卫星的很大一部分路由信息流量。

关于路由策略，将卫星及其终端抽象为一个分布式路由器整体后，CRS就相当于路由控制模块，ST就是其分布式输入输出处理和路由引擎部分。在卫星网络内部，NCC完成ST的注册和认证管理，并确定其所属分区和映射关系；在注册的同时，ST向CRS发送其所连外部网络的路由信息，CRS收集所有终端的路由信息后计算出路由表。

ST的数量可很大，NCC的网控模块需将所有ST编号并进行分区管理，将一个或相邻多个波束范围的ST划分为一个区，并与星上交换机的端口做多对一映射，给出映射表，与路由表一同上传至卫星并广播。映射表和路由表同步定时更新，当设定时间内收不到某一ST的更新，表明已断开连接，将其从路由表和映射表中删除。由于屏蔽了卫星网络的复杂结构，对外部网络而言路由变得简单了。

在终端与外部网络之间，支持多种路由协议，使得卫星系统有足够的灵活性来适应终端连接的不同网络域。图4所示为卫星网络的路由结构及典型路由协议连接。图4中，UT1连接一个区域网络，可以是一个单一主机、子网、小型网络甚至是几个小型网络的联合体，它包含CRS，故在UT1和Area1间运行开放最短路径优先协议(OSPF)。UT2连接ASm，CRS作为其中一个边界路由器，在UT2和ASm之间运行内部边界网关协议(I-BGP)。UTm+1连接一个独立的自治域ASm+1，在它们之间运行外部边界网关协议(E-BGP)以交换路由信息。类似地，信关站作为抽象路由器的端口部分，根据其连接网络性质运行相应的路由协议。

图4 路由结构图及典型路由协议连接关系图Fig.4 The routing architecture and the typical connectivity with different routing protocols

5 结 论

本文描述了一个基于IP的GEO卫星网络传输和路由结构，以实现与地面IP网络的无缝兼容。设计考虑了足够的灵活性来支持大量的卫星终端(如100 000个)，星上具备交换的能力使得终端间可实现单跳通信。路由结构通过设置CRS的方式，避免了终端间的网格路由，能大幅度减少通过卫星的路由流量。星上不进行路由查找，对于星上资源的占用可以得到较大改善，有利于星上交换的实现；同时，通过IP包上行发送添加信息头的特殊设计，使得IP多播的实现不再困难。这种设计在获得其好处的同时，相对也限制了星上自适应路由的实现。拥塞与流量控制由地面CRS来实现，当星上某一信道很拥挤时，由于不能更改路径，对于拥塞的控制和反应增加了不利。对于卫星IP网络，其它像无线资源管理、IP-QoS保证、TCP传输时延和吞吐量等都是非常重要问题，目前国内外的研究也提出了一些对策，不过仍有待于进一步的研究和发展。

参考文献：

[1] Wood L Shell,Invancic D, et al. CLEO and VMOC: enabling warfighters to task space payloads[C]// Proceedings of IEEE Conference on Military Communications. Atlantic: IEEE：2005: 3052-3058.

[2] Conforto Paolo, Losquadro Giacinto, Winkler Roberto. End to End Telecommunication Satellite System with On-board IP Routing[C]//Proceedings of the 26th International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC). San Diego: AIAA, 2008：1120-1144.

[3] Pulliam, J Zambre, Y Karmarkar, et al. TSAT network architecture[C]// Proceedings of IEEE Conference on Military Communications.San Diego: IEEE,2008: 1-7.

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

[5] Florio, Michael A Fisher, Susan J Mittal, et al. Internet Routing in Space Prospects and Challenges of the IRIS JCTD[C]// Proceedings of IEEE Conference on Military Communications. Orlando: IEEE,2007: 1-6.

[6] Swakpan T. The iPSTAR Broadband Satellite Project[C]// Proceedings of the 21st International Communications Satellite Systems Conference and Exhibit. Yokohama, Japan: AIAA, 2003:2003-2206.

[7] Yegenoglu, Alexander F, Gokhale R, et al. An IP Transport and Routing Architecture for Next-Generation Satellite Networks [J]. Network IEEE,2000, 14(5): 32-38.