多拓?fù)渎酚稍谛⌒l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的容錯(cuò)保護(hù)與流量?jī)?yōu)化

茍先太， 易 峰，吳 潛②， 龍 剛， 金煒東

（①西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；②中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

目前的LEO小衛(wèi)星星座系統(tǒng)中, 每個(gè)衛(wèi)星通常與鄰近的衛(wèi)星有著4到8條星際鏈路，以保持整個(gè)星座網(wǎng)絡(luò)通信的通暢[1]。從而使得小衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的路由選擇變得非常復(fù)雜的[2]。分析小衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，可以得出其路由選擇需要滿(mǎn)足以下要求：

①應(yīng)采用動(dòng)態(tài)路由技術(shù)：根據(jù)小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，應(yīng)采用動(dòng)態(tài)路由選擇技術(shù)以滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓痆3]。已有研究主要采用動(dòng)態(tài)路由方式；

②能對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行流量?jī)?yōu)化：流量?jī)?yōu)化以實(shí)際網(wǎng)絡(luò)流量分析或嚴(yán)密的流量預(yù)期分析為前提來(lái)建立業(yè)務(wù)量矩陣，根據(jù)分析建立的業(yè)務(wù)量矩陣來(lái)設(shè)置流量路徑、分配骨干帶寬，從而能提高單一通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提高網(wǎng)絡(luò)利用率；

③能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)保護(hù)：路由選擇算法通過(guò)全網(wǎng)中建立路徑冗余，以減少對(duì)不同節(jié)點(diǎn)之間單一鏈路依賴(lài)的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，能自動(dòng)進(jìn)行路徑切換。

為了同時(shí)滿(mǎn)足以上路由選擇要求，現(xiàn)給出一個(gè)基于多拓?fù)洌∕TR）的多路徑路由算法，使得小衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)同時(shí)具有容錯(cuò)保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)流量?jī)?yōu)化能力。

1 相關(guān)研究

對(duì)于衛(wèi)星星座路由需要的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與流量?jī)?yōu)化功能，已有研究主要側(cè)重于其中一個(gè)方面的研究。比如文獻(xiàn)[4-6]單純從自恢復(fù)與抗毀性方面進(jìn)行研究。從流量?jī)?yōu)化方面進(jìn)行研究的比較多，比如文獻(xiàn)[7-9]等將QoS路由算法用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)解決不同業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量要求，但這些流量?jī)?yōu)化方面的研究對(duì)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)保護(hù)方面的問(wèn)題考慮較少。

這里研究的多拓?fù)渎酚蓪儆诙嗦窂铰酚煞绞?。分析目前多路徑路由技術(shù)主要有這幾類(lèi)：ECMP（Equal-Cost Multipath Routing）等價(jià)多路徑，（WCMP）加權(quán)多路徑，策略路由（PBR）和多拓?fù)渎酚傻?。其中ECMP和WCMP是基于目的地的路由。OSPF支持ECMP；IGRP和EIGRP支持WCMP；策略路由是基于端口號(hào)、協(xié)議等屬性靜態(tài)配置路徑；多拓?fù)渎酚梢蕾?lài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于流量類(lèi)型配置不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)使用多個(gè)路徑到一個(gè)給定目的地的技術(shù)。

盡管通過(guò)多路徑路由方式，可以提供網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與流量?jī)?yōu)化功能，但現(xiàn)有的多路徑路由算法/協(xié)議，主要側(cè)重于流量?jī)?yōu)化，其多個(gè)路徑方法主要是為了負(fù)載均衡[10]，或者是為了實(shí)現(xiàn)不同的QoS路由。所以當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，現(xiàn)有多路徑路由算法在很多情形下都不能完全容錯(cuò)。相比之下，MTR除了實(shí)現(xiàn)流量?jī)?yōu)化，更關(guān)鍵的是提供了備份拓?fù)?，能?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)保護(hù)功能。在文獻(xiàn)[11]中做了相應(yīng)比較。

