卫星网络路由技术_

软件学报ISSN1000-9825,CODENRUXUEWE-mail:[e-mail],2014,25(5):1085−1100[doi:10.13328/j.cnki.jos.004581]©中国科学院软件研究所版权所有.Tel/Fax:[phone]卫星网络路由技术∗卢勇2,赵有健1,孙富春1,李洪波1,倪国旗2,王殿军11(清华大学计算机科学与技术系,北京100084)2(空军空降兵学院,广西桂林541003)通讯作者:卢勇,E-mail:[e-mail]摘要:卫星网络周期性动态变化的拓扑对路由协议的设计提出了新的挑战.由于传统网络的路由协议不再适用于卫星网络,许多针对卫星网络的路由技术被相继提出来.在简要介绍卫星网络架构与拓扑控制策略的基础上,根据卫星网络路由技术的发展脉络,从分类的角度重点阐述了一些关键路由技术的核心机制、特点以及存在的主要问题.最后,针对应用需求,提出了卫星网络路由技术的发展趋势.关键词:卫星网络;路由中图法分类号:TP393中文引用格式:卢勇,赵有健,孙富春,李洪波,倪国旗,王殿军.卫星网络路由技术.软件学报,2014,25(5):1085−1100.英文引用格式:LuY,ZhaoYJ,SunFC,LiHB,NiGQ,WangDJ.Routingtechniquesonsatellitenetworks.RuanJianXueBao/JournalofSoftware,2014,25(5):1085−1100(inChinese).(DepartmentofComputerScienceandTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)2(AirForceAirborneAcademy,Guilin541003,China)Correspondingauthor:LUYong,E-mail:[e-mail]:Theperiodicanddynamictopologyofsatellitenetworksposesnewchallengetothedesignofroutingprotocols.Sincetheroutingprotocolsofconventionalnetworkscannotbeeffectivelyappliedtosatellitenetworks,manynewroutingtechniquesforsatellitenetworkswereputforward.Withanintroductiontosatellitenetworkarchitectureandtopologycontrolstrategiesalongwiththedevelopmentalhistoryofroutingtechniquesonsatellitenetworks,thispapersummarizesthecoremechanism,featureandmajorproblemsofsomeimportantroutingtechniquesofsatellitenetworksfromtheclassificationperspective.Consideringapplicationrequirements,thepaperalsosuggeststhefuturetrendstowardsthedevelopmentofroutingtechniquesonsatellitenetworks.Keywords:satellitenetwork;routing运行于轨道的卫星通过星间链路构成的新型网络体系成为全新的全球通信模式,在空间信息获取和全球无缝通信领域发挥着地面网络无法比拟的作用.随着第一个全球个人通信Iridium计划[1]的公布,卫星网络开始引起广泛的关注与研究.目前,公开的卫星网络架构主要有Teledesic[2],Iridium[1],Celestri[3]以及NeLS[4].其中,Iridium卫星网络已在轨运营服务.由于地面网络受地理条件、自然灾害等多种因素的限制,卫星网络将为下一代互联网随时随地的全球通信能力发挥基础性的作用.随着空间信息技术的迅速发展,各国普遍意识到:卫星网络在全球通信、导航定位、气象预测、环境与灾∗基金项目:国家自然科学基金(61233007,61373144);国家重点基础研究发展计划(973)(2013CB329105,2012CB821206);国家高技术研究发展计划(863)(2011AA010704);北京市自然科学基金(4122037)收稿时间:2013-06-25;定稿时间:2014-01-261086JournalofSoftware软件学报Vol.25,No.5,May2014害监测、资源探测和军事应用等方面将发挥越来越重要的作用,以卫星网络为核心的空间网络平台日益成为各国持续研究与发展的战略性工程.2012年10月25日,我国第16颗北斗导航卫星发射的成功,标志着北斗导航卫星系统又迈出重要的一步;同时,卫星组网计划正稳步推进.未来几年,我国发展的卫星将逐步构成主体空间网络系统,在空间信息资源的利用方面将会有实质性的突破.因此,当前卫星网络的研究对于促进我国空间信息技术的发展具有重要的意义.卫星网络路由技术作为卫星网络通信协议的核心,承担着星间数据传输的重任,决定着卫星网络的整体性能.因此,卫星网络路由技术的研究非常必要.卫星网络拓扑的动态性导致传统的TCP/IP协议不能直接应用于卫星网络.自20世纪90年代以来,国内外针对卫星网络进行了深入的研究,集中体现在星座设计、路由技术、传输层控制以及安全隐私等方面.