空間路由交換體制現(xiàn)狀與發(fā)展設(shè)想*

虞志剛，馮旭，陸洲，高吉星

（中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041）

0 引言

隨著空天技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及商業(yè)航天蓬勃興起，國(guó)內(nèi)外低軌星座計(jì)劃層出不窮，連接陸海空天融合成“一張網(wǎng)”成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)/6G 的重要發(fā)展方向。作為陸海空天一體化網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，空間網(wǎng)絡(luò)具有廣域覆蓋、靈活組網(wǎng)、不受地面環(huán)境限制等顯著優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)檫h(yuǎn)洋航行、應(yīng)急救援、航空運(yùn)輸?shù)忍峁┤蚓W(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

空間網(wǎng)絡(luò)由位于不同軌道的、執(zhí)行不同任務(wù)的各類(lèi)衛(wèi)星、飛艇等航天器和地面站之間通過(guò)微波/ 激光鏈路互連組網(wǎng)而成[4-5]。近年來(lái)，隨著星上處理和星間組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步，衛(wèi)星之間可通過(guò)星間鏈路互聯(lián)組網(wǎng)，消除了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信對(duì)地面站的依賴(lài)。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外眾多低軌星座計(jì)劃不斷涌現(xiàn)，如表1 所示[7-8]，大量先進(jìn)制造、管理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加速了航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐。

表1 國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃

路由交換體制作為空間網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，決定著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間互連的模式及提供服務(wù)的粒度，一直是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。迄今為止，空間網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了微波交換、信道化交換、分組交換等發(fā)展階段，各階段的發(fā)展均受到技術(shù)與應(yīng)用共同驅(qū)動(dòng)。目前，在空間路由交換體制方面，國(guó)內(nèi)外研究主要聚焦于某一衛(wèi)星通信系統(tǒng)的路由交換體制的優(yōu)化設(shè)計(jì)。據(jù)作者所知，尚未有系統(tǒng)性梳理空間路由交換體制文章。因此，本文將重點(diǎn)梳理空間交換體制的技術(shù)特征、路由交換架構(gòu)以及路由協(xié)議設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)分析，提出未來(lái)空間路由交換體制的發(fā)展設(shè)想，以期為后續(xù)空間網(wǎng)絡(luò)的研究提供有價(jià)值的參考。

1 空間網(wǎng)絡(luò)

空間網(wǎng)絡(luò)作為地面網(wǎng)絡(luò)的延伸與拓展，將網(wǎng)絡(luò)疆域從近地空間拓展到遠(yuǎn)地新空間，從地面二維覆蓋延伸到空間三維新泛在[9]。一方面，空間網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同軌道的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、臨近空間節(jié)點(diǎn)之間以及與地面站節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)互通[10]，構(gòu)建內(nèi)部“一張網(wǎng)”；與此同時(shí)，空間網(wǎng)絡(luò)也為地面網(wǎng)絡(luò)、海洋網(wǎng)絡(luò)、深空網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)提供互聯(lián)互通橋梁，形成全局“一張網(wǎng)”。

1.1 空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

空間網(wǎng)絡(luò)通常由空間段、地面段和用戶段組成，其中空間段負(fù)責(zé)用戶接入與數(shù)據(jù)傳輸，組成包括高軌衛(wèi)星（GEO）、中軌衛(wèi)星（MEO）、低軌衛(wèi)星（LEO）以及臨近空間飛艇（HAP）等；地面段主要包括地面站（GND）、移動(dòng)關(guān)口站等，負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)維管理以及與其他網(wǎng)系互連互通，用戶段包括機(jī)載、船載、車(chē)載、手持等各類(lèi)終端，以及為用戶提供服務(wù)的各種應(yīng)用系統(tǒng)。

1.2 空間網(wǎng)絡(luò)特征

（1）星載處理受限。鑒于空間輻照、單粒子反轉(zhuǎn)等環(huán)境影響，以及衛(wèi)星有效載荷技術(shù)（如載荷重量、功耗限制）限制，星載設(shè)備通常需要專(zhuān)門(mén)的防輻照處理，因此目前大部分在軌衛(wèi)星的星上處理能力較弱，信息處理和控制關(guān)鍵依賴(lài)地面。然而，以SpaceX 為代表的商業(yè)公司正在嘗試將商用貨架產(chǎn)品搭載到衛(wèi)星[11-12]，從而大幅提升星載處理能力。

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)。一方面，低軌衛(wèi)星軌道距地700～2 000 km，處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，衛(wèi)星之間或衛(wèi)星與地面站之間切換頻繁，通常10 分鐘左右一次[13]，導(dǎo)致拓?fù)鋾r(shí)變。另一方面，高軌衛(wèi)星（地球靜止軌道）距地36 000 km，星地往返時(shí)延250 ms，導(dǎo)致傳輸時(shí)延長(zhǎng)。

（3）環(huán)境復(fù)雜開(kāi)放。一方面，處于電磁開(kāi)放的空間，電磁環(huán)境異常復(fù)雜，衛(wèi)星容易宇宙射線、太陽(yáng)粒子等帶電粒子的輻射。另一方面，面臨非法接入、電磁干擾、電磁壓制、竊聽(tīng)、重放攻擊等多樣化安全威脅[14]。

