一種星地一體化路由設計的衛星IP網絡

(中國空間技術研究院 西安分院，西安 710100)

1 引 言

IP(Internet Protocol)在地面網絡中已占據了支配地位，但其在衛星系統中的應用仍比較有限。為與地面Internet互聯，衛星系統的IP化已是其發展的一個趨勢。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入、多媒體、信息中繼以及星地網絡一體化等需求。

從國內外的情況來看，具有星上IP路由交換功能的衛星系統都吸引了較大的資金和興趣用于研究與發展。如CLEO(Cisco router on Low Earth Orbit)[1]項目，星上搭載了一個真正的思科路由器；E2E-TLC(End to End Telecommunication Satellite System with On-board IP Routing)[2]項目，星上進行IP包路由；TSAT (Transformational Satellite Communications)[3]，星上裝載一個NGPR(Next-Generation Processor Router)用于包交換；SpaceWay3[4]，星上整合了一個具有路由功能的星載處理器；IRIS(Internet Protocol Routing In Space)[5]，星上搭載一個IP路由器用以測試空間路由技術。這些項目針對衛星上實現IP路由的研究都是通過像地面網絡一樣在網絡層級來實現的，它帶來很多優勢的同時，對星上資源的需求也急劇增加。

限于現有硬件條件的制約，星上資源緊張的局面暫時難以緩解。鑒于此，本文提出了一種地面路由星上交換的思路，并基于此構建一個GEO衛星IP網絡。這一系統需要實現的目標主要有：①實現大量衛星終端的單跳通信以及和地面網絡的IP互聯；②設計一個可擴展的路由結構以減少通過衛星的路由流量；③對終端進行分區以便路由和管理控制。文章將主要從系統的傳輸網絡和路由結構兩方面來進行闡述。

2 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同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)寬帶衛星在網絡層面展開。衛星網絡的組成主要包括寬帶衛星、地面網絡控制中心(NCC)和衛星終端(ST)，如圖1所示。星上具備交換的能力，允許任意波束覆蓋下的衛星終端間單跳通信。在服務覆蓋區內，所有的網絡管理、服務訪問、終端管理以及路由表建立等都由NCC負責。

圖1 衛星系統結構Fig.1 The architecture of satellite system

對于路由器來說，路由計算和更新、路由表的維護以及IP分組的選路占據了大部分資源，使得路由處理速度成為制約路由器的瓶頸。在參考地面高速路由器設計和充分考慮星上限制條件的基礎上，提出了一個基于星地一體IP路由的衛星網絡設計思路：

(1)將衛星和地面終端視作一個分布式路由器整體；

(2)IP分組的選路由地面終端執行，相當于分布式路由器的各端口處理部分；星上無需路由查找，只完成分組交換和流量控制等功能，相當于路由器的交換和中央處理器模塊；

(3)NCC收集各終端發來的外部網絡可達信息，再根據衛星網絡拓撲創建一個路由轉發表，當生成路由轉發表后將其發往衛星節點并廣播至所有ST，ST通過E-BGP協議向所連接的地面網絡發送衛星網路由信息以及通過衛星網可達的地面網絡的路由信息；同時，NCC動態維護一個地面終端與星上交換機端口的映射表，與路由表一塊發送；

(4)終端執行路由查找，確定下一跳網絡地址，如需經過衛星節點，則再查找端口映射表確定星上交換部分的輸出轉發端口；執行一個區分服務模型(Diffserv)，將IP分組進行QoS分類；判定IP包是單播還是多播分組，將這些信息寫入一個固定長度的信息頭(格式如圖2所示)，并將其添加到IP分組的頭部，然后發往衛星鏈路層組幀傳輸。

圖2 添加的轉發信息頭格式Fig.2 The format of the additional head of packet

圖2中，Sum域是信頭校驗和；M/B/U域指明信元為單播(U)、多播(M)還是廣播(B)；QoS域根據業務和QoS服務等級來具體定義；Outport域指代信元的星上輸出端口，從低到高每位二進制比特分別對應從低到高的輸出端口編號，其位數根據星上交換機的輸出端口數來確定。

3 基于IP的傳輸網絡

目前能提供IP服務的衛星系統有不少，如基于透明轉發的iPSTAR[6]和基于再生處理的WideBlue-1等，但都不是基于IP包一級的路由轉發。文獻[7]提出了一種基于ATM的IP傳輸與路由結構，但需設計復雜的地址轉換。本文描述的衛星系統傳輸結構基于IP包的路由轉發，全面支持端到端連接的IP服務。

