周瑾 朱立東 吳詩其 電子科技大學通信與信息工程學院 成都 610054
摘要: 本文首先提出星上IP路由存在的主要問題，接著對現有LEO衛星網絡支持IP業務的解決方案和具有星際鏈路的LEO星座網絡內部的IP路由策略進行綜述，指出今后研究的主要方向。未來的通信網要支持綜合業務， MPLS在網絡的速度、路由、流量工程、QoS管理等方面提供了前所未有的功能，可統一承載多種協議，滿足移動高速多媒體業務的要求。然而MPLS的最終標準還遠未形成，而且衛星網絡中移動用戶存在切換和移動性管理問題，對其在衛星網絡中的應用還需大量研究。
關鍵詞: 衛星星座網絡， 路由， 隧道，網絡地址轉換，邊界網關協議，MPLS
本文由國家自然科學基金項目NO.60372013《用中軌星座構建我國的跟蹤與數據中繼衛星系統》提供支持。
1 引言
近年來，衛星網絡在個人通信中的作用愈發重要。LEO(low earth orbit )衛星網絡因其傳播時延相對較小、用戶終端體積小、發射功率較低等特點，在提供全球通信服務上具有一定的優勢，如GLOBALSTAR等LEO衛星系統現已可提供全球的語音和數據業務。隨著人們對多媒體業務的需求增加和因特網的快速發展，IP技術在衛星網絡中的應用研究得到了更多人的關注。衛星網絡要與因特網互聯實現各種多媒體應用，就需要支持IP業務傳輸，為IP組播和IP QoS提供良好的技術支持，保證傳輸層和網絡層的互操作性，本文主要涉及網絡層中的IP路由問題。
下文內容主要為：第二節提出星上IP路由存在的主要問題，第三節分析LEO衛星網絡支持IP業務四種主要解決方案的特點，指出各自的問題和以后研究的重點，第四節對具有星際鏈路的LEO星座網絡內部路由策略進行歸納總結，第五節總結全文，指出研究的主要方向。
2 星上IP路由存在的主要問題
2.1 衛星網絡
衛星網絡主要由衛星群（或星座）、信關站、網管和用戶終端組成。特定星座系統的衛星間可通過星際鏈路或信關站彼此連接。對于非靜止軌道衛星，星與星之間存在切換問題。復雜的LEO衛星網絡，如銥星系統，其星載轉發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絡和地面網絡所有節點的信息，路由表的大小和復雜性可想而知。因此，盡量簡化星上路由表，減少衛星和地面網之間需交換的路由信息和網絡狀態是解決這一問題的關鍵。隔離兩種網絡間路由更新信息的傳播是解決這一問題的有效策略，對地面網絡屏蔽衛星的移動信息，而對衛星網絡則屏蔽地面網絡的地址和路由信息。
2.2.2 路由速度問題
路由節點查詢路由表進行轉發要經過查包頭、查路由、改包頭、發送等幾個階段，其中路由查詢和發送兩個環節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現都很耗費時間。發送包時需要對包進行排隊，排隊算法（還有當前流量等因素）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務的質量。而交換節點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，可考慮結合兩者的優勢來改進性能。
3 LEO衛星網絡支持IP業務的解決方案
3.1 隧道技術
當星座網絡的網絡層不支持IP路由時，可在星座網絡中創建隧道把地面網絡IP包封裝在本地網絡層的數據包中，使用本地路由協議進行傳輸。星座網絡作為獨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，可實現透明路由。
網絡拓撲如圖1，圖中同時具有支持IP和隧道功能的站點包括通過星座網絡接入因特網的客戶機，接入LAN和其他地面網絡的小型路由器，以及連接因特網的大型邊界網關BGP。
因為星座網絡與地面網絡的路由體系和地址方案不同，所以必須在信關站中建立C-AR服務器（constellation address resolution server），其作用類似地面網中的ARP服務器。[13] 信關站將一IP地址映射為一對CID(cell ID)和TID(terminal ID)以實現地址轉換。
采用隧道技術可隔離星座網絡和因特網，實現獨立尋址和獨立路由更新，滿足不同網絡的需求。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包被封裝成數據段在隧道中傳輸，其TTL字段不變，不能確知實際經過的跳數；支持IP QoS和IP組播較困難。
