基于名址分离机制的低轨卫星组网架构研究*

叶荣飞，唐 瑜，陈 量

(重庆金美通信有限责任公司，重庆 400030）

0 引言

随着商业航天兴起，基于星上处理及星间链路的低轨卫星星座已经成为当前卫星通信的研究及建设热点[1]。低轨卫星的用户链路为卫星用户站提供宽带接入，星间链路实现业务在卫星间的路由传输，因此，低轨星座作为骨干网络为地面用户网络提供了多跳路由交换功能，实现不同区域地面网络的灵活互联。

低轨卫星的高速运动除了导致星座的卫星之间的网络拓扑变化外，也导致卫星用户站的接入卫星在不停地变化。若要符合互联网的网段路由规则，则用户站的IP 地址需要变化，这对于以IP 地址为标识的应用会产生丢包、寻址错误等一系列问题。基于移动IP、用户单体路由等传统的路由寻址方式可以解决上述问题，但低轨卫星星座系统的地面用户规模十分巨大，用户的移动、卫星的移动导致卫星接入用户整体移动，导致了路由的不可聚合性，卫星之间路由更新的频率和通信量增大，路由收敛变慢，传统路由方式的可扩展性被严重削弱。同时，由于星载资源的限制，在星上实现大规模的路由表项存储和查找在现阶段的工程实践也不现实[2][3][4]。

基于名址分离的低轨星座组网架构可以使卫星网络与地面用户网络的路由隔离，从而降低卫星星间组网路由规模，提高低轨卫星网络的扩展性，并且可支持用户在卫星间无缝移动切换。

1 名址分离思想及地面网络实现方案

对于TCP/IP 协议栈，每层地址都有其标识，并具有一定的含义，例如以太网链路层的MAC 地址标识了网卡硬件身份，传输层的端口标识了本机的处理程序位置等。Internet 业务均使用IP 承载，IP 地址标识了虚拟身份；同时由于互联网的路由规则采用了分类聚合的方式，IP 地址也代表位置信息。因此，IP 地址具有身份和位置双重属性。[5]

随着移动互联网的发展，大量移动用户在不同接入点的移动导致用户路由不可聚合，这种情况严重影响了骨干路由的扩展性，并引入了其他难以解决的问题。因此，国际IAB 组织提出引入两个名字空间来分别表示节点的标识和位置，即Identifier 和Locator，在骨干网络中采用RLOC(Routing Locator)，在边缘接入处采用EID（Endpoint Identifier）的方式实现名址分离，这样的方式实现了骨干网络与接入网络的路由隔离，保证了很好的扩展性及独立性[6]。

基于名址分离的思想，地面网络提出多种解决方案。比较著名的有思科公司提出的LISP（The Locator Identifier Separation Protocol） 等协议[5]。LISP 协议采用入口隧道路由器（ITR-Ingress Tunnel Router）、出口隧道路由器（ETR-Engress Tunnel Router）实现报文的隧道封装及EID 和RLOC 的映射，最终完成数据的正确转发。如图1 所示，用户网络的数据到达ITR 后，ITR 提取EID，并查找EID 和RLOC 的映射，若本地未能获得信息，则可通过MR 的查询获得；ITR 获得映射关系后，通过隧道封装发送至ETR，ETR 解封装后，完成目标用户的正确转发。

图1 LISP 框架

LISP 对于骨干网中的用户之间的路由寻路采用了“先寻找目的网关，再解映射”两步方式，使接入网和骨干网的路由域相互隔离，把映射关系的维护推向其他层次，这样的变换使得骨干网络的路由体系非常简洁，具有更好的扩展性。

2 低轨卫星组网架构

对于低轨卫星的组网应用，除了采用信关站落地中心交换的方式外，还大量存在用户间的直通应用。

系统网络架构如图2 所示。低轨卫星之间采用星间链路（Inter-Satellite Links,ISL）实现卫星网络组网，信关站采用馈线链路实现与卫星的互联，卫星用户站利用卫星提供的用户链路接入卫星网络，用户站又可对外提供网络服务。这样，形成了以低轨卫星为基础的骨干传输网络，用户站之间接入低轨卫星形成地面网络直通互联的网络结构。

2.1 双层路由结构

对于一般的卫星通信系统，地面信关站实现用户的鉴权注册、移动管理等用户控制功能，即信关站可以保存用户站的名址映射关系，这样，可以通过向信关站查询名址关系，实现边缘卫星路由器的正确寻路。但是，由于卫星星座的全球覆盖性，来回查询位置关系导致往返时延较大，很难满足对时延要求较高的特殊应用；并且低轨卫星网络切换频繁，信关站可能保存了用户站“过时”的位置信息，从而导致路由转发丢包的情况。因此，本架构采用了分布式双层路由实现名址分离机制。

