周瑾 朱立東 吳詩其 電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 成都 610054
摘要: 本文首先提出星上IP路由存在的主要問題，接著對現(xiàn)有LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)支持IP業(yè)務(wù)的解決方案和具有星際鏈路的LEO星座網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的IP路由策略進(jìn)行綜述，指出今后研究的主要方向。未來的通信網(wǎng)要支持綜合業(yè)務(wù)， MPLS在網(wǎng)絡(luò)的速度、路由、流量工程、QoS管理等方面提供了前所未有的功能，可統(tǒng)一承載多種協(xié)議，滿足移動高速多媒體業(yè)務(wù)的要求。然而MPLS的最終標(biāo)準(zhǔn)還遠(yuǎn)未形成，而且衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中移動用戶存在切換和移動性管理問題，對其在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還需大量研究。
關(guān)鍵詞: 衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)， 路由， 隧道，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換，邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議，MPLS
本文由國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目NO.60372013《用中軌星座構(gòu)建我國的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)》提供支持。
1 引言
近年來，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在個人通信中的作用愈發(fā)重要。LEO(low earth orbit )衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)因其傳播時延相對較小、用戶終端體積小、發(fā)射功率較低等特點(diǎn)，在提供全球通信服務(wù)上具有一定的優(yōu)勢，如GLOBALSTAR等LEO衛(wèi)星系統(tǒng)現(xiàn)已可提供全球的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。隨著人們對多媒體業(yè)務(wù)的需求增加和因特網(wǎng)的快速發(fā)展，IP技術(shù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究得到了更多人的關(guān)注。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)要與因特網(wǎng)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)各種多媒體應(yīng)用，就需要支持IP業(yè)務(wù)傳輸，為IP組播和IP QoS提供良好的技術(shù)支持，保證傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的互操作性，本文主要涉及網(wǎng)絡(luò)層中的IP路由問題。
下文內(nèi)容主要為：第二節(jié)提出星上IP路由存在的主要問題，第三節(jié)分析LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)支持IP業(yè)務(wù)四種主要解決方案的特點(diǎn)，指出各自的問題和以后研究的重點(diǎn)，第四節(jié)對具有星際鏈路的LEO星座網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部路由策略進(jìn)行歸納總結(jié)，第五節(jié)總結(jié)全文，指出研究的主要方向。
2 星上IP路由存在的主要問題
2.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要由衛(wèi)星群（或星座）、信關(guān)站、網(wǎng)管和用戶終端組成。特定星座系統(tǒng)的衛(wèi)星間可通過星際鏈路或信關(guān)站彼此連接。對于非靜止軌道衛(wèi)星，星與星之間存在切換問題。復(fù)雜的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，如銥星系統(tǒng)，其星載轉(zhuǎn)發(fā)器還具有交換和處理功能。
2.2 星上IP路由存在的主要問題
2.2.1 路由表管理問題
如果星上的路由表包括星座網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的信息，路由表的大小和復(fù)雜性可想而知。因此，盡量簡化星上路由表，減少衛(wèi)星和地面網(wǎng)之間需交換的路由信息和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是解決這一問題的關(guān)鍵。隔離兩種網(wǎng)絡(luò)間路由更新信息的傳播是解決這一問題的有效策略，對地面網(wǎng)絡(luò)屏蔽衛(wèi)星的移動信息，而對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)則屏蔽地面網(wǎng)絡(luò)的地址和路由信息。
2.2.2 路由速度問題
路由節(jié)點(diǎn)查詢路由表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)要經(jīng)過查包頭、查路由、改包頭、發(fā)送等幾個階段，其中路由查詢和發(fā)送兩個環(huán)節(jié)對路由速度影響最大。前者需要在大量路由中找出最匹配的一條，無論由軟件還是硬件來實(shí)現(xiàn)都很耗費(fèi)時間。發(fā)送包時需要對包進(jìn)行排隊(duì)，排隊(duì)算法（還有當(dāng)前流量等因素）會影響到包滯留的時間。這兩者最終都會影響到路由速度和上層業(yè)務(wù)的質(zhì)量。而交換節(jié)點(diǎn)只需把分組從一個接口傳到另一個接口，過程簡單，速度很快，可考慮結(jié)合兩者的優(yōu)勢來改進(jìn)性能。
