一種適合GEO衛星IP網絡的路由架構及協議設計

尹 波，劉金燦，劉洛希

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.火箭軍駐廊坊軍事代表室，河北 廊坊 065000)

0 引言

近年來，在全球無縫覆蓋、寬帶高速傳輸、用戶隨遇接入、與地面網融合等需求的推動下，我國衛星通信系統開始向天地一體化寬帶多星IP組網發展，基于GEO衛星的寬帶多星IP組網成為當前我國衛星通信領域的研究熱點[1-2]。目前，寬帶多星IP組網有天星地網和天網地網兩種技術發展路線。天星地網依托全球部署信關站實現多星組網，如美國WGS、MUOS和Intelsat等衛星系統；天網地網基于星上處理、星間鏈路實現多星組網，如美國TSAT項目[3-4]。由于我國不具備在境外部署大型衛星接入站的基礎與實力，因此只能采用天網地網的方式實現基于GEO衛星的寬帶多星IP組網。

地面網絡采用分域的路由策略，單個自治域內的路由器規模有限(通常為數十臺)，且路由器之間網狀連接，路由器硬件處理能力能夠滿足路由協議處理的要求，因此現有RIP和OSPF等路由協議能夠很好地工作[5-6]。但在基于星上處理的寬帶多星IP組網中，單星下的地面終端數量可達數千個，且星載路由器與地面終端之間星狀連接，星載硬件計算處理能力無法滿足路由協議處理的要求。為此，提出了一種新的寬帶多星IP組網路由架構及協議方案，通過星地路由隔離，星載路由器僅負責星間路由的維護與計算，不再參與地面終端路由的計算，從而簡化了星載路由處理，保證基于國產星載硬件平臺的寬帶多星IP網絡可以支持大規模地面終端組網應用。

1 寬帶衛星IP網絡概述

寬帶衛星IP網絡是衛星通信網絡與計算機網絡融合應用的產物，為用戶提供各類基于IP體制的寬帶互聯網服務。與計算機網絡相比，衛星通信網絡具有傳輸距離遠、覆蓋范圍廣等得天獨厚的優勢，衛星通信網絡與計算機網絡的融合應用可以對地面網絡形成很好的補充和延伸[7-8]。由于我國不具備全球建站能力，寬帶衛星IP網絡需要在衛星節點具備星上路由交換、星間互聯的基礎上，構建全球覆蓋、多星組網的寬帶互聯網絡，并與地面互聯網互聯互通。寬帶衛星IP網絡的空間段可以是各類不同軌道衛星，包括GEO、MEO、LEO等，由于MEO和LEO等非地球靜止軌道衛星的星間拓撲變化頻繁，各種基于虛擬拓撲和虛擬節點等專用衛星路由策略與路由算法已有諸多提法[9-11]，本文所討論的路由架構及協議僅限于基于GEO的寬帶衛星IP網絡。

如圖1所示，寬帶衛星IP網絡空間段由5～6顆GEO衛星，通過星間激光鏈路組成環網，實現全球覆蓋。

圖1 GEO寬帶衛星IP網絡示意圖Fig.1 Schematic diagram of GEO broadband satellite IP network

衛星節點搭載星載交換機，為不同衛星、不同波束下的用戶IP業務提供快速轉發。路由技術是實現寬帶衛星IP網絡星間組網、星地組網的基礎，為使用戶IP業務在寬帶衛星IP網絡中多跳傳輸，路由技術必須高效、靈活、可擴展性。路由技術具體又包括了路由架構和路由協議等。由于寬帶衛星IP網絡具有地面終端網絡規模大、星載平臺處理能力弱等特點，因此不能照搬地面網絡的路由協議，需要結合實際應用場景，研究適合寬帶衛星IP網絡的路由架構及協議。

2 一種星地隔離的路由架構

借鑒地面標簽交換和大二層網絡等設計思想[12]，采取衛星路由與終端路由隔離、終端路由跨星無感擴散、星上標簽交換等設計方法，構建一個星上OSPF路由、終端RIP路由和星地隔離的路由架構。星載路由器運行OSPF路由協議，負責維護GEO衛星節點之間的網絡拓撲狀態，生成星間路由轉發表。地面終端運行RIP路由協議，負責維護地面終端之間的路由信息，并完成到衛星路由的轉換。在該路由架構下，星載路由器僅需維護衛星節點之間的路由轉發信息，且衛星節點規模很小(5～6個節點)，因此大大降低了對星載硬件平臺處理能力的要求。星地隔離的路由架構如圖2所示。

圖2 星地隔離的路由架構Fig.2 Routing architecture base on satellite-ground isolation

在該架構下，星上采用標簽交換方式，星載交換通過識別由目的衛星ID和目的終端ID構成的短標簽實現星間路由功能。星載交換接收到數據包后，如果其中的衛星ID與本星相同，則根據終端ID查找二層快速轉發表進行端口交換，如果衛星ID與本星不同，則根據衛星ID查找星間路由轉發表進行星間轉發。二層快速轉發表由終端入退網信令維護，星間路由轉發表由星載路由器運行路由協議生成。由于標準OSPF路由協議生成的路由表格式為目的網段、下一跳、出口等字段，不含標簽中的衛星ID信息，因此需要設計相應的轉換策略，將星間路由轉發表格式轉換為衛星ID、出口等字段。此外，終端RIP路由報文如何在衛星節點間擴散也是該路由架構需要解決的關鍵問題。

