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(xiàn)有LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡支持IP業(yè)務的解決方案和具有星際鏈路的LEO星座網(wǎng)絡內(nèi)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(wǎng)要支持綜合業(yè)務， MPLS在網(wǎng)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(tǒng)一承載多種協(xié)議，滿足移動高速多媒體業(yè)務的要求。然而MPLS的最終標準還遠未形成，而且衛(wèi)星網(wǎng)絡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)絡中的應用還需大量研究。
關鍵詞: 衛(wèi)星星座網(wǎng)絡， 路由， 隧道，網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換，邊界網(wǎng)關協(xié)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(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)絡在個人通信中的作用愈發(fā)重要。LEO(low earth orbit )衛(wèi)星網(wǎng)絡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，在提供全球通信服務上具有一定的優(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。隨著人們對多媒體業(yè)務的需求增加和因特網(wǎng)的快速發(fā)展，IP技術在衛(wèi)星網(wǎng)絡中的應用研究得到了更多人的關注。衛(wèi)星網(wǎng)絡要與因特網(wǎng)互聯(lián)實現(xiàn)各種多媒體應用，就需要支持IP業(yè)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(wǎng)絡層的互操作性，本文主要涉及網(wǎng)絡層中的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)絡支持IP業(yè)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(jié)對具有星際鏈路的LEO星座網(wǎng)絡內(nèi)部路由策略進行歸納總結，第五節(jié)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(wèi)星網(wǎng)絡
衛(wèi)星網(wǎng)絡主要由衛(wèi)星群（或星座）、信關站、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。復雜的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡，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)絡和地面網(wǎng)絡所有節(jié)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(wèi)星和地面網(wǎng)之間需交換的路由信息和網(wǎng)絡狀態(tài)是解決這一問題的關鍵。隔離兩種網(wǎng)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(wǎng)絡屏蔽衛(wèi)星的移動信息，而對衛(wèi)星網(wǎng)絡則屏蔽地面網(wǎng)絡的地址和路由信息。
2.2.2 路由速度問題
路由節(jié)點查詢路由表進行轉(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現(xiàn)都很耗費時間。發(fā)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(yè)務的質(zhì)量。而交換節(jié)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(yōu)勢來改進性能。
3 LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡支持IP業(yè)務的解決方案
3.1 隧道技術
當星座網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層不支持IP路由時，可在星座網(wǎng)絡中創(chuàng)建隧道把地面網(wǎng)絡IP包封裝在本地網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)包中，使用本地路由協(xié)議進行傳輸。星座網(wǎng)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(xiàn)透明路由。
網(wǎng)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(wǎng)絡接入因特網(wǎng)的客戶機，接入LAN和其他地面網(wǎng)絡的小型路由器，以及連接因特網(wǎng)的大型邊界網(wǎng)關BGP。
因為星座網(wǎng)絡與地面網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)地址轉(zhuǎn)換。
采用隧道技術可隔離星座網(wǎng)絡和因特網(wǎng)，實現(xiàn)獨立尋址和獨立路由更新，滿足不同網(wǎng)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(shù)據(jù)段在隧道中傳輸，其TTL字段不變，不能確知實際經(jīng)過的跳數(shù)；支持IP QoS和IP組播較困難。
3.2 網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換(Network address translation簡稱NAT)
NAT分離星座網(wǎng)絡編址和因特網(wǎng)編址，它們各自擁有獨立的地址空間。星座網(wǎng)絡和因特網(wǎng)只需知道如何路由到兩網(wǎng)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(xiàn)星座網(wǎng)絡用戶的內(nèi)部地址與外部地址之間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對因特網(wǎng)IP路由的支持。
網(wǎng)絡地址轉(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；因為全球路由表存放在信關站中，報頭地址轉(zhuǎn)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(xiàn)有應用和安全服務的實現(xiàn)；需要特定的應用級網(wǎng)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(xiàn)難度；由于只有包的第一段包含協(xié)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(wǎng)絡可看作具有不同編址方案的自治系統(tǒng)，信關站作為星座網(wǎng)絡的邊界網(wǎng)關，完成星座網(wǎng)絡和因特網(wǎng)的地址轉(zhuǎn)換，與因特網(wǎng)之間通過特定的邊界網(wǎng)關協(xié)議交換選路信息。
