空间路由交换体制现状与发展设想*

虞志刚，冯旭，陆洲，高吉星

（中国电子科学研究院，北京 100041）

0 引言

随着空天技术的迅猛发展，以及商业航天蓬勃兴起，国内外低轨星座计划层出不穷，连接陆海空天融合成“一张网”成为未来网络/6G 的重要发展方向。作为陆海空天一体化网络的重要组成部分，空间网络具有广域覆盖、灵活组网、不受地面环境限制等显著优势，能够为远洋航行、应急救援、航空运输等提供全球网络通信服务。

空间网络由位于不同轨道的、执行不同任务的各类卫星、飞艇等航天器和地面站之间通过微波/ 激光链路互连组网而成[4-5]。近年来，随着星上处理和星间组网技术进步，卫星之间可通过星间链路互联组网，消除了传统卫星通信对地面站的依赖。与此同时，国内外众多低轨星座计划不断涌现，如表1 所示[7-8]，大量先进制造、管理、网络技术加速了航天产业发展步伐。

表1 国内外卫星互联网星座计划

路由交换体制作为空间网络的关键技术之一，决定着网络节点之间互连的模式及提供服务的粒度，一直是工业界和学术界关注的热点问题。迄今为止，空间网络经历了微波交换、信道化交换、分组交换等发展阶段，各阶段的发展均受到技术与应用共同驱动。目前，在空间路由交换体制方面，国内外研究主要聚焦于某一卫星通信系统的路由交换体制的优化设计。据作者所知，尚未有系统性梳理空间路由交换体制文章。因此，本文将重点梳理空间交换体制的技术特征、路由交换架构以及路由协议设计，并在此基础上总结分析，提出未来空间路由交换体制的发展设想，以期为后续空间网络的研究提供有价值的参考。

1 空间网络

空间网络作为地面网络的延伸与拓展，将网络疆域从近地空间拓展到远地新空间，从地面二维覆盖延伸到空间三维新泛在[9]。一方面，空间网络实现不同轨道的卫星节点、临近空间节点之间以及与地面站节点之间的互联互通[10]，构建内部“一张网”；与此同时，空间网络也为地面网络、海洋网络、深空网络等网络提供互联互通桥梁，形成全局“一张网”。

1.1 空间网络架构

空间网络通常由空间段、地面段和用户段组成，其中空间段负责用户接入与数据传输，组成包括高轨卫星（GEO）、中轨卫星（MEO）、低轨卫星（LEO）以及临近空间飞艇（HAP）等；地面段主要包括地面站（GND）、移动关口站等，负责系统运维管理以及与其他网系互连互通，用户段包括机载、船载、车载、手持等各类终端，以及为用户提供服务的各种应用系统。

1.2 空间网络特征

（1）星载处理受限。鉴于空间辐照、单粒子反转等环境影响，以及卫星有效载荷技术（如载荷重量、功耗限制）限制，星载设备通常需要专门的防辐照处理，因此目前大部分在轨卫星的星上处理能力较弱，信息处理和控制关键依赖地面。然而，以SpaceX 为代表的商业公司正在尝试将商用货架产品搭载到卫星[11-12]，从而大幅提升星载处理能力。

（2）网络拓扑动态。一方面，低轨卫星轨道距地700～2 000 km，处于高速运动状态，卫星之间或卫星与地面站之间切换频繁，通常10 分钟左右一次[13]，导致拓扑时变。另一方面，高轨卫星（地球静止轨道）距地36 000 km，星地往返时延250 ms，导致传输时延长。

（3）环境复杂开放。一方面，处于电磁开放的空间，电磁环境异常复杂，卫星容易宇宙射线、太阳粒子等带电粒子的辐射。另一方面，面临非法接入、电磁干扰、电磁压制、窃听、重放攻击等多样化安全威胁[14]。

2 空间路由交换体制概述

2.1 空间路由交换体制类型

经过近半个多世纪的发展，空间网络路由交换体制经历了多个发展阶段。按照是否星上进行信号处理，可以将其划分为星上不处理的微波交换、星上半处理的信道化交换、以及星上处理的分组交换[15]，图1 为按照交换体制来梳理空间网络发展历程示意图。