3 路由協議優化設計

3.1 星上OSPF路由協議優化

寬帶衛星IP網絡的衛星節點間組成環形網絡，較適合采用基于鏈路狀態算法的路由協議。目前，地面網絡中基于鏈路狀態算法的路由協議主要包括OSPF路由協議和IS-IS路由協議，二者應用于衛星網絡的協議性能基本相同[13-14]。考慮到OSPF路由協議是基于IP網絡設計的，且應用廣泛、配置簡單，星載路由器采用OSPF協議實現星間路由。為實現以OSPF路由表到基于衛星標簽的星間路由轉發表的轉換，本文設計了一種基于LoopBack接口路由表項的轉換方法，如圖3所示。

圖3 星間路由轉發表生成示意圖Fig.3 Schematic diagram of inter-satellite routing forwarding table generating

星間路由轉發表轉換流程：星上OSPF路由啟用LoopBack接口和星間接口，其中LoopBack接口IP地址設置規則為1.1.1.X/32，X代表衛星ID。星上OSPF路由收斂后，根據LoopBack接口路由表項，獲取衛星ID與相應出口等信息，生成基于衛星標簽的星間路由轉發表，下發給星載交換模塊，用于業務數據的星間轉發。

3.2 終端RIP路由協議優化

寬帶衛星IP網絡的地面終端間組成網狀網絡，網絡拓撲簡單，不存在冗余鏈路，且任意地面終端間僅一跳距離，較適合采用RIP路由協議。RIP路由協議采用組播或廣播方式向外發送路由報文[15-16]，由于星間路由轉發表僅支持單播報文的轉發，無法實現RIP路由報文的跨星轉發，為此設計了一種基于反向路徑檢查的終端RIP路由報文跨星轉發流程，如圖4所示。星載交換接收到RIP路由報文后，不需要解析處理RIP路由報文，僅需根據所攜帶的衛星ID進行反向路徑檢查，即可完成RIP路由報文的跨星轉發，有效降低了星載硬件平臺的協議處理壓力。

圖4 終端RIP報文星間轉發示意Fig.4 Inter-satellite forwarding mechanism of terminal RIP packet

終端RIP路由星間轉發流程：地面終端將其所在衛星的ID封裝到RIP報文中，發送給衛星節點的星載交換。星載交換接收到RIP報文后，若該報文來自星地接口，則向所有的星間接口和星地接口進行轉發；若該報文來自星間接口，則根據RIP報文的衛星ID進行反向路徑檢查，若檢查成功(即星間路由轉發表項出口與報文接收接口一致)，則向除接收接口以外的所有星間接口以及星地接口進行轉發，否則丟棄該RIP報文。

4 仿真驗證

使用OPNET軟件進行寬帶衛星IP網絡路由架構及協議仿真。OPNET軟件可提供近似真實的網絡環境及豐富的網絡協議模型，在衛星網絡仿真中得到了廣泛應用[17-20]。寬帶衛星IP網絡路由架構及協議仿真場景由5顆GEO衛星利用星間鏈路組成環狀結構，每顆衛星有2個星地波束，每個波束下有若干地面終端。仿真模型包括衛星模型和地面終端模型，其中衛星模型由星載路由器、星載交換、無線收發等模塊組成，星載路由器運行OSPF路由協議，星載交換采用衛星標簽交換方式。地面終端運行RIP路由協議，仿真結果如圖5所示。

圖5 星上OSPF和終端RIP路由仿真結果Fig.5 Simulation result ofsatellite OSPF routing protocol and terminal RIP routing protocol

從星上OSPF路由表仿真結果可以看出，每一條OSPF路由表項包括衛星ID、出口等信息，如網段為1.1.1.2/32的路由表項對應的衛星ID為sat_2、出口為IF2，因此可利用OSPF路由表轉換為基于衛星標簽的星間路由轉發表。從終端RIP路由表仿真結果可以看出，在星地路由隔離條件下，地面終端RIP路由仍能正常收斂，同時也驗證了基于反向路徑檢查的RIP報文星間轉發流程的正確性。在路由收斂性能方面，地面終端RIP路由收斂速度大幅提高，用戶站跨星切換收斂時間由標準RIP協議的180 s左右，縮短至1～2 s，為實現用戶站跨星無感切換提供了技術基礎。

5 結論

針對目前國內星載硬件平臺無法支持GEO寬帶衛星IP網絡大規模終端組網的問題，提出了一種星地隔離的路由架構，衛星節點運行OSPF路由協議，不參與終端的路由計算，僅負責維護星間路由轉發表。地面終端運行RIP路由協議，通過基于反向路徑檢查的星間轉發方式，實現全網擴散。通過仿真證明在星地路由隔離條件下，地面終端仍能正常實現路由收斂，有效降低了星載硬件平臺協議處理能力需求，為GEO寬帶衛星IP網絡大規模終端組網提供了技術基礎。