3 LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)支持IP業(yè)務(wù)的解決方案
3.1 隧道技術(shù)
當(dāng)星座網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層不支持IP路由時，可在星座網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建隧道把地面網(wǎng)絡(luò)IP包封裝在本地網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包中，使用本地路由協(xié)議進(jìn)行傳輸。星座網(wǎng)絡(luò)作為獨(dú)立的路由體系不再需要外部路由信息或路由表的存儲信息，可實(shí)現(xiàn)透明路由。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1，圖中同時具有支持IP和隧道功能的站點(diǎn)包括通過星座網(wǎng)絡(luò)接入因特網(wǎng)的客戶機(jī)，接入LAN和其他地面網(wǎng)絡(luò)的小型路由器，以及連接因特網(wǎng)的大型邊界網(wǎng)關(guān)BGP。
因?yàn)樾亲W(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的路由體系和地址方案不同，所以必須在信關(guān)站中建立C-AR服務(wù)器（constellation address resolution server），其作用類似地面網(wǎng)中的ARP服務(wù)器。[13] 信關(guān)站將一IP地址映射為一對CID(cell ID)和TID(terminal ID)以實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換。
采用隧道技術(shù)可隔離星座網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立尋址和獨(dú)立路由更新，滿足不同網(wǎng)絡(luò)的需求。但也有不足之處，如處理包頭、分段封裝過程增加了處理開銷；IP包被封裝成數(shù)據(jù)段在隧道中傳輸，其TTL字段不變，不能確知實(shí)際經(jīng)過的跳數(shù)；支持IP QoS和IP組播較困難。
3.2 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(Network address translation簡稱NAT)
NAT分離星座網(wǎng)絡(luò)編址和因特網(wǎng)編址，它們各自擁有獨(dú)立的地址空間。星座網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)只需知道如何路由到兩網(wǎng)邊界的信關(guān)站，不用互相傳播路由更新信息。信關(guān)站中配置NAT，實(shí)現(xiàn)星座網(wǎng)絡(luò)用戶的內(nèi)部地址與外部地址之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對因特網(wǎng)IP路由的支持。
網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢在于：查找路由表過程簡單，目的地址掩碼操作即可決定地址所屬區(qū)域；因?yàn)槿蚵酚杀泶娣旁谛抨P(guān)站中，報(bào)頭地址轉(zhuǎn)換完全由信關(guān)站完成，所以空間段的復(fù)雜性減小。其不足之處在于：影響現(xiàn)有應(yīng)用和安全服務(wù)的實(shí)現(xiàn)；需要特定的應(yīng)用級網(wǎng)關(guān)完成重寫包頭、復(fù)制或重寫頭地址或端口信息，增加了處理開銷和實(shí)現(xiàn)難度；由于只有包的第一段包含協(xié)議和應(yīng)用的源及目的端口信息，剩余段的段ID不唯一，它破壞了IP分段，使得對端客戶的多個連接跟蹤較困難。
3.3 外部路由
星座網(wǎng)絡(luò)可看作具有不同編址方案的自治系統(tǒng)，信關(guān)站作為星座網(wǎng)絡(luò)的邊界網(wǎng)關(guān)，完成星座網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)的地址轉(zhuǎn)換，與因特網(wǎng)之間通過特定的邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議交換選路信息。
[1]針對星座網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)將因特網(wǎng)常用的邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP-4修改成BGP-S，由BGP-S協(xié)議實(shí)現(xiàn)星座網(wǎng)絡(luò)自治系統(tǒng)和因特網(wǎng)中其他自治系統(tǒng)之間的連通。如圖2，當(dāng)PGW發(fā)現(xiàn)路由需經(jīng)過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時，通過BGP-S計(jì)算出最優(yōu)路由。BGP-S可根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時延較長的特點(diǎn)自動修改配置，不用人工配置優(yōu)化路由策略，例如多條路徑可選時，根據(jù)時延大小設(shè)定路徑優(yōu)先級。其中衛(wèi)星不直接參與計(jì)算路徑，只傳輸數(shù)據(jù)包，跟蹤活動PGW（active PGW）。
3.4 多協(xié)議標(biāo)簽交換 MPLS(Multiprotocol Label Switching)
MPLS是面向未來的核心交換技術(shù)，它有效地繼承并發(fā)展了IP 和ATM各自的優(yōu)勢，即“接入IP優(yōu)勢+核心ATM優(yōu)勢”的策略，能在無連接網(wǎng)絡(luò)中引入連接模式，支持各種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。