图1 按照交换体制来梳理空间网络发展历程

（1）微波交换

即星上透明转发，顾名思义，即星载设备对接收到的电磁信号不进行调制/ 解调等处理，仅对物理信号按照提前预设的规则，进行变频，再转发至地面站。负责此功能的星载设备通常称为“微波交换矩阵”[16]。

如图2 所示，微波交换模块由低噪声放大器，变频器，滤波器、高功率放大器、复用器和微波交换矩阵组成。信号经过接收天线的接收、低噪声放大器的放大后，经模拟下变频器变频到合适的中频，此中频信号经过带通滤波后进入中频交换矩阵进行交换，微波交换矩阵通常根据地面控制中心的命令预先配置，对进信号按照预先的配置进行交换，交换后的中频信号经过一级或者多级变频后进入信号复用模块进行信号复用，此复用信号经过高功放的放大后通过发射天线发送。

图2 微波交换模块组成示意

（2）分组交换

与星上透明转发相反，引入对信号的解调、译码、编码和调制等一系列处理[15,17]，通过对信号的解调与再生去掉线路中叠加的噪声，提高链路传输质量。通过统计复用、按需分配网资源，可以进一步提高资源利用率。与此同时，随着星载计算能力的不断增强，以及多速率、复杂服务质量的应用涌现，分组交换体制逐渐成为空间网络发展的主流方向。

（3）信道化交换

信道化交换亦称数字透明转发，处于透明转发与星上处理之间，是一种具有部分星上处理能力的半透明转发技术[18]，采用数字化处理方式，借助非均匀滤波器组实现对星上信号的分析和综合，支持星上任意频段、任意带宽之间信息交互及灵活的跨波束交互，如图3 所示。

图3 信道化转发器功能示意

如图4 所示，与地面网络类似，空间交换体制从电路交换（微波交换、信道化）向分组交换的转变，受到技术与应用的双轮驱动：一是技术推动。随着空间技术以及商业航天的迅猛发展，星载计算处理能力日益提升，为分组交换体制提供了技术基础；二是应用驱动。随着网络应用和流量均向IP 化转变，空间网络采用分组交换将能更好地适应突发性强的应用。

图4 空间路由交换粒度

2.2 空间路由交换架构

与地面路由器类似，空间路由器也可以划分为转发平面与控制平面[19]，如图5 所示：

图5 空间路由器组成架构

控制平面：重点在于建立和维护路由转发表，可简单概括为路由计算，即收集网络拓扑信息，并为输入的数据信息计算出合适的传输路径。

转发平面：负责依据控制面生成的路由转发表中所包含的信息将数据信息从路由器的一个输入接口搬移到合适的输出接口，完成信息转发。

为了方便后续表述，本文将具备转发和控制能力的设备统称为路由器，转发既可以是三层分组数据包、二层标签数据包、以太网帧，还可以是物理层光信号或微波信号等。

2.3 第一阶段：微波交换

微波交换仍是空间网络中使用最为广泛的路由交换体制，大部分在轨的卫星通信系统均采用此体制，如Inmarsat（2007）、OneWeb（2017）等国外系统，以及天通一号（2016）、中星16（2017）[20]等国内系统。下面以Inmarsat 为例进行介绍：

（1）系统组成

Inmarsat[21]可为海、陆、空各行业用户提供全球安全救险和商用宽带卫星通信服务，空间段包括位于地球同步轨道3 颗主卫星和1 颗备份卫星，地面段包括卫星关口站、网络运行中心等；用户段主要为用户终端设备。

（2）路由架构

Inmarsat 是天然的软件定义网络（SDN,Software Defined Network）路由架构，即“星上透明转发+地面控制”，终端或地面站通过卫星运控系统申请频率和建立链路。

（3）路由协议

星上的路由交换功能主要为将收到的信号先变频再通过微波交换矩阵从对应的信道发送出去。其中，微波交换矩阵通常由地面控制中心通过测控命令进行预先配置。

（4）分析总结

优势：微波交换的信号交换过程是在模拟滤波器和中频交换矩阵中实现的，如果信号的载波频率不发生大的改变，则透明转发器与信号调制和解调的类型、编码译码的准则以及上层协议无关，造就了透明转发器性能灵活、设备可靠性高以及易于体制更新等优点。