一個典型的衛星IP分組傳輸過程如圖3所示。

圖3 衛星IP分組傳輸的過程Fig.3 The process of IP packet switching through satellite

其具體過程可描述如下：

(1)到達一個衛星終端或關口站的IP分組在本地進行路由選路，并確定星上交換機的轉發端口；在IP分組的頭部加上一個Eh信息頭，其攜帶有IP分組的星上轉發端口、QoS服務以及單播/多播/廣播表示的相關信息；然后進行鏈路層組幀、編碼和調制發送。這就是IP分組進入衛星網的地面段處理，可將其抽象成一個分布式路由器的輸入輸出處理部分；

(2)星上接收信號后進行解調、譯碼和解包，提取出IP分組的添加信息頭，讀取信息并進行相關處理；將IP分組分割并封裝成定長的內部交換信元，然后根據攜帶端口信息進行調度與轉發；交換機輸出端重組信元并送往相應下行信道。這是星上處理部分，可抽象為路由器的交換模塊，而地面NCC就相當于路由器的路由控制模塊。

基于IP協議的衛星網絡，由于無需預先建立衛星鏈路連接，降低了初次訪問的延時；同時，利用緩沖機制，能靈活管理單一信道的流量峰值。

4 路由結構

減少路由信息流量和衛星終端分區管理控制的能力是設計路由結構面臨的主要問題。減少路由流量可通過在NCC設置一個中心路由服務器 (Central Routing Service，CRS)進行集中路由來實現，避開網格式路由帶來的終端間大量路由信息交換。終端通過衛星發送的路由信息滿足基本需求即可，這樣通過CRS就能減少通過衛星的很大一部分路由信息流量。

關于路由策略，將衛星及其終端抽象為一個分布式路由器整體后，CRS就相當于路由控制模塊，ST就是其分布式輸入輸出處理和路由引擎部分。在衛星網絡內部，NCC完成ST的注冊和認證管理，并確定其所屬分區和映射關系；在注冊的同時，ST向CRS發送其所連外部網絡的路由信息，CRS收集所有終端的路由信息后計算出路由表。

ST的數量可很大，NCC的網控模塊需將所有ST編號并進行分區管理，將一個或相鄰多個波束范圍的ST劃分為一個區，并與星上交換機的端口做多對一映射，給出映射表，與路由表一同上傳至衛星并廣播。映射表和路由表同步定時更新，當設定時間內收不到某一ST的更新，表明已斷開連接，將其從路由表和映射表中刪除。由于屏蔽了衛星網絡的復雜結構，對外部網絡而言路由變得簡單了。

在終端與外部網絡之間，支持多種路由協議，使得衛星系統有足夠的靈活性來適應終端連接的不同網絡域。圖4所示為衛星網絡的路由結構及典型路由協議連接。圖4中，UT1連接一個區域網絡，可以是一個單一主機、子網、小型網絡甚至是幾個小型網絡的聯合體，它包含CRS，故在UT1和Area1間運行開放最短路徑優先協議(OSPF)。UT2連接ASm，CRS作為其中一個邊界路由器，在UT2和ASm之間運行內部邊界網關協議(I-BGP)。UTm+1連接一個獨立的自治域ASm+1，在它們之間運行外部邊界網關協議(E-BGP)以交換路由信息。類似地，信關站作為抽象路由器的端口部分，根據其連接網絡性質運行相應的路由協議。

圖4 路由結構圖及典型路由協議連接關系圖Fig.4 The routing architecture and the typical connectivity with different routing protocols

5 結 論

本文描述了一個基于IP的GEO衛星網絡傳輸和路由結構，以實現與地面IP網絡的無縫兼容。設計考慮了足夠的靈活性來支持大量的衛星終端(如100 000個)，星上具備交換的能力使得終端間可實現單跳通信。路由結構通過設置CRS的方式，避免了終端間的網格路由，能大幅度減少通過衛星的路由流量。星上不進行路由查找，對于星上資源的占用可以得到較大改善，有利于星上交換的實現；同時，通過IP包上行發送添加信息頭的特殊設計，使得IP多播的實現不再困難。這種設計在獲得其好處的同時，相對也限制了星上自適應路由的實現。擁塞與流量控制由地面CRS來實現，當星上某一信道很擁擠時，由于不能更改路徑，對于擁塞的控制和反應增加了不利。對于衛星IP網絡，其它像無線資源管理、IP-QoS保證、TCP傳輸時延和吞吐量等都是非常重要問題，目前國內外的研究也提出了一些對策，不過仍有待于進一步的研究和發展。

參考文獻：

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[3] Pulliam, J Zambre, Y Karmarkar, et al. TSAT network architecture[C]// Proceedings of IEEE Conference on Military Communications.San Diego: IEEE,2008: 1-7.

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[7] Yegenoglu, Alexander F, Gokhale R, et al. An IP Transport and Routing Architecture for Next-Generation Satellite Networks [J]. Network IEEE,2000, 14(5): 32-38.