基于标识/位置分离的卫星网路由架构研究

王旭阳，孙晨华，马广龙

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

随着星上处理技术发展，卫星通信系统进入天基网络时代。在以卫星为核心的天基网络中，IP数据业务的传递需要基于星载路由器的路由技术来完成。卫星网络从路由域的角度可分为上/下行链路路由(UDL)和空间段路由(ISL)［1］。空间段路由(ISL)负责在卫星的星间链路间计算满足一定需求的最优路径。上/下行链路路由(UDL)部署在卫星和卫星终端之间，负责将接入网连接到卫星核心网。本文中的空间段是多颗GEO利用星间链路互联构成的网状结构，卫星终端有固定终端和移动终端之分，移动终端在同一卫星的不同波束间和不同卫星之间移动。

传统地面网络拓扑变化频率低，当网络达到稳定状态后不需要频繁地更新路由表，同时路由器计算能力和存储能力满足协议的要求，因此现有路由协议能够很好地工作。但卫星用户数目增加使得核心路由表迅速膨胀，终端移动导致路由表重新收敛和星载路由器的有限存储/处理能力等问题，使得卫星网络路由面临着来自移动性、扩展性［2］，地面已经成熟的路由协议不适用于卫星网。

为此，参考标识/位置分离思想提出了一种新的卫星网络路由架构方案，改善核心路由的扩展性，同时保证接入网灵活快捷地接入核心网。

1 标识/位置分离思想

互联网发展之初，IP地址具有标识(EID)和位置(RLOC)双重属性，即IP地址既代表一个合法的互联网用户身份，又表示终端在网络中的位置。IP地址双重属性主要是针对固定方式连接设计，因此能够很好地工作。随着互联网的快速发展，并且地面网络中出现了大量的移动用户，由此IP地址的双重属性就带来了移动性问题，弱化了IP地址作为位置标识的聚合特性，严重影响了核心路由的可扩展性，还带来了一些安全问题，加大了访问控制的复杂性和难度［3］。

针对地面网的这些问题，国际IAB组织提出通过引入2个名字空间来分别表示节点标识和位置来解决IP地址的双重属性［4］。引入标识/位置分离之后，节点之间的通信会话可以基于固定EID地址，从而更好地支持网络的移动性。核心网络使用纯净的RLOC地址空间，杜绝非聚合地址前缀进入核心路由，保证核心路由的聚合特性，控制路由表的规模［5］。

为了实现标识/位置分离思想，需要映射服务系统完成EID和RLOC两套名字空间的转换，映射服务方案主要有2种模型:“PULL”模型和“PUSH”模型。“Pull”模型在入口查询映射服务器并将结果缓存在本地，“Push”模型将整个映射数据通告到边缘，在每个入口都复制了一份完整的映射数据库。目前地面网络主流映射实现方案有HIP、Shim6和LISP，这里主要参考LISP的实现方案［6］。

LISP通过入口隧道路由器(Ingress Tunnel Router，ITR)和出口隧道路由器(Egress Tunnel Router，ETR)实现了核心网络和用户网络的分离［7］，通过一个映射系统来实现从EID至RLOC的映射解析［7］。LISP通过IP-in-IP的封装及解封装机制实现业务在核心网中的路由和转发。LISP采用“Pull”模型完成映射关系的查询，虽然“Pull”模型减少了入口存储的映射状态数目，却增大了映射查询延迟，LISP数据流程如图1所示。

图1 LISP数据流程

相比地面网络，卫星网络具有拓扑结构简单、链路传输时延长和广播特性等特点［8，9］，所以卫星网络采用标识/位置分离思想时，应根据这些特点进行针对性的改进。

2 卫星网络路由架构

根据LISP中的标识/位置分离思想，用户网络使用EID地址，卫星使用RLOC地址，卫星终端同时拥有RLOC地址和EID地址，网络拓扑结构如图2所示。

图2 网络的拓扑结构

卫星终端的拓扑位置地址(RLOC)分配与网络拓扑保持一致，这样可为卫星网络提供纯净的RLOC地址，保证星载路由器上路由表的聚合功能，控制路由表的规模，达到节约星载路由器存储空间的目的。卫星终端节点身份地址(EID)则是典型的组织边界，用户网络可通过EID地址方便地进行通信。卫星终端移动时重新分配RLOC地址而EID地址保持不变，这样既可以实现用户间连续性通信，又可以防止由于移动引起卫星网络路由的重新收敛，从而节约了星上处理能力。

