基于位置的天地一體化網絡路由尋址機制研究

李賀武，劉李鑫，劉君，吳茜

（1.清華大學網絡科學與網絡空間研究院，北京 100084；2.北京信息科學與技術國家研究中心，北京 100084）

1 引言

衛星網絡因其在覆蓋范圍和移動接入能力等方面與地面網絡具有極強的互補關系，受到各界的關注，近年來得到迅速發展，如 Iridium[1]、OneWeb[2]、Starlink[3]等。天地一體化網絡是以地面網絡為基礎、以衛星網絡為延伸，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，為天基、空基、陸基、?；雀黝愑脩舻幕顒犹峁┬畔⒈Ｕ系幕A設施。天地一體化網絡不僅符合未來技術發展的趨勢，也是中國的重大戰略需求[4-5]。然而因衛星高速移動所導致的衛星網絡內部及與地面網絡之間的連接關系不斷變化的特性一直是困擾衛星網絡及天地一體化網絡路由機制設計的最重要難題之一，尋求一種不受頻繁切換影響的路由機制越來越重要。

早期的衛星網絡主要通過“快照技術”[6-7]來實現星上的路由轉發，即基于虛擬拓撲的集中式路由機制。衛星數量的激增及星座規模的迅速膨脹，使衛星網絡內及其與地面網絡間的連接關系變化愈發頻繁?；谔摂M拓撲的快照機制在鏈路連接關系更加高動態變化場景中，尋求靜態離散場景難度加大?；谔摂M拓撲切分得到的時間片數目正比于鏈路切換次數，這直接導致星上需要存儲和維護的路由表數目增長正比于鏈路切換次數的增長，對星上資源有限的衛星網絡造成極大沖擊。與此同時，基于虛擬拓撲的路由機制在與地面路由機制融合時的難度較大。因為前者是利用衛星標識和星間連接關系生成路由信息，在與基于IP 路由的地面網絡融合時，需要兩種路由機制配合，且需要前者能根據當前地面用戶連接情況及時地更新星上路由的存儲信息，這會產生相當大的星上維護開銷，加劇星上資源壓力。

考慮衛星網絡內部的星間相對位置通常相對固定，一部分工作提出基于虛擬節點的分布式路由機制[8-10]?；谝阎男情g相對位置信息，根據星上存儲的預先計算生成的映射表選擇轉發接口，或者鄰居之間交換位置信息和移動方向信息，比較鄰居距目的地址絕對距離得到下一跳路由。這避免了基于虛擬拓撲的集中式路由機制存在的路由表存儲開銷巨大的問題。然而，現有相關路由算法假設落地衛星標識已知，由于衛星高速運動，衛星與用戶之間切換頻繁，獲取落地衛星標識會產生大量的位置更新開銷。此外，由于衛星位置具有時變性，部分解決方案需要鄰居間定期交換狀態信息。隨著衛星星座規模的增大，鄰居間消息交換愈發頻繁，導致衛星網絡中帶寬資源浪費嚴重。

地面互聯網通過TCP/IP 實現了異構網絡互聯且發展成熟，將地面基于IP 的分布式路由協議遷移應用能充分發揮地面互聯網的優勢，用較低的開銷實現一體化網絡建設。然而現有分布式IP 路由協議主要是針對地面互聯網設計，其拓撲基本穩定，這導致協議對一體化網絡鏈路連接關系高動態變化場景應對不足，路由頻繁更新使協議可用性受到極大影響。為此，已有研究嘗試利用衛星周期運行規律，引入預測信息，優化一體化網絡路由機制設計，如OSPF+（open shortest path first）[11]、BGP+（border gateway protocol）[12]等。然而，衛星星座規模的增大導致星上環境更加復雜，所需要的預測指標增多，這對衛星存儲能力和計算能力提出了更高要求，頻繁的消息交換也給衛星能耗帶來更大挑戰。

本文提出一種基于位置的天地一體化網絡路由尋址機制（LA-ISTN,location based routing addressing mechanism of integrated satellite and terrestrial network），不同于上述提及的若干通過獲取鄰居信息計算下一跳的位置路由機制，LA-ISTN 不需要獲取鄰居衛星的位置信息，僅需要從IP 地址中獲取目的地址的位置信息來計算其方位，由選擇算法計算得到的衛星自身最優的接口直接進行數據分組轉發。LA-ISTN 結合傳統路由表查找機制的優勢，提出星上臨時路由表的概念，將分布式計算結果存儲到路由表中，當衛星與目的地址相對位置發生改變時，更新臨時路由表。臨時路由表使LA-ISTN 對于連續數據傳輸支持度更高，極大地提升了機制性能。

