周瑾 朱立东 吴诗其　电子科技大学通信与信息工程学院 成都  610054

　　摘要:  本文首先提出星上IP路由存在的主要问题，接着对现有LEO卫星网络支持IP业务的解决方案和具有星际链路的LEO星座网络内部的IP路由策略进行综述，指出今后研究的主要方向。未来的通信网要支持综合业务， MPLS在网络的速度、路由、流量工程、QoS管理等方面提供了前所未有的功能，可统一承载多种协议，满足移动高速多媒体业务的要求。然而MPLS的最终标准还远未形成，而且卫星网络中移动用户存在切换和移动性管理问题，对其在卫星网络中的应用还需大量研究。
　　关键词: 卫星星座网络， 路由， 隧道，网络地址转换，边界网关协议，MPLS

　　本文由国家自然科学基金项目NO.60372013《用中轨星座构建我国的跟踪与数据中继卫星系统》提供支持。

1 引言
　　近年来，卫星网络在个人通信中的作用愈发重要。LEO(low earth orbit )卫星网络因其传播时延相对较小、用户终端体积小、发射功率较低等特点，在提供全球通信服务上具有一定的优势，如GLOBALSTAR等LEO卫星系统现已可提供全球的语音和数据业务。随着人们对多媒体业务的需求增加和因特网的快速发展，IP技术在卫星网络中的应用研究得到了更多人的关注。卫星网络要与因特网互联实现各种多媒体应用，就需要支持IP业务传输，为IP组播和IP QoS提供良好的技术支持，保证传输层和网络层的互操作性，本文主要涉及网络层中的IP路由问题。
　　下文内容主要为：第二节提出星上IP路由存在的主要问题，第三节分析LEO卫星网络支持IP业务四种主要解决方案的特点，指出各自的问题和以后研究的重点，第四节对具有星际链路的LEO星座网络内部路由策略进行归纳总结，第五节总结全文，指出研究的主要方向。

2 星上IP路由存在的主要问题
2.1 卫星网络
　　卫星网络主要由卫星群（或星座）、信关站、网管和用户终端组成。特定星座系统的卫星间可通过星际链路或信关站彼此连接。对于非静止轨道卫星，星与星之间存在切换问题。复杂的LEO卫星网络，如铱星系统，其星载转发器还具有交换和处理功能。
2.2 星上IP路由存在的主要问题
2.2.1 路由表管理问题
　　如果星上的路由表包括星座网络和地面网络所有节点的信息，路由表的大小和复杂性可想而知。因此，尽量简化星上路由表，减少卫星和地面网之间需交换的路由信息和网络状态是解决这一问题的关键。隔离两种网络间路由更新信息的传播是解决这一问题的有效策略，对地面网络屏蔽卫星的移动信息，而对卫星网络则屏蔽地面网络的地址和路由信息。
2.2.2 路由速度问题
　　路由节点查询路由表进行转发要经过查包头、查路由、改包头、发送等几个阶段，其中路由查询和发送两个环节对路由速度影响最大。前者需要在大量路由中找出最匹配的一条，无论由软件还是硬件来实现都很耗费时间。发送包时需要对包进行排队，排队算法（还有当前流量等因素）会影响到包滞留的时间。这两者最终都会影响到路由速度和上层业务的质量。而交换节点只需把分组从一个接口传到另一个接口，过程简单，速度很快，可考虑结合两者的优势来改进性能。

3 LEO卫星网络支持IP业务的解决方案
3.1 隧道技术
　　当星座网络的网络层不支持IP路由时，可在星座网络中创建隧道把地面网络IP包封装在本地网络层的数据包中，使用本地路由协议进行传输。星座网络作为独立的路由体系不再需要外部路由信息或路由表的存储信息，可实现透明路由。
　　网络拓扑如图1，图中同时具有支持IP和隧道功能的站点包括通过星座网络接入因特网的客户机，接入LAN和其他地面网络的小型路由器，以及连接因特网的大型边界网关BGP。

