多星组网路由交换架构技术研究

王金海，尹　波，王旭阳

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



多星组网路由交换架构技术研究

王金海，尹波，王旭阳

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要基于星上处理的多星IP组网是天地一体化网络关键技术。针对星载硬件平台处理能力不足的现状，提出了一种地面IP路由、星上标识交换和星间标识转发的多星路由交换架构，设计了专用的卫星路由协议和星上数据标识交换。利用OPNET仿真软件搭建了基于星上处理的多星组网网络模型，对星地协同的路由控制和路由标识交换进行仿真，仿真结果表明，基于地面IP路由、星上标识交换和星间标识转发的路由交换架构，可减少路由协议开销，提高网络收敛速度，满足多星IP组网应用。

关键词卫星通信；IP路由；标识交换；路由信息协议；开放式最短路径优先协议

0引言

经过几十年的发展，我国卫星通信系统取得了巨大进步，在军事通信、商业通信、企业专网和应急通信等不同领域发挥着重要作用[1]。

近年来，在全球无缝覆盖、用户随遇接入需求的推动下，我国卫星通信系统开始从过去的单星独立组网向多星天地一体化组网发展，基于GEO卫星的多星IP组网成为当前我国卫星通信领域的研究热点[2]。

多星IP网络具有传输时延大、用户数量多和网络变化频繁等特点，直接使用OSPF和RIP等地面成熟网络路由协议，面临网络规模受限、协议传输开销大和路由计算处理复杂等一系列问题[3]。

本文提出了一种新的多星组网路由交换架构方案，减少卫星路由协议开销，降低星上处理的复杂度，保证基于国产星载硬件平台的多星IP网络可以高效、快速地收敛。

1多星组网技术

目前，多星组网有基于透明转发组网和基于星上处理组网2种技术发展路线[4]。在星上路由交换、星载网控和星间链路传输等技术成熟以前，主要以基于透明转发的多星组网为主。

基于透明转发的多星组网架构，采用天星地网思路，卫星透明、地面站路由转接，依托地面网络实现多星组网，满足全球覆盖要求。例如，美军依托全球部署互连的多个地面电信港，将几十颗高轨军事通信卫星组网，构建成了一个全球覆盖的天地一体化网络[5]。

近年来，随着星上处理技术的逐步成熟，国外陆续开展了基于星上处理、星间链路的组网研究。例如，IRIS项目在星上搭载了一个标准IP路由器，测试多星空间组网路由技术[6]。

采用天星地网方式，基于透明转发多星组网，可以极大地降低卫星技术难度，充分使用地面成熟网络技术，但是需要全球部署信关站。由于我国不具备在境外部署大型卫星接入站点的基础与实力[7]，因此无法采用天星地网方式进行多星组网，只能采取基于星上处理、星间链路进行多星组网。

目前，国内星载硬件计算处理能力比较低，如果星上直接使用地面标准路由协议，在网络规模、处理速度和协议开销等方面均无法满足多星组网要求[8]。因此，基于星上处理的多星组网，必须简化星载路由交换处理，降低对星载硬件处理能力的要求。

2多星组网路由交换网络架构设计

借鉴标识交换思想，采取管理控制与路由交换联合设计、星地协同路由控制等设计方法，构建一个地面IP路由、星上标识交换和星间标识转发的多星路由交换网络，实现星上路由交换处理的简化，降低路由协议的开销。星地协同多星组网路由交换网络架构如图1所示。

图1　星地协同多星组网路由交换网络架构

2.1　多星组网路由交换控制设计

星地协同多星组网路由交换网络架构采用专用路由协议，利用星载路由服务、星载网控，结合卫星广播特性，减少路由信令的交互，降低路由协议传输开销。多星组网专用路由协议如图2所示。

图2　多星组网专用路由协议过程

主要步骤包括：

① 卫星终端入网时，星载网控为其动态分配一个全网唯一的标识号；

② 卫星终端入网后，向本星路由服务上报汇聚后的地面路由信息，并从本星路由服务获得全网路由标识映射；

③ 星载路由服务负责汇集本星路由，并与邻星同步，生成全网路由标识映射；

④ 卫星终端主动上报路由变化，路由服务广播变更的路由标识映射信息；

⑤ 卫星终端根据星载路由服务下发路由标识映射信息，生成并维护IP路由表。

通过上述路由协议的星地协同设计以及与管理控制的联合设计，可将卫星网收敛时星内路由信息的交互次数从标准路由过程的O(n*n)降为O(2n)，n为卫星终端入网数量,而路由变化时星内路由信息的交互次数仅为O(2)，极大地减少了路由协议开销，提高了网络拓扑收敛速度。