劣势：信号交换带宽一般情况下都需要占用转器的全部带宽，甚至以波束为单位进行信号的交链，无法进行较为灵活的交换。此外，由于高功率放大器存在的非线问题，在多载波的情况下还必须采取一定的功率回退措施，导致资源利用率低下，有效通信容量较低。

2.4 第二阶段：信道化交换

过测控信道上注信道化器。

（4）分析总结

优势：一是解决了传统通信卫星采用透明弯管转发只能实现波束层级的交换，无法实现载波级交换的问题，支持较小粒度的交换；二是规避了卫星通信体制的约束，使系统具有灵活选择合适通信体制、划分最佳信道、临时组网的能力，提高了灵活性与可靠性；三是满足多样化应用需求（如宽带、抗干扰、变带宽、变速率），实现任意用户信号从任意输入波束到任意输出波束的路由，满足可变带宽业务、网络拓扑灵活调整的需求。

劣势：相对微波交换，信道化交换可以提供更加细粒度的交换，但是随着互联网应用向空间网络的逐渐扩展，信道化交换无论是交换容量、细粒度均显不足。

2.5 第三阶段：分组交换

信道化交换最早用于美军“宽带全球通信卫星”（WGS）[18]，随后也被应用于法、日等国的通信卫星，具体包括ACeS（2000）、MUOS（2015）、Thuraya（2008）等国外系统。下面以WGS 为例进行介绍。

（1）系统组成

WGS 空间段包括12 颗通信卫星；地面段主要用于控制卫星、传输和管理用户业务，以及管理和控制通信资源；用户段由各种用户终端组成。

（2）路由架构

采用“空间转发、地面控制”的两层路由架构，即“星载信道化器+地面控制”。

（3）路由协议

尚无公开资料介绍信道化交换的路由协议，通常通

随着空天技术发展，星载处理能力日益增强，空间交换体制开始向具有更大交换容量和更加灵活的分组交换转变。常用包括包交换、ATM 交换、IP 交换、MPLS 交换等，典型系统有Spaceway3（2007）[15]、IRIS（2007）[22]、WINDS（2008）[17]等国外系统，以及天智一号（2019）[23]、玉衡号（2019）[24]、电科天象（2019）[25]等国内系统。

（1）包交换

Spaceway3 是美国休斯公司于2007 年研制的宽带多媒体通信卫星，支持星上处理包交换，交换容量10 Gbps，实现终端之间的网状组网。

1）系统组成

与传统宽带卫星系统类似，Spaceway3 由通信卫星、用户终端、地面站、网络运行控制中心和应用服务系统等功能实体组成，如图6 所示。为全面兼容IP 业务，用户终端对外提供IP 接口。

图6 Spaceway3系统组成

2）路由架构

采用“控制中心+通信卫星+用户终端”的三层路由架构：

控制中心对应控制面，负责全网拓扑信息的收集、路径计算，建立/ 维护/ 更新一张全网所有用户终端、信关站之间可达全局路由表，保证全网通达。鉴于Spaceway3采用基于MAC 的包转发，路由表实际是IP 地址与下一跳MAC 地址的映射表，如图7 所示。

图7 Spaceway3路由流程

通信卫星上的包交换模块对应转发面，负责依据数据包头部的MAC 地址，根据预设的规则，将数据包交换到正确的输出端口（下行波束）。

用户终端对应转发表，具有一定的路由缓存能力，即维护一张本地路由表。用户终端有数据包要发送时，首先查询本地路由表，若能够查询到该IP 对应的MAC 地址，则直接按照路由表指示的下一跳的MAC 地址进行转发；若本地路由表无法查询到该IP 数据包对应的下一跳MAC地址，则向控制中心发起查询请求，具体流程如下：

