一种基于GEO卫星网络的IP组网方案的设计及仿真

李园利，王 宇

（中国空间技术研究院西安分院 陕 西 西 安710100）

目前，大部分支持IP包传送的卫星系统，不管是透明转发还是再生处理，卫星都只是提供一个在地面路由器之间的物理连接通道而已。这种方法适用于第一代的星地组网要求，但却难以满足像卫星宽带接人、多媒体、信息中继以及星地网络一体化等需求。为了实现与地面Internet网的互联，卫星系统的IP化已是其发展的一个趋势。

从国内外的情况来看，具有星上IP路由交换处理功能的卫星系统都吸引了较大的资金和兴趣用于研究和发展。如Spaceway-3[1]系统在星上整合了一个具有路由功能的星载处理器，将地面路由交换机的功能分解到卫星终端、星载交换机和地面网络控制设备共同完成，即从地面IP网络用户的角度看，由终端、卫星和地面网控构成的卫星网络相当于一个虚拟路由器。 IRIS（Internet Protocol Routing In Space）[2]系统在星上搭载一个IP路由器用以测试空间路由技术，即GEO卫星实现一个完整的IP路由器功能，卫星与地面路由器完全对等的。TSAT[3]系统针对星上实现大容器处理的需求，在星上搭载了个下一代路由器，不仅具备IRIS路由器这种独立完整的IP路由功能，并采用MPLS标签交换技术，充分发挥卫星终端的处理能力。这些项目都针对GEO卫星实现IP路由的研究都是在网络层级来实现的，它带来了很多优势。

鉴于以上GEO卫星网络的发展背景，文中提出了一个分组传输和交换均基于IP的GEO卫星系统，在满足星载RIP路由协议的基础上构建了一种GEO卫星IP组网方案，星上采用三层路由交换的思路。这一系统需要实现的目标主要有：1）实现大量终端的单跳/双跳通信以及和地面网络的IP互联；2）实现卫星同交换域下用户信息的链路层快速交换，不同交换域下用户信息的网络层IP路由交换处理。3）IP路由协议（RIP路由协议）在此网络中的适应性研究。本章将主要从系统的网络结构、组网方案以及星载IP路由协议的建模仿真几方面进行阐述。

1 GEO卫星网络结构

卫星IP网络系统主要围绕具有多波束能力的地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit）宽带卫星在网络层面展开。其网络结构图如图1所示。

图1 GEO卫星网络结构图Fig.1 Architecture diagram of GEO satellite network

卫星网络的组成主要包括宽带GEO卫星、地面网络控制中心和卫星终端，卫星终端包括无路由功能终端，如用户计算机或路由器的无线网卡，主要完成地面以太网协议与星地链路层协议之间的转换；还包括有路由功能终端，如高性能路由器，与用户设备之间采用地面标准以太网接口连接，与卫星之间按照星地接口规范实现。

2 IP组网方案的设计

2.1 设计目的

RIP路由协议是最简单的IP路由协议，但其包含水平分割技术[5]，即从某个接口学习到的路由信息将不再重新转发到某个接口。而卫星波束下的不同用户之间由于这种技术的存在将不能完全实现信息的交互，因此，为满足星载RIP路由协议的实现及其水平分割技术，设计了一个三层路由交换的组网方案，即相同交换域下用户信息基于链路层快速交换，不同交换域下用户信息基于网络层IP路由交换处理。

2.2 组网方案

为在GEO卫星上实现星上RIP路由协议和IP包路由转发，同时实现链路层快速交换功能，即星上实现三层交换机功能。具体的组网方案如图2所示。

图2 GEO卫星网络IP组网方案Fig.2 IP Networking method of GEO satellite network

GEO卫星的多个波束可以根据系统应用划分为多个快速交换域，一个快速交换域可以由1个或多个波束组成。同一个快速交换域内终端之间通信数据在星载路由器内基于链路层帧（二层）快速交换；不同交换域之间（不同卫星属于不同交换域）的终端通信数据在星载路由器内恢复为IP包，基于IP目的地址进行网络层（三层）查表路由转发。其具体的IP路由交换阶段流程如图3所示。

图3 IP路由交换流程Fig.3 Flow chart of IP the routing exchange

1）更新路由过程

终端及卫星基于相同的路由协议，实现终端与卫星以及通过卫星实现交换域（即LAN内）其他终端之间的路由信息交互，从而在终端和星上建立起路由表；新终端加入，将触发卫星及其他终端路由表的更新。

2）IP数据包路由过程

连接到卫星终端的用户设备/子网产生的IP数据包到达卫星终端，终端根据IP目的地址查找路由表，获得下一跳IP地址及对应的MAC地址（目的站号），将IP数据包封装在链路层帧中发送；卫星接收到终端发送的上行链路层帧时，首先判别其中的目的站号是否为本星，若是本星则直接按链路层帧头中的目的站号查找转发表获取输出端口，并进行链路层快速转发；若非卫星则从链路层帧中恢复出IP包，查找IP路由表获取输出端口、下一跳MAC地址等信息，其后进行IP三层路由转发处理。