　　因为星座网络与地面网络的路由体系和地址方案不同，所以必须在信关站中建立C-AR服务器（constellation address resolution server），其作用类似地面网中的ARP服务器。[13] 信关站将一IP地址映射为一对CID(cell ID)和TID(terminal ID)以实现地址转换。
　　采用隧道技术可隔离星座网络和因特网，实现独立寻址和独立路由更新，满足不同网络的需求。但也有不足之处，如处理包头、分段封装过程增加了处理开销；IP包被封装成数据段在隧道中传输，其TTL字段不变，不能确知实际经过的跳数；支持IP QoS和IP组播较困难。

3.2 网络地址转换(Network address translation简称NAT)
　　NAT分离星座网络编址和因特网编址，它们各自拥有独立的地址空间。星座网络和因特网只需知道如何路由到两网边界的信关站，不用互相传播路由更新信息。信关站中配置NAT，实现星座网络用户的内部地址与外部地址之间的转换，实现对因特网IP路由的支持。
　　网络地址转换的优势在于：查找路由表过程简单，目的地址掩码操作即可决定地址所属区域；因为全球路由表存放在信关站中，报头地址转换完全由信关站完成，所以空间段的复杂性减小。其不足之处在于：影响现有应用和安全服务的实现；需要特定的应用级网关完成重写包头、复制或重写头地址或端口信息，增加了处理开销和实现难度；由于只有包的第一段包含协议和应用的源及目的端口信息，剩余段的段ID不唯一，它破坏了IP分段，使得对端客户的多个连接跟踪较困难。

3.3 外部路由
　　星座网络可看作具有不同编址方案的自治系统，信关站作为星座网络的边界网关，完成星座网络和因特网的地址转换，与因特网之间通过特定的边界网关协议交换选路信息。
　　[1]针对星座网络特点将因特网常用的边界网关协议BGP-4修改成BGP-S，由BGP-S协议实现星座网络自治系统和因特网中其他自治系统之间的连通。如图2，当PGW发现路由需经过卫星网络时，通过BGP-S计算出最优路由。BGP-S可根据卫星网络时延较长的特点自动修改配置，不用人工配置优化路由策略，例如多条路径可选时，根据时延大小设定路径优先级。其中卫星不直接参与计算路径，只传输数据包，跟踪活动PGW（active PGW）。

　　MPLS主要优势在于：转发的硬件基础是便宜、成熟的ATM交换技术，最大限度兼顾了原有技术，促进了网络的融合统一；简化了IP与ATM集成技术, 网络维护成本减少；可直接使用显示路由(explicit routing)，大大简化流量工程的应用，保障QoS；使用标签堆栈后，庞大的路由表变得很小，路由扩展性提高；强大的综合业务平台，可承载语音、IP和多媒体业务。
　　由于卫星与地面站或地面终端之间存在切换，因此LSP也存在切换问题。使用多级标签对通信中的移动终端（MT）进行动态位置跟踪，LSP的动态重路由等问题，都需要进一步研究。

4 具有星际链路的LEO星座网络内部路由策略
　　地面网常用的RIP(Routing Information Protocol)和OSPF(Open Shortest Path First)路由协议，需要在建立连接和网络状态变化时交换网络状态信息，它们不可能直接应用于LEO星座网络。LEO星座网络拓扑结构的频繁变化会导致传播的信息量非常大，系统开销过大。然而星座网络节点数固定，星座运动的规律性和可预见性等特性使得其路由策略有简化和变通的可能。
　　星座网络内部路由策略的目标就是在源节点和目的节点之间建立最优路径，并在整个通信过程中保持最优，满足不同业务的QoS要求。下面介绍具有星际链路的星座网络内部路由策略的主要思想：
4. 1 离散时间虚拟拓扑路由DTVTR (discrete-time virtual topology routing)
　　基本思想是利用星座拓扑的周期性和可预见性来优化路由。系统周期分为若干个时隙，星座网络的拓扑结构、每条星际链路的权值在一个时隙内不变，权值可根据卫星间的距离、星际链路持续时间、几何位置等因素计算。信关站预先算出每个时隙内任意两颗卫星之间的最优路径，卫星不需复杂的计算功能，但需较大的空间存储路由表。此策略屏蔽了卫星的移动，可应用于面向连接的网络结构，如基于ATM的卫星网络[2][3][4]。
然而ATM等虚电路交换的一个隐含的条件是呼叫阻塞机制，即拒绝所有不能满足QoS的呼叫。可考虑让网络给用户提供一个选择质量降级连接的机会，并通过适应性编码等技术，提高网络带宽的利用率和呼叫处理能力。