多拓?fù)渎酚上仁亲鳛橐环N私有路由技術(shù)，最先由Cisco公司在2004年在其路由器中實(shí)現(xiàn)了部分技術(shù)[12]。它為網(wǎng)絡(luò)路由提供了一種新的思路，是除基于目的路由和基于策略的路由兩大路由方式之外的第三種路由類(lèi)型。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于多拓?fù)渎酚傻难芯勘容^少。能看到的報(bào)道主要是挪威奧斯陸大學(xué)Amund Kvalbein等人和德國(guó)烏茲堡大學(xué)Michael Menth所做的工作。Amund等分別在文獻(xiàn)[13-15]中研究了將多拓?fù)渎酚捎糜趯?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。文獻(xiàn)[16]將多拓?fù)渎酚蓱?yīng)用到Ad hoc網(wǎng)絡(luò)解決多參數(shù)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)問(wèn)題。文獻(xiàn)[17]給出IETF草案以擴(kuò)展OSPF使其支持多拓?fù)渎酚晒δ堋Ｎ墨I(xiàn)[18]給出IETF草案以擴(kuò)展IS-IS協(xié)議使其支持多拓?fù)渎酚晒δ堋?/p>

現(xiàn)將MTR用于一個(gè)不依賴(lài)中高軌衛(wèi)星做中繼的非TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的小衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)流的優(yōu)化傳輸和網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)。根據(jù)小衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，MTR中的備份拓?fù)淇梢允沟萌我庑请H鏈路在通信失效時(shí)，做到零時(shí)間完成重路由，使星座網(wǎng)絡(luò)具有很好的容錯(cuò)性和抗毀能力。

2 星座網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 星座設(shè)計(jì)

星座設(shè)計(jì)以對(duì)中國(guó)地區(qū)連續(xù)二重覆蓋和全球累計(jì)覆蓋率100%為目標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)[19-20]中的研究結(jié)果，采用一種由30顆衛(wèi)星構(gòu)成的星座方案：30/5/2星座有30顆小衛(wèi)星，5個(gè)軌道平面，每個(gè)平面6顆衛(wèi)星。

通過(guò)STK設(shè)計(jì)星座模型如圖1所示。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該星座對(duì)中國(guó)地區(qū)能連續(xù)二重覆蓋和達(dá)到全球累計(jì)覆蓋率100%。

2.2 星座組網(wǎng)

星座組網(wǎng)考慮每顆小衛(wèi)星最多5根天線，可分別和其鄰近的前后左右四顆小衛(wèi)星建立4條星際鏈路。第5根天線用于和地面站建立通信鏈路。僅中國(guó)區(qū)域上空的小衛(wèi)星打開(kāi)其第五根天線。這里主要考慮天基網(wǎng)絡(luò)部分，其星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 30/5/2小衛(wèi)星星座組網(wǎng)模型

圖2中衛(wèi)星ID的十位數(shù)表示小衛(wèi)星軌道平面，個(gè)位數(shù)表示在軌道平面中的編號(hào)。

星座組網(wǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是小衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的通信模型設(shè)計(jì)?，F(xiàn)使用文獻(xiàn)[20]給出的非TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的通用衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)通信模型和報(bào)文格式。

3 多拓?fù)渎酚?/h2>

將小衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫褂糜邢驁D表示為0G。

V為網(wǎng)絡(luò)中的小衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)集合，ε為圖中的邊集合，每個(gè)邊代表一個(gè)ISL，D( l)是代價(jià)函數(shù)，其中l(wèi)∈ε。D( l)函數(shù)主要用于路由路徑代價(jià)計(jì)算。 D ( l)取值范圍為 D ( l)≥ 1 ，D( l)=∞時(shí)表示l鏈路隔離不可用。多拓?fù)渎酚煞譃橐韵聨讉€(gè)步驟：

（1）先在原有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠A(chǔ)之上配置不同任務(wù)類(lèi)型的備份拓?fù)?Gi，

通過(guò)代價(jià)函數(shù) Di選擇相應(yīng)的l，設(shè)置其 Di( l)=∞，將某些鏈路不可用，生成相應(yīng)的備份拓?fù)?Gi。

（2）然后再在各個(gè)拓?fù)淅锩妫?G0,G1,…, Gi,…）使用加權(quán)最短路徑方法生成路由信息表（ T0,T1,…,Ti,…）。即基于不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D生成不同的路由表。

（3）最后小衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)對(duì)需轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，根據(jù)不同協(xié)議類(lèi)型和服務(wù)類(lèi)型,在相應(yīng)拓?fù)涞穆酚杀韎T中選擇相應(yīng)的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

3.1 多拓?fù)渑渲?/h3>

多拓?fù)渎酚傻幕A(chǔ)是首先根據(jù)物理原始拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)0G配置多個(gè)備份拓?fù)洹?/p>