3.2 網絡地址轉換(Network address translation簡稱NAT)
NAT分離星座網絡編址和因特網編址，它們各自擁有獨立的地址空間。星座網絡和因特網只需知道如何路由到兩網邊界的信關站，不用互相傳播路由更新信息。信關站中配置NAT，實現星座網絡用戶的內部地址與外部地址之間的轉換，實現對因特網IP路由的支持。
網絡地址轉換的優勢在于：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域；因為全球路由表存放在信關站中，報頭地址轉換完全由信關站完成，所以空間段的復雜性減小。其不足之處在于：影響現有應用和安全服務的實現；需要特定的應用級網關完成重寫包頭、復制或重寫頭地址或端口信息，增加了處理開銷和實現難度；由于只有包的第一段包含協議和應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
星座網絡可看作具有不同編址方案的自治系統，信關站作為星座網絡的邊界網關，完成星座網絡和因特網的地址轉換，與因特網之間通過特定的邊界網關協議交換選路信息。
[1]針對星座網絡特點將因特網常用的邊界網關協議BGP-4修改成BGP-S，由BGP-S協議實現星座網絡自治系統和因特網中其他自治系統之間的連通。如圖2，當PGW發現路由需經過衛星網絡時，通過BGP-S計算出最優路由。BGP-S可根據衛星網絡時延較長的特點自動修改配置，不用人工配置優化路由策略，例如多條路徑可選時，根據時延大小設定路徑優先級。其中衛星不直接參與計算路徑，只傳輸數據包，跟蹤活動PGW（active PGW）。
3.4 多協議標簽交換 MPLS(Multiprotocol Label Switching)
MPLS是面向未來的核心交換技術，它有效地繼承并發展了IP 和ATM各自的優勢，即“接入IP優勢+核心ATM優勢”的策略，能在無連接網絡中引入連接模式，支持各種網絡的互聯互通。
MPLS屬于第三層交換技術，引入基于標簽機制后，它把選路和轉發分開，由標簽來規定一個分組通過網絡的路徑。MPLS網絡由標簽邊緣路由器(LER)和標簽交換路由器(LSR)組成。LER分析IP包頭，決定相應的傳送級別和標簽交換路徑(LSP)；LSR根據數據流所攜帶的標簽進行交換式轉發，作用相當于ATM交換機與傳統路由器的結合。如圖3，星座網絡為MPLS網絡，信關站中配置LER，承擔標簽交換出/入口角色，行使路由聚合功能。
MPLS主要優勢在于：轉發的硬件基礎是便宜、成熟的ATM交換技術，最大限度兼顧了原有技術，促進了網絡的融合統一；簡化了IP與ATM集成技術, 網絡維護成本減少；可直接使用顯示路由(explicit routing)，大大簡化流量工程的應用，保障QoS；使用標簽堆棧后，龐大的路由表變得很小，路由擴展性提高；強大的綜合業務平臺，可承載語音、IP和多媒體業務。
由于衛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。使用多級標簽對通信中的移動終端（MT）進行動態位置跟蹤，LSP的動態重路由等問題，都需要進一步研究。
4 具有星際鏈路的LEO星座網絡內部路由策略
地面網常用的RIP(Routing Information Protocol)和OSPF(Open Shortest Path First)路由協議，需要在建立連接和網絡狀態變化時交換網絡狀態信息，它們不可能直接應用于LEO星座網絡。LEO星座網絡拓撲結構的頻繁變化會導致傳播的信息量非常大，系統開銷過大。然而星座網絡節點數固定，星座運動的規律性和可預見性等特性使得其路由策略有簡化和變通的可能。
星座網絡內部路由策略的目標就是在源節點和目的節點之間建立最優路徑，并在整個通信過程中保持最優，滿足不同業務的QoS要求。下面介紹具有星際鏈路的星座網絡內部路由策略的主要思想：
4. 1 離散時間虛擬拓撲路由DTVTR (discrete-time virtual topology routing)
