一種星地一體化路由設(shè)計(jì)的衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)

(中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院，西安 710100)

1 引 言

IP(Internet Protocol)在地面網(wǎng)絡(luò)中已占據(jù)了支配地位，但其在衛(wèi)星系統(tǒng)中的應(yīng)用仍比較有限。為與地面Internet互聯(lián)，衛(wèi)星系統(tǒng)的IP化已是其發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。目前，大部分支持IP包傳送的衛(wèi)星系統(tǒng)，不管是透明轉(zhuǎn)發(fā)還是再生處理，衛(wèi)星都只是提供一個(gè)在地面路由器之間的物理連接通道而已。這種方法適用于第一代的星地組網(wǎng)要求，但卻難以滿足像衛(wèi)星寬帶接入、多媒體、信息中繼以及星地網(wǎng)絡(luò)一體化等需求。

從國(guó)內(nèi)外的情況來(lái)看，具有星上IP路由交換功能的衛(wèi)星系統(tǒng)都吸引了較大的資金和興趣用于研究與發(fā)展。如CLEO(Cisco router on Low Earth Orbit)[1]項(xiàng)目，星上搭載了一個(gè)真正的思科路由器；E2E-TLC(End to End Telecommunication Satellite System with On-board IP Routing)[2]項(xiàng)目，星上進(jìn)行IP包路由；TSAT (Transformational Satellite Communications)[3]，星上裝載一個(gè)NGPR(Next-Generation Processor Router)用于包交換；SpaceWay3[4]，星上整合了一個(gè)具有路由功能的星載處理器；IRIS(Internet Protocol Routing In Space)[5]，星上搭載一個(gè)IP路由器用以測(cè)試空間路由技術(shù)。這些項(xiàng)目針對(duì)衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)IP路由的研究都是通過(guò)像地面網(wǎng)絡(luò)一樣在網(wǎng)絡(luò)層級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它帶來(lái)很多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，對(duì)星上資源的需求也急劇增加。

限于現(xiàn)有硬件條件的制約，星上資源緊張的局面暫時(shí)難以緩解。鑒于此，本文提出了一種地面路由星上交換的思路，并基于此構(gòu)建一個(gè)GEO衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)。這一系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)主要有：①實(shí)現(xiàn)大量衛(wèi)星終端的單跳通信以及和地面網(wǎng)絡(luò)的IP互聯(lián)；②設(shè)計(jì)一個(gè)可擴(kuò)展的路由結(jié)構(gòu)以減少通過(guò)衛(wèi)星的路由流量；③對(duì)終端進(jìn)行分區(qū)以便路由和管理控制。文章將主要從系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)和路由結(jié)構(gòu)兩方面來(lái)進(jìn)行闡述。

2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要圍繞具有多波束能力的地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)寬帶衛(wèi)星在網(wǎng)絡(luò)層面展開(kāi)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的組成主要包括寬帶衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)控制中心(NCC)和衛(wèi)星終端(ST)，如圖1所示。星上具備交換的能力，允許任意波束覆蓋下的衛(wèi)星終端間單跳通信。在服務(wù)覆蓋區(qū)內(nèi)，所有的網(wǎng)絡(luò)管理、服務(wù)訪問(wèn)、終端管理以及路由表建立等都由NCC負(fù)責(zé)。

圖1 衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The architecture of satellite system

對(duì)于路由器來(lái)說(shuō)，路由計(jì)算和更新、路由表的維護(hù)以及IP分組的選路占據(jù)了大部分資源，使得路由處理速度成為制約路由器的瓶頸。在參考地面高速路由器設(shè)計(jì)和充分考慮星上限制條件的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)基于星地一體IP路由的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路：

(1)將衛(wèi)星和地面終端視作一個(gè)分布式路由器整體；

(2)IP分組的選路由地面終端執(zhí)行，相當(dāng)于分布式路由器的各端口處理部分；星上無(wú)需路由查找，只完成分組交換和流量控制等功能，相當(dāng)于路由器的交換和中央處理器模塊；