2．1 业务的收发

基于标识/位置分离思想的卫星网络路由架构中采用地址映射(Map-and-Encap)方法实现业务数据的收发。卫星终端作为用户网络和卫星网络的桥梁，部署入口隧道路由器ITR、出口隧道路由器ETR以及本地代理Agent。卫星网络路由架构信令和数据流程如图3所示。

当用户网发送以EID为目的地址的数据包送到卫星终端ITR后，ITR通过查询本地的映射系统获得目的EID对应的RLOC，这个阶段是Map-and-Encap的Map阶段［10］。ITR使用自己的一个RLOC作为源地址，使用查找到的RLOC为目的地址进行IP封装，这个阶段是Encap阶段。数据包在卫星网络根据外层RLOC地址进行路由和转发。当包到达目的端卫星终端的ETR时，ETR解封装并根据内层的EID地址发给目的端［11］。

图3 卫星网络路由架构信令和数据流程

2．2 映射系统的建立

本地代理和星上的映射服务器采用“PULL”和“PUSH”混合模型共同完成映射系统的建立。星上的映射服务器维护整个卫星网络的映射关系和本星下的代理列表。本地代理功能包括:

①管理本子网节点的EID列表;

②接入卫星网时RLOC地址申请;

③完成EID-RLOC映射注册;

④在接收星上服务器广播的映射后完成本地映射表的更新;

⑤本地映射缺失时向星上映射服务器进行查询。

代理模块在开机后分别向路由交换模块发送EID查询消息和向星上的映射服务器发送RLOC地址请求消息［12］。EID查询消息查询接入卫星终端的子网EID前缀，完成EID列表建立。路由交换模块一旦检测到有新的子网接入该卫星终端，向移动代理模块发送EID更新消息。在接收到RLOC地址请求信息后，映射服务器按照拓扑规划分配给终端RLOC地址。

卫星终端的移动代理完成EID查询和RLOC请求后，向星载路由器的映射系统发送注册请求，注册请求中包含EID和RLOC的映射关系。映射系统进行映射关系的更新，并将这个更新信息发送给其他的星载路由器的映射系统，以保持各个星载路由器映射系统的同步。星上的映射服务器利用卫星的广播特性将更新广播到各个移动终端和固定终端的移动代理。

当卫星终端移动时，代理在链路层切换完成后向星载路由器请求重新分配IP地址，并完成与上面所述相似的映射更新过程。

3 仿真验证

下面采用OPNET软件进行仿真，OPNET能为通信协议研究提供与真实网络相似环境，此外功能完善的结果分析器为协议性能的分析提供了有效、直观的工具［13］。

仿真拓扑是5颗GEO卫星利用星间链路组成网状结构，每颗卫星有2条星地波束，每个波束内有若干固定终端和移动终端。移动终端后面连接客户端C，固定站后面连接服务器S，移动终端和客户端组成的子网在不同波束间进行切换，客户端C和服务器S之间进行IP Telephony业务通信。

仿真有统一部署动态路由协议和采用标识、位置分离2个场景。仿真目的是在终端移动时，比较不同场景下客户端C收到服务器端S的应答状况，仿真结果如图4所示。

图4 仿真结果

图4中，虚线是采用标识和位置分离后的业务应答情况，此时空间段路由(ISL)采用静态路由。实线是空间段路由(ISL)和上/下行链路路由(UDL)统一部署动态路由协议，没有采用标识和位置分离的业务应答情况。虚线的中断是卫星终端移动后的映射更新引起的，实线的中断是因为终端移动造成整个网络的路由重新收敛。仿真结果表明，采用标识和位置分离的卫星网络路由架构有利于移动节点的通信。

另外采用统一部署动态路由协议场景下，星载路由维护大量的路由表，包括目的地址为用户网段的条目和目的地址为星载路由端口的条目。而采用标识和位置分离的卫星网络路由架构场景只需维护几条目的地址为星载路由端口的条目即可。所以，采用标识和位置分离的卫星网络路由架构有利于路由表的扩展，节约星上的存储和计算资源。

4 结束语

基于标识/分离思想并根据卫星网络固有的特点提出一种新的卫星网络路由架构，通过引用2个命名空间分别表示卫星终端的位置和标识，解决了IP语义过载的问题，实现了骨干网和接入网络的分离。骨干网使用纯净的RLOC地址，隔绝用户网的EID地址，控制路由表的规模，有效地解决了卫星网络的路由扩展问题。通过仿真证明卫星终端的移动不会引起核心网路由表的重新收敛，业务能够更好地保持连续性，所以该路由架构能够更好地支持终端的移动。

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