卫星综合网络及其路由技术的研究

文章编号:100729513(2003)0620014204

卫星综合网络及其路由技术的研究

王志刚,王汝传,王绍棣

(南京邮电学院计算机科学与技术系,江苏南京　210003)

Ξ

摘　要:为了解决卫星综合网中的动态路由及信息交换,对卫星综合网络技术作了分析和选择,对其路由算法的设计进行了分析,并对卫星综合网的路由机制进行了系统设计。所涉及的路由算法技术是构建卫星综合网信息交

换系统的关键,对解决卫星综合网中的动态路由及信息交换,有很重要的应用价值。

关键词:中地球轨道;服务质量;路由信息协议

中图分类号:T N927 文献标识码:A

卫星综合信息网,是通过卫星星际和星地通信链路将不同轨道、种类和性能的卫星、航天飞行器,其它空间实体以及地面设施连接起来的一个综合通信网络。传统的Internet路由协议为二维的,不能适用于网络拓扑结构快速变化的三维网络,所以,提出一种适用于此种网络的路由算法是当务之急。

1　卫星综合网网络技术分析

天基网是一个以卫星等航天器为核心的互联网络。它不同于陆地网络的平面拓扑结构,是一个具有三维立体拓扑结构的网络,其主体信息交换的核心位于星座部分。完备的组网模型和空间信息交换技术是卫星综合网的关键,也是路由机制高效运行的保证。

1.1　星座组网的系统模型

考虑到卫星综合网是一个不断发展的系统,因此实现动态路由协议时所考虑的卫星网络系统结构,是采用分层、分群和自治相结合的方式,以LE O (低地球轨道)为主,兼顾ME O(中地球轨道)、GE O (地球静止轨道)[1]。

1.2　网络技术的选择

AT M技术能够提供面向连接的服务,可以保证一定的QoS,但实现较复杂;IP技术具有极好的可扩展性,能够支持不断出现的新业务。对于一些实时性要求较高的视频、音频等多媒体应用,在一个宽带的IP网中都将得到很好的支持。所以采用MP LS (等协议标记交换)的体系结构与IP的路由机制将会是完美的结合。

2　现有卫星网络路由技术

卫星综合网由于中、低轨卫星相对于地面站(或者地面终端)高速地飞行,因此拓扑结构随时在变化,适用于地面网络路由的OSPF(开放式最短路径优先)算法、RIP(路由信息协议)等都不能直接使用。

2.1　现有卫星网络路由策略

1)考虑到星座运动的周期性和可预测性,采用虚拟拓扑路由(virtual topology routing)来保持路径。

虚拟拓扑结构类路由算法,利用卫星网络拓扑

第19卷　第6期江　苏　通　信　技　术V ol119　N o16 2003年12月Jiangsu C ommunication T echnology Dec12003Ξ收稿日期:2003205229

基金项目:国家自然科学基金资助项目(70271050);江苏省自然科学基金资助项目(BK2003105);国家高科技项目“八六三”基金资助项目(2002AA712037);江苏省计算机信息处理技术重点实验室基金资助项目(K JS03061)

作者简介:王志刚(1980—),男,湖北应城人,硕士研究生,主要研究方向为计算机网络、移动代理和信息安全技术等;王汝传(1943—),男,安徽合肥人,教授,博士生导师,主要研究方向计算机软件、计算机网络、信息安全、移动代理和虚拟现实技术等;王绍棣(1942—),男,上海人,教授,博士生导师,主要研究方向是计算机网络和信息安全技术、移动代理技术等。

结构的周期性和可预测性等特点,能够预先精确地计算出每对卫星间的路径,提供优化的路由;屏蔽卫星系统的切换问题,把动态拓扑归约(reduce)成按时间段分割的一系列连续的静态拓扑。

2)采用虚拟结点(virtual node)概念。

该类路由利用卫星网络拓扑结构的规则性,目标是在星上路由协议中隐藏卫星的移动性;在源目的地址信息中包含有地理位置信息;它不是预先计算好路由,而是需要卫星实时进行路由计算。