拓?fù)渑渲玫哪康模壕W(wǎng)絡(luò)保護(hù)和流量?jī)?yōu)化。也就是不同的任務(wù)流可選擇相應(yīng)的拓?fù)溥M(jìn)行傳輸，而且拓?fù)溟g可以相互備份，當(dāng)某一拓?fù)渲械逆溌肥r(shí)，能快速切換到備份拓?fù)渲腥ダ^續(xù)傳輸，達(dá)到容錯(cuò)抗毀要求。

為了實(shí)現(xiàn)該目的，備份拓?fù)渑渲脻M(mǎn)足以下準(zhǔn)則：①一個(gè)節(jié)點(diǎn)不需要承擔(dān)所有類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)流；

②一條星際鏈路不需要承擔(dān)所有類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)流；

③每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少有一條以上的星際鏈路在某一個(gè)備份拓?fù)淅锩姹桓綦x；

④在每個(gè)備份拓?fù)渲校總€(gè)衛(wèi)星之間都可以不通過(guò)孤立鏈路或節(jié)點(diǎn)連通；

⑤一個(gè)拓?fù)渲械娜我庖粭l星際鏈路失效，必須能在其他備份拓?fù)渲姓业较鄳?yīng)的鏈路以滿(mǎn)足④。

條件①和條件②對(duì)星際鏈路根據(jù)其承擔(dān)的通信任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的限制，用于產(chǎn)生滿(mǎn)足不用任務(wù)需要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。這里考慮最小時(shí)延、最小丟包率、最大吞吐量三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，分別用于傳輸測(cè)量、控制和偵查任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。條件③、④、⑤用于配置互為備份的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。保證網(wǎng)絡(luò)具有容錯(cuò)與網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的功能。當(dāng)一個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的任意一條星際鏈路失效時(shí)，總能在備份拓?fù)渲姓业较鄳?yīng)鏈路滿(mǎn)足零延時(shí)拓?fù)淝袚Q，同時(shí)控制丟包率不受任何鏈路失效的影響。

根據(jù)以上要求，通過(guò)分析，在原始拓?fù)洌ㄒ?jiàn)圖 2）的基礎(chǔ)上配置兩個(gè)備份拓?fù)?G、2G如圖3所示。

圖3 30顆小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)備份網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3.2 單一拓?fù)渲械穆酚伤惴?/h3>

使用加權(quán)最短路徑算法作為單一拓?fù)渲械穆酚伤惴?。如圖1、圖3所示，將具有最大帶寬maxb 的鏈路的代價(jià)為1。鏈路l的帶寬為lb，則代價(jià)為：

任意兩小衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)is和js間的第k個(gè)路徑的代價(jià)為：

式（4）中 Nk為第k個(gè)路徑的總跳數(shù)。

則任意兩小衛(wèi)星節(jié)點(diǎn) si和 sj間的最小加權(quán)路徑的代價(jià)Lmin為：

k = 1 ,2,… ,Mk, Mk為節(jié)點(diǎn) si和 sj間的路徑總數(shù)。

由于被隔離鏈路的 ()D l=∞，所以任何被隔離鏈路都不可能作為最小加權(quán)路徑中的鏈路。

3.3 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)算法

小衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)包的協(xié)議類(lèi)型和服務(wù)類(lèi)型,在相應(yīng)拓?fù)涞穆酚杀韎T中選擇相應(yīng)的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。比如可以選擇最小時(shí)延拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、最大吞吐率網(wǎng)絡(luò)、最小丟包率拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

如果數(shù)據(jù)包到達(dá)某小衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)下一跳鏈路失效時(shí)，則切換到其他備份拓?fù)洌M(jìn)行無(wú)延遲、無(wú)丟包重路由。

進(jìn)入新拓?fù)涞臄?shù)據(jù)包保持原始服務(wù)類(lèi)型并添加新拓?fù)湟蟮姆?wù)類(lèi)型信息。新拓?fù)渲械霓D(zhuǎn)發(fā)原則為：最小丟包率任務(wù)類(lèi)型的包切換到新拓?fù)浜笕匀痪哂凶罡邇?yōu)先級(jí)；最大吞吐率任務(wù)類(lèi)型包進(jìn)入新拓?fù)浜髢?yōu)先級(jí)降為最低。最小時(shí)延任務(wù)類(lèi)型包需要在新拓?fù)渲械纳鏁r(shí)間最短為原則，將其盡快切換到最小時(shí)延拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