①用户终端A，IP 地址为IP1，向用户B，IP 地址为IP2，发送业务数据；

②用户终端A 本地缓存路由表没有IP2 与其对应MAC 地址的映射表项目；用户终端A 向控制中心发起查询请求，查询IP2 地址对应的MAC 地址；

③控制中心查询全局路由表，返回IP2-MAC2 路由表给用户终端A；

④用户终端A 缓存控制中心返回的IP2-MAC2 路由表项，并在A 发送到B 的数据包前面封装MAC2 地址。

图8 Spaceway3上行数据包格式

⑤卫星交换模块接收数据包，依据MAC 地址将数据包转发至相应输出端口（下行波束）。

⑥后续一段时间内，发送至该IP 地址的数据包将采用此IP2-MAC2 映射表。

3）路由协议

采用基于MAC 地址的路由，用户侧完全兼容IP 业务承载，卫星侧采用MAC 地址进行转发，如图9 所示。星上包交换仅需维护用户终端与用户终端、信关站之间的路由表，且相互之间只需单跳，类似于局域网模式，与ARP 协议相似，并不需要运行复杂的路由协议。

图9 Spaceway3用户面协议栈

4）分析总结

优势：Spaceway3 首次采用星上包交换实现用户终端之间的网状组网，一是缩短通信时延，传统星状组网下用户终端之间需要经由地面站通信需要两跳，该系统中用户终端之间无需经过地面站通信仅需一跳；二是提供通信容量，星上包交换可以降低对地面控制中心的依赖，避免控制中心成为系统瓶颈，有效提高可靠性。三是用户终端具备一定的路由缓存功能，简化了星上包交换模块的设计，送到星上包交换模块的数据包均携带了需要转发的下一跳的MAC 地址，交换模块仅需交换转发到对应的下行波束即可，无须维护动态路由表。

劣势：一是网络规模有限。Spaceway3 采用类似于地面局域网交换原理—基于MAC 地址进行查表转发，控制中心、通信卫星、用户终端之间共同构建一个二层交换机，而其ARP 表由地面控制中心计算和维护，用户终端缓存ARP 表，卫星仅基于MAC 地址进行简单转发，虽然二层交换简单，但规模将会受限。二是需要改造用户终端，对现有用户终端的兼容性差。传统用户终端不参与网络路由转发过程中，不具有路由缓存功能，而Spaceway3要求用户终端具备一定的缓存才能完成整个路由过程，兼容性相对较差，除此之外用户终端的缓存能力有限又直接限制了网络规模。

（2）ATM 交换

WINDS 是日本开发的超高速率宽带多媒体卫星通信系统[17]，是世界上第一颗星上ATM 交换、Gbps 通信的卫星，支持微波交换、分组交换、混合交换三种模式，交换容量1.2 Gbps。

1）系统组成

WINDS 系统在通信体制、星上交换体制等方面开展了大量关键技术验证，星上交换支持微波交换、ATM 交换、混合交换三种模式。ATM 交换模式实现高速全双工通信，最大速率达155 Mbps；而微波交换模式实现超高速全双工通信，最大速率达1.2 Gbps。

2）路由架构

WINDS 采用“控制中心+通信卫星”两层路由架构，具体流程如图10 所示。

图10 WINDS路由流程

控制中心对应控制面，负责全网拓扑信息的收集、路径计算，建立/ 维护/ 更新一张全网所有节点之间可达的PVC（永久虚电路）配置表。

通信卫星上的ATM 交换模块对应空间路由器架构的转发面，控制中心将PVC 转发表提前写入ATM 交换机，交换机提取接收到的信元头部控制信息VPI/VCI，如图11 所示，查询PVC 转发表，将数据包交换到正确的输出端口（下行波束）。

图11 WINDS上行数据包格式

①用户终端A 向控制中心发起向用户B 发起通信；

②控制中心负责分配相应用户A/B 的时隙并配置路由器ATM 交换模块的PVC 配置表；

③ATM 交换模块接收数据包，提取信元VPI/VCI 信息，依PVC 配置表将数据包转发至相应输出端口。

3）路由协议

尚无文献介绍WINDS 采用的路由协议，参考标准的ATM，协议栈如图12 所示：

图12 WINDS用户面协议栈

4）分析总结

优势：弹性灵活，WINDS 支持微波交换、ATM 交换等模式，且支持由地面控制中心进行统一进行控制，根据不同业务需求按需切换模式，以适应不同传输速率和网络构架的要求。