2 空間路由交換體制概述

2.1 空間路由交換體制類(lèi)型

經(jīng)過(guò)近半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，空間網(wǎng)絡(luò)路由交換體制經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段。按照是否星上進(jìn)行信號(hào)處理，可以將其劃分為星上不處理的微波交換、星上半處理的信道化交換、以及星上處理的分組交換[15]，圖1 為按照交換體制來(lái)梳理空間網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程示意圖。

圖1 按照交換體制來(lái)梳理空間網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程

（1）微波交換

即星上透明轉(zhuǎn)發(fā)，顧名思義，即星載設(shè)備對(duì)接收到的電磁信號(hào)不進(jìn)行調(diào)制/ 解調(diào)等處理，僅對(duì)物理信號(hào)按照提前預(yù)設(shè)的規(guī)則，進(jìn)行變頻，再轉(zhuǎn)發(fā)至地面站。負(fù)責(zé)此功能的星載設(shè)備通常稱(chēng)為“微波交換矩陣”[16]。

如圖2 所示，微波交換模塊由低噪聲放大器，變頻器，濾波器、高功率放大器、復(fù)用器和微波交換矩陣組成。信號(hào)經(jīng)過(guò)接收天線的接收、低噪聲放大器的放大后，經(jīng)模擬下變頻器變頻到合適的中頻，此中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波后進(jìn)入中頻交換矩陣進(jìn)行交換，微波交換矩陣通常根據(jù)地面控制中心的命令預(yù)先配置，對(duì)進(jìn)信號(hào)按照預(yù)先的配置進(jìn)行交換，交換后的中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)或者多級(jí)變頻后進(jìn)入信號(hào)復(fù)用模塊進(jìn)行信號(hào)復(fù)用，此復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)高功放的放大后通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送。

圖2 微波交換模塊組成示意

（2）分組交換

與星上透明轉(zhuǎn)發(fā)相反，引入對(duì)信號(hào)的解調(diào)、譯碼、編碼和調(diào)制等一系列處理[15,17]，通過(guò)對(duì)信號(hào)的解調(diào)與再生去掉線路中疊加的噪聲，提高鏈路傳輸質(zhì)量。通過(guò)統(tǒng)計(jì)復(fù)用、按需分配網(wǎng)資源，可以進(jìn)一步提高資源利用率。與此同時(shí)，隨著星載計(jì)算能力的不斷增強(qiáng)，以及多速率、復(fù)雜服務(wù)質(zhì)量的應(yīng)用涌現(xiàn)，分組交換體制逐漸成為空間網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流方向。

（3）信道化交換

信道化交換亦稱(chēng)數(shù)字透明轉(zhuǎn)發(fā)，處于透明轉(zhuǎn)發(fā)與星上處理之間，是一種具有部分星上處理能力的半透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)[18]，采用數(shù)字化處理方式，借助非均勻?yàn)V波器組實(shí)現(xiàn)對(duì)星上信號(hào)的分析和綜合，支持星上任意頻段、任意帶寬之間信息交互及靈活的跨波束交互，如圖3 所示。

圖3 信道化轉(zhuǎn)發(fā)器功能示意

如圖4 所示，與地面網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似，空間交換體制從電路交換（微波交換、信道化）向分組交換的轉(zhuǎn)變，受到技術(shù)與應(yīng)用的雙輪驅(qū)動(dòng)：一是技術(shù)推動(dòng)。隨著空間技術(shù)以及商業(yè)航天的迅猛發(fā)展，星載計(jì)算處理能力日益提升，為分組交換體制提供了技術(shù)基礎(chǔ)；二是應(yīng)用驅(qū)動(dòng)。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和流量均向IP 化轉(zhuǎn)變，空間網(wǎng)絡(luò)采用分組交換將能更好地適應(yīng)突發(fā)性強(qiáng)的應(yīng)用。

圖4 空間路由交換粒度

2.2 空間路由交換架構(gòu)

與地面路由器類(lèi)似，空間路由器也可以劃分為轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面[19]，如圖5 所示：

圖5 空間路由器組成架構(gòu)

控制平面：重點(diǎn)在于建立和維護(hù)路由轉(zhuǎn)發(fā)表，可簡(jiǎn)單概括為路由計(jì)算，即收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，并為輸入的?shù)據(jù)信息計(jì)算出合適的傳輸路徑。

轉(zhuǎn)發(fā)平面：負(fù)責(zé)依據(jù)控制面生成的路由轉(zhuǎn)發(fā)表中所包含的信息將數(shù)據(jù)信息從路由器的一個(gè)輸入接口搬移到合適的輸出接口，完成信息轉(zhuǎn)發(fā)。

為了方便后續(xù)表述，本文將具備轉(zhuǎn)發(fā)和控制能力的設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)為路由器，轉(zhuǎn)發(fā)既可以是三層分組數(shù)據(jù)包、二層標(biāo)簽數(shù)據(jù)包、以太網(wǎng)幀，還可以是物理層光信號(hào)或微波信號(hào)等。

2.3 第一階段：微波交換

微波交換仍是空間網(wǎng)絡(luò)中使用最為廣泛的路由交換體制，大部分在軌的衛(wèi)星通信系統(tǒng)均采用此體制，如Inmarsat（2007）、OneWeb（2017）等國(guó)外系統(tǒng)，以及天通一號(hào)（2016）、中星16（2017）[20]等國(guó)內(nèi)系統(tǒng)。下面以Inmarsat 為例進(jìn)行介紹：

