天基寬帶信息傳輸網架構與路由協議分析

陳特 高曌 劉偉 陶瀅 周鈉

(中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，北京 100094)

天基寬帶信息傳輸網依托高軌寬帶通信衛星，為陸海空天各類高速寬帶用戶提供寬帶業務接入和全球骨干傳輸服務，是聯通陸海空天的信息高速公路，可為我國“一帶一路”等戰略提供快速響應的全球信息服務能力。當前，由單星、多星向網絡發展成為了衛星寬帶通信領域的重要發展方向，從美國21世紀初的轉型通信體系[1]，到我國前期論證的天地一體化信息網絡[2]，都體現了網絡化的發展趨勢。衛星通信的網絡化發展，將引領信息領域基礎設施的巨大變革，對人類社會、政治、經濟產生深遠的影響。

傳統的高軌寬帶衛星通信系統采用星上透明轉發模式，通過在地面關口站進行協議處理來實現寬帶用戶組網與信息傳輸。這種方式能夠實現基本的組網應用，但很難滿足未來各類用戶隨遇接入、全球廣域組網通聯、多媒體業務靈活服務和快速響應等需求。特別在我國不具備海外廣泛建站的情況下，發展基于星上IP處理和天地融合組網的下一代天基寬帶信息傳輸網尤為重要。

隨著載荷技術的不斷進步，衛星逐漸具備一定的協議處理能力，從透明轉發、物理層/鏈路層處理逐步向星上IP路由轉發方向發展。從國內外的發展情況來看，具有星上路由交換功能的衛星通信系統已得到越來越廣泛的關注。美國休斯公司研制和運營的太空之路(Spaceway-3)系統具備星上數字處理和分組交換能力，由星載處理器和地面網控中心共同實現了路由功能[3]，使終端之間能夠實現網狀組網通信，提升了組網靈活性。美國思科公司的空間因特網路由器(IP Routing In Space, IRIS)搭載在國際通信衛星(Intelsat-14)上，使衛星具備完整的IP路由器功能，并實現了虛擬專用網絡、視頻/數據傳輸等在軌試驗[4]。

鑒于上述背景，本文面向高軌天基寬帶信息傳輸網網絡化能力提升需求開展組網技術研究，提出網絡架構與組網方案，并針對IP路由協議進行適用性分析，從而為天基寬帶信息傳輸網系統設計提供參考。

1 網絡架構

1.1 網絡組織結構

天基寬帶信息傳輸網主要由空間段、地面段和用戶段3個部分組成，系統采用天地一體化設計理念，通過分組路由交換、星載網控等技術提高天地融合組網能力。其中，空間段星座由多顆高軌衛星構成，用于實現全球常態覆蓋；同軌道面衛星通過星間鏈路形成星間骨干環網，國土可見衛星與地面關口站之間通過星地饋電鏈路構成星地骨干傳輸鏈路。地面段包括地面關口站、衛星網絡管控中心、地面測控站等，主要實現網絡管控、資源調控、衛星測控、與地面網絡互聯互通等功能。用戶段包含陸海空天各類寬帶用戶，涵蓋固定、便攜、車載、船載、機載和星載等終端類型。根據系統組成，天基寬帶信息傳輸網的網絡組織結構見圖1，星間、星地和地面鏈路連接空間段、地面段和用戶段的各類路由器節點、主機終端等，實現全球信息通聯。

圖1 網絡組織結構

如圖1所示，其中，星載路由交換設備、地面關口站、路由器型終端等運行基于IP協議框架的路由協議，相互進行路由信息交互和學習；此外，地面側網絡用戶可通過衛星終端/地面關口站接入衛星網絡，獲取網絡服務。

1.2 節點功能

1.2.1 衛星節點

衛星節點作為空間段核心路由節點，具備完整的IP路由器功能，與地面關口站、衛星終端構成衛星網絡，并通過具有路由功能的地面節點(地面關口站和路由器型終端)拓展到地面網絡，構成天地一體融合網絡。

1.2.2 地面段和用戶段節點

在天基寬帶信息傳輸網中，地面段和用戶段節點作為各類用戶業務的匯聚節點，既包括路由器型節點(地面關口站、能力較強的用戶終端)，也包括無法進一步擴散路由信息的主機型節點(能力較弱的用戶終端)。地面段、用戶段節點功能如圖2所示，其中，路由器型節點主要為地面大站，包含路由交換模塊，可掛接地面側網絡和各類主機用戶；主機型節點設備功能簡單，不具有路由交換功能，僅需完成標準以太網協議與衛星鏈路協議之間的轉換。

圖2 地面段、用戶段節點網絡功能示意圖

2 組網方案設計

考慮到地面側網絡規模大、形態多樣，且分屬不同的管理機構，為便于獨立管理，同時減少路由擴散范圍，降低星載路由計算開銷，天基寬帶信息傳輸網可采用劃分路由自治域的組網策略(見圖3)。

