MF-TDMA終端中動態路由協議的優化設計

董飛虎，孫晨華，董忠文，章 偉

(1.中國電子科技集團第五十四研究所，河北石家莊050081;2.中國人民解放軍66440部隊，河北石家莊050081)

0 引言

隨著網絡技術的發展，衛星通信以其獨特的優勢在通信網絡互聯中發揮著重要的作用。地面IP網絡與衛星通信系統不斷融合，衛星通信作為廣域網實現對IP業務的接入，正在逐步演變成事實［1］。

IP網絡互連中，路由器提供數據包的轉發路徑，是不同網絡連通的關鍵設備。它使用動態路由協議完成轉發路徑的交互、更新與維護。動態路由協議與所在網絡設備的集成程度對網絡設備及網絡性能有重要的影響。針對不同的網絡使用相適應的動態路由協議，可以提高整個網絡的系統效率。

1 MF-TDMA衛星網及終端

MF-TDMA衛星通信系統具有組網靈活、支持綜合業務接入、能夠實現大小終端同網工作以及可以針對不同的應用需求進行靈活設計等特點，目前已成為國內外衛星研究及應用的熱點［2］。國內完全自主研制的MF-TDMA衛星網屬于網狀組網，所有在網節點的綜合業務一跳可達［3］。

一般衛星終端主要由IP處理單元與綜合接入單元完成對數據的路由轉發。IP處理單元與綜合接入單元通過自定義內部幀結構交互信息。目前終端在IP業務處理上存在以下特點與問題:

①MF-TDMA系統由于站數較多及客戶IPv4網段地址有限等因素，可能無法滿足組網需求。在中小規模組網時，衛星側接口與本地接口網段配置屬于不同管理機構，網段可能產生重疊而導致網絡中斷。

②TDMA終端中存在2次數據的轉發操作，系統轉發功能集成度不高，降低了內部系統效率及幀效率。

2 RIP-S路由協議

根據MF-TDMA衛星網的上述特點及應用需求，提出了更加適應的動態路由協議RIP-S，它基于標準的RIP路由協議改進而來，采用了2項技術—擴展的無編號IP(extended unnumbered IP)技術與雙層尋址路由技術，既可規避網段沖突又高度集成轉發功能，實現直接轉發到地球站的路由操作，能靈活適應和優化MF-TDMA衛星網絡。

2.1 擴展的Unnumbered IP技術

Unnumbered IP技術本是一種地面網中點對點連接的鏈路上節約IP地址的方案，同時它也能節約點對點連接的設備上的路由表開銷。所謂的Unnumbered IP，就是路由器的串行接口在沒有配置有效的IP地址或借用本地接口的地址作為該接口的地址時，該接口仍能正常使用［4］。將Unnumbered IP技術擴展，使其不僅能在點對點的串口連接上實現，而且可以在廣播型鏈路的以太網口上存在。這樣IP處理單元的衛星側接口借用本地接口的地址，衛星側接口不用分配地址，既可以節約IP地址與路由表開銷，又能解決TDMA衛星網中IP處理單元的網段沖突。應用該技術的RIP-S協議可以保證衛星終端的靈活組網。

2.2 雙層尋址路由技術

雙層尋址路由技術是地址解析與3層路由的集成實現技術。一次路由即可完成下一跳邏輯地址與對應物理地址的尋址。該技術利用RIP協議定期更新的特性，并且使用RIP-S協議自己定義的路由報文格式，使整個衛星網的路由收斂和鏈路層地址解析同時完成，直接完成了到目的地球站的轉發工作。RIP-S協議形成的路由表與標準路由表相比，每條路由項中增加了下一跳地址所對應的地球站站號字段。新的路由表結構如表1所示。

表1 路由表重構示意圖

雙層尋址路由技術剝離了綜合接入單元的轉發操作，在IP處理單元完成了整個終端的IP數據路由工作，同時實現了衛星站號地址的解析，優化了內部結構與流程，可以提高TDMA終端的有效數據傳輸效率。