（1）系統(tǒng)組成

Inmarsat[21]可為海、陸、空各行業(yè)用戶提供全球安全救險(xiǎn)和商用寬帶衛(wèi)星通信服務(wù)，空間段包括位于地球同步軌道3 顆主衛(wèi)星和1 顆備份衛(wèi)星，地面段包括衛(wèi)星關(guān)口站、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心等；用戶段主要為用戶終端設(shè)備。

（2）路由架構(gòu)

Inmarsat 是天然的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN,Software Defined Network）路由架構(gòu)，即“星上透明轉(zhuǎn)發(fā)+地面控制”，終端或地面站通過(guò)衛(wèi)星運(yùn)控系統(tǒng)申請(qǐng)頻率和建立鏈路。

（3）路由協(xié)議

星上的路由交換功能主要為將收到的信號(hào)先變頻再通過(guò)微波交換矩陣從對(duì)應(yīng)的信道發(fā)送出去。其中，微波交換矩陣通常由地面控制中心通過(guò)測(cè)控命令進(jìn)行預(yù)先配置。

（4）分析總結(jié)

優(yōu)勢(shì)：微波交換的信號(hào)交換過(guò)程是在模擬濾波器和中頻交換矩陣中實(shí)現(xiàn)的，如果信號(hào)的載波頻率不發(fā)生大的改變，則透明轉(zhuǎn)發(fā)器與信號(hào)調(diào)制和解調(diào)的類(lèi)型、編碼譯碼的準(zhǔn)則以及上層協(xié)議無(wú)關(guān)，造就了透明轉(zhuǎn)發(fā)器性能靈活、設(shè)備可靠性高以及易于體制更新等優(yōu)點(diǎn)。

劣勢(shì)：信號(hào)交換帶寬一般情況下都需要占用轉(zhuǎn)器的全部帶寬，甚至以波束為單位進(jìn)行信號(hào)的交鏈，無(wú)法進(jìn)行較為靈活的交換。此外，由于高功率放大器存在的非線問(wèn)題，在多載波的情況下還必須采取一定的功率回退措施，導(dǎo)致資源利用率低下，有效通信容量較低。

2.4 第二階段：信道化交換

過(guò)測(cè)控信道上注信道化器。

（4）分析總結(jié)

優(yōu)勢(shì)：一是解決了傳統(tǒng)通信衛(wèi)星采用透明彎管轉(zhuǎn)發(fā)只能實(shí)現(xiàn)波束層級(jí)的交換，無(wú)法實(shí)現(xiàn)載波級(jí)交換的問(wèn)題，支持較小粒度的交換；二是規(guī)避了衛(wèi)星通信體制的約束，使系統(tǒng)具有靈活選擇合適通信體制、劃分最佳信道、臨時(shí)組網(wǎng)的能力，提高了靈活性與可靠性；三是滿足多樣化應(yīng)用需求（如寬帶、抗干擾、變帶寬、變速率），實(shí)現(xiàn)任意用戶信號(hào)從任意輸入波束到任意輸出波束的路由，滿足可變帶寬業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活調(diào)整的需求。

劣勢(shì)：相對(duì)微波交換，信道化交換可以提供更加細(xì)粒度的交換，但是隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用向空間網(wǎng)絡(luò)的逐漸擴(kuò)展，信道化交換無(wú)論是交換容量、細(xì)粒度均顯不足。

2.5 第三階段：分組交換

信道化交換最早用于美軍“寬帶全球通信衛(wèi)星”（WGS）[18]，隨后也被應(yīng)用于法、日等國(guó)的通信衛(wèi)星，具體包括ACeS（2000）、MUOS（2015）、Thuraya（2008）等國(guó)外系統(tǒng)。下面以WGS 為例進(jìn)行介紹。

（1）系統(tǒng)組成

WGS 空間段包括12 顆通信衛(wèi)星；地面段主要用于控制衛(wèi)星、傳輸和管理用戶業(yè)務(wù)，以及管理和控制通信資源；用戶段由各種用戶終端組成。

（2）路由架構(gòu)

采用“空間轉(zhuǎn)發(fā)、地面控制”的兩層路由架構(gòu)，即“星載信道化器+地面控制”。

（3）路由協(xié)議

尚無(wú)公開(kāi)資料介紹信道化交換的路由協(xié)議，通常通

隨著空天技術(shù)發(fā)展，星載處理能力日益增強(qiáng)，空間交換體制開(kāi)始向具有更大交換容量和更加靈活的分組交換轉(zhuǎn)變。常用包括包交換、ATM 交換、IP 交換、MPLS 交換等，典型系統(tǒng)有Spaceway3（2007）[15]、IRIS（2007）[22]、WINDS（2008）[17]等國(guó)外系統(tǒng)，以及天智一號(hào)（2019）[23]、玉衡號(hào)（2019）[24]、電科天象（2019）[25]等國(guó)內(nèi)系統(tǒng)。

（1）包交換

Spaceway3 是美國(guó)休斯公司于2007 年研制的寬帶多媒體通信衛(wèi)星，支持星上處理包交換，交換容量10 Gbps，實(shí)現(xiàn)終端之間的網(wǎng)狀組網(wǎng)。

