MF-TDMA终端中动态路由协议的优化设计

董飞虎，孙晨华，董忠文，章 伟

(1.中国电子科技集团第五十四研究所，河北石家庄050081;2.中国人民解放军66440部队，河北石家庄050081)

0 引言

随着网络技术的发展，卫星通信以其独特的优势在通信网络互联中发挥着重要的作用。地面IP网络与卫星通信系统不断融合，卫星通信作为广域网实现对IP业务的接入，正在逐步演变成事实［1］。

IP网络互连中，路由器提供数据包的转发路径，是不同网络连通的关键设备。它使用动态路由协议完成转发路径的交互、更新与维护。动态路由协议与所在网络设备的集成程度对网络设备及网络性能有重要的影响。针对不同的网络使用相适应的动态路由协议，可以提高整个网络的系统效率。

1 MF-TDMA卫星网及终端

MF-TDMA卫星通信系统具有组网灵活、支持综合业务接入、能够实现大小终端同网工作以及可以针对不同的应用需求进行灵活设计等特点，目前已成为国内外卫星研究及应用的热点［2］。国内完全自主研制的MF-TDMA卫星网属于网状组网，所有在网节点的综合业务一跳可达［3］。

一般卫星终端主要由IP处理单元与综合接入单元完成对数据的路由转发。IP处理单元与综合接入单元通过自定义内部帧结构交互信息。目前终端在IP业务处理上存在以下特点与问题:

①MF-TDMA系统由于站数较多及客户IPv4网段地址有限等因素，可能无法满足组网需求。在中小规模组网时，卫星侧接口与本地接口网段配置属于不同管理机构，网段可能产生重叠而导致网络中断。

②TDMA终端中存在2次数据的转发操作，系统转发功能集成度不高，降低了内部系统效率及帧效率。

2 RIP-S路由协议

根据MF-TDMA卫星网的上述特点及应用需求，提出了更加适应的动态路由协议RIP-S，它基于标准的RIP路由协议改进而来，采用了2项技术—扩展的无编号IP(extended unnumbered IP)技术与双层寻址路由技术，既可规避网段冲突又高度集成转发功能，实现直接转发到地球站的路由操作，能灵活适应和优化MF-TDMA卫星网络。

2.1 扩展的Unnumbered IP技术

Unnumbered IP技术本是一种地面网中点对点连接的链路上节约IP地址的方案，同时它也能节约点对点连接的设备上的路由表开销。所谓的Unnumbered IP，就是路由器的串行接口在没有配置有效的IP地址或借用本地接口的地址作为该接口的地址时，该接口仍能正常使用［4］。将Unnumbered IP技术扩展，使其不仅能在点对点的串口连接上实现，而且可以在广播型链路的以太网口上存在。这样IP处理单元的卫星侧接口借用本地接口的地址，卫星侧接口不用分配地址，既可以节约IP地址与路由表开销，又能解决TDMA卫星网中IP处理单元的网段冲突。应用该技术的RIP-S协议可以保证卫星终端的灵活组网。

2.2 双层寻址路由技术

双层寻址路由技术是地址解析与3层路由的集成实现技术。一次路由即可完成下一跳逻辑地址与对应物理地址的寻址。该技术利用RIP协议定期更新的特性，并且使用RIP-S协议自己定义的路由报文格式，使整个卫星网的路由收敛和链路层地址解析同时完成，直接完成了到目的地球站的转发工作。RIP-S协议形成的路由表与标准路由表相比，每条路由项中增加了下一跳地址所对应的地球站站号字段。新的路由表结构如表1所示。

表1 路由表重构示意图

双层寻址路由技术剥离了综合接入单元的转发操作，在IP处理单元完成了整个终端的IP数据路由工作，同时实现了卫星站号地址的解析，优化了内部结构与流程，可以提高TDMA终端的有效数据传输效率。

