空間路由交換體制現狀與發展設想*

虞志剛，馮旭，陸洲，高吉星

（中國電子科學研究院，北京 100041）

0 引言

隨著空天技術的迅猛發展，以及商業航天蓬勃興起，國內外低軌星座計劃層出不窮，連接陸海空天融合成“一張網”成為未來網絡/6G 的重要發展方向。作為陸海空天一體化網絡的重要組成部分，空間網絡具有廣域覆蓋、靈活組網、不受地面環境限制等顯著優勢，能夠為遠洋航行、應急救援、航空運輸等提供全球網絡通信服務。

空間網絡由位于不同軌道的、執行不同任務的各類衛星、飛艇等航天器和地面站之間通過微波/ 激光鏈路互連組網而成[4-5]。近年來，隨著星上處理和星間組網技術進步，衛星之間可通過星間鏈路互聯組網，消除了傳統衛星通信對地面站的依賴。與此同時，國內外眾多低軌星座計劃不斷涌現，如表1 所示[7-8]，大量先進制造、管理、網絡技術加速了航天產業發展步伐。

表1 國內外衛星互聯網星座計劃

路由交換體制作為空間網絡的關鍵技術之一，決定著網絡節點之間互連的模式及提供服務的粒度，一直是工業界和學術界關注的熱點問題。迄今為止，空間網絡經歷了微波交換、信道化交換、分組交換等發展階段，各階段的發展均受到技術與應用共同驅動。目前，在空間路由交換體制方面，國內外研究主要聚焦于某一衛星通信系統的路由交換體制的優化設計。據作者所知，尚未有系統性梳理空間路由交換體制文章。因此，本文將重點梳理空間交換體制的技術特征、路由交換架構以及路由協議設計，并在此基礎上總結分析，提出未來空間路由交換體制的發展設想，以期為后續空間網絡的研究提供有價值的參考。

1 空間網絡

空間網絡作為地面網絡的延伸與拓展，將網絡疆域從近地空間拓展到遠地新空間，從地面二維覆蓋延伸到空間三維新泛在[9]。一方面，空間網絡實現不同軌道的衛星節點、臨近空間節點之間以及與地面站節點之間的互聯互通[10]，構建內部“一張網”；與此同時，空間網絡也為地面網絡、海洋網絡、深空網絡等網絡提供互聯互通橋梁，形成全局“一張網”。

1.1 空間網絡架構

空間網絡通常由空間段、地面段和用戶段組成，其中空間段負責用戶接入與數據傳輸，組成包括高軌衛星（GEO）、中軌衛星（MEO）、低軌衛星（LEO）以及臨近空間飛艇（HAP）等；地面段主要包括地面站（GND）、移動關口站等，負責系統運維管理以及與其他網系互連互通，用戶段包括機載、船載、車載、手持等各類終端，以及為用戶提供服務的各種應用系統。

1.2 空間網絡特征

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

（2）網絡拓撲動態。一方面，低軌衛星軌道距地700～2 000 km，處于高速運動狀態，衛星之間或衛星與地面站之間切換頻繁，通常10 分鐘左右一次[13]，導致拓撲時變。另一方面，高軌衛星（地球靜止軌道）距地36 000 km，星地往返時延250 ms，導致傳輸時延長。

（3）環境復雜開放。一方面，處于電磁開放的空間，電磁環境異常復雜，衛星容易宇宙射線、太陽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、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型

經過近半個多世紀的發展，空間網絡路由交換體制經歷了多個發展階段。按照是否星上進行信號處理，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 為按照交換體制來梳理空間網絡發展歷程示意圖。