1）系統(tǒng)組成

與傳統(tǒng)寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)類(lèi)似，Spaceway3 由通信衛(wèi)星、用戶終端、地面站、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行控制中心和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)等功能實(shí)體組成，如圖6 所示。為全面兼容IP 業(yè)務(wù)，用戶終端對(duì)外提供IP 接口。

圖6 Spaceway3系統(tǒng)組成

2）路由架構(gòu)

采用“控制中心+通信衛(wèi)星+用戶終端”的三層路由架構(gòu)：

控制中心對(duì)應(yīng)控制面，負(fù)責(zé)全網(wǎng)拓?fù)湫畔⒌氖占?、路徑?jì)算，建立/ 維護(hù)/ 更新一張全網(wǎng)所有用戶終端、信關(guān)站之間可達(dá)全局路由表，保證全網(wǎng)通達(dá)。鑒于Spaceway3采用基于MAC 的包轉(zhuǎn)發(fā)，路由表實(shí)際是IP 地址與下一跳MAC 地址的映射表，如圖7 所示。

圖7 Spaceway3路由流程

通信衛(wèi)星上的包交換模塊對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)面，負(fù)責(zé)依據(jù)數(shù)據(jù)包頭部的MAC 地址，根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則，將數(shù)據(jù)包交換到正確的輸出端口（下行波束）。

用戶終端對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)表，具有一定的路由緩存能力，即維護(hù)一張本地路由表。用戶終端有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí)，首先查詢本地路由表，若能夠查詢到該IP 對(duì)應(yīng)的MAC 地址，則直接按照路由表指示的下一跳的MAC 地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；若本地路由表無(wú)法查詢到該IP 數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的下一跳MAC地址，則向控制中心發(fā)起查詢請(qǐng)求，具體流程如下：

①用戶終端A，IP 地址為IP1，向用戶B，IP 地址為IP2，發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；

②用戶終端A 本地緩存路由表沒(méi)有IP2 與其對(duì)應(yīng)MAC 地址的映射表項(xiàng)目；用戶終端A 向控制中心發(fā)起查詢請(qǐng)求，查詢IP2 地址對(duì)應(yīng)的MAC 地址；

③控制中心查詢?nèi)致酚杀恚祷豂P2-MAC2 路由表給用戶終端A；

④用戶終端A 緩存控制中心返回的IP2-MAC2 路由表項(xiàng)，并在A 發(fā)送到B 的數(shù)據(jù)包前面封裝MAC2 地址。

圖8 Spaceway3上行數(shù)據(jù)包格式

⑤衛(wèi)星交換模塊接收數(shù)據(jù)包，依據(jù)MAC 地址將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)輸出端口（下行波束）。

⑥后續(xù)一段時(shí)間內(nèi)，發(fā)送至該IP 地址的數(shù)據(jù)包將采用此IP2-MAC2 映射表。

3）路由協(xié)議

采用基于MAC 地址的路由，用戶側(cè)完全兼容IP 業(yè)務(wù)承載，衛(wèi)星側(cè)采用MAC 地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如圖9 所示。星上包交換僅需維護(hù)用戶終端與用戶終端、信關(guān)站之間的路由表，且相互之間只需單跳，類(lèi)似于局域網(wǎng)模式，與ARP 協(xié)議相似，并不需要運(yùn)行復(fù)雜的路由協(xié)議。

圖9 Spaceway3用戶面協(xié)議棧

4）分析總結(jié)

優(yōu)勢(shì)：Spaceway3 首次采用星上包交換實(shí)現(xiàn)用戶終端之間的網(wǎng)狀組網(wǎng)，一是縮短通信時(shí)延，傳統(tǒng)星狀組網(wǎng)下用戶終端之間需要經(jīng)由地面站通信需要兩跳，該系統(tǒng)中用戶終端之間無(wú)需經(jīng)過(guò)地面站通信僅需一跳；二是提供通信容量，星上包交換可以降低對(duì)地面控制中心的依賴(lài)，避免控制中心成為系統(tǒng)瓶頸，有效提高可靠性。三是用戶終端具備一定的路由緩存功能，簡(jiǎn)化了星上包交換模塊的設(shè)計(jì)，送到星上包交換模塊的數(shù)據(jù)包均攜帶了需要轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳的MAC 地址，交換模塊僅需交換轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的下行波束即可，無(wú)須維護(hù)動(dòng)態(tài)路由表。

劣勢(shì)：一是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有限。Spaceway3 采用類(lèi)似于地面局域網(wǎng)交換原理—基于MAC 地址進(jìn)行查表轉(zhuǎn)發(fā)，控制中心、通信衛(wèi)星、用戶終端之間共同構(gòu)建一個(gè)二層交換機(jī)，而其ARP 表由地面控制中心計(jì)算和維護(hù)，用戶終端緩存ARP 表，衛(wèi)星僅基于MAC 地址進(jìn)行簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)發(fā)，雖然二層交換簡(jiǎn)單，但規(guī)模將會(huì)受限。二是需要改造用戶終端，對(duì)現(xiàn)有用戶終端的兼容性差。傳統(tǒng)用戶終端不參與網(wǎng)絡(luò)路由轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，不具有路由緩存功能，而Spaceway3要求用戶終端具備一定的緩存才能完成整個(gè)路由過(guò)程，兼容性相對(duì)較差，除此之外用戶終端的緩存能力有限又直接限制了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