3)拓扑依赖策略(strategies dependent on topology)。

基于这种策略的路由算法对于卫星网络的拓扑结构以及卫星的移动特性具有认知能力,通过不断分析当前网络的拓扑结构特点,针对不同的拓扑结构采用不同的路由策略。footprint handover routing protocol就是基于拓扑依赖策略的一种路由协议[2]。

2.2　现有卫星网络路由算法

2.2.1　基于IP的路由(by Y.H ashimoto)

Y.Hashim oto将卫星的覆盖域划分成称为“超单元(super cell)”的正方形,而每个super cell又细分为9个单元(cell)。每颗卫星最多可以覆盖64个super cell,并且认为离super cell中心最近的那颗卫星覆盖这个super cell。卫星通信使用称为“卫星信元”的固定大小的分组,“卫星信元”的信元头为:。其中,由SI D、CI D和TI D组成了一个终端节点的虚拟地址VI D(virtual I D),它还包括了终端节点的地理位置信息;DI D用来区分报文;Seq#用来区分每一个报文的各个分片。卫星节点在进行信源路由或交换时,直接使用包含在信元头中的目的节点地理位置信息。

2.2.2　分布式的路由算法(by E.Ekici)

E.Ekici提出的路由算法是一种分布式的路由算法,也是基于T eledesic卫星系统的。他将整个地球表面按照卫星的轨道平面p以及其在那个轨道的编号s的组合来对卫星进行逻辑编址,而地球表面的逻辑地址固定不变,最靠近区域的卫星被认为其逻辑地址是对于这个区域的逻辑地址,卫星在运动的过程中改变其逻辑地址为同一轨道内前一个卫星的逻辑地址。

2.2.3　快照序列路由算法(by V.G ounder)

V.G ounder把一个卫星系统内的卫星网络的动态拓扑结构分离成一系列的静态拓扑结构,卫星系统在某一特定时刻的网络拓扑都有一个已定义的网络“快照”与之对应,而且每当IS L(星际链路)发生变化(新增或断开)时,则认为是一个新的“快照”。这样,卫星网络的拓扑结构就可以表示为一系列拓扑结构快照的循环,循环周期就是卫星系统周期[3]。

2.2.4　基于ATM的路由(by M.Werner)

M.Werner提出一种VP(虚路径)路由的方法:

该算法类似于V.G ounder的快照序列路由算法。它将卫星系统周期平均分为N个时间间隔,在每个时间间隔内假定网络的拓扑结构没有变化或变化很小。这样,路由的问题就转化为静态拓扑下的VP路由计算。

3　基于时空的新型分布式路由机制卫星综合网的拓扑结构变化是可以预测的,在一个很短的时间间隔内可以认为:

・网络拓扑结构是固定不变的,此时链路的连接和断开发生在一些离散的时间点上;

・在这此时间间隔内,星座之间的路由开销是固定的,可通过求解图的最短路径法来求解路由。

可以定义“网络拓扑快照”来屏蔽卫星的移动性。本文的路由算法、协议都基于“网络拓扑快照”。

3.1　基于时空的动态路由的主要策略

我们的路由算法主要采用基于虚拟节点的路由策略,并适当考虑卫星星座的拓扑结构。

3.2　基于时空的星间路由算法

在采用虚节点的路由算法中,以Y.Hashim oto的基于IP的路由算法和E.Ekici的分布式路由为典型[4]。其中,Y.Hashim oto的路由算法较好地体现了虚拟节点的概念,而E.Ekici的路由算法由于是基于分布式的,具有较好的鲁棒性。我们的路由算法将结合两者的优点,以达到路由算法的最佳效果。

Y lem Ekici等在A distributed routing alg orithm for datagram traffic in LE O satellite netw orks中提到了2个

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第6期王志刚,王汝传,王绍棣:卫星综合网络及其路由技术的研究