MPLS屬于第三層交換技術(shù)，引入基于標(biāo)簽機(jī)制后，它把選路和轉(zhuǎn)發(fā)分開，由標(biāo)簽來規(guī)定一個分組通過網(wǎng)絡(luò)的路徑。MPLS網(wǎng)絡(luò)由標(biāo)簽邊緣路由器(LER)和標(biāo)簽交換路由器(LSR)組成。LER分析IP包頭，決定相應(yīng)的傳送級別和標(biāo)簽交換路徑(LSP)；LSR根據(jù)數(shù)據(jù)流所攜帶的標(biāo)簽進(jìn)行交換式轉(zhuǎn)發(fā)，作用相當(dāng)于ATM交換機(jī)與傳統(tǒng)路由器的結(jié)合。如圖3，星座網(wǎng)絡(luò)為MPLS網(wǎng)絡(luò)，信關(guān)站中配置LER，承擔(dān)標(biāo)簽交換出/入口角色，行使路由聚合功能。
MPLS主要優(yōu)勢在于：轉(zhuǎn)發(fā)的硬件基礎(chǔ)是便宜、成熟的ATM交換技術(shù)，最大限度兼顧了原有技術(shù)，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)的融合統(tǒng)一；簡化了IP與ATM集成技術(shù), 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本減少；可直接使用顯示路由(explicit routing)，大大簡化流量工程的應(yīng)用，保障QoS；使用標(biāo)簽堆棧后，龐大的路由表變得很小，路由擴(kuò)展性提高；強(qiáng)大的綜合業(yè)務(wù)平臺，可承載語音、IP和多媒體業(yè)務(wù)。
由于衛(wèi)星與地面站或地面終端之間存在切換，因此LSP也存在切換問題。使用多級標(biāo)簽對通信中的移動終端（MT）進(jìn)行動態(tài)位置跟蹤，LSP的動態(tài)重路由等問題，都需要進(jìn)一步研究。
4 具有星際鏈路的LEO星座網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部路由策略
地面網(wǎng)常用的RIP(Routing Information Protocol)和OSPF(Open Shortest Path First)路由協(xié)議，需要在建立連接和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化時交換網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，它們不可能直接應(yīng)用于LEO星座網(wǎng)絡(luò)。LEO星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化會導(dǎo)致傳播的信息量非常大，系統(tǒng)開銷過大。然而星座網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)固定，星座運(yùn)動的規(guī)律性和可預(yù)見性等特性使得其路由策略有簡化和變通的可能。
星座網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部路由策略的目標(biāo)就是在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立最優(yōu)路徑，并在整個通信過程中保持最優(yōu)，滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求。下面介紹具有星際鏈路的星座網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部路由策略的主要思想：
4. 1 離散時間虛擬拓?fù)渎酚蒁TVTR (discrete-time virtual topology routing)
基本思想是利用星座拓?fù)涞闹芷谛院涂深A(yù)見性來優(yōu)化路由。系統(tǒng)周期分為若干個時隙，星座網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、每條星際鏈路的權(quán)值在一個時隙內(nèi)不變，權(quán)值可根據(jù)衛(wèi)星間的距離、星際鏈路持續(xù)時間、幾何位置等因素計(jì)算。信關(guān)站預(yù)先算出每個時隙內(nèi)任意兩顆衛(wèi)星之間的最優(yōu)路徑，衛(wèi)星不需復(fù)雜的計(jì)算功能，但需較大的空間存儲路由表。此策略屏蔽了衛(wèi)星的移動，可應(yīng)用于面向連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如基于ATM的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[2][3][4]。
然而ATM等虛電路交換的一個隱含的條件是呼叫阻塞機(jī)制，即拒絕所有不能滿足QoS的呼叫。可考慮讓網(wǎng)絡(luò)給用戶提供一個選擇質(zhì)量降級連接的機(jī)會，并通過適應(yīng)性編碼等技術(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率和呼叫處理能力。
4. 2 基于虛節(jié)點(diǎn)VN(virtual node)構(gòu)成的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
基本思想是利用星座拓?fù)渥兓囊?guī)律性來屏蔽衛(wèi)星的移動性。地面分成若干個小區(qū)，每個虛節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一部分小區(qū)，分配一個邏輯地址，固定的虛節(jié)點(diǎn)構(gòu)成邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個虛節(jié)點(diǎn)在任意時候各由一顆衛(wèi)星表示，衛(wèi)星不斷運(yùn)動，虛節(jié)點(diǎn)相繼由不同的衛(wèi)星表示。每個虛節(jié)點(diǎn)含有對應(yīng)區(qū)域內(nèi)所有用戶信息和相關(guān)的路由信息，在星座用戶看來，他們只是和這個虛節(jié)點(diǎn)通信。星座網(wǎng)絡(luò)路由策略可基于虛節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的靜態(tài)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由地面的連接控制系統(tǒng)采用一般的路由協(xié)議（如RIP和OSPF等）實(shí)現(xiàn)[5]。