如圖3所示，衛星網絡與用戶側網絡分屬不同的路由自治域，自治域內部采用相同的域內路由協議，解決端到端最優路由問題，其中衛星路由自治域采用標準或改進路由協議，用戶側網絡則采用地面標準協議；自治域之間部署邊界路由器，采用邊界網關協議(Border Gateway Protocol, BGP)實現域間互通、路由聚合與隔離。

為實現波束內、不同波束間、不同星間的快速轉發，網絡采用二層快速交換結合三層路由轉發的路由交換策略[5]：可將衛星節點的一個或多個波束配置為一個快速交換域，對于域內終端間的IP數據業務，衛星基于鏈路層地址(二層)快速交換；不同交換域之間的IP數據業務，基于目的IP地址進行網絡層(三層)路由轉發，以降低協議處理開銷和復雜度，提高星上路由交換性能。

3 路由協議適用性分析

路由選擇信息協議(Routing Information Protocol, RIP)與開放最短路徑優先(Open Shortest Path First, OSPF)路由協議是最常用的動態路由協議。針對以上兩種協議，本文重點從鏈路開銷和收斂特性兩方面進行分析，從而為天基寬帶信息傳輸網路由協議設計提供技術支撐。

3.1 RIP協議

RIP協議適用于中小規模網絡，是動態路由中最先得到廣泛應用的一種協議，在使用上非常簡單，對路由器的處理和存儲能力要求相對較低。RIP協議基于距離向量算法完成路由計算，路由器在剛開始工作時，只知道到直連網絡的距離；經過若干次路由信息交互后，所有的路由器最終都會知道到達域內任何一個網絡的最短距離和下一跳路由器的地址。

值得注意的是，由于我國鋼鐵生產企業各自的操作規程不同，爐批材料的成分和性能也不一致，雖都符合材料標準，但波動范圍大，材質的一致性、均勻性和穩定性較差。同時，國內鋼鐵生產企業眾多，各自技術水平、設備生產能力不同，導致航空用鋼鐵材料的性能數據較為分散，離散系數大[9]。

3.1.1 鏈路開銷分析

根據RIP協議基本原理[6]，每個RIP報文最多包含25條路由信息，而路由信息條目數量等于網絡中子網個數NSubnet。因此，結合RIP報文封裝格式，每個路由器終端發送的RIP路由開銷可以表示為

(1)

式中：LRIP為路由信息條目的長度(byte)；協議的頭部開銷H=HRIP+HUDP+HIP+HMAC，其中HRIP為RIP報文頭部長度(byte)，HUDP為UDP頭部長度(byte)，HIP為IP報文頭部長度(byte)，HMAC為鏈路幀開銷(byte)；nRIP=Ceil(NSubnet/25)為每個路由器一個發送周期內發送的RIP報文數量；TRIP為RIP報文發送周期。

在同一個波束下，每個路由器(衛星和衛星終端)均需要向鄰居路由器發送路由信息，因此該波束的RIP路由協議星地鏈路總開銷為

CBeam=NU·CRIP

(2)

式中：NU為該波束下終端數量。而對于星間鏈路，路由協議開銷為

CISL=CRIP

(3)

為驗證上述理論分析的正確性，本文基于OPNET網絡仿真軟件進行了RIP協議鏈路開銷仿真計算，并與理論計算值進行對比。受仿真規模的限制，每個衛星的波束數量為6，每波束的終端數量為40。由表1的計算結果可見，理論計算結果與仿真結果基本一致。因此對于網絡規模更大的天基寬帶信息傳輸網，可采用本文得出的理論公式開展鏈路開銷分析。

表1 單終端鏈路開銷

在天基寬帶信息傳輸網中，假設地球靜止軌道(GEO)衛星數量為5，每顆衛星的波束數量為16，根據式(1)、式(2)和式(3)可以得到在不同網絡規模下的星地、星間RIP路由協議鏈路開銷，見表2。當單波束終端數為200(總終端數16 000)、地面子網規模達到20 000時，單終端的鏈路開銷達到120 kbit/s，這對于能力相對較弱的衛星終端來講將承受較大的鏈路壓力。此外，相比于星地開銷，考慮到星間激光鏈傳輸能力相對很強(>Gbit/s)，因此星間開銷不會占據太多的傳輸資源。

表2 RIP路由協議鏈路開銷

當衛星終端發生跨波束切換時，終端IP地址切換至目的波束對應的網段，將會發生路由觸發更新。根據RIP協議基本原理，由于切換前后路由跳數不變，因此路由信息將在超時定時器(默認值為180 s)經過一半時間后發生更新[6]，并完成路由計算。由此可知，當發生跨波束切換時，RIP路由重收斂時間最長大約為幾十秒量級[7]。