2 相關工作

衛星通信技術的發展使低軌衛星星座內通過組網路由實現遠距離高帶寬傳輸成為可能。

早期典型的星間路由機制設計[6]是基于衛星運行規律預測虛擬拓撲，將衛星運行周期切分為離散的時間片，地面集中計算并生成每個時間片的轉發表，星上存儲所有時間片內轉發表，并定期進行更新。文獻[13]在時間片切分的基礎上，將時延抖動等納入路由生成算法優化目標。文獻[14]提出滑動窗口機制，星上只存儲窗口大小時間內路由表信息，衛星過頂時，通過地面站上傳新的窗口大小時間內路由表信息。這類方法路由表獲得基于地面集中預測衛星運行信息生成的先驗知識，在實際運行環境中，抵抗衛星節點失效和鏈路故障的能力差。且隨著衛星規模增大，切分衛星運行周期內靜態拓撲片段的難度增加，時間片數量正比于鏈路切換次數，這使星上存儲開銷和維護開銷急增，星上面臨路由表“爆炸”問題，對網絡可用性造成極大影響。

文獻[8]考慮引入衛星相對位置信息解決基于虛擬拓撲的集中式路由機制存儲開銷大的問題，利用同軌道高度內衛星相對位置進行路由尋址，從而解決星上路由表“爆炸”問題。文獻[9-10]引入擁塞等指標對路由機制進一步優化。文獻[15]中提出基于地理位置信息進行路由的貪心算法，更靠近目的節點的鄰居節點作為下一跳。文獻[16-17]引入平面路由方案，對文獻[15]中可能出現的最后一跳不可達問題進行優化。由于衛星位置時變，此類解決方案算法計算開銷大，且需要鄰居之間定期交換位置信息和移動方向信息，消息交換開銷大。此類方案假設衛星可以獲取到落地衛星信息，由于衛星移動，目的用戶接入衛星頻繁切換，落地衛星的信息難以獲得，且隨著星座規模增大，切換更加普遍，尋址機制實際部署困難。

一種路由機制的設計思路是借鑒地面互聯網成熟的分布式IP 路由協議來實現星間組網路由。文獻[18]指出了衛星網絡中IP 路由存在的挑戰：鏈路連接關系高動態變化；星上計算資源受限，能耗受限。這類解決方案嘗試利用衛星拓撲具有周期性和可預測性的特點，典型思路是將預測信息引入OSPF（open shortest path first）協議，以避免不必要的路由收斂，加速必要的路由收斂[11]。此類優化方案使協議在衛星網絡部署時更適應鏈路連接關系高動態變化環境，帶來了路由協議性能一定的提升。但是隨著衛星規模增加，鏈路切換更加頻繁，需要的預測信息增多，路由頻繁更新也使網絡可用性受到極大影響。

本文提出的LA-ISTN 利用基于地理位置信息編址的IP 編址策略，解決基于虛擬節點的路由機制面臨的目的位置信息很難獲得的問題。每顆衛星從IP 地址中獲取目的地址的位置信息并計算出相對方位，得出最優的轉發接口進行數據分組轉發，不需要鄰居間交換狀態信息，省去了消息交換開銷。LA-ISTN 利用傳統查表路由機制的優勢，提出將路由計算結果存儲到臨時路由表中，當衛星與目的地址的相對位置發生改變時，更新路由表，增強對連續數據傳輸的支持度，提升機制性能。

3 LA-ISTN 路由尋址介紹

3.1 問題描述

低軌衛星網絡因具有時延低、帶寬高、覆蓋范圍廣的特點，與地面互聯網有極強互補性，成為一體化網絡的研究熱點。不同于地面網絡相對固定的特點，低軌衛星相對地面運動速度快，星地之間鏈路頻繁切換，終端平均每10 min 即需要切換接入衛星。傳統IP 邏輯編址機制中，改變接入衛星會導致終端IP 地址改變，觸發綁定更新，頻繁的綁定更新會消耗大量星上通信資源。為了解決綁定更新頻繁的問題，文獻[19]提出終端IP 地址基于地理區塊編址，使綁定更新與切換無關，降低IP 地址更新的頻率，從而解決綁定更新頻繁的問題，但并未給出相應的基于位置的星間路由方案。IP 生成規則的修改，需要給出相應的高效星間路由方案，現有的路由機制在面對接入用戶量龐大的一體化網絡場景時，會因頻繁的路由更新導致網絡不可用。因此，本文基于節點位置信息和方位信息提出了LA-ISTN，即地理區塊編址場景下的星間路由策略。