4. 3 基于邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
對于N條軌道，每條軌道M顆衛(wèi)星的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，以經(jīng)緯度[lon,lat]表示衛(wèi)星的地理位置, [p,s] (p=1,2…N, s=1,2…M)表示衛(wèi)星的邏輯地址，可構(gòu)造相應(yīng)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。基于這種邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由，可不考慮衛(wèi)星的移動性。[8]將軌道分成兩個半圓，實(shí)際軌道數(shù)為N，邏輯軌道數(shù)則為2N，邏輯節(jié)點(diǎn)分屬兩部分i=1,2…N和j=N+1, …2N。采用分布式路由，即每個邏輯節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)包單獨(dú)路由。 [9]基于Teledesic星座模型，采用混合路由策略（鏈路狀態(tài)算法和最短路徑算法）實(shí)現(xiàn)。[6][7]基于walker 星座模型，提出分布式數(shù)據(jù)包路由算法，即對每個數(shù)據(jù)包單獨(dú)路由并保證最小傳播時延。算法分為三階段：①方向估計(jì)：假設(shè)任意位置兩點(diǎn)間時延相等，根據(jù)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（網(wǎng)格結(jié)構(gòu)）決定下一跳的邏輯地址，以使數(shù)據(jù)包更接近目的地；②方向改進(jìn)：根據(jù)不同地理位置星際鏈路(ISL)時延的不同（如高緯度區(qū)域的ISL時延較低緯度區(qū)域小），決定備用路徑中時延最短的一條作為主路徑(primary path)；③擁塞避免：若輸出隊(duì)列長度超過門限則存在阻塞，則調(diào)整路由方向，若主路徑擁塞則采用備用路徑。
基于邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由算法通常采用理想的系統(tǒng)模型分析，如walker 星座模型，不一定能適用于其他實(shí)際的星座系統(tǒng)。
4. 4 以后的研究方向
星座網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部路由策略研究的主要方向是綜合考慮影響QoS的各種因素，如時延、時延抖動等，在整個通信過程中保持最優(yōu)路徑，滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求。
[10][11]主要考慮切換導(dǎo)致的延時對QoS的影響。[10]將星際鏈路持續(xù)時間和傳播時延作為度量計(jì)算路由，優(yōu)化路由的目標(biāo)是最小化呼叫中的星間切換次數(shù)。[11]針對連接切換和星際鏈路切換問題提出的部分重路由算法，即切換后新路由盡可能多地沿用原路由，雖然部分重路由可大大減少處理和消息的開銷，但是不一定能找到最優(yōu)路徑。[12]主要考慮時延抖動的影響，根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和用戶的位置信息預(yù)測各條ISL的業(yè)務(wù)量，路由算法避開可能為瓶頸的路徑，從多條路徑中選擇最優(yōu)路徑。如果切換后新路徑時延較舊路徑的長，算法會自動預(yù)留更多的帶寬保證時延抖動的限制，滿足視頻業(yè)務(wù)的QoS要求。
5 結(jié)論
通過隧道技術(shù)、NAT、外部路由和MPLS可使LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)支持IP業(yè)務(wù)。對具有星際鏈路的星座網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)部路由策略有DTVTR，基于虛節(jié)點(diǎn)和基于邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等等。如何解決路徑切換等問題，在整個通信過程中保持最優(yōu)路徑，滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求是星座網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部路由策略研究的主要方向。
MPLS是面向未來的融合了IP 和ATM的核心交換技術(shù)，它有效繼承并發(fā)展了IP 和ATM各自的優(yōu)勢。使用MPLS在底層承載各種業(yè)務(wù)使得網(wǎng)絡(luò)層次簡潔，成本降低，提高網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的可管理性。MPLS的多協(xié)議處理特性使其具有跨越多媒體網(wǎng)絡(luò)的能力，能為大容量的網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的控制機(jī)制，使運(yùn)營商獲得更靈活的擴(kuò)展性。MPLS作為下一代網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)的熱點(diǎn)，運(yùn)用于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時，存在MT的 動態(tài)位置跟蹤和LSP的動態(tài)重路由問題，需進(jìn)一步研究解決。
周瑾（電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院2002級研究生）
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