基于標識/位置分離的衛星網路由架構研究

王旭陽，孫晨華，馬廣龍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

隨著星上處理技術發展，衛星通信系統進入天基網絡時代。在以衛星為核心的天基網絡中，IP數據業務的傳遞需要基于星載路由器的路由技術來完成。衛星網絡從路由域的角度可分為上/下行鏈路路由(UDL)和空間段路由(ISL)［1］。空間段路由(ISL)負責在衛星的星間鏈路間計算滿足一定需求的最優路徑。上/下行鏈路路由(UDL)部署在衛星和衛星終端之間，負責將接入網連接到衛星核心網。本文中的空間段是多顆GEO利用星間鏈路互聯構成的網狀結構，衛星終端有固定終端和移動終端之分，移動終端在同一衛星的不同波束間和不同衛星之間移動。

傳統地面網絡拓撲變化頻率低，當網絡達到穩定狀態后不需要頻繁地更新路由表，同時路由器計算能力和存儲能力滿足協議的要求，因此現有路由協議能夠很好地工作。但衛星用戶數目增加使得核心路由表迅速膨脹，終端移動導致路由表重新收斂和星載路由器的有限存儲/處理能力等問題，使得衛星網絡路由面臨著來自移動性、擴展性［2］，地面已經成熟的路由協議不適用于衛星網。

為此，參考標識/位置分離思想提出了一種新的衛星網絡路由架構方案，改善核心路由的擴展性，同時保證接入網靈活快捷地接入核心網。

1 標識/位置分離思想

互聯網發展之初，IP地址具有標識(EID)和位置(RLOC)雙重屬性，即IP地址既代表一個合法的互聯網用戶身份，又表示終端在網絡中的位置。IP地址雙重屬性主要是針對固定方式連接設計，因此能夠很好地工作。隨著互聯網的快速發展，并且地面網絡中出現了大量的移動用戶，由此IP地址的雙重屬性就帶來了移動性問題，弱化了IP地址作為位置標識的聚合特性，嚴重影響了核心路由的可擴展性，還帶來了一些安全問題，加大了訪問控制的復雜性和難度［3］。

針對地面網的這些問題，國際IAB組織提出通過引入2個名字空間來分別表示節點標識和位置來解決IP地址的雙重屬性［4］。引入標識/位置分離之后，節點之間的通信會話可以基于固定EID地址，從而更好地支持網絡的移動性。核心網絡使用純凈的RLOC地址空間，杜絕非聚合地址前綴進入核心路由，保證核心路由的聚合特性，控制路由表的規模［5］。

為了實現標識/位置分離思想，需要映射服務系統完成EID和RLOC兩套名字空間的轉換，映射服務方案主要有2種模型:“PULL”模型和“PUSH”模型。“Pull”模型在入口查詢映射服務器并將結果緩存在本地，“Push”模型將整個映射數據通告到邊緣，在每個入口都復制了一份完整的映射數據庫。目前地面網絡主流映射實現方案有HIP、Shim6和LISP，這里主要參考LISP的實現方案［6］。

LISP通過入口隧道路由器(Ingress Tunnel Router，ITR)和出口隧道路由器(Egress Tunnel Router，ETR)實現了核心網絡和用戶網絡的分離［7］，通過一個映射系統來實現從EID至RLOC的映射解析［7］。LISP通過IP-in-IP的封裝及解封裝機制實現業務在核心網中的路由和轉發。LISP采用“Pull”模型完成映射關系的查詢，雖然“Pull”模型減少了入口存儲的映射狀態數目，卻增大了映射查詢延遲，LISP數據流程如圖1所示。

圖1 LISP數據流程

相比地面網絡，衛星網絡具有拓撲結構簡單、鏈路傳輸時延長和廣播特性等特點［8，9］，所以衛星網絡采用標識/位置分離思想時，應根據這些特點進行針對性的改進。

2 衛星網絡路由架構

根據LISP中的標識/位置分離思想，用戶網絡使用EID地址，衛星使用RLOC地址，衛星終端同時擁有RLOC地址和EID地址，網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 網絡的拓撲結構

衛星終端的拓撲位置地址(RLOC)分配與網絡拓撲保持一致，這樣可為衛星網絡提供純凈的RLOC地址，保證星載路由器上路由表的聚合功能，控制路由表的規模，達到節約星載路由器存儲空間的目的。衛星終端節點身份地址(EID)則是典型的組織邊界，用戶網絡可通過EID地址方便地進行通信。衛星終端移動時重新分配RLOC地址而EID地址保持不變，這樣既可以實現用戶間連續性通信，又可以防止由于移動引起衛星網絡路由的重新收斂，從而節約了星上處理能力。