圖1 按照交換體制來梳理空間網絡發展歷程

（1）微波交換

即星上透明轉發，顧名思義，即星載設備對接收到的電磁信號不進行調制/ 解調等處理，僅對物理信號按照提前預設的規則，進行變頻，再轉發至地面站。負責此功能的星載設備通常稱為“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、復用器和微波交換矩陣組成。信號經過接收天線的接收、低噪聲放大器的放大后，經模擬下變頻器變頻到合適的中頻，此中頻信號經過帶通濾波后進入中頻交換矩陣進行交換，微波交換矩陣通常根據地面控制中心的命令預先配置，對進信號按照預先的配置進行交換，交換后的中頻信號經過一級或者多級變頻后進入信號復用模塊進行信號復用，此復用信號經過高功放的放大后通過發射天線發送。

圖2 微波交換模塊組成示意

（2）分組交換

與星上透明轉發相反，引入對信號的解調、譯碼、編碼和調制等一系列處理[15,17]，通過對信號的解調與再生去掉線路中疊加的噪聲，提高鏈路傳輸質量。通過統計復用、按需分配網資源，可以進一步提高資源利用率。與此同時，隨著星載計算能力的不斷增強，以及多速率、復雜服務質量的應用涌現，分組交換體制逐漸成為空間網絡發展的主流方向。

（3）信道化交換

信道化交換亦稱數字透明轉發，處于透明轉發與星上處理之間，是一種具有部分星上處理能力的半透明轉發技術[18]，采用數字化處理方式，借助非均勻濾波器組實現對星上信號的分析和綜合，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 信道化轉發器功能示意

如圖4 所示，與地面網絡類似，空間交換體制從電路交換（微波交換、信道化）向分組交換的轉變，受到技術與應用的雙輪驅動：一是技術推動。隨著空間技術以及商業航天的迅猛發展，星載計算處理能力日益提升，為分組交換體制提供了技術基礎；二是應用驅動。隨著網絡應用和流量均向IP 化轉變，空間網絡采用分組交換將能更好地適應突發性強的應用。

圖4 空間路由交換粒度

2.2 空間路由交換架構

與地面路由器類似，空間路由器也可以劃分為轉發平面與控制平面[19]，如圖5 所示：

圖5 空間路由器組成架構

控制平面：重點在于建立和維護路由轉發表，可簡單概括為路由計算，即收集網絡拓撲信息，并為輸入的數據信息計算出合適的傳輸路徑。

轉發平面：負責依據控制面生成的路由轉發表中所包含的信息將數據信息從路由器的一個輸入接口搬移到合適的輸出接口，完成信息轉發。

為了方便后續表述，本文將具備轉發和控制能力的設備統稱為路由器，轉發既可以是三層分組數據包、二層標簽數據包、以太網幀，還可以是物理層光信號或微波信號等。

2.3 第一階段：微波交換

微波交換仍是空間網絡中使用最為廣泛的路由交換體制，大部分在軌的衛星通信系統均采用此體制，如Inmarsat（2007）、OneWeb（2017）等國外系統，以及天通一號（2016）、中星16（2017）[20]等國內系統。下面以Inmarsat 為例進行介紹：

（1）系統組成

Inmarsat[21]可為海、陸、空各行業用戶提供全球安全救險和商用寬帶衛星通信服務，空間段包括位于地球同步軌道3 顆主衛星和1 顆備份衛星，地面段包括衛星關口站、網絡運行中心等；用戶段主要為用戶終端設備。

（2）路由架構

Inmarsat 是天然的軟件定義網絡（SDN,Software Defined Network）路由架構，即“星上透明轉發+地面控制”，終端或地面站通過衛星運控系統申請頻率和建立鏈路。

（3）路由協議

星上的路由交換功能主要為將收到的信號先變頻再通過微波交換矩陣從對應的信道發送出去。其中，微波交換矩陣通常由地面控制中心通過測控命令進行預先配置。

（4）分析總結

優勢：微波交換的信號交換過程是在模擬濾波器和中頻交換矩陣中實現的，如果信號的載波頻率不發生大的改變，則透明轉發器與信號調制和解調的類型、編碼譯碼的準則以及上層協議無關，造就了透明轉發器性能靈活、設備可靠性高以及易于體制更新等優點。

