卫星网络路由技术现状及展望_倪少杰.pdf
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1、卫星网络路由技术现状及展望倪少杰岳洋*左勇刘文祥肖伟叶小舟(国防科技大学电子科学学院长沙410073)摘要:与地面固定通信网络不同,卫星网络的节点高度动态性、有限的星上处理能力和网络拓扑周期性变化的特点给卫星互联网的路由协议与算法设计带来了新的挑战。该文系统梳理了学术界针对卫星网络所提出的路由技术,提出了卫星路由技术未来的发展方向。首先介绍了卫星网络架构和目前在卫星通信系统上应用的主要路由协议,并且简要介绍了卫星光通信网络的路由问题;其次,根据卫星节点的管理方式以及路由表生成方式将路由算法分类为集中式卫星路由、分布式卫星路由以及混合式卫星路由,详细介绍了各类卫星路由方法的代表性成果并总结其优化
2、目标和适用场景;接着,总结了不同卫星网络场景和网络需求下如何选择合适的卫星路由算法;最后,阐述目前卫星路由技术面临的挑战以及未来的发展趋势,并在附录中介绍了当前主流的卫星网络仿真平台。关键词:卫星通信;路由协议;路由算法;卫星网络仿真中图分类号:TN927.2文献标识码:A文章编号:1009-5896(2023)02-0383-13DOI:10.11999/JEIT211393The Status Quo and Prospect of Satellite Network Routing TechnologyNIShaojieYUEYangZUOYongLIUWenxiangXIAOWeiYE
3、Xiaozhou(College of Electronic Science and Technology,National University of Defense Scienceand Technology,Changsha 410073,China)Abstract:Differentfromterrestrialfixedcommunicationnetworks,newchallengesarebroughttothedesignofroutingprotocolsandalgorithmsforsatelliteInternetbecauseofthecharacteristic
4、sofhighlydynamicnodes,limitedon-boardprocessingcapabilitiesandperiodicchangesofnetworktopologyinsatellitenetworks.Theroutingtechnologyproposedbytheacademiccommunityforsatellitenetworksissortedoutcomprehensivelyandthefutureresearchhotspotsofsatelliteroutingtechnologyisgiveninthispaper.Firstly,thearch
5、itectureofthesatellitenetworkandthemainroutingprotocolscurrentlyusedinthesatellitecommunicationsystemareintroduced,andtheroutingproblemofthesatelliteopticalcommunicationnetworkisalsobrieflyintroduced.Secondly,theroutingalgorithmsareclassifiedintocentralizedsatelliterouting,distributedsatelliteroutin
6、gandhybridsatelliteroutingaccordingtothemanagementmethodofsatellitenodesandtheroutingtablegenerationmethod.Latertherepresentativeresultsofvarioussatelliteroutingmethodsareintroducedandtheiroptimizationgoalsandapplicablescenariosaresummarizedindetail.Then,howtochoosetheappropriatesatellitenetworkscen