假設衛星網絡內每顆低軌衛星攜帶4 個接口[20]，分別與軌內軌間的4 個鄰居建立星間鏈路?？紤]軌間建立星間激光鏈路的難度，假設其中2 個與同軌道內的鄰居衛星建立星間鏈路的接口為激光接口，且假設在衛星運行過程中，鏈路始終保持連接。其余2 個與相鄰軌道的鄰居衛星建立星間鏈路的接口為微波接口，在運行過程中，若衛星進入極區，與相鄰軌道鄰居衛星建立的星間鏈路將斷開。此外，由于衛星跟瞄系統的精度和速度的限制，本文假設2 個運行方向不同的相鄰軌道的衛星之間不建立星間鏈路，所提及的地面接入節點為地面固定的地面站或直接與衛星通信的移動終端。

LA-ISTN 所涉及的概念和變量定義如下。

目的地址位置信息?；诘厍虮砻娣謪^編碼算法得到的區塊編碼信息，或目的地址一定精度的經緯度信息，通過編址算法將目的地址位置信息嵌入IPv6 地址中。常見的地球表面分區編碼算法有Geohash[21]、Google S2 等。

衛星位置信息。衛星位置信息指當前衛星投影到地面所得的基于地球表面分區編碼算法得到的區塊編碼信息或一定精度的經緯度位置信息。衛星系統天然具有時空特性，易獲得其位置信息。

衛星節點坐標系。以當前衛星為原點，當前衛星所在軌道為y軸，正方向為衛星運動方向；垂直所在軌道方向為x軸，正方向為右向。

衛星接口方向。衛星接口方向即衛星通過接口與鄰居衛星節點建立的星間鏈路遠離當前衛星的方向。衛星節點S與C建立星間鏈路，射線S—C方向即為S與C建立星間鏈路接口的方向，如圖1 所示。

圖1 衛星接口方向示意

記當前接收到數據分組的衛星為S，數據分組目的地址為D。若位置信息由基于地球表面分區編碼算法生成的字符串表示，則當前衛星位置信息為Sl，數據分組目的地址位置信息為Dl；若位置信息由一定精度的經緯度信息表示，則當前衛星位置信息為（latc,lonc），數據分組的目的地址位置信息為（latd,lond）。dx表示在以當前衛星為原點建立的直角坐標系中目的地址所處位置在x軸上的投影的長度，dy表示在y軸上投影的長度。星上接口方向與S—D連線所形成的夾角定義為接口的方向角，記為α。衛星與n個鄰居節點建立星間鏈路所形成的n個接口方向角為α1,α2,…,α n（本文中n＜4），如圖1 所示α1和α2即為S的2 個接口方向角。

3.2 路由機制

3.2.1 LA-ISTN

不同于文獻[15]使用位置信息計算鄰居節點距離目的地址的絕對距離或絕對方向來選擇下一跳路由節點的方法，LA-ISTN 根據目的地址的位置信息計算其相對于當前衛星的方位，然后利用相對方位選擇當前衛星的最優轉發接口進行數據分組轉發。每顆衛星獨立計算轉發接口，不需要鄰居間交換狀態信息。本文給出了LA-ISTN 選擇轉發接口的2 種實現方式——基于接口方向角比較的轉發接口選擇算法（IA-ISA,interface angle based on interface selection algorithm）和基于星間相對位置的轉發接口選擇算法（RP-ISA,relative position based on interface selection algorithm）。

IA-ISA 中定義的最優轉發接口指當前衛星所形成的接口方向角中，最小的接口方向角對應的接口，IA-ISA 的具體實現如算法1 所述。特別地，LA-ISTN不同接口選擇算法實現中待選擇的轉發接口不包括接收到當前數據分組的接口，以避免數據分組從接收接口再轉發給前一跳衛星節點形成路由環路。因此，算法1 中輸入的衛星節點接口方向角中不包括收到的當前數據分組的接口對應的接口方向角。

算法1IA-ISA

輸入D,α1,α2,…,α n

輸出next_port

1) next_port=ip_lookup()//查詢臨時路由表，獲取轉發信息

2) if next_port//若查詢到對應表項，則根據表項進行轉發

3) next_port=sort_angle(α1,α2,…,α n)// 對輸入的接口方向角進行排序，將最小接口方向角對應的接口賦值給next_port，若最小接口方向角有多個，優先選擇同軌內鄰居建立鏈路的接口

forward(next_port);

4) route_item=generate_route(D,next_port);

add_route(route_item)//將本次路由計算結果加入臨時路由表

return;

算法1 首先查找臨時路由表，若查找成功，將數據分組從路由表中記錄的接口轉發給目的用戶；否則，選擇對應最小接口方向角的轉發接口，將數據分組從該接口轉發給下一跳鄰居衛星節點。