缺点：一是星上透传与处理转发并存，仅有部分波束支持处理转发，其他仍进行透明转发，整体容量相对受限；二是处理逻辑较为复杂，各项关键技术指标均领先，但后续没有采用此混合体制的商用卫星，可见技术成熟度尚待进一步提高。

（3）IPv4/IPv6 交换

2009 年太空互联网路由器（IRIS 载荷）[22]发射升空，支持IPv4/IPv6 交换，标志着互联网走向太空。

1）系统组成

系统由空间路由器、地面终端路由器，以及用户终端及地面管理网关（控制中心）组成，如图13 所示。

图13 IRIS系统组成

2）路由架构

IRIS 空间路由器的核心是“思科18400”路由器载荷，主要包括两个组件：调制解调器接口机柜，负责实现时分多址（TDMA）、单路单载波（SCPC）调制解调；路由处理引擎（RPE），负责提供动态路由；两个组件均可通过加载软件实现功能升级。

不同于Spaceway3、WINDS 采用地面集中式架构，IRIS 空间路由器支持OSPF、BGP 等分布式路由协议，即空间路由器收集网络状态并动态计算路由，无需地面参与。

3）路由协议

IRIS 实现将路由器搬上天，转发面支持IPv4、IPv6，控制面支持OSPF、BGP 等分布式动态路由协议，协议栈如图14 所示。

图14 IRIS用户面协议栈

4）分析总结

优势：一是解决了传统透明转发通信体制中的两跳通信问题；二是IP 技术具有很强的适应性，可以运行在任何物理介质和二层网络之上，实现IP 协议连接地面和太空的基础设施，与地面网络无缝互联，即“IP over everything”，无须网关，优于Spaceway3、WINDS；三是完全分布式路由协议，可以继承地面互联网的高可靠特性。

劣势：一是分布式路由协议，完全由空间路由器计算和维护，对星载计算资源提出了更高要求；二是随着用户数N增加，路由表数量成N*N增长，且传统路由采用最长前缀匹配，无疑加大对星上计算能力的要求，无论是功耗还是计算能力都将面临挑战；三是空间辐照环境，如果面临错误或者宕机，将会产生业务中断，难以远程修复和维护。

（4）MPLS

2019 年6 月，中国电科采用海上发射两颗天象实验卫星[25-26]，两颗低轨试验星构建最简网络模型，且卫星成功搭载国内首个基于SDN 的空间路由器。

1）系统组成

系统由两颗搭载空间路由器的试验卫星以及地面站组成[26]，如图15 所示。

图15 天象试验卫星系统组成

2）路由架构

充分借鉴了地面技术，采用“SDN 实现控制和业务分离，控制中心向地面下沉，减少星上处理压力，星地构成转发云”[25]。

3）路由协议

该系统采用一种自主设计的路由协议，其具有身份位置分离的特征[25-26]，目前尚未有公开资料详细介绍天象卫星的路由协议细节。文献[27-28] 曾提出基于标签的空间交换技术，如图16 所示，在网络边缘节点（LER）实现IP 地址向标签（Label）的转发，标签交换节点（LSR）只需完成基于标签的转发，具体的标签交换路径（LSP）的配置和管理由地面控制中心负责。

图16 MPLS协议栈

4）分析总结

优势：一是提供2.5 层转发，通过等价交换类的概念将某一类IP 转发转变为标签转发，实现2.5 层转发，提高网络转发效率；二是提供较好可扩展性，MPLS 支持IP、AOS、X.25 等各种协议的承载；三是提供服务质量保障，MPLS 借鉴电路交换的思路，试图在IP 网络上提供接近电路交换的服务质量，是地面网络实现流量工程的重要方法。

劣势：一是信令较为复杂，MPLS 于1996 年提出，是运营商为了提供有保证服务质量的技术，然而具体实现过程中在传统IP 协议栈之上还需额外维护LDP 协议，负责标签的分发和路径建立，同时对星载处理提出更高要求；二是空间网络尤其是低轨网络拓扑多变，其形成的标签交换路径LSP 面临频繁的中断、重新建立、中断的循环，鉴于MPLS提供面向连接的服务，每一次中断都需要重新去分发标签交换路径，对地面控制中心产生了强依赖，弹性尤显不足。