（2）ATM 交換

WINDS 是日本開(kāi)發(fā)的超高速率寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)[17]，是世界上第一顆星上ATM 交換、Gbps 通信的衛(wèi)星，支持微波交換、分組交換、混合交換三種模式，交換容量1.2 Gbps。

1）系統(tǒng)組成

WINDS 系統(tǒng)在通信體制、星上交換體制等方面開(kāi)展了大量關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，星上交換支持微波交換、ATM 交換、混合交換三種模式。ATM 交換模式實(shí)現(xiàn)高速全雙工通信，最大速率達(dá)155 Mbps；而微波交換模式實(shí)現(xiàn)超高速全雙工通信，最大速率達(dá)1.2 Gbps。

2）路由架構(gòu)

WINDS 采用“控制中心+通信衛(wèi)星”兩層路由架構(gòu)，具體流程如圖10 所示。

圖10 WINDS路由流程

控制中心對(duì)應(yīng)控制面，負(fù)責(zé)全網(wǎng)拓?fù)湫畔⒌氖占?、路徑?jì)算，建立/ 維護(hù)/ 更新一張全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)之間可達(dá)的PVC（永久虛電路）配置表。

通信衛(wèi)星上的ATM 交換模塊對(duì)應(yīng)空間路由器架構(gòu)的轉(zhuǎn)發(fā)面，控制中心將PVC 轉(zhuǎn)發(fā)表提前寫(xiě)入ATM 交換機(jī)，交換機(jī)提取接收到的信元頭部控制信息VPI/VCI，如圖11 所示，查詢PVC 轉(zhuǎn)發(fā)表，將數(shù)據(jù)包交換到正確的輸出端口（下行波束）。

圖11 WINDS上行數(shù)據(jù)包格式

①用戶終端A 向控制中心發(fā)起向用戶B 發(fā)起通信；

②控制中心負(fù)責(zé)分配相應(yīng)用戶A/B 的時(shí)隙并配置路由器ATM 交換模塊的PVC 配置表；

③ATM 交換模塊接收數(shù)據(jù)包，提取信元VPI/VCI 信息，依PVC 配置表將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)輸出端口。

3）路由協(xié)議

尚無(wú)文獻(xiàn)介紹WINDS 采用的路由協(xié)議，參考標(biāo)準(zhǔn)的ATM，協(xié)議棧如圖12 所示：

圖12 WINDS用戶面協(xié)議棧

4）分析總結(jié)

優(yōu)勢(shì)：彈性靈活，WINDS 支持微波交換、ATM 交換等模式，且支持由地面控制中心進(jìn)行統(tǒng)一進(jìn)行控制，根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求按需切換模式，以適應(yīng)不同傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的要求。

缺點(diǎn)：一是星上透?jìng)髋c處理轉(zhuǎn)發(fā)并存，僅有部分波束支持處理轉(zhuǎn)發(fā)，其他仍進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)，整體容量相對(duì)受限；二是處理邏輯較為復(fù)雜，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均領(lǐng)先，但后續(xù)沒(méi)有采用此混合體制的商用衛(wèi)星，可見(jiàn)技術(shù)成熟度尚待進(jìn)一步提高。

（3）IPv4/IPv6 交換

2009 年太空互聯(lián)網(wǎng)路由器（IRIS 載荷）[22]發(fā)射升空，支持IPv4/IPv6 交換，標(biāo)志著互聯(lián)網(wǎng)走向太空。

1）系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由空間路由器、地面終端路由器，以及用戶終端及地面管理網(wǎng)關(guān)（控制中心）組成，如圖13 所示。

圖13 IRIS系統(tǒng)組成

2）路由架構(gòu)

IRIS 空間路由器的核心是“思科18400”路由器載荷，主要包括兩個(gè)組件：調(diào)制解調(diào)器接口機(jī)柜，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)時(shí)分多址（TDMA）、單路單載波（SCPC）調(diào)制解調(diào)；路由處理引擎（RPE），負(fù)責(zé)提供動(dòng)態(tài)路由；兩個(gè)組件均可通過(guò)加載軟件實(shí)現(xiàn)功能升級(jí)。

不同于Spaceway3、WINDS 采用地面集中式架構(gòu)，IRIS 空間路由器支持OSPF、BGP 等分布式路由協(xié)議，即空間路由器收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并動(dòng)態(tài)計(jì)算路由，無(wú)需地面參與。

3）路由協(xié)議

IRIS 實(shí)現(xiàn)將路由器搬上天，轉(zhuǎn)發(fā)面支持IPv4、IPv6，控制面支持OSPF、BGP 等分布式動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，協(xié)議棧如圖14 所示。

圖14 IRIS用戶面協(xié)議棧

4）分析總結(jié)

優(yōu)勢(shì)：一是解決了傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)通信體制中的兩跳通信問(wèn)題；二是IP 技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以運(yùn)行在任何物理介質(zhì)和二層網(wǎng)絡(luò)之上，實(shí)現(xiàn)IP 協(xié)議連接地面和太空的基礎(chǔ)設(shè)施，與地面網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫互聯(lián)，即“IP over everything”，無(wú)須網(wǎng)關(guān)，優(yōu)于Spaceway3、WINDS；三是完全分布式路由協(xié)議，可以繼承地面互聯(lián)網(wǎng)的高可靠特性。