7、ariosandnetworkrequirementsunderdifferentsatellitenetworkscenariosissummarized.Finally,thechallengesfacedbythecurrentsatelliteroutingtechnologyandfutureresearchhotspotsaredescribed,andthecurrentmainstreamsatellitenetworksimulationplatformsareintroducedintheappendix.Key words:Satellitecommunications;
8、Routingprotocol;Routingalgorithm;Satellitenetworksimulation1 引言基于卫星星座的卫星互联网正日益成为重要的信息基础设施。由上千甚至是上万颗低轨(LowEarthOrbit,LEO)、中轨(MiddleEarthOrbit,MEO)和包含地球静止轨道(GEostationaryOrbit,GEO)及倾斜地球同步轨道(InclinedGeoSynchronousOrbit,IGSO)在内的地球同步轨道卫星构成的庞大卫星网络,能够突破地面网络需要在世界各地建设地面站的局限,实现全球不间断信号覆盖,为全球用户提供大宽带、低延时、无死角连接入网
9、的网络服务。大规模、多层次的卫星网络是天地一体化网络的重要组成部分,也是世界各国争相研究的重点1。收稿日期:2021-12-01;改回日期:2022-04-23;网络出版:2022-04-28*通信作者:岳洋基金项目:国家自然科学基金(U20A20193)FoundationItem:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(U20A20193)第45卷第2期电子与信息学报Vol.45No.22023年2月JournalofElectronics&InformationTechnologyFeb.2023路由作为网络通信的关键技术,直接影响着数据流的
10、传输效率和网络的服务质量。目前针对地面网络的路由技术已经相当成熟,但是无法直接用于卫星网络,主要原因是卫星网络具有网络拓扑变化剧烈、路由表更新频繁、单星载荷受限、节点流量不均衡、卫星损坏概率大等问题,卫星网络的这些特点给卫星路由协议和算法设计带来巨大挑战。目前学术界针对卫星路由技术开展了大量研究工作,国内外许多学者对其进行了总结。国内的卢勇等人2将卫星路由技术分为单层卫星网络(例如LEO卫星网络)路由和多层卫星网络(例如LEO-MEO-GEO3层卫星网络),并且对单层卫星网络的路由和多层卫星网络的路由进行了更为详细地划分;朱立东等人3对针对卫星网络不同关键性能的路由技术进行了总结。国外有学者将
11、卫星路由技术分类为负载均衡路由、基于流量的路由以及组播路由4,并且对负载均衡路由进行进一步划分。随着卫星路由技术的发展,卫星路由算法已经不局限于实现单一路由性能指标的提升,而是着重解决在特定网络场景约束条件下实现网络整体性能例如时延、丢包率、吞吐量等指标的优化;除此之外,目前已有的综述文献很少关注卫星通信的网络层路由协议以及适用于卫星网络的仿真平台,而卫星路由协议是卫星路由算法得以实现的基础,并且卫星路由算法的性能优劣需要通过仿真平台进行分析评估。针对以上问题,本文首先介绍各类网络架构的卫星路由协议,并且考虑到光通信已经成为目前及未来卫星网络重点考虑的通信技术,本文还简要介绍了卫星光通信网络的
12、路由问题;然后提出了新的卫星路由技术的分类方法,按照路由表是全局管理还是分布式决策对卫星路由技术进行分类并且总结了各卫星路由算法的优化目标和适用场景;之后展望了卫星路由技术的未来发展趋势并在附录处介绍了世界上卫星网络仿真平台现状。2 卫星网络架构与路由协议卫星通信网络架构与地面通信网络架构相比具有显著差异,针对地面网络的路由协议不能直接应用于卫星,必须采用拓扑控制策略屏蔽卫星网络的动态性才能将地面路由协议用于卫星网络中。本节首先展示了卫星通信网络架构,并且介绍了针对卫星网络的路由协议现状。2.1 卫星网络架构传统的卫星通信系统架构如图1所示。卫星通信网络包含空间段、地面段以及用户段。空间段由G
