天基宽带信息传输网架构与路由协议分析

陈特 高曌 刘伟 陶滢 周钠

(中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094)

天基宽带信息传输网依托高轨宽带通信卫星，为陆海空天各类高速宽带用户提供宽带业务接入和全球骨干传输服务，是联通陆海空天的信息高速公路，可为我国“一带一路”等战略提供快速响应的全球信息服务能力。当前，由单星、多星向网络发展成为了卫星宽带通信领域的重要发展方向，从美国21世纪初的转型通信体系[1]，到我国前期论证的天地一体化信息网络[2]，都体现了网络化的发展趋势。卫星通信的网络化发展，将引领信息领域基础设施的巨大变革，对人类社会、政治、经济产生深远的影响。

传统的高轨宽带卫星通信系统采用星上透明转发模式，通过在地面关口站进行协议处理来实现宽带用户组网与信息传输。这种方式能够实现基本的组网应用，但很难满足未来各类用户随遇接入、全球广域组网通联、多媒体业务灵活服务和快速响应等需求。特别在我国不具备海外广泛建站的情况下，发展基于星上IP处理和天地融合组网的下一代天基宽带信息传输网尤为重要。

随着载荷技术的不断进步，卫星逐渐具备一定的协议处理能力，从透明转发、物理层/链路层处理逐步向星上IP路由转发方向发展。从国内外的发展情况来看，具有星上路由交换功能的卫星通信系统已得到越来越广泛的关注。美国休斯公司研制和运营的太空之路(Spaceway-3)系统具备星上数字处理和分组交换能力，由星载处理器和地面网控中心共同实现了路由功能[3]，使终端之间能够实现网状组网通信，提升了组网灵活性。美国思科公司的空间因特网路由器(IP Routing In Space, IRIS)搭载在国际通信卫星(Intelsat-14)上，使卫星具备完整的IP路由器功能，并实现了虚拟专用网络、视频/数据传输等在轨试验[4]。

鉴于上述背景，本文面向高轨天基宽带信息传输网网络化能力提升需求开展组网技术研究，提出网络架构与组网方案，并针对IP路由协议进行适用性分析，从而为天基宽带信息传输网系统设计提供参考。

1 网络架构

1.1 网络组织结构

天基宽带信息传输网主要由空间段、地面段和用户段3个部分组成，系统采用天地一体化设计理念，通过分组路由交换、星载网控等技术提高天地融合组网能力。其中，空间段星座由多颗高轨卫星构成，用于实现全球常态覆盖；同轨道面卫星通过星间链路形成星间骨干环网，国土可见卫星与地面关口站之间通过星地馈电链路构成星地骨干传输链路。地面段包括地面关口站、卫星网络管控中心、地面测控站等，主要实现网络管控、资源调控、卫星测控、与地面网络互联互通等功能。用户段包含陆海空天各类宽带用户，涵盖固定、便携、车载、船载、机载和星载等终端类型。根据系统组成，天基宽带信息传输网的网络组织结构见图1，星间、星地和地面链路连接空间段、地面段和用户段的各类路由器节点、主机终端等，实现全球信息通联。

图1 网络组织结构

如图1所示，其中，星载路由交换设备、地面关口站、路由器型终端等运行基于IP协议框架的路由协议，相互进行路由信息交互和学习；此外，地面侧网络用户可通过卫星终端/地面关口站接入卫星网络，获取网络服务。

1.2 节点功能

1.2.1 卫星节点

卫星节点作为空间段核心路由节点，具备完整的IP路由器功能，与地面关口站、卫星终端构成卫星网络，并通过具有路由功能的地面节点(地面关口站和路由器型终端)拓展到地面网络，构成天地一体融合网络。

1.2.2 地面段和用户段节点

在天基宽带信息传输网中，地面段和用户段节点作为各类用户业务的汇聚节点，既包括路由器型节点(地面关口站、能力较强的用户终端)，也包括无法进一步扩散路由信息的主机型节点(能力较弱的用户终端)。地面段、用户段节点功能如图2所示，其中，路由器型节点主要为地面大站，包含路由交换模块，可挂接地面侧网络和各类主机用户；主机型节点设备功能简单，不具有路由交换功能，仅需完成标准以太网协议与卫星链路协议之间的转换。

图2 地面段、用户段节点网络功能示意图

2 组网方案设计

考虑到地面侧网络规模大、形态多样，且分属不同的管理机构，为便于独立管理，同时减少路由扩散范围，降低星载路由计算开销，天基宽带信息传输网可采用划分路由自治域的组网策略(见图3)。