劣勢(shì)：一是分布式路由協(xié)議，完全由空間路由器計(jì)算和維護(hù)，對(duì)星載計(jì)算資源提出了更高要求；二是隨著用戶數(shù)N增加，路由表數(shù)量成N*N增長(zhǎng)，且傳統(tǒng)路由采用最長(zhǎng)前綴匹配，無(wú)疑加大對(duì)星上計(jì)算能力的要求，無(wú)論是功耗還是計(jì)算能力都將面臨挑戰(zhàn)；三是空間輻照環(huán)境，如果面臨錯(cuò)誤或者宕機(jī)，將會(huì)產(chǎn)生業(yè)務(wù)中斷，難以遠(yuǎn)程修復(fù)和維護(hù)。

（4）MPLS

2019 年6 月，中國(guó)電科采用海上發(fā)射兩顆天象實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星[25-26]，兩顆低軌試驗(yàn)星構(gòu)建最簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)模型，且衛(wèi)星成功搭載國(guó)內(nèi)首個(gè)基于SDN 的空間路由器。

1）系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由兩顆搭載空間路由器的試驗(yàn)衛(wèi)星以及地面站組成[26]，如圖15 所示。

圖15 天象試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)組成

2）路由架構(gòu)

充分借鑒了地面技術(shù)，采用“SDN 實(shí)現(xiàn)控制和業(yè)務(wù)分離，控制中心向地面下沉，減少星上處理壓力，星地構(gòu)成轉(zhuǎn)發(fā)云”[25]。

3）路由協(xié)議

該系統(tǒng)采用一種自主設(shè)計(jì)的路由協(xié)議，其具有身份位置分離的特征[25-26]，目前尚未有公開(kāi)資料詳細(xì)介紹天象衛(wèi)星的路由協(xié)議細(xì)節(jié)。文獻(xiàn)[27-28] 曾提出基于標(biāo)簽的空間交換技術(shù)，如圖16 所示，在網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)（LER）實(shí)現(xiàn)IP 地址向標(biāo)簽（Label）的轉(zhuǎn)發(fā)，標(biāo)簽交換節(jié)點(diǎn)（LSR）只需完成基于標(biāo)簽的轉(zhuǎn)發(fā)，具體的標(biāo)簽交換路徑（LSP）的配置和管理由地面控制中心負(fù)責(zé)。

圖16 MPLS協(xié)議棧

4）分析總結(jié)

優(yōu)勢(shì)：一是提供2.5 層轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)等價(jià)交換類(lèi)的概念將某一類(lèi)IP 轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)2.5 層轉(zhuǎn)發(fā)，提高網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)效率；二是提供較好可擴(kuò)展性，MPLS 支持IP、AOS、X.25 等各種協(xié)議的承載；三是提供服務(wù)質(zhì)量保障，MPLS 借鑒電路交換的思路，試圖在IP 網(wǎng)絡(luò)上提供接近電路交換的服務(wù)質(zhì)量，是地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)流量工程的重要方法。

劣勢(shì)：一是信令較為復(fù)雜，MPLS 于1996 年提出，是運(yùn)營(yíng)商為了提供有保證服務(wù)質(zhì)量的技術(shù)，然而具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中在傳統(tǒng)IP 協(xié)議棧之上還需額外維護(hù)LDP 協(xié)議，負(fù)責(zé)標(biāo)簽的分發(fā)和路徑建立，同時(shí)對(duì)星載處理提出更高要求；二是空間網(wǎng)絡(luò)尤其是低軌網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嘧儯湫纬傻臉?biāo)簽交換路徑LSP 面臨頻繁的中斷、重新建立、中斷的循環(huán)，鑒于MPLS提供面向連接的服務(wù)，每一次中斷都需要重新去分發(fā)標(biāo)簽交換路徑，對(duì)地面控制中心產(chǎn)生了強(qiáng)依賴(lài)，彈性尤顯不足。

3 新型路由交換技術(shù)概述

（1）軟件定義網(wǎng)絡(luò)

1）技術(shù)簡(jiǎn)介

軟件定義網(wǎng)絡(luò)作為一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離的思路，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中鏈路、路由、流量等按需調(diào)度，實(shí)現(xiàn)可編程網(wǎng)絡(luò)。

2）優(yōu)勢(shì)分析

相較于地面網(wǎng)絡(luò)提出SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有“天然SDN”，即轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離的優(yōu)勢(shì)。如傳統(tǒng)的透明轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)由衛(wèi)星負(fù)責(zé)，路由計(jì)算與路由表上注均由地面控制中心負(fù)責(zé)，適應(yīng)星上計(jì)算能力不足、地面計(jì)算能力豐富的特征。

（2）分段路由

1）技術(shù)簡(jiǎn)介

分段路由（SR,Segment Routing）[28]脫胎于MPLS，但又做了革命性的顛覆和創(chuàng)新，由源節(jié)點(diǎn)來(lái)為應(yīng)用報(bào)文指定路徑，并將路徑轉(zhuǎn)換成一個(gè)有序的Segment 列表封裝到分組頭中，路徑的中間節(jié)點(diǎn)只需根據(jù)分組頭中指定的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