而當衛星終端發生跨星切換時，由于路由跳數發生變化，因此路由信息將在超時定時器超時后發生更新[6]。因此，跨星切換時RIP路由重收斂時間最長大約在180 s左右[7]。

3.2 OSPF協議

OSPF協議是一種典型的鏈路狀態協議，采用問候(Hello)分組來實現鄰居路由器的發現與保持，通過數據庫交換與泛洪達到數據庫的同步，最后采用迪克斯特拉(Dijkstra)最短路徑優先算法計算路由，可以實現快速收斂，且不容易受到有害路由選擇信息的影響。此外，OSPF協議使用區域概念減少對路由器CPU和內存的占用，可以支持大型網絡的動態路由。

3.2.1 鏈路開銷分析

OSPF路由協議開銷主要分為兩類：一類是用于建立和維護鄰接關系的Hello數據包，另一類是進行鏈路狀態同步的數據包。相比于RIP協議，OSPF協議不會定期發送路由信息，僅在鏈路度量更新時才會觸發鏈路狀態通告(Link State Advertisement，LSA)報文的發送，因此，在網絡路由收斂后，路由協議鏈路開銷僅來源于Hello數據包的周期性發送，這將遠遠小于RIP路由協議造成的鏈路開銷。

根據OSPF協議基本原理[8]，Hello數據包數據包含的是鄰居路由器的列表，因此其長度取決于建立鄰接關系的鄰居路由器的數量。假設路由器ID長度為LOSPF,建立鄰接關系的鄰居路由器個數為M，則單個路由器終端發送的Hello數據包開銷為

(4)

(5)

由此可見，單波束Hello數據包開銷近似與該波束下終端數量的平方成正比。

本文基于OPNET網絡仿真軟件進行了OSPF協議鏈路開銷仿真計算。受仿真規模的限制，GEO衛星的數量為5，每個衛星的波束數量為8，每波束下的終端數量為50。圖4所示為OSPF路由協議的單波束星地鏈路總開銷，其中，在路由收斂過程中鏈路的峰值開銷約為2.3 Mbit/s，這主要是鏈路狀態同步造成的；而當路由收斂之后，星地鏈路開銷穩定在11 kbit/s左右，這主要來源于周期性發送的Hello數據包。可見，OSPF路由協議相比于RIP路由協議可顯著降低鏈路開銷。

圖4 OSPF路由協議鏈路開銷

3.2.2 跨波束和跨星切換條件下的收斂特性分析

當衛星終端發生跨波束切換時，會發送新的Hello包和LSA信息。根據OSPF協議基本原理[6]，由于新LSA包中的度量值未發生變化，需要等到Hello包定時器(默認值為40 s)超時后才會更新路由條目，并完成路由計算。由此可知，在跨波束切換條件下的路由收斂時間最長大概在40 s左右。

而當衛星終端發生跨星切換時，新LSA包中的度量值變大，此時同樣需要等到Hello包定時器超時后才會更新路由信息[8]。因此，跨星切換時OSPF路由重收斂時間最長大概在40 s左右。

3.3 協議對比

總體而言，RIP協議具有實現簡單、計算開銷較小等優點，但同樣具有明顯的缺點，在開展天基寬帶信息傳輸網路由協議設計時需要針對性考慮：一方面，當網絡拓撲發生變化時，RIP協議重路由收斂較慢，這是由RIP協議的定時更新機制決定的；另一方面，當網絡發生故障時，由于形成路由環路，需要較長的時間才能將故障信息傳送到所有的路由器，因此在實用中需要采用水平分割策略以避免環路的形成。

與RIP協議相比，OSPF協議具有顯著的優點：支持更大范圍、更大規模的網絡，并且在網絡拓撲結構發生變化時可以實現相對快速的收斂；進行嚴格的開銷控制，將協議自身的鏈路開銷控制到最小；此外，由于OSPF協議基于鏈路狀態數據庫信息計算路由，從算法本身可避免路由環路的出現。然而，OSPF路由協議配置管理比較復雜，鏈路狀態數據庫維護和路由計算的處理開銷比較大，因此在開展路由協議設計時需要有針對性地進行輕量化處理。

4 結束語

本文面向高軌天基寬帶信息傳輸網天地融合組網需求，一方面基于系統組成，開展了網絡架構分析與組網方案設計，提出了路由自治域劃分方案和路由交換總體策略；另一方面重點針對RIP和OSPF路由協議進行了鏈路開銷與收斂特性分析，并完成了仿真驗證，結果表明：地面IP路由協議各有優缺點，在后續開展路由協議設計時需要進行針對性改進。本文的研究結果可為天基寬帶信息傳輸網的總體論證和組網協議設計提供參考。