在OPNET中通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證模型的流量?jī)?yōu)化和容錯(cuò)功能。為了驗(yàn)證流量?jī)?yōu)化功能，設(shè)置兩種帶寬 ISL，分別為1 Mb/s和500 kb/s。

實(shí)驗(yàn)1：流量?jī)?yōu)化-時(shí)延比較

選擇在路由收斂后sat_16向sat_51發(fā)送最小時(shí)延、最大吞吐量、最小丟包率3種任務(wù)類(lèi)型數(shù)據(jù)包,分別選擇三種拓?fù)渎酚蛇M(jìn)行傳輸，仿真時(shí)間7 200 s。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，拓?fù)?G、1G、2G中傳輸?shù)钠骄说蕉藗鬏敃r(shí)延分別為0.043 2 s、0.257 8 s、0.261 7 s。拓?fù)?G 中的平均傳輸時(shí)延最小，見(jiàn)圖5。

由圖3、圖4、圖5可以看出時(shí)延隨著星座運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)正弦周期性波動(dòng)。這是因?yàn)椴煌壍乐g的衛(wèi)星周期性地接近和遠(yuǎn)離，其星際鏈路的傳播時(shí)延也隨之周期性波動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)2：流量?jī)?yōu)化-吞吐率比較

在第10 s路由收斂后，路由協(xié)議停止發(fā)包，選擇sat_16向sat_41發(fā)送大小為1 000 bit數(shù)據(jù)包，發(fā)包速率為每秒1 000個(gè)包。仿真時(shí)間為250 s，共發(fā)出240 000個(gè)包。

圖 5 三個(gè)拓?fù)渲新酚杀容^

圖5 三個(gè)拓?fù)渲袀鬏敹说蕉藭r(shí)延比較

拓?fù)?G0、 G2中由于受最小帶寬500 kb/s的限制，其最大吞吐率為500 kb/s，所以將丟掉50%的包。主要觀察拓?fù)銰1中的吞吐率。由仿真結(jié)果（參見(jiàn)圖6）得知，目的小衛(wèi)星共收到239 817個(gè)包。其吞吐率為：

實(shí)驗(yàn)3：網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)保護(hù)測(cè)試

選擇sat_16向sat_53發(fā)送數(shù)據(jù)包。在運(yùn)行到一分鐘時(shí)，設(shè)定某小衛(wèi)星失效。觀察網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)保護(hù)功能。

(1)小衛(wèi)星35失效

如圖7所示，小衛(wèi)星35失效時(shí)，拓?fù)銰1中的數(shù)據(jù)包切換到G2中，然后再切換回G1。

在小衛(wèi)星53中統(tǒng)計(jì)的端到端時(shí)延和分別從拓?fù)銰1、G2中收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量見(jiàn)圖8。

圖6 小衛(wèi)星51中三個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的接收包數(shù)

圖7 小衛(wèi)星35失效時(shí)拓?fù)渎窂角袚Q

從圖8可以看出，因?yàn)槁酚汕袚Q，時(shí)延增大。經(jīng)過(guò)10 s的路由切換，拓?fù)?中重新發(fā)送數(shù)據(jù)。在圖中的拓?fù)?和拓?fù)?中的發(fā)送數(shù)據(jù)包可以看出。

以上仿真試驗(yàn)及其結(jié)果表明：多拓?fù)渎酚赡苤С植煌?lèi)型業(yè)務(wù)流的優(yōu)化傳輸，同時(shí)能在節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，具有網(wǎng)絡(luò)提供容錯(cuò)保護(hù)能力，做到不丟包路徑實(shí)時(shí)切換。

圖8 小衛(wèi)星53上統(tǒng)計(jì)的時(shí)延和收包數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

給出的拓?fù)渎酚煞椒芡瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)流量?jī)?yōu)化和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)功能。提出的網(wǎng)絡(luò)模型和多拓?fù)渎酚煞椒?，能為小衛(wèi)星星座依賴(lài)自身網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遙測(cè)、遙控提供通信平臺(tái)支持，為小衛(wèi)星的測(cè)控提供一種新的思路。在星座網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)考慮地面測(cè)控站的多拓?fù)渎酚伤惴ㄟ€需要進(jìn)一步的研究。提出的多拓?fù)渖墒鞘怯墒止づ渲猛瓿?，拓?fù)渥詣?dòng)配置算法也值得進(jìn)一步的研究。

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