2）優(yōu)勢(shì)分析

與MPLS 類(lèi)似，SR 旨在分組交換網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建面向連接、可提供服務(wù)質(zhì)量的傳輸服務(wù)。然而，相較于MPLS，SR 不需要額外維護(hù)LDP 協(xié)議，只需對(duì)IGP 或BGP 簡(jiǎn)單改造，簡(jiǎn)化了控制面協(xié)議。目前，SR 已應(yīng)用于中國(guó)移動(dòng)5G 網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)可作為空間網(wǎng)絡(luò)的一種選擇。

（3）可編程轉(zhuǎn)發(fā)

1）技術(shù)簡(jiǎn)介

SDN 的本質(zhì)特征是控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離以及可編程性。為使轉(zhuǎn)發(fā)平面（設(shè)備）進(jìn)一步擺脫對(duì)特定協(xié)議的依賴(lài)，2013 年，華為提出了協(xié)議無(wú)感知轉(zhuǎn)發(fā)（POF,Protocol Oblivious Forwarding），即轉(zhuǎn)發(fā)硬件設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議和處理轉(zhuǎn)發(fā)流程沒(méi)有感知，網(wǎng)絡(luò)行為完全由控制面負(fù)責(zé)定義[29]；2014 年，斯坦福大學(xué)提出了可編程的協(xié)議無(wú)關(guān)分組處理器（P4,Programming Protocol-Independent Packet Processors），控制面直接使用P4 語(yǔ)言編寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[30]。兩種解決方案均采用軟件定義轉(zhuǎn)發(fā)的思路，實(shí)現(xiàn)從控制平面到轉(zhuǎn)發(fā)平面的全開(kāi)放。目前，英特爾已推出支持P4 的Tofino 交換芯片。

2）優(yōu)勢(shì)分析

一是未來(lái)空間網(wǎng)絡(luò)需要承載通信、導(dǎo)航、遙感等多樣化業(yè)務(wù)，可能導(dǎo)致AOS、MAC、SCPS-NP、IPv4、IPv6、IDP、MPLS 等多樣化協(xié)議的存在，可編程轉(zhuǎn)發(fā)通過(guò)賦予轉(zhuǎn)發(fā)平面可編程能力，使轉(zhuǎn)發(fā)平面不再局限于特定協(xié)議。二是面向多樣化協(xié)議，可編程轉(zhuǎn)發(fā)支持在線的靈活配置，可以通過(guò)地面配置來(lái)軟件定義轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。

（4）全光交換

1）技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)帶寬的需求與日俱增，傳統(tǒng)的微波通信已難以滿足新應(yīng)用對(duì)帶寬的需求，因此激光通信成為備選方案。美國(guó)TSAT 衛(wèi)星計(jì)劃中，星間鏈路采用10 Gbps 激光鏈路。雖然計(jì)劃未能實(shí)現(xiàn)，但激光通信是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，歐洲、日本等地區(qū)開(kāi)展研究工作較早，也取得較好進(jìn)展，2010年德國(guó)近地衛(wèi)星TerraSAR-X 開(kāi)展了星地、星間激光試驗(yàn)，最大速率5.6 Gbps、最大距離5 000 km。

2）優(yōu)勢(shì)分析

一是激光通信具有高帶寬、低功耗的特征，適合衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)資源受限的場(chǎng)景；二是激光具有很好的指向性，可以很好地避免由于越來(lái)越密集的衛(wèi)星導(dǎo)致的頻譜干擾問(wèn)題。

4 總結(jié)分析

綜上所述，與地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路徑類(lèi)似，國(guó)內(nèi)外針對(duì)空間網(wǎng)絡(luò)的路由交換體制整體上經(jīng)歷了從電路交換（微波交換、信道化）向分組交換的轉(zhuǎn)變，表2 對(duì)三種交換體制進(jìn)行對(duì)比和分析。下面將從星載開(kāi)銷(xiāo)、交換粒度和應(yīng)用場(chǎng)景等方面進(jìn)行對(duì)比分析：

表2 空間路由交換體制對(duì)比

微波交換作為使用最為廣泛的交換體制，星載開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)最小，穩(wěn)定性好，交換粒度最大，類(lèi)似于光纖交換，可以實(shí)現(xiàn)波束級(jí)交換，主要適應(yīng)大粒度交換的應(yīng)用場(chǎng)景，主要缺點(diǎn)是存在噪聲積累與“兩跳”通信問(wèn)題。

分組交換作為地面最為廣泛的交換體制，星載開(kāi)銷(xiāo)最大，路由交換容量嚴(yán)重依賴(lài)星載處理載荷的能力。目前開(kāi)展了星載試驗(yàn)，設(shè)備尚未完全成熟，交換粒度為分組，可以實(shí)現(xiàn)最細(xì)粒度的交換，適合互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，主要缺點(diǎn)是對(duì)星載處理要求高，成熟度不足。

信道化交換是處于微波交換與分組交換之間，星載開(kāi)銷(xiāo)適中，需要進(jìn)行數(shù)字濾波等操作，交換粒度適中，類(lèi)似于地面光網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)級(jí)交換，可以實(shí)現(xiàn)信道級(jí)交換。

多模態(tài)交換架構(gòu)如圖17 所示。

圖17 多模態(tài)交換架構(gòu)