基本思想是利用星座拓撲的周期性和可預見性來優化路由。系統周期分為若干個時隙，星座網絡的拓撲結構、每條星際鏈路的權值在一個時隙內不變，權值可根據衛星間的距離、星際鏈路持續時間、幾何位置等因素計算。信關站預先算出每個時隙內任意兩顆衛星之間的最優路徑，衛星不需復雜的計算功能，但需較大的空間存儲路由表。此策略屏蔽了衛星的移動，可應用于面向連接的網絡結構，如基于ATM的衛星網絡[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制，即拒絕所有不能滿足QoS的呼叫�？煽紤]讓網絡給用戶提供一個選擇質量降級連接的機會，并通過適應性編碼等技術，提高網絡帶寬的利用率和呼叫處理能力。
4. 2 基于虛節點VN(virtual node)構成的邏輯拓撲結構
基本思想是利用星座拓撲變化的規律性來屏蔽衛星的移動性。地面分成若干個小區，每個虛節點對應一部分小區，分配一個邏輯地址，固定的虛節點構成邏輯拓撲結構。每個虛節點在任意時候各由一顆衛星表示，衛星不斷運動，虛節點相繼由不同的衛星表示。每個虛節點含有對應區域內所有用戶信息和相關的路由信息，在星座用戶看來，他們只是和這個虛節點通信。星座網絡路由策略可基于虛節點構成的靜態邏輯拓撲結構，由地面的連接控制系統采用一般的路由協議（如RIP和OSPF等）實現[5]。
4. 3 基于邏輯拓撲結構
對于N條軌道，每條軌道M顆衛星的衛星網絡，以經緯度[lon,lat]表示衛星的地理位置, [p,s] (p=1,2…N, s=1,2…M)表示衛星的邏輯地址，可構造相應的邏輯拓撲結構。基于這種邏輯拓撲結構的路由，可不考慮衛星的移動性。[8]將軌道分成兩個半圓，實際軌道數為N，邏輯軌道數則為2N，邏輯節點分屬兩部分i=1,2…N和j=N+1, …2N。采用分布式路由，即每個邏輯節點對數據包單獨路由。 [9]基于Teledesic星座模型，采用混合路由策略（鏈路狀態算法和最短路徑算法）實現。[6][7]基于walker 星座模型，提出分布式數據包路由算法，即對每個數據包單獨路由并保證最小傳播時延。算法分為三階段：①方向估計：假設任意位置兩點間時延相等，根據邏輯拓撲結構（網格結構）決定下一跳的邏輯地址，以使數據包更接近目的地；②方向改進：根據不同地理位置星際鏈路(ISL)時延的不同（如高緯度區域的ISL時延較低緯度區域�。瑳Q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：若輸出隊列長度超過門限則存在阻塞，則調整路由方向，若主路徑擁塞則采用備用路徑。
基于邏輯拓撲結構的路由算法通常采用理想的系統模型分析，如walker 星座模型，不一定能適用于其他實際的星座系統。
4. 4 以后的研究方向
星座網絡內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路徑，滿足不同業務的QoS要求。
[10][11]主要考慮切換導致的延時對QoS的影響。[10]將星際鏈路持續時間和傳播時延作為度量計算路由，優化路由的目標是最小化呼叫中的星間切換次數。[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路徑。[12]主要考慮時延抖動的影響，根據衛星網絡的拓撲結構和用戶的位置信息預測各條ISL的業務量，路由算法避開可能為瓶頸的路徑，從多條路徑中選擇最優路徑。如果切換后新路徑時延較舊路徑的長，算法會自動預留更多的帶寬保證時延抖動的限制，滿足視頻業務的QoS要求。
5 結論
通過隧道技術、NAT、外部路由和MPLS可使LEO衛星網絡支持IP業務。對具有星際鏈路的星座網絡，其內部路由策略有DTVTR，基于虛節點和基于邏輯拓撲結構等等。如何解決路徑切換等問題，在整個通信過程中保持最優路徑，滿足不同業務的QoS要求是星座網絡內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，它有效繼承并發展了IP 和ATM各自的優勢。使用MPLS在底層承載各種業務使得網絡層次簡潔，成本降低，提高網絡和業務的可管理性。MPLS的多協議處理特性使其具有跨越多媒體網絡的能力，能為大容量的網絡提供統一的控制機制，使運營商獲得更靈活的擴展性。MPLS作為下一代網絡核心技術的熱點，運用于LEO衛星網絡時，存在MT的 動態位置跟蹤和LSP的動態重路由問題，需進一步研究解決。
周瑾（電子科技大學通信與信息工程學院2002級研究生）
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