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

2.4 第二階段：信道化交換

過測控信道上注信道化器。

（4）分析總結

優勢：一是解決了傳統通信衛星采用透明彎管轉發只能實現波束層級的交換，無法實現載波級交換的問題，支持較小粒度的交換；二是規避了衛星通信體制的約束，使系統具有靈活選擇合適通信體制、劃分最佳信道、臨時組網的能力，提高了靈活性與可靠性；三是滿足多樣化應用需求（如寬帶、抗干擾、變帶寬、變速率），實現任意用戶信號從任意輸入波束到任意輸出波束的路由，滿足可變帶寬業務、網絡拓撲靈活調整的需求。

劣勢：相對微波交換，信道化交換可以提供更加細粒度的交換，但是隨著互聯網應用向空間網絡的逐漸擴展，信道化交換無論是交換容量、細粒度均顯不足。

2.5 第三階段：分組交換

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

（1）系統組成

WGS 空間段包括12 顆通信衛星；地面段主要用于控制衛星、傳輸和管理用戶業務，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

采用“空間轉發、地面控制”的兩層路由架構，即“星載信道化器+地面控制”。

（3）路由協議

尚無公開資料介紹信道化交換的路由協議，通常通

隨著空天技術發展，星載處理能力日益增強，空間交換體制開始向具有更大交換容量和更加靈活的分組交換轉變。常用包括包交換、ATM 交換、IP 交換、MPLS 交換等，典型系統有Spaceway3（2007）[15]、IRIS（2007）[22]、WINDS（2008）[17]等國外系統，以及天智一號（2019）[23]、玉衡號（2019）[24]、電科天象（2019）[25]等國內系統。

（1）包交換

Spaceway3 是美國休斯公司于2007 年研制的寬帶多媒體通信衛星，支持星上處理包交換，交換容量10 Gbps，實現終端之間的網狀組網。

1）系統組成

與傳統寬帶衛星系統類似，Spaceway3 由通信衛星、用戶終端、地面站、網絡運行控制中心和應用服務系統等功能實體組成，如圖6 所示。為全面兼容IP 業務，用戶終端對外提供IP 接口。

圖6 Spaceway3系統組成

2）路由架構

采用“控制中心+通信衛星+用戶終端”的三層路由架構：

控制中心對應控制面，負責全網拓撲信息的收集、路徑計算，建立/ 維護/ 更新一張全網所有用戶終端、信關站之間可達全局路由表，保證全網通達。鑒于Spaceway3采用基于MAC 的包轉發，路由表實際是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

通信衛星上的包交換模塊對應轉發面，負責依據數據包頭部的MAC 地址，根據預設的規則，將數據包交換到正確的輸出端口（下行波束）。

用戶終端對應轉發表，具有一定的路由緩存能力，即維護一張本地路由表。用戶終端有數據包要發送時，首先查詢本地路由表，若能夠查詢到該IP 對應的MAC 地址，則直接按照路由表指示的下一跳的MAC 地址進行轉發；若本地路由表無法查詢到該IP 數據包對應的下一跳MAC地址，則向控制中心發起查詢請求，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，發送業務數據；

②用戶終端A 本地緩存路由表沒有IP2 與其對應MAC 地址的映射表項目；用戶終端A 向控制中心發起查詢請求，查詢IP2 地址對應的MAC 地址；

③控制中心查詢全局路由表，返回IP2-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，并在A 發送到B 的數據包前面封裝MAC2 地址。

圖8 Spaceway3上行數據包格式

⑤衛星交換模塊接收數據包，依據MAC 地址將數據包轉發至相應輸出端口（下行波束）。

⑥后續一段時間內，發送至該IP 地址的數據包將采用此IP2-MAC2 映射表。

3）路由協議

采用基于MAC 地址的路由，用戶側完全兼容IP 業務承載，衛星側采用MAC 地址進行轉發，如圖9 所示。星上包交換僅需維護用戶終端與用戶終端、信關站之間的路由表，且相互之間只需單跳，類似于局域網模式，與ARP 協議相似，并不需要運行復雜的路由協議。