5 發(fā)展設(shè)想

技術(shù)和應(yīng)用未來(lái)仍將成為推動(dòng)空間路由交換體制的更新迭代的重要?jiǎng)恿Γ阂皇堑孛婢W(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，并逐漸向空間拓展，空間網(wǎng)絡(luò)將成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)/6G 網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分；二是空天技術(shù)的快速進(jìn)步將為設(shè)計(jì)更小功耗的星載處理設(shè)備提供了可能；三是商業(yè)航天的蓬勃發(fā)展，也可以大規(guī)?？s減生產(chǎn)、制造和發(fā)射成本，為空間網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供持續(xù)動(dòng)力；四是作為未來(lái)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的重要實(shí)現(xiàn)手段，空間網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型既包括通信、導(dǎo)航、遙感等傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，還要適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)等新型應(yīng)用，對(duì)空間網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求也將異構(gòu)多元。綜上分析，技術(shù)推動(dòng)空間網(wǎng)絡(luò)引入更加先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，滿足差異化的應(yīng)用需求，發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下。

5.1 多模態(tài)交換

考慮天地異構(gòu)業(yè)務(wù)應(yīng)用的形態(tài)（傳統(tǒng)應(yīng)用/新興應(yīng)用，軍事應(yīng)用/ 民事應(yīng)用），以及不同應(yīng)用差異化的服務(wù)質(zhì)量需求，空間網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)需要支持動(dòng)態(tài)重構(gòu)，能為不同應(yīng)用建立不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)，滿足差異化的服務(wù)質(zhì)量需求。為此，借鑒多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)概念[9]，提出面向多元業(yè)務(wù)的“激光交換+微波交換+信道化交換+分組交換”的多模態(tài)交換架構(gòu)，如圖23 所示。充分發(fā)揮各種交換體制的優(yōu)勢(shì)，最大化滿足應(yīng)用需求，比如對(duì)于大帶寬的天基中繼應(yīng)用需求可以采用激光交換或微波交換；對(duì)于細(xì)粒度的寬帶組網(wǎng)通信可以采用信道化交換；對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)就可以采用分組交換；對(duì)于大量數(shù)據(jù)回傳就可以采用光交換。未來(lái)，選擇合適的交換技術(shù)體制滿足應(yīng)用需求是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。

5.2 靈活轉(zhuǎn)發(fā)面

縱觀國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃，我們發(fā)現(xiàn)除分組交換以外，未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，微波交換、信道化交換等傳統(tǒng)交換體制仍將長(zhǎng)期存在，如圖18 所示。隨著空間網(wǎng)絡(luò)以衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的形式出現(xiàn)，未來(lái)將作為全球信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，必須滿足垂直行業(yè)差異化的服務(wù)保障需求，勢(shì)必要求轉(zhuǎn)發(fā)面將靈活、多粒度以滿足不同業(yè)務(wù)差異化需求。P4/POF 等可編程轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)可以使轉(zhuǎn)發(fā)邏輯與特定的格式解耦，兼容多種多樣的數(shù)據(jù)格式，支持AOS、MAC、SCPSNP、IPv4/IPv6、MPLS 等，且支持遠(yuǎn)程定義與重構(gòu)。

5.3 智簡(jiǎn)控制面

一方面，分組交換領(lǐng)域SR 作為MPLS 的替代技術(shù)，可以極大地簡(jiǎn)化信令，降低轉(zhuǎn)發(fā)面的復(fù)雜度，非常適合空間網(wǎng)絡(luò)處理能力弱、功耗低的環(huán)境，支持遠(yuǎn)程定義與重構(gòu)；另一方面，考慮到微波交換、信道化交換、分組交換以及光交換體制將長(zhǎng)期并存，轉(zhuǎn)發(fā)面的靈活異構(gòu)難以避免，建立“統(tǒng)一分組控制網(wǎng)”勢(shì)在必行，如圖18 所示，收集全網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，控制器據(jù)此形成控制策略，再通過(guò)微波交換矩陣、信道化器、光交換機(jī)等多樣轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)按需轉(zhuǎn)發(fā)。

圖18 多模態(tài)交換網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一分組控制網(wǎng)絡(luò)

5.4 統(tǒng)一幀格式

一方面，為了簡(jiǎn)化空間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，同時(shí)考慮對(duì)現(xiàn)有各類(lèi)終端操作系統(tǒng)對(duì)IP 格式的天然支持，建議三層采用IP，實(shí)現(xiàn)與地面網(wǎng)之間無(wú)縫互聯(lián)；另一方面，為了簡(jiǎn)化空間網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，建議統(tǒng)一幀格式，內(nèi)部采用二層進(jìn)行高效轉(zhuǎn)發(fā)。綜上，可以概括為對(duì)內(nèi)為一個(gè)“高速局域網(wǎng)”，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)二層進(jìn)行互通；對(duì)外則相當(dāng)于一個(gè)IP 網(wǎng)絡(luò)，方便與地面網(wǎng)互聯(lián)互通。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著空天技術(shù)的迅猛發(fā)展，打通陸?？仗烊诤铣伞耙粡埦W(wǎng)”成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要方向。依據(jù)空間路由交換體制的關(guān)鍵特征進(jìn)行分類(lèi)，并以典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，闡述了已有空間路由交換體制的核心機(jī)理、存在的問(wèn)題以及發(fā)展趨勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上，提出了“多模態(tài)路由交換”與“統(tǒng)一分組控制網(wǎng)”發(fā)展設(shè)想，以期為后續(xù)空間網(wǎng)絡(luò)的研究提供有價(jià)值的參考。