3 新型路由交换技术概述

（1）软件定义网络

1）技术简介

软件定义网络作为一种新型网络架构，采用控制平面与转发平面分离的思路，对网络中链路、路由、流量等按需调度，实现可编程网络。

2）优势分析

相较于地面网络提出SDN 网络架构将控制与转发分离，卫星网络具有“天然SDN”，即转发与控制分离的优势。如传统的透明转发式卫星，数据转发由卫星负责，路由计算与路由表上注均由地面控制中心负责，适应星上计算能力不足、地面计算能力丰富的特征。

（2）分段路由

1）技术简介

分段路由（SR,Segment Routing）[28]脱胎于MPLS，但又做了革命性的颠覆和创新，由源节点来为应用报文指定路径，并将路径转换成一个有序的Segment 列表封装到分组头中，路径的中间节点只需根据分组头中指定的路径进行转发。

2）优势分析

与MPLS 类似，SR 旨在分组交换网络上构建面向连接、可提供服务质量的传输服务。然而，相较于MPLS，SR 不需要额外维护LDP 协议，只需对IGP 或BGP 简单改造，简化了控制面协议。目前，SR 已应用于中国移动5G 网络，未来可作为空间网络的一种选择。

（3）可编程转发

1）技术简介

SDN 的本质特征是控制平面与转发平面的分离以及可编程性。为使转发平面（设备）进一步摆脱对特定协议的依赖，2013 年，华为提出了协议无感知转发（POF,Protocol Oblivious Forwarding），即转发硬件设备对数据报文协议和处理转发流程没有感知，网络行为完全由控制面负责定义[29]；2014 年，斯坦福大学提出了可编程的协议无关分组处理器（P4,Programming Protocol-Independent Packet Processors），控制面直接使用P4 语言编写网络应用[30]。两种解决方案均采用软件定义转发的思路，实现从控制平面到转发平面的全开放。目前，英特尔已推出支持P4 的Tofino 交换芯片。

2）优势分析

一是未来空间网络需要承载通信、导航、遥感等多样化业务，可能导致AOS、MAC、SCPS-NP、IPv4、IPv6、IDP、MPLS 等多样化协议的存在，可编程转发通过赋予转发平面可编程能力，使转发平面不再局限于特定协议。二是面向多样化协议，可编程转发支持在线的灵活配置，可以通过地面配置来软件定义转发规则。

（4）全光交换

1）技术简介

随着业务应用对带宽的需求与日俱增，传统的微波通信已难以满足新应用对带宽的需求，因此激光通信成为备选方案。美国TSAT 卫星计划中，星间链路采用10 Gbps 激光链路。虽然计划未能实现，但激光通信是未来发展趋势，欧洲、日本等地区开展研究工作较早，也取得较好进展，2010年德国近地卫星TerraSAR-X 开展了星地、星间激光试验，最大速率5.6 Gbps、最大距离5 000 km。

2）优势分析

一是激光通信具有高带宽、低功耗的特征，适合卫星节点资源受限的场景；二是激光具有很好的指向性，可以很好地避免由于越来越密集的卫星导致的频谱干扰问题。

4 总结分析

综上所述，与地面网络发展路径类似，国内外针对空间网络的路由交换体制整体上经历了从电路交换（微波交换、信道化）向分组交换的转变，表2 对三种交换体制进行对比和分析。下面将从星载开销、交换粒度和应用场景等方面进行对比分析：

表2 空间路由交换体制对比

微波交换作为使用最为广泛的交换体制，星载开销相对最小，稳定性好，交换粒度最大，类似于光纤交换，可以实现波束级交换，主要适应大粒度交换的应用场景，主要缺点是存在噪声积累与“两跳”通信问题。

分组交换作为地面最为广泛的交换体制，星载开销最大，路由交换容量严重依赖星载处理载荷的能力。目前开展了星载试验，设备尚未完全成熟，交换粒度为分组，可以实现最细粒度的交换，适合互联网应用场景，主要缺点是对星载处理要求高，成熟度不足。