如图3所示，卫星网络与用户侧网络分属不同的路由自治域，自治域内部采用相同的域内路由协议，解决端到端最优路由问题，其中卫星路由自治域采用标准或改进路由协议，用户侧网络则采用地面标准协议；自治域之间部署边界路由器，采用边界网关协议(Border Gateway Protocol, BGP)实现域间互通、路由聚合与隔离。

为实现波束内、不同波束间、不同星间的快速转发，网络采用二层快速交换结合三层路由转发的路由交换策略[5]：可将卫星节点的一个或多个波束配置为一个快速交换域，对于域内终端间的IP数据业务，卫星基于链路层地址(二层)快速交换；不同交换域之间的IP数据业务，基于目的IP地址进行网络层(三层)路由转发，以降低协议处理开销和复杂度，提高星上路由交换性能。

3 路由协议适用性分析

路由选择信息协议(Routing Information Protocol, RIP)与开放最短路径优先(Open Shortest Path First, OSPF)路由协议是最常用的动态路由协议。针对以上两种协议，本文重点从链路开销和收敛特性两方面进行分析，从而为天基宽带信息传输网路由协议设计提供技术支撑。

3.1 RIP协议

RIP协议适用于中小规模网络，是动态路由中最先得到广泛应用的一种协议，在使用上非常简单，对路由器的处理和存储能力要求相对较低。RIP协议基于距离向量算法完成路由计算，路由器在刚开始工作时，只知道到直连网络的距离；经过若干次路由信息交互后，所有的路由器最终都会知道到达域内任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址。

值得注意的是，由于我国钢铁生产企业各自的操作规程不同，炉批材料的成分和性能也不一致，虽都符合材料标准，但波动范围大，材质的一致性、均匀性和稳定性较差。同时，国内钢铁生产企业众多，各自技术水平、设备生产能力不同，导致航空用钢铁材料的性能数据较为分散，离散系数大[9]。

3.1.1 链路开销分析

根据RIP协议基本原理[6]，每个RIP报文最多包含25条路由信息，而路由信息条目数量等于网络中子网个数NSubnet。因此，结合RIP报文封装格式，每个路由器终端发送的RIP路由开销可以表示为

(1)

式中：LRIP为路由信息条目的长度(byte)；协议的头部开销H=HRIP+HUDP+HIP+HMAC，其中HRIP为RIP报文头部长度(byte)，HUDP为UDP头部长度(byte)，HIP为IP报文头部长度(byte)，HMAC为链路帧开销(byte)；nRIP=Ceil(NSubnet/25)为每个路由器一个发送周期内发送的RIP报文数量；TRIP为RIP报文发送周期。

在同一个波束下，每个路由器(卫星和卫星终端)均需要向邻居路由器发送路由信息，因此该波束的RIP路由协议星地链路总开销为

CBeam=NU·CRIP

(2)

式中：NU为该波束下终端数量。而对于星间链路，路由协议开销为

CISL=CRIP

(3)

为验证上述理论分析的正确性，本文基于OPNET网络仿真软件进行了RIP协议链路开销仿真计算，并与理论计算值进行对比。受仿真规模的限制，每个卫星的波束数量为6，每波束的终端数量为40。由表1的计算结果可见，理论计算结果与仿真结果基本一致。因此对于网络规模更大的天基宽带信息传输网，可采用本文得出的理论公式开展链路开销分析。

表1 单终端链路开销

在天基宽带信息传输网中，假设地球静止轨道(GEO)卫星数量为5，每颗卫星的波束数量为16，根据式(1)、式(2)和式(3)可以得到在不同网络规模下的星地、星间RIP路由协议链路开销，见表2。当单波束终端数为200(总终端数16 000)、地面子网规模达到20 000时，单终端的链路开销达到120 kbit/s，这对于能力相对较弱的卫星终端来讲将承受较大的链路压力。此外，相比于星地开销，考虑到星间激光链传输能力相对很强(>Gbit/s)，因此星间开销不会占据太多的传输资源。

表2 RIP路由协议链路开销

当卫星终端发生跨波束切换时，终端IP地址切换至目的波束对应的网段，将会发生路由触发更新。根据RIP协议基本原理，由于切换前后路由跳数不变，因此路由信息将在超时定时器(默认值为180 s)经过一半时间后发生更新[6]，并完成路由计算。由此可知，当发生跨波束切换时，RIP路由重收敛时间最长大约为几十秒量级[7]。