[1]針對星座網(wǎng)絡特點將因特網(wǎng)常用的邊界網(wǎng)關協(xié)議BGP-4修改成BGP-S，由BGP-S協(xié)議實現(xiàn)星座網(wǎng)絡自治系統(tǒng)和因特網(wǎng)中其他自治系統(tǒng)之間的連通。如圖2，當PGW發(fā)現(xiàn)路由需經(jīng)過衛(wèi)星網(wǎng)絡時，通過BGP-S計算出最優(yōu)路由。BGP-S可根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡時延較長的特點自動修改配置，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)時延大小設定路徑優(yōu)先級。其中衛(wèi)星不直接參與計算路徑，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(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)絡中引入連接模式，支持各種網(wǎng)絡的互聯(lián)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(zhuǎn)發(fā)分開，由標簽來規(guī)定一個分組通過網(wǎng)絡的路徑。MPLS網(wǎng)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(jù)數(shù)據(jù)流所攜帶的標簽進行交換式轉(zhuǎn)發(fā)，作用相當于ATM交換機與傳統(tǒng)路由器的結合。如圖3，星座網(wǎng)絡為MPLS網(wǎng)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(yōu)勢在于：轉(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)絡的融合統(tǒng)一；簡化了IP與ATM集成技術, 網(wǎng)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(yè)務平臺，可承載語音、IP和多媒體業(yè)務。
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。使用多級標簽對通信中的移動終端（MT）進行動態(tài)位置跟蹤，LSP的動態(tài)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(wǎng)絡內(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)絡狀態(tài)變化時交換網(wǎng)絡狀態(tài)信息，它們不可能直接應用于LEO星座網(wǎng)絡。LEO星座網(wǎng)絡拓撲結構的頻繁變化會導致傳播的信息量非常大，系統(tǒng)開銷過大。然而星座網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)固定，星座運動的規(guī)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(wǎng)絡內(nèi)部路由策略的目標就是在源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立最優(yōu)路徑，并在整個通信過程中保持最優(yōu)，滿足不同業(yè)務的QoS要求。下面介紹具有星際鏈路的星座網(wǎng)絡內(nèi)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(yōu)化路由。系統(tǒng)周期分為若干個時隙，星座網(wǎng)絡的拓撲結構、每條星際鏈路的權值在一個時隙內(nèi)不變，權值可根據(jù)衛(wèi)星間的距離、星際鏈路持續(xù)時間、幾何位置等因素計算。信關站預先算出每個時隙內(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(wèi)星的移動，可應用于面向連接的網(wǎng)絡結構，如基于ATM的衛(wèi)星網(wǎng)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(wǎng)絡給用戶提供一個選擇質(zhì)量降級連接的機會，并通過適應性編碼等技術，提高網(wǎng)絡帶寬的利用率和呼叫處理能力。
4. 2 基于虛節(jié)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(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)點對應一部分小區(qū)，分配一個邏輯地址，固定的虛節(jié)點構成邏輯拓撲結構。每個虛節(jié)點在任意時候各由一顆衛(wèi)星表示，衛(wèi)星不斷運動，虛節(jié)點相繼由不同的衛(wèi)星表示。每個虛節(jié)點含有對應區(qū)域內(nèi)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(jié)點通信。星座網(wǎng)絡路由策略可基于虛節(jié)點構成的靜態(tài)邏輯拓撲結構，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）實現(xiàn)[5]。
4. 3 基于邏輯拓撲結構
對于N條軌道，每條軌道M顆衛(wèi)星的衛(wèi)星網(wǎng)絡，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，可構造相應的邏輯拓撲結構�；谶@種邏輯拓撲結構的路由，可不考慮衛(wèi)星的移動性。[8]將軌道分成兩個半圓，實際軌道數(shù)為N，邏輯軌道數(shù)則為2N，邏輯節(jié)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(jié)點對數(shù)據(jù)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(tài)算法和最短路徑算法）實現(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(jù)邏輯拓撲結構（網(wǎng)格結構）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：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�。�，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。
基于邏輯拓撲結構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際的星座系統(tǒng)。
4. 4 以后的研究方向
星座網(wǎng)絡內(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(xù)時間和傳播時延作為度量計算路由，優(yōu)化路由的目標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)絡的拓撲結構和用戶的位置信息預測各條ISL的業(yè)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(yōu)路徑。如果切換后新路徑時延較舊路徑的長，算法會自動預留更多的帶寬保證時延抖動的限制，滿足視頻業(yè)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(wèi)星網(wǎng)絡支持IP業(yè)務。對具有星際鏈路的星座網(wǎng)絡，其內(nèi)部路由策略有DTVTR，基于虛節(jié)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(yōu)路徑，滿足不同業(yè)務的QoS要求是星座網(wǎng)絡內(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，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)務使得網(wǎng)絡層次簡潔，成本降低，提高網(wǎng)絡和業(yè)務的可管理性。MPLS的多協(xié)議處理特性使其具有跨越多媒體網(wǎng)絡的能力，能為大容量的網(wǎng)絡提供統(tǒng)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(wǎng)絡核心技術的熱點，運用于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡時，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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