基于名址分離機制的低軌衛星組網架構研究*

葉榮飛，唐 瑜，陳 量

(重慶金美通信有限責任公司，重慶 400030）

0 引言

隨著商業航天興起，基于星上處理及星間鏈路的低軌衛星星座已經成為當前衛星通信的研究及建設熱點[1]。低軌衛星的用戶鏈路為衛星用戶站提供寬帶接入，星間鏈路實現業務在衛星間的路由傳輸，因此，低軌星座作為骨干網絡為地面用戶網絡提供了多跳路由交換功能，實現不同區域地面網絡的靈活互聯。

低軌衛星的高速運動除了導致星座的衛星之間的網絡拓撲變化外，也導致衛星用戶站的接入衛星在不停地變化。若要符合互聯網的網段路由規則，則用戶站的IP 地址需要變化，這對于以IP 地址為標識的應用會產生丟包、尋址錯誤等一系列問題。基于移動IP、用戶單體路由等傳統的路由尋址方式可以解決上述問題，但低軌衛星星座系統的地面用戶規模十分巨大，用戶的移動、衛星的移動導致衛星接入用戶整體移動，導致了路由的不可聚合性，衛星之間路由更新的頻率和通信量增大，路由收斂變慢，傳統路由方式的可擴展性被嚴重削弱。同時，由于星載資源的限制，在星上實現大規模的路由表項存儲和查找在現階段的工程實踐也不現實[2][3][4]。

基于名址分離的低軌星座組網架構可以使衛星網絡與地面用戶網絡的路由隔離，從而降低衛星星間組網路由規模，提高低軌衛星網絡的擴展性，并且可支持用戶在衛星間無縫移動切換。

1 名址分離思想及地面網絡實現方案

對于TCP/IP 協議棧，每層地址都有其標識，并具有一定的含義，例如以太網鏈路層的MAC 地址標識了網卡硬件身份，傳輸層的端口標識了本機的處理程序位置等。Internet 業務均使用IP 承載，IP 地址標識了虛擬身份；同時由于互聯網的路由規則采用了分類聚合的方式，IP 地址也代表位置信息。因此，IP 地址具有身份和位置雙重屬性。[5]

隨著移動互聯網的發展，大量移動用戶在不同接入點的移動導致用戶路由不可聚合，這種情況嚴重影響了骨干路由的擴展性，并引入了其他難以解決的問題。因此，國際IAB 組織提出引入兩個名字空間來分別表示節點的標識和位置，即Identifier 和Locator，在骨干網絡中采用RLOC(Routing Locator)，在邊緣接入處采用EID（Endpoint Identifier）的方式實現名址分離，這樣的方式實現了骨干網絡與接入網絡的路由隔離，保證了很好的擴展性及獨立性[6]。

基于名址分離的思想，地面網絡提出多種解決方案。比較著名的有思科公司提出的LISP（The Locator Identifier Separation Protocol） 等協議[5]。LISP 協議采用入口隧道路由器（ITR-Ingress Tunnel Router）、出口隧道路由器（ETR-Engress Tunnel Router）實現報文的隧道封裝及EID 和RLOC 的映射，最終完成數據的正確轉發。如圖1 所示，用戶網絡的數據到達ITR 后，ITR 提取EID，并查找EID 和RLOC 的映射，若本地未能獲得信息，則可通過MR 的查詢獲得；ITR 獲得映射關系后，通過隧道封裝發送至ETR，ETR 解封裝后，完成目標用戶的正確轉發。

圖1 LISP 框架

LISP 對于骨干網中的用戶之間的路由尋路采用了“先尋找目的網關，再解映射”兩步方式，使接入網和骨干網的路由域相互隔離，把映射關系的維護推向其他層次，這樣的變換使得骨干網絡的路由體系非常簡潔，具有更好的擴展性。

2 低軌衛星組網架構

對于低軌衛星的組網應用，除了采用信關站落地中心交換的方式外，還大量存在用戶間的直通應用。

系統網絡架構如圖2 所示。低軌衛星之間采用星間鏈路（Inter-Satellite Links,ISL）實現衛星網絡組網，信關站采用饋線鏈路實現與衛星的互聯，衛星用戶站利用衛星提供的用戶鏈路接入衛星網絡，用戶站又可對外提供網絡服務。這樣，形成了以低軌衛星為基礎的骨干傳輸網絡，用戶站之間接入低軌衛星形成地面網絡直通互聯的網絡結構。

2.1 雙層路由結構

對于一般的衛星通信系統，地面信關站實現用戶的鑒權注冊、移動管理等用戶控制功能，即信關站可以保存用戶站的名址映射關系，這樣，可以通過向信關站查詢名址關系，實現邊緣衛星路由器的正確尋路。但是，由于衛星星座的全球覆蓋性，來回查詢位置關系導致往返時延較大，很難滿足對時延要求較高的特殊應用；并且低軌衛星網絡切換頻繁，信關站可能保存了用戶站“過時”的位置信息，從而導致路由轉發丟包的情況。因此，本架構采用了分布式雙層路由實現名址分離機制。