3）地址解析

地址解析功能完成网络层IP地址与链路层地址之间的映射。终端和卫星发送的IP数据包必须封装在链路层帧中，链路层帧头中包含接收对端的链路层地址，接收方根据链路层帧头中的MAC地址判断该数据帧是否该接收。

3 星载IP路由协议

IP路由选择协议是TCP/IP协议栈中的重要成员之一，为网络上的IP数据包选择合适的传输路径。本文仅讨论最简单，最常用的RIP路由协议。

RIP路由协议[4-6]是一种基于距离向量算法的内部网关路由协议。它通过UDP报文进行路由信息的交互，周期性地向相邻路由器广播距离向量表来反映网络的状态，逐步逐跳式完成全网信息的扩散。RIP协议在地面网络中具有路由算法不能完全杜绝路由环路，收敛相对较慢，扩展性较差，最大跳数不能超过16跳的局限性；但是其具有配置简单，算法占用较少的内存和CPU处理时间的优点。

由于星载路由器资源有限，受功耗、尺寸的限制，只有有限的内存空间，因此星载路由器中运行的路由协议不能太大，太复杂。针对我们构建的GEO卫星IP网络路由系统，虽然卫星终端数量非常大，但地面不同终端之间通信过程最多不会超过两跳的特点，结合RIP运行时系统资源占有量非常小、实现简单的优点，试探性地研究了RIP路由协议在GEO卫星网络中的实现。

4 星载RIP路由协议的OPNET仿真

4.1 仿真建模

为简化仿真，卫星节点和卫星终端采用OPNET仿真软件[7]中的标准路由器模块。根据上文陈述的卫星网络IP路由交换方案，建立的仿真模型如图4所示。

图4 GEO卫星网络仿真建模Fig.4 Simulation chart of GEO satellite network

卫星节点：由一个路由器和以太网交换机组成（一个交换机代表星载路由器的端口）。每个端口作为一个快速交换域，一个交换域由一个波束组成，即每个端口对应一个波束；卫星终端：都采用具有路由功能的路由器；星地链路：用有线链路代替无线链路，链路的传播时延，误码率都可以设置。

4.2 网络参数

表1 整个网络的参数Tab.1 Parameter of the whole network

仿真环境：卫星共8波束，地面卫星终端数量分别为200、400、800个时，按照表1所示的参数配置网络，在卫星节点和地面节点的所有接口上都启动RIP路由协议，并分为未设置水平分割技术和设置水平分割技术两种情况，选取整个网络的协议开销为统计量，仿真时间为1小时。仿真结果如图5所示。

图5 仿真结果Fig.5 Simulation result chart

4.3 仿真结果分析

从图5可以看出，随着网络规模的扩大，整个网络的RIP协议开销非常大，这是由于RIP协议是周期性更新路由信息的，当网络设置水平分割技术之后，就避免了从邻居接口学习到路由信息重新发回到邻居，降低了协议开销。从图5（a）和5（b）结果对比，可以算出协议开销降低的最大程度达到97%，并且随着网络规模的扩大，这种趋势还会更加明显。这对GEO卫星星上空间有限来说，将是一大优势。

5 结束语

文中根据GEO卫星网络的发展背景，提出了一个星上三层路由交换的思路，并基于此构建了一种GEO卫星IP组网方案，主要实现了卫星同交换域下用户信息的链路层快速交换，不同交换域下用户信息的网络层IP路由交换处理。最后，进行了RIP路由协议在此网络中的适应性研究，得出RIP协议设置水平分割技术能很大程度的降低网络的协议开销，对GEO卫星星上空间有限来说，将是一大优势。

[1]Gopal W D，Arnold R，et al.SpaceWay now and in the Future:On-Board IP Packet Switching Satellite Communition Network[C]//Proceedings of IEEE Conference on Military Communications，2006：l-7.

[2]Florio，Fisher M A，Mittal S J，et al.Internet Routing in Space Prospects and Challenges of the IRIS JCTD[C]//Proceedings of IEEE Conference on Military Communications.Orlando：IEEE ，2006：l-7.

[3]Pulliam，JZambre，Y Karmrkar，eta1.TSAT network architecture[C]//Proceedings of IEEE Conference on Military Communications.San Diego：IEEE ，2008：l-7.

[4]C.Hedrick， “Routing Information Protocol”，RFC-1058[S]，Rutgers University，June 1988.

[5]G.Malkin，“RIP Version 2-Carrying Additional Information”，RFC-1388[S]， Xylogics， Inc.， January，1993.

[6]G.Malkin， “RIP Version 2 analysis”，RFC-1387[S]，Xylogics， Inc.， January 1993.

[7]龙华.OPNET Modeler与计算机网络仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社.