2.2　多星路由交换数据转发设计

星地协同多星组网路由交换网络架构采用路由标识映射交换技术，卫星网内部采用标识寻址而非IP寻址，如图3所示。

图3　多星组网路由交换数据转发

地面卫星终端负责地面IP数据的路由查找、标识封装，而星载路由服务仅辅助地面卫星终端生成IP路由表，不需要复杂的查表算法。星载标识交换仅识别数据包中的标识号(含卫星号+终端标识)，如果其中的卫星号与本星相同，则根据终端标识查找标识交换表进行端口交换，如果卫星号与本星不同，则根据卫星号查找星间转发表进行端口转发。

星上标识交换表、星间转发表采用一维数组存储结构，分别以终端标识、卫星号为索引，可将星上查表时间复杂度降为O(1)。标识交换表最多n条表项，n为本星入网终端最大数量，星间转发表最多m条表项，m为组网卫星最大数量，地面网络的频繁变化不影响星上标识交换表和星间转发表。

3仿真验证

使用OPNET软件进行多星组网网络仿真。OPNET软件可提供近似真实的网络环境以及丰富的网络协议模型，并支持二次开发定制，同时具备有效、直观的仿真结果分析工具[9]。

多星组网仿真环境由3颗GEO卫星构成，每颗卫星有2条星间链路和2条星地链路。仿真模型包括卫星模型和卫通站模型，其中卫星节点模型由星载网控、星载路由服务、星载标识交换以及星间/星地波束等模块组成。

仿真场景有：RIP路由协议组网、OSPF路由协议组网和卫星专用路由协议组网3种。

3种路由协议在多星网络中的信道开销仿真结果统计如图4所示。

图4　路由协议信道开销统计

由图4可以看出，在网络初始收敛、网络稳定运行过程中以及路由发生变化时，卫星专用路由协议的信道开销均是最小。路由协议信道开销仿真结果表明，卫星专用路由协议可极大地降低多星组网网络中的路由协议开销。

限定星上CPU处理能力为50 MHz后，3种路由协议在不同网络规模下,网内节点路由变化时的平均网络收敛时间如表1所示。

表1　平均网络收敛时间

通过表1可以看出，如果星上CPU处理能力为50 MHz、网络规模为200时，OSPF路由协议网络无法收敛，RIP路由协议网络收敛时间非常大，网络规模400及以上时，RIP、OSPF路由协议网络均无法收敛，而卫星专用路由协议网路收敛时间基本无变化。统计结果表明，卫星专用路由协议复杂度最低，星上处理资源占用最少，网络收敛速度最快，适合较大规模的多星组网应用。

4结束语

针对国内星载硬件平台无法支持地面标准IP路由协议在多星组网环境中应用的情况，提出一种地面IP路由、星上标识交换和星间标识转发的多星路由交换架构，通过使用与管理控制相结合的专用多星组网路由协议、星地协同的路由标识数据交换转发，减少了路由信令交互，降低了路由协议传输开销，简化了星上处理复杂度，提高了网络收敛速度。通过仿真证明大量卫星终端多星组网时，路由变化产生的路由协议开销非常小，星上资源占用少，网络收敛时间短，因此该架构能够更好地满足基于星上处理的多星IP组网的需求。

参考文献

[1]吴博,郝学坤.一种优化的MF-TDMA卫星通信体制分析[J].无线电通信技术,2013,39(1):19-21.

[2]马广龙,汪春霆,王旭阳.适用于卫星网环境的标签分发协议研究[J].无线电工程,2014,44(3):18-20.

[3]王旭阳,孙晨华,马广龙.基于标识/位置分离的卫星网路由架构研究[J].无线电工程,2014,44(3):8-10.

[4]范继,王宇.一种星地一体化路由设计的卫星IP网络[J].电讯技术,2010,50(4):92-95.

[5]赵海波,李欣.Inmarsat反向突发位同步技术研究[J].无线电通信技术,2013,39(5):21-22,36.

[6]FLORIO,FISHER M A,MITTAL S J,et al.Internet Routing in Space Prospects and Challenges of the IRIS JCTD[C]∥IEEE,2007:1-6.

[7]张俊祥.卫星通信发展展望[J].无线电通信技术,2012,38(4):1-4.

[8]鲍民权,邱智亮,张茂森,等.大容量星上交换网络的设计与实现[J].无线电通信技术,2012,38(3):65-68.

[9]朱辰,董银虎.基于OPNET的网络仿真技术研究及其应用[J].无线电工程,2013,43(3):12-15,61.

王金海男，(1976—)，高级工程师。主要研究方向：卫星通信系统研究、运行管理控制研制和业务接入控制研制。

尹波男，(1982—)，工程师。主要研究方向：卫星通信与地面网络融合。

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

作者简介

基金项目：国家部委基金资助项目。

收稿日期：2015-03-23

中图分类号TP391.4

文献标识码A

文章编号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，王旭阳.多星组网路由交换架构技术研究[J].无线电工程，2015，45(6)：1-3.