采用双层寻址路由技术后，IP处理单元接收数据后，会将匹配的站号信息封装在数据帧中并通过内部以太网接口传给综合接入单元，传输所用的帧格式需包括分片位，主要是考虑长度等于以太网MTU的数据报到达时添加站号字段必然要导致对数据报进行分片，否则会丢弃该数据报。

2.3 协议原理分析

RIP-S协议采用距离向量算法计算路由，路由交互原理与标准RIP相同，如图1所示。

图1 RIP-S路由交互信息示意图

标准RIP交互的是＜目的地址，度量＞路由信息［5］，而RIP-S交互的是＜目的地址，下一跳站号，度量＞路由信息，当路由收敛时，各终端中形成整个MF-TDMA卫星网中的站号路由信息。RIP-S在输入输出路由信息时，要进行接口类型的判断，若为Unnumbered IP接口，除了应用扩展的Unnumbered IP技术，保证在卫星侧接口借用地址的情况下，与其他路由器能正常通信外，还要查询地址站号映射表，封装自定义格式的路由报文，携带上有用的站号信息。地址站号映射表要保持与内部路由表的同步，包括路由的更新、失效及删除，否则一致性失效会导致网络路由混乱。路由信息输入输出过程如图2所示。

图2 路由信息输入输出过程

3 RIP-S协议的OPNET仿真

OPNET仿真软件不仅可以进行各种协议的仿真，而且提供所有仿真协议的源代码，用户可以方便地修改或设计新的协议软件［6］。本文在OPNET提供的RIP源码上实现了RIP-S路由软件的所有功能，并进行了仿真与对比分析。

图3是验证RIP-S路由协议可行性的仿真环境。地面站为3个，IP处理单元由单独的路由器实现，均运行RIP-S路由协议，每个终端后面都存在本地网络。图4是地面站 earthstation_1的客户机wkstn_1向地面站earthstation_2的服务器server_2传送数据流的仿真结果，表示数据连通性没有问题，并且相同数据占用带宽比使用标准RIP协议时占用的带宽要低。表2为仿真结束时IP处理单元sat_router_1形成的路由表，可以看到路由表收敛，并且路由项均含有下一跳地址对应的站号条目。选取地面站点50个，局域网接口开启RIP协议，广域网接口开启RIP或RIP-S协议，仿真结果如图5所示，可以看出使用RIP-S协议可占用较少的系统带宽。图6为对比RIP-S与标准RIP协议开销的网络拓扑。

图3 仿真网络拓扑结构

图4 业务数据流量对比

图5 协议开销对比

表2 实验生成的RIP-S路由表

图6 仿真网络拓扑示意图

4 结束语

尽管MF-TDMA卫星网可以使用标准的RIP协议运行，但其潜在的问题和较低的帧效率让系统性能有些折扣。由于 RIP-S协议采用扩展的unnumbered IP技术与双层寻址路由技术，充分考虑MF-TDMA网的特殊性，整合了系统内部的功能，与卫星系统高度集成，可以提高卫星终端的内部系统效率及卫星网的帧效率，使其协议开销能够更胜一筹。因此，RIP-S协议比标准的RIP协议更加适合于MF-TDMA卫星通信系统。

［1］ 尹波，孙晨华，张俊哲.IP路由协议在MF-TDMA卫星系统中适应性研究［J］.无线电通信技术，2008，34(5):5-8.

［2］ 郝学坤，孙晨华，李文铎.MF-TDMA卫星通信系统技术体制研究［J］.无线电通信技术，2006，32(5):1-3.

［3］ 李子木.地面分组网利用MF-TDMA卫星网组网的网关研究［J］.无线电工程，2011，41(6):8-10.

［4］ 华为技术有限公司.IP unnumbered使用指南［M］.深圳:华为技术有限公司，2001.

［5］ RFC2453，RIP Version 2［S］，1998.

［6］ 陈敏.OPNET网络仿真［M］.北京:清华大学出版社，2004.