名址分离机制最重要的是映射关系如何建立。考虑到卫星星间网络需要支持大规模的专网用户接入，EID 和RLOC 的映射关系如果在星上处理，则需要：

图2 低轨卫星系统网络架构

（1）在卫星星间网络进行大量名址映射表的同步，消耗一定的带宽；

（2）维护大量的映射关系，对星载硬件内存容量有一定的要求；

（3）名址映射查找功能，增加星载路由软件复杂度，对处理能力要求高。

根据上述分析，若在星上载荷实现映射关系等功能，其扩展性不强：用户数量映射路由表项的膨胀、路由更新的频率和通信量的增大、路由收敛变慢,都会严重影响核心路由的可扩展性，因此，EID 和RLOC 映射关系采用在用户站实现的方式。

如图3 所示，双层路由结构分为卫星路由域和用户站路由域：卫星之间的路由实现卫星间的寻址，即RLOC 路由域；卫星用户站作为ITR 或ETR 实现用户数据的路由，即EID 路由域。

图3 双层路由架构

卫星用户站间通过同步均在本地建立分布式映射系统方式：在每个入口-卫星用户站都同步复制了一份完整的映射数据库,改善了映射查询延迟，并能很好地和低轨网络切换结合。

2.2 地址封装机制

本架构中，用户网络路由互联功能采用在地面用户站侧实现名址映射完成ITR 和ETR 的功能，并设计三层地址方式分离星间网络寻址、空口用户站寻址、应用寻址，其地址封装结构如图4 所示。卫星星间网络只实现RLOC 地址空间，这样可以控制核心路由表的规模，降低星载处理的难度；EID用于无线链路空口寻址，分隔用户站外接网络路由，保证星载路由不再参与用户站的路由交互；最后一层为应用寻址，用于用户站所连网络内部寻址。

在上述地址封装设计中，RLOC、EID 均采用IP 方式开展编址，实现各层次的寻址功能。

2.3 分布式映射同步

卫星用户站通过定期向卫星发送组播Hello 报文，可实现专网网络的逻辑邻居的信息交互。Hello信息如图5 所示，包含卫星用户EID 地址/卫星用户所连网络的网络地址、卫星用户站的GPS 信息、卫星用户站是否车载/固定/机载、当前接入的卫星号及点波束号、最近一次接入的卫星号及时戳等。由于卫星星间组播路由是全网可见的，因此，卫星用户站可获得卫星网络下所在子网的用户站EID 与RLOC 的全部映射关系，甚至结合星历信息可以提前预测对端用户站的RLOC 信息。

2.4 对低轨卫星网络切换的支持

在低轨卫星网络中，由于卫星的高速运动及用户站的移动导致大量的复杂网络切换[4]，用户站网络位置的实时变化需要快速进行名址同步。通过链路层切换与网络层的路由层操作，联合实现网络切换过程中的无缝切换。

如图6 所示，链路层成功切换后，由于名址映射同步还未完成，导致切换过程中有一部分数据在原卫星发生数据前转，暂时形成非最优路径的转发数据。根据上一次交互RLOC 的消息提前预测或者采用跨层设计方式触发映射同步处理协议交互，保证了名址映射表在卫星网内用户站之间快速同步，即可消除切换过程中存在的“三角”路由。

图4 三层地址封装

图5 Hello 报文基本内容

图6 网络切换中的数据路径

3 测试验证

搭建如图7 所示的地面验证平台。低轨卫星骨干网采用软件路由器模拟，用户链路采用本单位研制的卫星基站和用户站。用户站接入后，实现映射关系的同步，用户站所连PC1/PC2 之间业务采用iperf 软件的UDP 报文生成。通过相互发送业务及用户无线移动模拟网络切换，实测本架构对业务转发及切换过程的支持性能。

测试记录如表1 所示，结果表明，提出的网络架构满足低轨卫星组网要求。

图7 测试网络拓扑

表1 测试结果

4 结语

本文提出了一种基于名址分离机制的低轨卫星组网架构，通过设计双层路由结构，采用三层地址封装机制，提出名址映射分布式同步方法，解决了卫星路由域的扩展问题，并能较好地支持低轨卫星中的网络切换。通过实际的测试验证，实现了基于低轨卫星基础网络的灵活组网。