其中,路由技术是卫星网络的热点研究问题.各种针对卫星网络的路由技术被相继提出来.本文首先对卫星网络的体系结构、拓扑控制策略进行介绍;然后,以卫星网络路由技术的发展过程和应用背景为依据,对不同的路由算法进行分类,从中选择重要的路由算法进行分析,阐述其核心机制、主要特点及存在的主要问题;昀后指出卫星网络路由技术的发展趋势,为进一步研究提供参考.1卫星网络构架1.1卫星分类卫星的轨道类型与轨道高度决定了卫星的运动特征.卫星轨道一般分为椭圆轨道与圆轨道.椭圆轨道以地球为焦点之一,而圆轨道以地球为圆心.椭圆轨道卫星的运动速度受卫星与地球之间的距离的影响,近地点速度快,远地点速度慢,故一般在远地点建立卫星与地球之间的通信.典型的椭圆轨道卫星有俄国的Molniya系统和Tundra系统[5].与椭圆轨道不同,圆轨道能够保证卫星以恒定速度绕地球运行,便于卫星之间星间链路的建立,因此,卫星网络一般采用圆轨道.此外,由于地球近层宇宙空间存在两个由高能带电粒子组成的强电磁辐射带,高度分别位于1500km∼5000km与13000km∼20000km之间,以其发现者范⋅艾伦(VanAlan)命名,如图1所示.为了躲避范⋅艾伦带与大气阻力的影响,低地球轨道(LEO)卫星的轨道高度一般位于500km∼1500km,中地球轨道(MEO)卫星的轨道高度位于5000km∼10000km,地球同步轨道(GEO)卫星的轨道高度为35786km.轨道高度决定卫星的轨道周期以及与地面通信的传播时延.与GEO卫星相比,LEO与MEO卫星能够提供更短的传播时延与发射能量需求,广泛应用于卫星网络的设计,但它们更低的轨道高度导致更快的运动速度,增加了通信协议设计的复杂性.MEOGEOVanAlanbeltEllipticorbitCircularorbitLEOFig.1Satelliteorbitselection图1卫星轨道选择卢勇等:卫星网络路由技术10871.2卫星星座设计迄今为止,主要有两种星座设计用于卫星网络:Walkerdelta(倾斜星座)与Walkerstar(极轨道星座).Walker星座一般可形式化为NL×ML/NL/F(F=0,1,…,NL−1)[6],其中,ML为单个轨道内卫星数目,NL为轨道数,F为相位因子.图2显示了两种星座构型.倾斜星座中轨道倾角小于90°,一般位于40°∼60°之间,相邻轨道在赤道面的角距离为360°/N;极轨道星座中轨道倾角接近于90°,一般位于80°∼90°之间,相邻轨道在赤道面的角距离为180°/N.(a)Walkerdelta星座(b)Walkerstar星座Fig.2WalkerdeltaandWalkerstarconstellation图2Walkerdelta与Walkerstar星座不考虑卫星失效的随机性,卫星网络采用的星座设计决定了拓扑变化特征.一般情形下,卫星网络包含两种类型的星间链路:轨道内相邻的卫星构成轨内链路,相邻轨道相邻的卫星构成轨间链路.极轨道卫星网络存在两个相邻的轨道,其卫星运动方向相反,形成一个所谓的缝隙(seam),如图3所示.由于在缝隙两侧建立跨缝链路代价昂贵[7],且Gavish等人[8]验证了跨缝链路对端到端时延产生次要的影响,因此一般情况下不考虑极轨道卫星网络的跨缝链路.极轨道卫星网络的轨间链路在进入极地区域时会断开连接,离开极地区域后重新建立连接,直接造成其拓扑的动态性.此外,极轨道卫星网络另一个不利在于对地球覆盖的不均匀:人口密集的赤道附近覆盖稀疏,而人口稀疏的两极区域却覆盖密集.与极轨道卫星网络不同,倾斜轨道卫星网络能够实现均匀的全球覆盖,如图4所示,但对轨间链路的建立提出更高的要求.随着技术的发展和研究的深入,如果选择合适的星座参数,倾斜轨道卫星网络可建立永久的轨内链路与轨间链路,如Celestri系统.Suzukia等人[9]对该类型卫星网络的星座设计进行了详细的分析.InterplaneISLSeamInterplaneISLFig.3SatellitenetworkwithWalkerstar图3Walkerstar卫星网络Fig.4SatellitenetworkwithWalkerdelta[10]图4Walkerdelta卫星网络[10]IntraplaneISLIntraplaneISLSouthNorthΔωΔωΔφΔφΔφ=π/NLΔω=π/ML(F=NL/2)Δφ=2π/NLΔω=2πF/(NL×ML)1088JournalofSoftware软件学报Vol.25,No.5,May2014卫星网络根据不同轨道高度的层次配置,可分为单层卫星网络与多层卫星网络.单层卫星网络由轨道高度相同的卫星通过星间链路构成.根据选择的轨道高度,单层卫星网络又可分为LEO卫星网络和MEO卫星网络.多层卫星网络由不同轨道高度的卫星通过轨间链路和不同卫星层之间的层间链路构成,如双层LEO/MEO卫星网络[11]、双层LEO/GEO卫星网络[12]以及三层LEO/MEO/GEO卫星网络[13].与单层卫星网络相比,多层卫星网络能够提供更强的计算能力、数据传输能力以及通信协议设计的灵活性.随着空间通信技术的发展和应用需求的提升,多层卫星网络成为未来空间网络发展的主要趋势.1.3卫星网络拓扑控制策略由于卫星严格的轨道运动,卫星网络的动态拓扑呈现周期性与可预测性,这是区别于其他动态网络,如自组织网络、传感器网络的主要特征.基于这一特点,卫星网络的路由技术一般采用拓扑控制策略来屏蔽拓扑的动态性,然后,针对静态的拓扑序列进行路由优化计算.目前,卫星网络的拓扑控制策略主要包括虚拟拓扑策略[1