2．1 業務的收發

基于標識/位置分離思想的衛星網絡路由架構中采用地址映射(Map-and-Encap)方法實現業務數據的收發。衛星終端作為用戶網絡和衛星網絡的橋梁，部署入口隧道路由器ITR、出口隧道路由器ETR以及本地代理Agent。衛星網絡路由架構信令和數據流程如圖3所示。

當用戶網發送以EID為目的地址的數據包送到衛星終端ITR后，ITR通過查詢本地的映射系統獲得目的EID對應的RLOC，這個階段是Map-and-Encap的Map階段［10］。ITR使用自己的一個RLOC作為源地址，使用查找到的RLOC為目的地址進行IP封裝，這個階段是Encap階段。數據包在衛星網絡根據外層RLOC地址進行路由和轉發。當包到達目的端衛星終端的ETR時，ETR解封裝并根據內層的EID地址發給目的端［11］。

圖3 衛星網絡路由架構信令和數據流程

2．2 映射系統的建立

本地代理和星上的映射服務器采用“PULL”和“PUSH”混合模型共同完成映射系統的建立。星上的映射服務器維護整個衛星網絡的映射關系和本星下的代理列表。本地代理功能包括:

①管理本子網節點的EID列表;

②接入衛星網時RLOC地址申請;

③完成EID-RLOC映射注冊;

④在接收星上服務器廣播的映射后完成本地映射表的更新;

⑤本地映射缺失時向星上映射服務器進行查詢。

代理模塊在開機后分別向路由交換模塊發送EID查詢消息和向星上的映射服務器發送RLOC地址請求消息［12］。EID查詢消息查詢接入衛星終端的子網EID前綴，完成EID列表建立。路由交換模塊一旦檢測到有新的子網接入該衛星終端，向移動代理模塊發送EID更新消息。在接收到RLOC地址請求信息后，映射服務器按照拓撲規劃分配給終端RLOC地址。

衛星終端的移動代理完成EID查詢和RLOC請求后，向星載路由器的映射系統發送注冊請求，注冊請求中包含EID和RLOC的映射關系。映射系統進行映射關系的更新，并將這個更新信息發送給其他的星載路由器的映射系統，以保持各個星載路由器映射系統的同步。星上的映射服務器利用衛星的廣播特性將更新廣播到各個移動終端和固定終端的移動代理。

當衛星終端移動時，代理在鏈路層切換完成后向星載路由器請求重新分配IP地址，并完成與上面所述相似的映射更新過程。

3 仿真驗證

下面采用OPNET軟件進行仿真，OPNET能為通信協議研究提供與真實網絡相似環境，此外功能完善的結果分析器為協議性能的分析提供了有效、直觀的工具［13］。

仿真拓撲是5顆GEO衛星利用星間鏈路組成網狀結構，每顆衛星有2條星地波束，每個波束內有若干固定終端和移動終端。移動終端后面連接客戶端C，固定站后面連接服務器S，移動終端和客戶端組成的子網在不同波束間進行切換，客戶端C和服務器S之間進行IP Telephony業務通信。

仿真有統一部署動態路由協議和采用標識、位置分離2個場景。仿真目的是在終端移動時，比較不同場景下客戶端C收到服務器端S的應答狀況，仿真結果如圖4所示。

圖4 仿真結果

圖4中，虛線是采用標識和位置分離后的業務應答情況，此時空間段路由(ISL)采用靜態路由。實線是空間段路由(ISL)和上/下行鏈路路由(UDL)統一部署動態路由協議，沒有采用標識和位置分離的業務應答情況。虛線的中斷是衛星終端移動后的映射更新引起的，實線的中斷是因為終端移動造成整個網絡的路由重新收斂。仿真結果表明，采用標識和位置分離的衛星網絡路由架構有利于移動節點的通信。

另外采用統一部署動態路由協議場景下，星載路由維護大量的路由表，包括目的地址為用戶網段的條目和目的地址為星載路由端口的條目。而采用標識和位置分離的衛星網絡路由架構場景只需維護幾條目的地址為星載路由端口的條目即可。所以，采用標識和位置分離的衛星網絡路由架構有利于路由表的擴展，節約星上的存儲和計算資源。

4 結束語

基于標識/分離思想并根據衛星網絡固有的特點提出一種新的衛星網絡路由架構，通過引用2個命名空間分別表示衛星終端的位置和標識，解決了IP語義過載的問題，實現了骨干網和接入網絡的分離。骨干網使用純凈的RLOC地址，隔絕用戶網的EID地址，控制路由表的規模，有效地解決了衛星網絡的路由擴展問題。通過仿真證明衛星終端的移動不會引起核心網路由表的重新收斂，業務能夠更好地保持連續性，所以該路由架構能夠更好地支持終端的移動。

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