圖9 Spaceway3用戶面協議棧

4）分析總結

優勢：Spaceway3 首次采用星上包交換實現用戶終端之間的網狀組網，一是縮短通信時延，傳統星狀組網下用戶終端之間需要經由地面站通信需要兩跳，該系統中用戶終端之間無需經過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地面控制中心的依賴，避免控制中心成為系統瓶頸，有效提高可靠性。三是用戶終端具備一定的路由緩存功能，簡化了星上包交換模塊的設計，送到星上包交換模塊的數據包均攜帶了需要轉發的下一跳的MAC 地址，交換模塊僅需交換轉發到對應的下行波束即可，無須維護動態路由表。

劣勢：一是網絡規模有限。Spaceway3 采用類似于地面局域網交換原理—基于MAC 地址進行查表轉發，控制中心、通信衛星、用戶終端之間共同構建一個二層交換機，而其ARP 表由地面控制中心計算和維護，用戶終端緩存ARP 表，衛星僅基于MAC 地址進行簡單轉發，雖然二層交換簡單，但規模將會受限。二是需要改造用戶終端，對現有用戶終端的兼容性差。傳統用戶終端不參與網絡路由轉發過程中，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路由過程，兼容性相對較差，除此之外用戶終端的緩存能力有限又直接限制了網絡規模。

（2）ATM 交換

WINDS 是日本開發的超高速率寬帶多媒體衛星通信系統[17]，是世界上第一顆星上ATM 交換、Gbps 通信的衛星，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）系統組成

WINDS 系統在通信體制、星上交換體制等方面開展了大量關鍵技術驗證，星上交換支持微波交換、ATM 交換、混合交換三種模式。ATM 交換模式實現高速全雙工通信，最大速率達155 Mbps；而微波交換模式實現超高速全雙工通信，最大速率達1.2 Gbps。

2）路由架構

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

圖10 WINDS路由流程

控制中心對應控制面，負責全網拓撲信息的收集、路徑計算，建立/ 維護/ 更新一張全網所有節點之間可達的PVC（永久虛電路）配置表。

通信衛星上的ATM 交換模塊對應空間路由器架構的轉發面，控制中心將PVC 轉發表提前寫入ATM 交換機，交換機提取接收到的信元頭部控制信息VPI/VCI，如圖11 所示，查詢PVC 轉發表，將數據包交換到正確的輸出端口（下行波束）。

圖11 WINDS上行數據包格式

①用戶終端A 向控制中心發起向用戶B 發起通信；

②控制中心負責分配相應用戶A/B 的時隙并配置路由器ATM 交換模塊的PVC 配置表；

③ATM 交換模塊接收數據包，提取信元VPI/VCI 信息，依PVC 配置表將數據包轉發至相應輸出端口。

3）路由協議

尚無文獻介紹WINDS 采用的路由協議，參考標準的ATM，協議棧如圖12 所示：

圖12 WINDS用戶面協議棧

4）分析總結

優勢：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行統一進行控制，根據不同業務需求按需切換模式，以適應不同傳輸速率和網絡構架的要求。

缺點：一是星上透傳與處理轉發并存，僅有部分波束支持處理轉發，其他仍進行透明轉發，整體容量相對受限；二是處理邏輯較為復雜，各項關鍵技術指標均領先，但后續沒有采用此混合體制的商用衛星，可見技術成熟度尚待進一步提高。

（3）IPv4/IPv6 交換

2009 年太空互聯網路由器（IRIS 載荷）[22]發射升空，支持IPv4/IPv6 交換，標志著互聯網走向太空。

1）系統組成

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

圖13 IRIS系統組成

2）路由架構

IRIS 空間路由器的核心是“思科18400”路由器載荷，主要包括兩個組件：調制解調器接口機柜，負責實現時分多址（TDMA）、單路單載波（SCPC）調制解調；路由處理引擎（RPE），負責提供動態路由；兩個組件均可通過加載軟件實現功能升級。

