一種基于GEO衛星網絡的IP組網方案的設計及仿真

李園利，王 宇

（中國空間技術研究院西安分院 陜 西 西 安710100）

目前，大部分支持IP包傳送的衛星系統，不管是透明轉發還是再生處理，衛星都只是提供一個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要求，但卻難以滿足像衛星寬帶接人、多媒體、信息中繼以及星地網絡一體化等需求。為了實現與地面Internet網的互聯，衛星系統的IP化已是其發展的一個趨勢。

從國內外的情況來看，具有星上IP路由交換處理功能的衛星系統都吸引了較大的資金和興趣用于研究和發展。如Spaceway-3[1]系統在星上整合了一個具有路由功能的星載處理器，將地面路由交換機的功能分解到衛星終端、星載交換機和地面網絡控制設備共同完成，即從地面IP網絡用戶的角度看，由終端、衛星和地面網控構成的衛星網絡相當于一個虛擬路由器。 IRIS（Internet Protocol Routing In Space）[2]系統在星上搭載一個IP路由器用以測試空間路由技術，即GEO衛星實現一個完整的IP路由器功能，衛星與地面路由器完全對等的。TSAT[3]系統針對星上實現大容器處理的需求，在星上搭載了個下一代路由器，不僅具備IRIS路由器這種獨立完整的IP路由功能，并采用MPLS標簽交換技術，充分發揮衛星終端的處理能力。這些項目都針對GEO衛星實現IP路由的研究都是在網絡層級來實現的，它帶來了很多優勢。

鑒于以上GEO衛星網絡的發展背景，文中提出了一個分組傳輸和交換均基于IP的GEO衛星系統，在滿足星載RIP路由協議的基礎上構建了一種GEO衛星IP組網方案，星上采用三層路由交換的思路。這一系統需要實現的目標主要有：1）實現大量終端的單跳/雙跳通信以及和地面網絡的IP互聯；2）實現衛星同交換域下用戶信息的鏈路層快速交換，不同交換域下用戶信息的網絡層IP路由交換處理。3）IP路由協議（RIP路由協議）在此網絡中的適應性研究。本章將主要從系統的網絡結構、組網方案以及星載IP路由協議的建模仿真幾方面進行闡述。

1 GEO衛星網絡結構

衛星IP網絡系統主要圍繞具有多波束能力的地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit）寬帶衛星在網絡層面展開。其網絡結構圖如圖1所示。

圖1 GEO衛星網絡結構圖Fig.1 Architecture diagram of GEO satellite network

衛星網絡的組成主要包括寬帶GEO衛星、地面網絡控制中心和衛星終端，衛星終端包括無路由功能終端，如用戶計算機或路由器的無線網卡，主要完成地面以太網協議與星地鏈路層協議之間的轉換；還包括有路由功能終端，如高性能路由器，與用戶設備之間采用地面標準以太網接口連接，與衛星之間按照星地接口規范實現。

2 IP組網方案的設計

2.1 設計目的

RIP路由協議是最簡單的IP路由協議，但其包含水平分割技術[5]，即從某個接口學習到的路由信息將不再重新轉發到某個接口。而衛星波束下的不同用戶之間由于這種技術的存在將不能完全實現信息的交互，因此，為滿足星載RIP路由協議的實現及其水平分割技術，設計了一個三層路由交換的組網方案，即相同交換域下用戶信息基于鏈路層快速交換，不同交換域下用戶信息基于網絡層IP路由交換處理。

2.2 組網方案

為在GEO衛星上實現星上RIP路由協議和IP包路由轉發，同時實現鏈路層快速交換功能，即星上實現三層交換機功能。具體的組網方案如圖2所示。

圖2 GEO衛星網絡IP組網方案Fig.2 IP Networking method of GEO satellite network

GEO衛星的多個波束可以根據系統應用劃分為多個快速交換域，一個快速交換域可以由1個或多個波束組成。同一個快速交換域內終端之間通信數據在星載路由器內基于鏈路層幀（二層）快速交換；不同交換域之間（不同衛星屬于不同交換域）的終端通信數據在星載路由器內恢復為IP包，基于IP目的地址進行網絡層（三層）查表路由轉發。其具體的IP路由交換階段流程如圖3所示。

圖3 IP路由交換流程Fig.3 Flow chart of IP the routing exchange

1）更新路由過程

終端及衛星基于相同的路由協議，實現終端與衛星以及通過衛星實現交換域（即LAN內）其他終端之間的路由信息交互，從而在終端和星上建立起路由表；新終端加入，將觸發衛星及其他終端路由表的更新。

2）IP數據包路由過程

連接到衛星終端的用戶設備/子網產生的IP數據包到達衛星終端，終端根據IP目的地址查找路由表，獲得下一跳IP地址及對應的MAC地址（目的站號），將IP數據包封裝在鏈路層幀中發送；衛星接收到終端發送的上行鏈路層幀時，首先判別其中的目的站號是否為本星，若是本星則直接按鏈路層幀頭中的目的站號查找轉發表獲取輸出端口，并進行鏈路層快速轉發；若非衛星則從鏈路層幀中恢復出IP包，查找IP路由表獲取輸出端口、下一跳MAC地址等信息，其后進行IP三層路由轉發處理。