而当卫星终端发生跨星切换时，由于路由跳数发生变化，因此路由信息将在超时定时器超时后发生更新[6]。因此，跨星切换时RIP路由重收敛时间最长大约在180 s左右[7]。

3.2 OSPF协议

OSPF协议是一种典型的链路状态协议，采用问候(Hello)分组来实现邻居路由器的发现与保持，通过数据库交换与泛洪达到数据库的同步，最后采用迪克斯特拉(Dijkstra)最短路径优先算法计算路由，可以实现快速收敛，且不容易受到有害路由选择信息的影响。此外，OSPF协议使用区域概念减少对路由器CPU和内存的占用，可以支持大型网络的动态路由。

3.2.1 链路开销分析

OSPF路由协议开销主要分为两类：一类是用于建立和维护邻接关系的Hello数据包，另一类是进行链路状态同步的数据包。相比于RIP协议，OSPF协议不会定期发送路由信息，仅在链路度量更新时才会触发链路状态通告(Link State Advertisement，LSA)报文的发送，因此，在网络路由收敛后，路由协议链路开销仅来源于Hello数据包的周期性发送，这将远远小于RIP路由协议造成的链路开销。

根据OSPF协议基本原理[8]，Hello数据包数据包含的是邻居路由器的列表，因此其长度取决于建立邻接关系的邻居路由器的数量。假设路由器ID长度为LOSPF,建立邻接关系的邻居路由器个数为M，则单个路由器终端发送的Hello数据包开销为

(4)

(5)

由此可见，单波束Hello数据包开销近似与该波束下终端数量的平方成正比。

本文基于OPNET网络仿真软件进行了OSPF协议链路开销仿真计算。受仿真规模的限制，GEO卫星的数量为5，每个卫星的波束数量为8，每波束下的终端数量为50。图4所示为OSPF路由协议的单波束星地链路总开销，其中，在路由收敛过程中链路的峰值开销约为2.3 Mbit/s，这主要是链路状态同步造成的；而当路由收敛之后，星地链路开销稳定在11 kbit/s左右，这主要来源于周期性发送的Hello数据包。可见，OSPF路由协议相比于RIP路由协议可显著降低链路开销。

图4 OSPF路由协议链路开销

3.2.2 跨波束和跨星切换条件下的收敛特性分析

当卫星终端发生跨波束切换时，会发送新的Hello包和LSA信息。根据OSPF协议基本原理[6]，由于新LSA包中的度量值未发生变化，需要等到Hello包定时器(默认值为40 s)超时后才会更新路由条目，并完成路由计算。由此可知，在跨波束切换条件下的路由收敛时间最长大概在40 s左右。

而当卫星终端发生跨星切换时，新LSA包中的度量值变大，此时同样需要等到Hello包定时器超时后才会更新路由信息[8]。因此，跨星切换时OSPF路由重收敛时间最长大概在40 s左右。

3.3 协议对比

总体而言，RIP协议具有实现简单、计算开销较小等优点，但同样具有明显的缺点，在开展天基宽带信息传输网路由协议设计时需要针对性考虑：一方面，当网络拓扑发生变化时，RIP协议重路由收敛较慢，这是由RIP协议的定时更新机制决定的；另一方面，当网络发生故障时，由于形成路由环路，需要较长的时间才能将故障信息传送到所有的路由器，因此在实用中需要采用水平分割策略以避免环路的形成。

与RIP协议相比，OSPF协议具有显著的优点：支持更大范围、更大规模的网络，并且在网络拓扑结构发生变化时可以实现相对快速的收敛；进行严格的开销控制，将协议自身的链路开销控制到最小；此外，由于OSPF协议基于链路状态数据库信息计算路由，从算法本身可避免路由环路的出现。然而，OSPF路由协议配置管理比较复杂，链路状态数据库维护和路由计算的处理开销比较大，因此在开展路由协议设计时需要有针对性地进行轻量化处理。

4 结束语

本文面向高轨天基宽带信息传输网天地融合组网需求，一方面基于系统组成，开展了网络架构分析与组网方案设计，提出了路由自治域划分方案和路由交换总体策略；另一方面重点针对RIP和OSPF路由协议进行了链路开销与收敛特性分析，并完成了仿真验证，结果表明：地面IP路由协议各有优缺点，在后续开展路由协议设计时需要进行针对性改进。本文的研究结果可为天基宽带信息传输网的总体论证和组网协议设计提供参考。