不同于Spaceway3、WINDS 采用地面集中式架構，IRIS 空間路由器支持OSPF、BGP 等分布式路由協議，即空間路由器收集網絡狀態并動態計算路由，無需地面參與。

3）路由協議

IRIS 實現將路由器搬上天，轉發面支持IPv4、IPv6，控制面支持OSPF、BGP 等分布式動態路由協議，協議棧如圖14 所示。

圖14 IRIS用戶面協議棧

4）分析總結

優勢：一是解決了傳統透明轉發通信體制中的兩跳通信問題；二是IP 技術具有很強的適應性，可以運行在任何物理介質和二層網絡之上，實現IP 協議連接地面和太空的基礎設施，與地面網絡無縫互聯，即“IP over everything”，無須網關，優于Spaceway3、WINDS；三是完全分布式路由協議，可以繼承地面互聯網的高可靠特性。

劣勢：一是分布式路由協議，完全由空間路由器計算和維護，對星載計算資源提出了更高要求；二是隨著用戶數N增加，路由表數量成N*N增長，且傳統路由采用最長前綴匹配，無疑加大對星上計算能力的要求，無論是功耗還是計算能力都將面臨挑戰；三是空間輻照環境，如果面臨錯誤或者宕機，將會產生業務中斷，難以遠程修復和維護。

（4）MPLS

2019 年6 月，中國電科采用海上發射兩顆天象實驗衛星[25-26]，兩顆低軌試驗星構建最簡網絡模型，且衛星成功搭載國內首個基于SDN 的空間路由器。

1）系統組成

系統由兩顆搭載空間路由器的試驗衛星以及地面站組成[26]，如圖15 所示。

圖15 天象試驗衛星系統組成

2）路由架構

充分借鑒了地面技術，采用“SDN 實現控制和業務分離，控制中心向地面下沉，減少星上處理壓力，星地構成轉發云”[25]。

3）路由協議

該系統采用一種自主設計的路由協議，其具有身份位置分離的特征[25-26]，目前尚未有公開資料詳細介紹天象衛星的路由協議細節。文獻[27-28] 曾提出基于標簽的空間交換技術，如圖16 所示，在網絡邊緣節點（LER）實現IP 地址向標簽（Label）的轉發，標簽交換節點（LSR）只需完成基于標簽的轉發，具體的標簽交換路徑（LSP）的配置和管理由地面控制中心負責。

圖16 MPLS協議棧

4）分析總結

優勢：一是提供2.5 層轉發，通過等價交換類的概念將某一類IP 轉發轉變為標簽轉發，實現2.5 層轉發，提高網絡轉發效率；二是提供較好可擴展性，MPLS 支持IP、AOS、X.25 等各種協議的承載；三是提供服務質量保障，MPLS 借鑒電路交換的思路，試圖在IP 網絡上提供接近電路交換的服務質量，是地面網絡實現流量工程的重要方法。

劣勢：一是信令較為復雜，MPLS 于1996 年提出，是運營商為了提供有保證服務質量的技術，然而具體實現過程中在傳統IP 協議棧之上還需額外維護LDP 協議，負責標簽的分發和路徑建立，同時對星載處理提出更高要求；二是空間網絡尤其是低軌網絡拓撲多變，其形成的標簽交換路徑LSP 面臨頻繁的中斷、重新建立、中斷的循環，鑒于MPLS提供面向連接的服務，每一次中斷都需要重新去分發標簽交換路徑，對地面控制中心產生了強依賴，彈性尤顯不足。

3 新型路由交換技術概述

（1）軟件定義網絡

1）技術簡介

軟件定義網絡作為一種新型網絡架構，采用控制平面與轉發平面分離的思路，對網絡中鏈路、路由、流量等按需調度，實現可編程網絡。

2）優勢分析

相較于地面網絡提出SDN 網絡架構將控制與轉發分離，衛星網絡具有“天然SDN”，即轉發與控制分離的優勢。如傳統的透明轉發式衛星，數據轉發由衛星負責，路由計算與路由表上注均由地面控制中心負責，適應星上計算能力不足、地面計算能力豐富的特征。