3）地址解析

地址解析功能完成網絡層IP地址與鏈路層地址之間的映射。終端和衛星發送的IP數據包必須封裝在鏈路層幀中，鏈路層幀頭中包含接收對端的鏈路層地址，接收方根據鏈路層幀頭中的MAC地址判斷該數據幀是否該接收。

3 星載IP路由協議

IP路由選擇協議是TCP/IP協議棧中的重要成員之一，為網絡上的IP數據包選擇合適的傳輸路徑。本文僅討論最簡單，最常用的RIP路由協議。

RIP路由協議[4-6]是一種基于距離向量算法的內部網關路由協議。它通過UDP報文進行路由信息的交互，周期性地向相鄰路由器廣播距離向量表來反映網絡的狀態，逐步逐跳式完成全網信息的擴散。RIP協議在地面網絡中具有路由算法不能完全杜絕路由環路，收斂相對較慢，擴展性較差，最大跳數不能超過16跳的局限性；但是其具有配置簡單，算法占用較少的內存和CPU處理時間的優點。

由于星載路由器資源有限，受功耗、尺寸的限制，只有有限的內存空間，因此星載路由器中運行的路由協議不能太大，太復雜。針對我們構建的GEO衛星IP網絡路由系統，雖然衛星終端數量非常大，但地面不同終端之間通信過程最多不會超過兩跳的特點，結合RIP運行時系統資源占有量非常小、實現簡單的優點，試探性地研究了RIP路由協議在GEO衛星網絡中的實現。

4 星載RIP路由協議的OPNET仿真

4.1 仿真建模

為簡化仿真，衛星節點和衛星終端采用OPNET仿真軟件[7]中的標準路由器模塊。根據上文陳述的衛星網絡IP路由交換方案，建立的仿真模型如圖4所示。

圖4 GEO衛星網絡仿真建模Fig.4 Simulation chart of GEO satellite network

衛星節點：由一個路由器和以太網交換機組成（一個交換機代表星載路由器的端口）。每個端口作為一個快速交換域，一個交換域由一個波束組成，即每個端口對應一個波束；衛星終端：都采用具有路由功能的路由器；星地鏈路：用有線鏈路代替無線鏈路，鏈路的傳播時延，誤碼率都可以設置。

4.2 網絡參數

表1 整個網絡的參數Tab.1 Parameter of the whole network

仿真環境：衛星共8波束，地面衛星終端數量分別為200、400、800個時，按照表1所示的參數配置網絡，在衛星節點和地面節點的所有接口上都啟動RIP路由協議，并分為未設置水平分割技術和設置水平分割技術兩種情況，選取整個網絡的協議開銷為統計量，仿真時間為1小時。仿真結果如圖5所示。

圖5 仿真結果Fig.5 Simulation result chart

4.3 仿真結果分析

從圖5可以看出，隨著網絡規模的擴大，整個網絡的RIP協議開銷非常大，這是由于RIP協議是周期性更新路由信息的，當網絡設置水平分割技術之后，就避免了從鄰居接口學習到路由信息重新發回到鄰居，降低了協議開銷。從圖5（a）和5（b）結果對比，可以算出協議開銷降低的最大程度達到97%，并且隨著網絡規模的擴大，這種趨勢還會更加明顯。這對GEO衛星星上空間有限來說，將是一大優勢。

5 結束語

文中根據GEO衛星網絡的發展背景，提出了一個星上三層路由交換的思路，并基于此構建了一種GEO衛星IP組網方案，主要實現了衛星同交換域下用戶信息的鏈路層快速交換，不同交換域下用戶信息的網絡層IP路由交換處理。最后，進行了RIP路由協議在此網絡中的適應性研究，得出RIP協議設置水平分割技術能很大程度的降低網絡的協議開銷，對GEO衛星星上空間有限來說，將是一大優勢。

[1]Gopal W D，Arnold R，et al.SpaceWay now and in the Future:On-Board IP Packet Switching Satellite Communition Network[C]//Proceedings of IEEE Conference on Military Communications，2006：l-7.

[2]Florio，Fisher M A，Mittal S J，et al.Internet Routing in Space Prospects and Challenges of the IRIS JCTD[C]//Proceedings of IEEE Conference on Military Communications.Orlando：IEEE ，2006：l-7.

[3]Pulliam，JZambre，Y Karmrkar，eta1.TSAT network architecture[C]//Proceedings of IEEE Conference on Military Communications.San Diego：IEEE ，2008：l-7.

[4]C.Hedrick， “Routing Information Protocol”，RFC-1058[S]，Rutgers University，June 1988.

[5]G.Malkin，“RIP Version 2-Carrying Additional Information”，RFC-1388[S]， Xylogics， Inc.， January，1993.

[6]G.Malkin， “RIP Version 2 analysis”，RFC-1387[S]，Xylogics， Inc.， January 1993.

[7]龍華.OPNET Modeler與計算機網絡仿真[M].西安：西安電子科技大學出版社.