(3)NCC收集各終端發(fā)來(lái)的外部網(wǎng)絡(luò)可達(dá)信息，再根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?chuàng)建一個(gè)路由轉(zhuǎn)發(fā)表，當(dāng)生成路由轉(zhuǎn)發(fā)表后將其發(fā)往衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)并廣播至所有ST，ST通過(guò)E-BGP協(xié)議向所連接的地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)送衛(wèi)星網(wǎng)路由信息以及通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)可達(dá)的地面網(wǎng)絡(luò)的路由信息；同時(shí)，NCC動(dòng)態(tài)維護(hù)一個(gè)地面終端與星上交換機(jī)端口的映射表，與路由表一塊發(fā)送；

(4)終端執(zhí)行路由查找，確定下一跳網(wǎng)絡(luò)地址，如需經(jīng)過(guò)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，則再查找端口映射表確定星上交換部分的輸出轉(zhuǎn)發(fā)端口；執(zhí)行一個(gè)區(qū)分服務(wù)模型(Diffserv)，將IP分組進(jìn)行QoS分類(lèi)；判定IP包是單播還是多播分組，將這些信息寫(xiě)入一個(gè)固定長(zhǎng)度的信息頭(格式如圖2所示)，并將其添加到IP分組的頭部，然后發(fā)往衛(wèi)星鏈路層組幀傳輸。

圖2 添加的轉(zhuǎn)發(fā)信息頭格式Fig.2 The format of the additional head of packet

圖2中，Sum域是信頭校驗(yàn)和；M/B/U域指明信元為單播(U)、多播(M)還是廣播(B)；QoS域根據(jù)業(yè)務(wù)和QoS服務(wù)等級(jí)來(lái)具體定義；Outport域指代信元的星上輸出端口，從低到高每位二進(jìn)制比特分別對(duì)應(yīng)從低到高的輸出端口編號(hào)，其位數(shù)根據(jù)星上交換機(jī)的輸出端口數(shù)來(lái)確定。

3 基于IP的傳輸網(wǎng)絡(luò)

目前能提供IP服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)有不少，如基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的iPSTAR[6]和基于再生處理的WideBlue-1等，但都不是基于IP包一級(jí)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于ATM的IP傳輸與路由結(jié)構(gòu)，但需設(shè)計(jì)復(fù)雜的地址轉(zhuǎn)換。本文描述的衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸結(jié)構(gòu)基于IP包的路由轉(zhuǎn)發(fā)，全面支持端到端連接的IP服務(wù)。

一個(gè)典型的衛(wèi)星IP分組傳輸過(guò)程如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星IP分組傳輸?shù)倪^(guò)程Fig.3 The process of IP packet switching through satellite

其具體過(guò)程可描述如下：

(1)到達(dá)一個(gè)衛(wèi)星終端或關(guān)口站的IP分組在本地進(jìn)行路由選路，并確定星上交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)端口；在IP分組的頭部加上一個(gè)Eh信息頭，其攜帶有IP分組的星上轉(zhuǎn)發(fā)端口、QoS服務(wù)以及單播/多播/廣播表示的相關(guān)信息；然后進(jìn)行鏈路層組幀、編碼和調(diào)制發(fā)送。這就是IP分組進(jìn)入衛(wèi)星網(wǎng)的地面段處理，可將其抽象成一個(gè)分布式路由器的輸入輸出處理部分；

(2)星上接收信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)、譯碼和解包，提取出IP分組的添加信息頭，讀取信息并進(jìn)行相關(guān)處理；將IP分組分割并封裝成定長(zhǎng)的內(nèi)部交換信元，然后根據(jù)攜帶端口信息進(jìn)行調(diào)度與轉(zhuǎn)發(fā)；交換機(jī)輸出端重組信元并送往相應(yīng)下行信道。這是星上處理部分，可抽象為路由器的交換模塊，而地面NCC就相當(dāng)于路由器的路由控制模塊。

基于IP協(xié)議的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，由于無(wú)需預(yù)先建立衛(wèi)星鏈路連接，降低了初次訪問(wèn)的延時(shí)；同時(shí)，利用緩沖機(jī)制，能靈活管理單一信道的流量峰值。

4 路由結(jié)構(gòu)