13、EO/IGEO,MEO和LEO卫星组成,作为空间段的核心,各个卫星节点具有星上信号与数据处理能力,同轨道卫星和非同轨道卫星之间均通过建立星间链路(Inter-SatelliteLink,ISL)进行数据交换。地面段包括地面网关、网络控制中心(NetworksControlCenter,NCC)以及各类地面观测站,主要完成向卫星发送控制信号和从卫星接收回馈信号的功能,同时提供到达地面网络与用户终端的接口。用户段主要包括各类用户终端以及相应的用户接口设施。2.2 卫星路由协议卫星网络需要依靠路由协议才能完成路由和数据转发。路由协议负责创建路由表,描述网络拓扑结构,执行路由选择和数据包转发功能,因此
14、卫星路由协议对于卫星网络通信起到至关重要的作用。当前,IP协议是卫星网络接入全球互联网的主流入网方案。IP路由协议主要包括路由信息协议(RoutingInformationProtocol,RIP)、开放最短路径优先协议(OpenShortestPathFirst,OSPF)、中间系统到中间系统协议(IntermediateSystemtoIntermediateSystem,IS-IS)、内部网关路由协议(InteriorGatewayRoutingProtocol,IGRP)以及增强型内部网关路由协议(EnhancedInteriorGate-wayRoutingProtocol,EIGR
15、P)等5。外部网关协议主要包括边界网关协议(BorderGatewayProtocol,BGP)。卫星网络可以通过在地面终端配置上述内部/外部网关协议进行动态IP路由,或者使卫星成为路由节点,即采用星上路由的方法在星座网络中实现IP路由功能,实现卫星网络接入全球互联网6。卫星通信系统除了基于IP的协议体系,还包括国际空间数据系统咨询委员会(ConsultativeCom-mitteeforSpaceDataSystems,CCSDS)协议体系和延迟/中断容忍网络(Delay/DisruptionTolerantNetworks,DTN)协议体系。CCSDS在TCP/IP协议的基础上进行机制修改
16、和扩充,制定了空间通信协议规范(SpaceCommunicationProtocolStan-dards,SCPS),并且定义了两个网络层协议:空间分组协议(SpacePacketProtocol,SPP)和空间通信协议规范-网络协议(SpaceCommunicationsPro-tocolSpecificationNetworkProtocol,SCPS-NP)。DTN体系架构主要用于断续网络连接和高时延的通信场景,因此非常适合于卫星通信。在DTN体系架构中,节点间传输的数据包称为消息,根据消息在网络中副本数量,DTN路由协议可分为单副本路由和多副本路由。单副本路由协议有“直接传输”协议(d
17、irecttransmission)7和“搜寻和聚焦”协议(seekandfocus)7等;多副本路由协议有384电子与信息学报第45卷蔓延路由协议(epidemic)8、使用历史记录的概率路由协议(ProbabilisticRoutingProtocolusingHistoryofEncountersandTransitivity,PRoPH-ET)9、考虑最大数据传播概率(maxpropagation)的路由协议(MaxProp)10、“扩散和等待”协议(sprayandwait)11等基于复制的路由,以及考虑社会网络的社会相似度(socialsimilarity)和中间中心度(betwe
18、ennesscentrality)的路由(routingbasedonSimilarityandBetweennesscentrality,Sim-Bet)12等基于社会行为的路由策略。针对新型网络架构在卫星网络中的探索与应用,新型网络路由协议也应运而生。命名数据网络(NamedDataNetworking,NDN)是一种以数据内容为中心的网络体系架构13,NDN能够直接响应用户的数据请求而无需通过IP地址与服务器通信14,因此相比TCP/IP网络架构,NDN能够更好适应移动互联网时代以多媒体流量内容为中心的数据分发模式。目前NDN中主要有3种路由协议15:针对命名数据网络的开放最短路径优先协
19、议(OSPFforNameddatanetworking,OSPFN)、针对命名数据网络的双层路由协议(Two-layerRoutingProtocolforNDN,TRPN)和命名数据链路状态路由协议(Named-dataLinkStateRoutingprotocol,NLSR)。而着眼于目前的5G、未来的6G+天地一体化网络通信时代,未来的通信网络将实现全球无死角全覆盖,非地面网络(Non-TerrestrialNetwork,NTN)的出现将很好地解决例如偏远地区、高速移动的交通工具(例如飞机)、应急通信等特殊场景的通信需求,针对NTN的卫星路由协议标准也正在制定16。现有卫星网络路由