（2）分段路由

1）技術簡介

分段路由（SR,Segment Routing）[28]脫胎于MPLS，但又做了革命性的顛覆和創新，由源節點來為應用報文指定路徑，并將路徑轉換成一個有序的Segment 列表封裝到分組頭中，路徑的中間節點只需根據分組頭中指定的路徑進行轉發。

2）優勢分析

與MPLS 類似，SR 旨在分組交換網絡上構建面向連接、可提供服務質量的傳輸服務。然而，相較于MPLS，SR 不需要額外維護LDP 協議，只需對IGP 或BGP 簡單改造，簡化了控制面協議。目前，SR 已應用于中國移動5G 網絡，未來可作為空間網絡的一種選擇。

（3）可編程轉發

1）技術簡介

SDN 的本質特征是控制平面與轉發平面的分離以及可編程性。為使轉發平面（設備）進一步擺脫對特定協議的依賴，2013 年，華為提出了協議無感知轉發（POF,Protocol Oblivious Forwarding），即轉發硬件設備對數據報文協議和處理轉發流程沒有感知，網絡行為完全由控制面負責定義[29]；2014 年，斯坦福大學提出了可編程的協議無關分組處理器（P4,Programming Protocol-Independent Packet Processors），控制面直接使用P4 語言編寫網絡應用[30]。兩種解決方案均采用軟件定義轉發的思路，實現從控制平面到轉發平面的全開放。目前，英特爾已推出支持P4 的Tofino 交換芯片。

2）優勢分析

一是未來空間網絡需要承載通信、導航、遙感等多樣化業務，可能導致AOS、MAC、SCPS-NP、IPv4、IPv6、IDP、MPLS 等多樣化協議的存在，可編程轉發通過賦予轉發平面可編程能力，使轉發平面不再局限于特定協議。二是面向多樣化協議，可編程轉發支持在線的靈活配置，可以通過地面配置來軟件定義轉發規則。

（4）全光交換

1）技術簡介

隨著業務應用對帶寬的需求與日俱增，傳統的微波通信已難以滿足新應用對帶寬的需求，因此激光通信成為備選方案。美國TSAT 衛星計劃中，星間鏈路采用10 Gbps 激光鏈路。雖然計劃未能實現，但激光通信是未來發展趨勢，歐洲、日本等地區開展研究工作較早，也取得較好進展，2010年德國近地衛星TerraSAR-X 開展了星地、星間激光試驗，最大速率5.6 Gbps、最大距離5 000 km。

2）優勢分析

一是激光通信具有高帶寬、低功耗的特征，適合衛星節點資源受限的場景；二是激光具有很好的指向性，可以很好地避免由于越來越密集的衛星導致的頻譜干擾問題。

4 總結分析

綜上所述，與地面網絡發展路徑類似，國內外針對空間網絡的路由交換體制整體上經歷了從電路交換（微波交換、信道化）向分組交換的轉變，表2 對三種交換體制進行對比和分析。下面將從星載開銷、交換粒度和應用場景等方面進行對比分析：

表2 空間路由交換體制對比

微波交換作為使用最為廣泛的交換體制，星載開銷相對最小，穩定性好，交換粒度最大，類似于光纖交換，可以實現波束級交換，主要適應大粒度交換的應用場景，主要缺點是存在噪聲積累與“兩跳”通信問題。

分組交換作為地面最為廣泛的交換體制，星載開銷最大，路由交換容量嚴重依賴星載處理載荷的能力。目前開展了星載試驗，設備尚未完全成熟，交換粒度為分組，可以實現最細粒度的交換，適合互聯網應用場景，主要缺點是對星載處理要求高，成熟度不足。