減少路由信息流量和衛(wèi)星終端分區(qū)管理控制的能力是設(shè)計(jì)路由結(jié)構(gòu)面臨的主要問(wèn)題。減少路由流量可通過(guò)在NCC設(shè)置一個(gè)中心路由服務(wù)器 (Central Routing Service，CRS)進(jìn)行集中路由來(lái)實(shí)現(xiàn)，避開(kāi)網(wǎng)格式路由帶來(lái)的終端間大量路由信息交換。終端通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送的路由信息滿足基本需求即可，這樣通過(guò)CRS就能減少通過(guò)衛(wèi)星的很大一部分路由信息流量。

關(guān)于路由策略，將衛(wèi)星及其終端抽象為一個(gè)分布式路由器整體后，CRS就相當(dāng)于路由控制模塊，ST就是其分布式輸入輸出處理和路由引擎部分。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，NCC完成ST的注冊(cè)和認(rèn)證管理，并確定其所屬分區(qū)和映射關(guān)系；在注冊(cè)的同時(shí)，ST向CRS發(fā)送其所連外部網(wǎng)絡(luò)的路由信息，CRS收集所有終端的路由信息后計(jì)算出路由表。

ST的數(shù)量可很大，NCC的網(wǎng)控模塊需將所有ST編號(hào)并進(jìn)行分區(qū)管理，將一個(gè)或相鄰多個(gè)波束范圍的ST劃分為一個(gè)區(qū)，并與星上交換機(jī)的端口做多對(duì)一映射，給出映射表，與路由表一同上傳至衛(wèi)星并廣播。映射表和路由表同步定時(shí)更新，當(dāng)設(shè)定時(shí)間內(nèi)收不到某一ST的更新，表明已斷開(kāi)連接，將其從路由表和映射表中刪除。由于屏蔽了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)而言路由變得簡(jiǎn)單了。

在終端與外部網(wǎng)絡(luò)之間，支持多種路由協(xié)議，使得衛(wèi)星系統(tǒng)有足夠的靈活性來(lái)適應(yīng)終端連接的不同網(wǎng)絡(luò)域。圖4所示為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由結(jié)構(gòu)及典型路由協(xié)議連接。圖4中，UT1連接一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，可以是一個(gè)單一主機(jī)、子網(wǎng)、小型網(wǎng)絡(luò)甚至是幾個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合體，它包含CRS，故在UT1和Area1間運(yùn)行開(kāi)放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF)。UT2連接ASm，CRS作為其中一個(gè)邊界路由器，在UT2和ASm之間運(yùn)行內(nèi)部邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(I-BGP)。UTm+1連接一個(gè)獨(dú)立的自治域ASm+1，在它們之間運(yùn)行外部邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(E-BGP)以交換路由信息。類(lèi)似地，信關(guān)站作為抽象路由器的端口部分，根據(jù)其連接網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議。

圖4 路由結(jié)構(gòu)圖及典型路由協(xié)議連接關(guān)系圖Fig.4 The routing architecture and the typical connectivity with different routing protocols

5 結(jié) 論

本文描述了一個(gè)基于IP的GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸和路由結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)與地面IP網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫兼容。設(shè)計(jì)考慮了足夠的靈活性來(lái)支持大量的衛(wèi)星終端(如100 000個(gè))，星上具備交換的能力使得終端間可實(shí)現(xiàn)單跳通信。路由結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)置CRS的方式，避免了終端間的網(wǎng)格路由，能大幅度減少通過(guò)衛(wèi)星的路由流量。星上不進(jìn)行路由查找，對(duì)于星上資源的占用可以得到較大改善，有利于星上交換的實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，通過(guò)IP包上行發(fā)送添加信息頭的特殊設(shè)計(jì)，使得IP多播的實(shí)現(xiàn)不再困難。這種設(shè)計(jì)在獲得其好處的同時(shí)，相對(duì)也限制了星上自適應(yīng)路由的實(shí)現(xiàn)。擁塞與流量控制由地面CRS來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)星上某一信道很擁擠時(shí)，由于不能更改路徑，對(duì)于擁塞的控制和反應(yīng)增加了不利。對(duì)于衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)，其它像無(wú)線資源管理、IP-QoS保證、TCP傳輸時(shí)延和吞吐量等都是非常重要問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外的研究也提出了一些對(duì)策，不過(guò)仍有待于進(jìn)一步的研究和發(fā)展。

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