20、协议总结如表1所示。由于微波通信频谱资源的限制以及接入卫星互联网的用户数量不断增加,传统的微波通信带宽已经接近理论瓶颈值。而激光通信因频段高、波长短、波束狭窄等特点因而相对传统微波通信而言具有更大的通信带宽,且安全保密性高,信号收发天线尺寸小,便于卫星携带17。基于上述原因,卫星光通信网络已成为下一代卫星通信技术的研究热点。学术界针对卫星光通信网络路由问题开展了大量研究1827,由于激光星间链路波长资源有限,因此一般认为卫星光网络路由问题属于考虑多优化目标的路由与波长分配问题17(RoutingandWavelengthAssignment,RWA)。但目前激光通信技术还不够成熟,基于卫图1卫
21、星通信系统架构第2期倪少杰等:卫星网络路由技术现状及展望385星光通信网络的路由协议与算法仍处于理论研究与仿真实验阶段。3 卫星路由算法现状卫星路由算法根据路由决策主体的差异可分为集中式路由、分布式路由和混合式路由。集中式路由在中央节点计算路由表然后将路由表分发给网络中各卫星节点;分布式路由中各卫星节点成为路由决策主体,各节点独立计算最优的下一跳节点并转发数据包;混合式路由则结合了集中式路由集中计算和分布式路由独立决策的特点。3.1 集中式卫星路由集中式卫星路由方法是在中央节点中计算并维护路由表,并将路由表分发给卫星节点,卫星节点在转发数据包时查找路由表并选择下一跳,当网络拓扑发生改变时,中央
22、节点收集全局网络链路信息,并进行路由表的更新。中央节点可以是接入卫星或地面控制中心。早期卫星网络均采用基于连接的集中式路由算法。Chang等人28提出有限状态机(FiniteStateAutomata,FSA)路由算法,其采用离散拓扑控制策略,将卫星网络的动态拓扑结构离散化并建模为一个有限状态机,在不同状态中为不同的网络拓扑结构分配不同的路由表。FSA属于静态路由方法,即将网络拓扑建模成静态拓扑,从而屏蔽卫星网络的高动态性。具有代表性的静态路由算法还有流偏差算法(FlowDeviation,FD)29和自适应路径路由策略(AdaptivePathRoutingScheme,APRS)30等。F
23、D算法在预先指定的中央节点运行,旨在寻找端到端时延最小的路径;APRS其利用LEO卫星周期性和可预测的特点降低ISL切换频率,并且通过提高链路切换请求和新连接请求的接受率来缓解星间链路的流量拥塞。静态路由算法将网络拓扑进行离散化建模然后进行路由决策,随着卫星星座规模的增大,静态路由很难及时感知链路状态信息31。因此,采用能够感知链路状态信息的动态路由方法能够及时更新路由表,提高卫星网络服务质量。Rao等人32提出在源节点集中计算的多路径QoS路由算法(Multi-PathQoSRouting,MPQR)和基于移动代理的QoS路由表 1 卫星网络路由协议卫星网络协议体系架构主要路由协议路由协议特
24、点与评价IP体系架构内部网关协议:(1)路由信息协议RIP;(2)开放最短路径优先协议OSPF;(3)中间系统到中间系统协议IS-IS;(4)内部网关路由协议IGRP;(5)增强型内部网关路由协议EIGRP。外部网关协议:边界网关协议BGP。优点:(1)IP路由协议成熟稳定,可靠性高;(2)采用IP路由协议可以很方便与地面网络互联;(3)在卫星网络中实现组播较容易。不足:(1)IP协议仅提供“尽力而为”的服务,不能保证网络的服务质量(QualityofService,QoS);(2)当网络结构过于复杂时,IP路由表的维护与更新较为困难。CCSDS体系架构(1)空间分组协议SPP;(2)空间通信
25、协议规范-网络协议SCPS-NP。优点:(1)协议可应用于多种信道环境;(2)协议报文可随业务不同而改变首部结构,以达到最优的比特效率。不足:不支持与IP协议的互操作。如果要实现与IP协议的互联则需要转换协议首部。DTN系统架构单副本路由协议:(1)directtransmission协议;(2)seekandfocus协议。多副本路由协议:(1)epidemic协议;(2)PROPHET协议;(3)MaxProp协议;(4)sprayandwait协议。优点:(1)单副本路由协议信令开销低,网络资源利用率高;(2)多副本路由协议交付延迟低,可靠性高。不足:(1)单副本路由协议交付延迟高,可靠
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