4. 2 基于虚节点VN(virtual node)构成的逻辑拓扑结构
　　基本思想是利用星座拓扑变化的规律性来屏蔽卫星的移动性。地面分成若干个小区，每个虚节点对应一部分小区，分配一个逻辑地址，固定的虚节点构成逻辑拓扑结构。每个虚节点在任意时候各由一颗卫星表示，卫星不断运动，虚节点相继由不同的卫星表示。每个虚节点含有对应区域内所有用户信息和相关的路由信息，在星座用户看来，他们只是和这个虚节点通信。星座网络路由策略可基于虚节点构成的静态逻辑拓扑结构，由地面的连接控制系统采用一般的路由协议（如RIP和OSPF等）实现[5]。

4. 3 基于逻辑拓扑结构
　　对于N条轨道，每条轨道M颗卫星的卫星网络，以经纬度[lon,lat]表示卫星的地理位置, [p,s] (p=1,2…N, s=1,2…M)表示卫星的逻辑地址，可构造相应的逻辑拓扑结构。基于这种逻辑拓扑结构的路由，可不考虑卫星的移动性。[8]将轨道分成两个半圆，实际轨道数为N，逻辑轨道数则为2N，逻辑节点分属两部分i=1,2…N和j=N+1, …2N。采用分布式路由，即每个逻辑节点对数据包单独路由。 [9]基于Teledesic星座模型，采用混合路由策略（链路状态算法和最短路径算法）实现。[6][7]基于walker 星座模型，提出分布式数据包路由算法，即对每个数据包单独路由并保证最小传播时延。算法分为三阶段：①方向估计：假设任意位置两点间时延相等，根据逻辑拓扑结构（网格结构）决定下一跳的逻辑地址，以使数据包更接近目的地；②方向改进：根据不同地理位置星际链路(ISL)时延的不同（如高纬度区域的ISL时延较低纬度区域小），决定备用路径中时延最短的一条作为主路径(primary path)；③拥塞避免：若输出队列长度超过门限则存在阻塞，则调整路由方向，若主路径拥塞则采用备用路径。
　　基于逻辑拓扑结构的路由算法通常采用理想的系统模型分析，如walker 星座模型，不一定能适用于其他实际的星座系统。

4. 4 以后的研究方向
　　星座网络内部路由策略研究的主要方向是综合考虑影响QoS的各种因素，如时延、时延抖动等，在整个通信过程中保持最优路径，满足不同业务的QoS要求。
　　[10][11]主要考虑切换导致的延时对QoS的影响。[10]将星际链路持续时间和传播时延作为度量计算路由，优化路由的目标是最小化呼叫中的星间切换次数。[11]针对连接切换和星际链路切换问题提出的部分重路由算法，即切换后新路由尽可能多地沿用原路由，虽然部分重路由可大大减少处理和消息的开销，但是不一定能找到最优路径。[12]主要考虑时延抖动的影响，根据卫星网络的拓扑结构和用户的位置信息预测各条ISL的业务量，路由算法避开可能为瓶颈的路径，从多条路径中选择最优路径。如果切换后新路径时延较旧路径的长，算法会自动预留更多的带宽保证时延抖动的限制，满足视频业务的QoS要求。
  
5 结论
　　通过隧道技术、NAT、外部路由和MPLS可使LEO卫星网络支持IP业务。对具有星际链路的星座网络，其内部路由策略有DTVTR，基于虚节点和基于逻辑拓扑结构等等。如何解决路径切换等问题，在整个通信过程中保持最优路径，满足不同业务的QoS要求是星座网络内部路由策略研究的主要方向。
MPLS是面向未来的融合了IP 和ATM的核心交换技术，它有效继承并发展了IP 和ATM各自的优势。使用MPLS在底层承载各种业务使得网络层次简洁，成本降低，提高网络和业务的可管理性。MPLS的多协议处理特性使其具有跨越多媒体网络的能力，能为大容量的网络提供统一的控制机制，使运营商获得更灵活的扩展性。MPLS作为下一代网络核心技术的热点，运用于LEO卫星网络时，存在MT的 动态位置跟踪和LSP的动态重路由问题，需进一步研究解决。

　　周瑾（电子科技大学通信与信息工程学院2002级研究生）
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