信道化交換是處于微波交換與分組交換之間，星載開銷適中，需要進行數字濾波等操作，交換粒度適中，類似于地面光網絡的波長級交換，可以實現信道級交換。

多模態交換架構如圖17 所示。

圖17 多模態交換架構

5 發展設想

技術和應用未來仍將成為推動空間路由交換體制的更新迭代的重要動力：一是地面網絡技術飛速發展，并逐漸向空間拓展，空間網絡將成為未來網絡/6G 網絡的重要組成部分；二是空天技術的快速進步將為設計更小功耗的星載處理設備提供了可能；三是商業航天的蓬勃發展，也可以大規模縮減生產、制造和發射成本，為空間網絡發展提供持續動力；四是作為未來實現全球覆蓋的重要實現手段，空間網絡承載的業務類型既包括通信、導航、遙感等傳統業務，還要適應物聯網等新型應用，對空間網絡服務質量要求也將異構多元。綜上分析，技術推動空間網絡引入更加先進網絡技術，滿足差異化的應用需求，發展趨勢總結如下。

5.1 多模態交換

考慮天地異構業務應用的形態（傳統應用/新興應用，軍事應用/ 民事應用），以及不同應用差異化的服務質量需求，空間網絡的架構需要支持動態重構，能為不同應用建立不同的虛擬網絡，滿足差異化的服務質量需求。為此，借鑒多模態網絡概念[9]，提出面向多元業務的“激光交換+微波交換+信道化交換+分組交換”的多模態交換架構，如圖23 所示。充分發揮各種交換體制的優勢，最大化滿足應用需求，比如對于大帶寬的天基中繼應用需求可以采用激光交換或微波交換；對于細粒度的寬帶組網通信可以采用信道化交換；對于互聯網業務就可以采用分組交換；對于大量數據回傳就可以采用光交換。未來，選擇合適的交換技術體制滿足應用需求是不可逆轉的發展趨勢。

5.2 靈活轉發面

縱觀國內外衛星互聯網星座計劃，我們發現除分組交換以外，未來相當長一段時間內，微波交換、信道化交換等傳統交換體制仍將長期存在，如圖18 所示。隨著空間網絡以衛星互聯網的形式出現，未來將作為全球信息基礎設施的重要組成部分，必須滿足垂直行業差異化的服務保障需求，勢必要求轉發面將靈活、多粒度以滿足不同業務差異化需求。P4/POF 等可編程轉發技術可以使轉發邏輯與特定的格式解耦，兼容多種多樣的數據格式，支持AOS、MAC、SCPSNP、IPv4/IPv6、MPLS 等，且支持遠程定義與重構。

5.3 智簡控制面

一方面，分組交換領域SR 作為MPLS 的替代技術，可以極大地簡化信令，降低轉發面的復雜度，非常適合空間網絡處理能力弱、功耗低的環境，支持遠程定義與重構；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期并存，轉發面的靈活異構難以避免，建立“統一分組控制網”勢在必行，如圖18 所示，收集全網狀態數據庫，控制器據此形成控制策略，再通過微波交換矩陣、信道化器、光交換機等多樣轉發器實現按需轉發。

圖18 多模態交換網絡、統一分組控制網絡

5.4 統一幀格式

一方面，為了簡化空間網絡與地面網絡的互聯互通，同時考慮對現有各類終端操作系統對IP 格式的天然支持，建議三層采用IP，實現與地面網之間無縫互聯；另一方面，為了簡化空間網絡內部節點之間的數據傳輸，建議統一幀格式，內部采用二層進行高效轉發。綜上，可以概括為對內為一個“高速局域網”，節點之間通過二層進行互通；對外則相當于一個IP 網絡，方便與地面網互聯互通。

6 結束語

隨著空天技術的迅猛發展，打通陸海空天融合成“一張網”成為未來網絡發展的重要方向。依據空間路由交換體制的關鍵特征進行分類，并以典型衛星通信系統為例，闡述了已有空間路由交換體制的核心機理、存在的問題以及發展趨勢，并在此基礎上，提出了“多模態路由交換”與“統一分組控制網”發展設想，以期為后續空間網絡的研究提供有價值的參考。