名址分離機制最重要的是映射關系如何建立。考慮到衛星星間網絡需要支持大規模的專網用戶接入，EID 和RLOC 的映射關系如果在星上處理，則需要：

圖2 低軌衛星系統網絡架構

（1）在衛星星間網絡進行大量名址映射表的同步，消耗一定的帶寬；

（2）維護大量的映射關系，對星載硬件內存容量有一定的要求；

（3）名址映射查找功能，增加星載路由軟件復雜度，對處理能力要求高。

根據上述分析，若在星上載荷實現映射關系等功能，其擴展性不強：用戶數量映射路由表項的膨脹、路由更新的頻率和通信量的增大、路由收斂變慢,都會嚴重影響核心路由的可擴展性，因此，EID 和RLOC 映射關系采用在用戶站實現的方式。

如圖3 所示，雙層路由結構分為衛星路由域和用戶站路由域：衛星之間的路由實現衛星間的尋址，即RLOC 路由域；衛星用戶站作為ITR 或ETR 實現用戶數據的路由，即EID 路由域。

圖3 雙層路由架構

衛星用戶站間通過同步均在本地建立分布式映射系統方式：在每個入口-衛星用戶站都同步復制了一份完整的映射數據庫,改善了映射查詢延遲，并能很好地和低軌網絡切換結合。

2.2 地址封裝機制

本架構中，用戶網絡路由互聯功能采用在地面用戶站側實現名址映射完成ITR 和ETR 的功能，并設計三層地址方式分離星間網絡尋址、空口用戶站尋址、應用尋址，其地址封裝結構如圖4 所示。衛星星間網絡只實現RLOC 地址空間，這樣可以控制核心路由表的規模，降低星載處理的難度；EID用于無線鏈路空口尋址，分隔用戶站外接網絡路由，保證星載路由不再參與用戶站的路由交互；最后一層為應用尋址，用于用戶站所連網絡內部尋址。

在上述地址封裝設計中，RLOC、EID 均采用IP 方式開展編址，實現各層次的尋址功能。

2.3 分布式映射同步

衛星用戶站通過定期向衛星發送組播Hello 報文，可實現專網網絡的邏輯鄰居的信息交互。Hello信息如圖5 所示，包含衛星用戶EID 地址/衛星用戶所連網絡的網絡地址、衛星用戶站的GPS 信息、衛星用戶站是否車載/固定/機載、當前接入的衛星號及點波束號、最近一次接入的衛星號及時戳等。由于衛星星間組播路由是全網可見的，因此，衛星用戶站可獲得衛星網絡下所在子網的用戶站EID 與RLOC 的全部映射關系，甚至結合星歷信息可以提前預測對端用戶站的RLOC 信息。

2.4 對低軌衛星網絡切換的支持

在低軌衛星網絡中，由于衛星的高速運動及用戶站的移動導致大量的復雜網絡切換[4]，用戶站網絡位置的實時變化需要快速進行名址同步。通過鏈路層切換與網絡層的路由層操作，聯合實現網絡切換過程中的無縫切換。

如圖6 所示，鏈路層成功切換后，由于名址映射同步還未完成，導致切換過程中有一部分數據在原衛星發生數據前轉，暫時形成非最優路徑的轉發數據。根據上一次交互RLOC 的消息提前預測或者采用跨層設計方式觸發映射同步處理協議交互，保證了名址映射表在衛星網內用戶站之間快速同步，即可消除切換過程中存在的“三角”路由。

圖4 三層地址封裝

圖5 Hello 報文基本內容

圖6 網絡切換中的數據路徑

3 測試驗證

搭建如圖7 所示的地面驗證平臺。低軌衛星骨干網采用軟件路由器模擬，用戶鏈路采用本單位研制的衛星基站和用戶站。用戶站接入后，實現映射關系的同步，用戶站所連PC1/PC2 之間業務采用iperf 軟件的UDP 報文生成。通過相互發送業務及用戶無線移動模擬網絡切換，實測本架構對業務轉發及切換過程的支持性能。

測試記錄如表1 所示，結果表明，提出的網絡架構滿足低軌衛星組網要求。

圖7 測試網絡拓撲

表1 測試結果

4 結語

本文提出了一種基于名址分離機制的低軌衛星組網架構，通過設計雙層路由結構，采用三層地址封裝機制，提出名址映射分布式同步方法，解決了衛星路由域的擴展問題，并能較好地支持低軌衛星中的網絡切換。通過實際的測試驗證，實現了基于低軌衛星基礎網絡的靈活組網。