信道化交换是处于微波交换与分组交换之间，星载开销适中，需要进行数字滤波等操作，交换粒度适中，类似于地面光网络的波长级交换，可以实现信道级交换。

多模态交换架构如图17 所示。

图17 多模态交换架构

5 发展设想

技术和应用未来仍将成为推动空间路由交换体制的更新迭代的重要动力：一是地面网络技术飞速发展，并逐渐向空间拓展，空间网络将成为未来网络/6G 网络的重要组成部分；二是空天技术的快速进步将为设计更小功耗的星载处理设备提供了可能；三是商业航天的蓬勃发展，也可以大规模缩减生产、制造和发射成本，为空间网络发展提供持续动力；四是作为未来实现全球覆盖的重要实现手段，空间网络承载的业务类型既包括通信、导航、遥感等传统业务，还要适应物联网等新型应用，对空间网络服务质量要求也将异构多元。综上分析，技术推动空间网络引入更加先进网络技术，满足差异化的应用需求，发展趋势总结如下。

5.1 多模态交换

考虑天地异构业务应用的形态（传统应用/新兴应用，军事应用/ 民事应用），以及不同应用差异化的服务质量需求，空间网络的架构需要支持动态重构，能为不同应用建立不同的虚拟网络，满足差异化的服务质量需求。为此，借鉴多模态网络概念[9]，提出面向多元业务的“激光交换+微波交换+信道化交换+分组交换”的多模态交换架构，如图23 所示。充分发挥各种交换体制的优势，最大化满足应用需求，比如对于大带宽的天基中继应用需求可以采用激光交换或微波交换；对于细粒度的宽带组网通信可以采用信道化交换；对于互联网业务就可以采用分组交换；对于大量数据回传就可以采用光交换。未来，选择合适的交换技术体制满足应用需求是不可逆转的发展趋势。

5.2 灵活转发面

纵观国内外卫星互联网星座计划，我们发现除分组交换以外，未来相当长一段时间内，微波交换、信道化交换等传统交换体制仍将长期存在，如图18 所示。随着空间网络以卫星互联网的形式出现，未来将作为全球信息基础设施的重要组成部分，必须满足垂直行业差异化的服务保障需求，势必要求转发面将灵活、多粒度以满足不同业务差异化需求。P4/POF 等可编程转发技术可以使转发逻辑与特定的格式解耦，兼容多种多样的数据格式，支持AOS、MAC、SCPSNP、IPv4/IPv6、MPLS 等，且支持远程定义与重构。

5.3 智简控制面

一方面，分组交换领域SR 作为MPLS 的替代技术，可以极大地简化信令，降低转发面的复杂度，非常适合空间网络处理能力弱、功耗低的环境，支持远程定义与重构；另一方面，考虑到微波交换、信道化交换、分组交换以及光交换体制将长期并存，转发面的灵活异构难以避免，建立“统一分组控制网”势在必行，如图18 所示，收集全网状态数据库，控制器据此形成控制策略，再通过微波交换矩阵、信道化器、光交换机等多样转发器实现按需转发。

图18 多模态交换网络、统一分组控制网络

5.4 统一帧格式

一方面，为了简化空间网络与地面网络的互联互通，同时考虑对现有各类终端操作系统对IP 格式的天然支持，建议三层采用IP，实现与地面网之间无缝互联；另一方面，为了简化空间网络内部节点之间的数据传输，建议统一帧格式，内部采用二层进行高效转发。综上，可以概括为对内为一个“高速局域网”，节点之间通过二层进行互通；对外则相当于一个IP 网络，方便与地面网互联互通。

6 结束语

随着空天技术的迅猛发展，打通陆海空天融合成“一张网”成为未来网络发展的重要方向。依据空间路由交换体制的关键特征进行分类，并以典型卫星通信系统为例，阐述了已有空间路由交换体制的核心机理、存在的问题以及发展趋势，并在此基础上，提出了“多模态路由交换”与“统一分组控制网”发展设想，以期为后续空间网络的研究提供有价值的参考。