采用雙層尋址路由技術后，IP處理單元接收數據后，會將匹配的站號信息封裝在數據幀中并通過內部以太網接口傳給綜合接入單元，傳輸所用的幀格式需包括分片位，主要是考慮長度等于以太網MTU的數據報到達時添加站號字段必然要導致對數據報進行分片，否則會丟棄該數據報。

2.3 協議原理分析

RIP-S協議采用距離向量算法計算路由，路由交互原理與標準RIP相同，如圖1所示。

圖1 RIP-S路由交互信息示意圖

標準RIP交互的是＜目的地址，度量＞路由信息［5］，而RIP-S交互的是＜目的地址，下一跳站號，度量＞路由信息，當路由收斂時，各終端中形成整個MF-TDMA衛星網中的站號路由信息。RIP-S在輸入輸出路由信息時，要進行接口類型的判斷，若為Unnumbered IP接口，除了應用擴展的Unnumbered IP技術，保證在衛星側接口借用地址的情況下，與其他路由器能正常通信外，還要查詢地址站號映射表，封裝自定義格式的路由報文，攜帶上有用的站號信息。地址站號映射表要保持與內部路由表的同步，包括路由的更新、失效及刪除，否則一致性失效會導致網絡路由混亂。路由信息輸入輸出過程如圖2所示。

圖2 路由信息輸入輸出過程

3 RIP-S協議的OPNET仿真

OPNET仿真軟件不僅可以進行各種協議的仿真，而且提供所有仿真協議的源代碼，用戶可以方便地修改或設計新的協議軟件［6］。本文在OPNET提供的RIP源碼上實現了RIP-S路由軟件的所有功能，并進行了仿真與對比分析。

圖3是驗證RIP-S路由協議可行性的仿真環境。地面站為3個，IP處理單元由單獨的路由器實現，均運行RIP-S路由協議，每個終端后面都存在本地網絡。圖4是地面站 earthstation_1的客戶機wkstn_1向地面站earthstation_2的服務器server_2傳送數據流的仿真結果，表示數據連通性沒有問題，并且相同數據占用帶寬比使用標準RIP協議時占用的帶寬要低。表2為仿真結束時IP處理單元sat_router_1形成的路由表，可以看到路由表收斂，并且路由項均含有下一跳地址對應的站號條目。選取地面站點50個，局域網接口開啟RIP協議，廣域網接口開啟RIP或RIP-S協議，仿真結果如圖5所示，可以看出使用RIP-S協議可占用較少的系統帶寬。圖6為對比RIP-S與標準RIP協議開銷的網絡拓撲。

圖3 仿真網絡拓撲結構

圖4 業務數據流量對比

圖5 協議開銷對比

表2 實驗生成的RIP-S路由表

圖6 仿真網絡拓撲示意圖

4 結束語

盡管MF-TDMA衛星網可以使用標準的RIP協議運行，但其潛在的問題和較低的幀效率讓系統性能有些折扣。由于 RIP-S協議采用擴展的unnumbered IP技術與雙層尋址路由技術，充分考慮MF-TDMA網的特殊性，整合了系統內部的功能，與衛星系統高度集成，可以提高衛星終端的內部系統效率及衛星網的幀效率，使其協議開銷能夠更勝一籌。因此，RIP-S協議比標準的RIP協議更加適合于MF-TDMA衛星通信系統。

［1］ 尹波，孫晨華，張俊哲.IP路由協議在MF-TDMA衛星系統中適應性研究［J］.無線電通信技術，2008，34(5):5-8.

［2］ 郝學坤，孫晨華，李文鐸.MF-TDMA衛星通信系統技術體制研究［J］.無線電通信技術，2006，32(5):1-3.

［3］ 李子木.地面分組網利用MF-TDMA衛星網組網的網關研究［J］.無線電工程，2011，41(6):8-10.

［4］ 華為技術有限公司.IP unnumbered使用指南［M］.深圳:華為技術有限公司，2001.

［5］ RFC2453，RIP Version 2［S］，1998.

［6］ 陳敏.OPNET網絡仿真［M］.北京:清華大學出版社，2004.