考慮某些低軌衛星網絡建設規模大、單顆衛星成本較低，因此存在單顆衛星計算能力不足的缺陷。衛星接口方向角的獲得和計算開銷對此類衛星網絡來講壓力過大，因此，本文給出LA-ISTN 接口選擇的第二種實現方式RP-ISA。

RP-ISA 利用星間鄰居相對位置來選擇轉發接口，對當前衛星建立衛星節點坐標系，易知目的地址一定位于以當前衛星為原點所建立的衛星節點坐標系的坐標軸或者4 個象限中。目的地址與衛星的相對方位根據目的IP 地址中記錄的位置信息計算得到，以(dx,dy)的形式表示。RP-ISA 將復雜的接口選擇問題轉化為選擇軌內星間鏈路或軌間星間鏈路轉發的問題?？紤]不同緯度軌間星間鏈路的長度有區別，在選擇最優轉發接口時，若目的地址相對當前衛星處于較高緯度，優先軌內轉發；若目的地址相對當前衛星處于較低緯度，優先軌間轉發，具體實現如算法2 所示。

算法2RP-ISA

輸入D,(latd,lond),(latc,lonc),dx,dy

輸出next_port

1) next_port=ip_lookup();//查詢臨時路由表，獲取轉發信息

2) if next_port:

forward(next_port);

return;

end if

3)//確定intra_port 和inter_port 對應值，其中intra_port 表示本次選擇過程中軌內鏈路對應的接口，inter_port 表示本次選擇過程中軌間鏈路對應的接口

//接口可用的條件是該接口當前建立了星間鏈路且不是接收到數據分組的接口

//若dx＞0，則目的地址位于坐標系中一、四象限，接口可用前提下選擇東向（x軸正方向）接口作為軌間接口

//若dx＜0，則目的地址位于坐標系中二、三象限，接口可用前提下選擇西向（x軸負方向）接口作為軌間接口

4) if(|latc| ＜ |latd|)

//當前衛星所處緯度低于目的地址所處緯度，越高緯，軌間鏈路越短，故此刻優先選擇軌內接口轉發，靠近高緯時，判斷是否需要進行軌間轉發

//Lv表示同軌內兩顆衛星的平均距離，若y軸方向上距離小于，根據最強信號強度連接原則，目的地址可能位于當前衛星同緯度衛星覆蓋區域，此時選擇軌間轉發

//Lh表示相鄰軌道內兩顆衛星的平均距離，若x軸方向上距離小于，推測目的地址可能位于當前衛星同經度衛星覆蓋區域，此時選擇軌內轉發

3.2.2 臨時路由表

臨時路由表指星上存儲臨時接入當前衛星的終端路由信息和LA-ISTN 生成的路由表項。當衛星與目的地址的相對位置發生改變時，清除當前路由表項信息，以保證臨時路由表中記錄始終是有效的。當前衛星相對于地球表面的橫向移動速度為vx，相對于地球表面的縱向移動速度為vy，臨時路由表項有效時長如式(1)和式(2)所示。

取tx和ty中較小的一個作為當前路由表項的有效時長，例如tx相對較小,則當經過tx時間后，清除當前路由表項。特別地，由于采用地理位置信息編址的方法，臨時路由表中會出現依據地理區塊聚類的現象。位置信息的精度也影響著上述有效時長的計算，本質上算法獲取的位置信息是一定精度大小的區塊信息。因此，為了進一步降低星上計算開銷和路由表維護開銷，本文對臨時路由表的更新做出進一步優化，即當衛星投影到地面所在分區發生變化時，清空當前臨時路由表，根據運行情況重新生成臨時路由表。

3.3 機理分析

3.3.1 最后一跳尋址可達性分析

分布式位置路由算法存在可達性疑問的位置在于路由的最后一跳，傳統基于絕對距離的路由算法存在最后一跳不可達問題[15]；LA-ISTN 同樣是基于位置的分布式路由算法，衛星覆蓋區域重疊導致用戶節點位于當前衛星覆蓋范圍內但并未接入當前衛星的情況發生。根據LA-ISTN 描述，此種情況下，尋址機制繼續選取靠近目的位置的接口方向進行轉發。

本文給出最復雜重疊情況下的證明，如圖2 所示，即目的地址D位于衛星A、C、E、S重疊覆蓋區域，均有可能連接到某顆衛星時的情況，這種情況下算法的路由可達性證明如下。

圖2 最后一跳可達性分析示意

證明若D接入S，S查找星上臨時路由表獲得下一跳路由，將數據分組數據分組轉發給D，此時路由可達。若D未接入S，S查找臨時路由表失敗，依據接口方向轉發到A或者C。

若D接入A，算法選擇的轉發接口是與A相連的接口，則路由可達；若算法選擇的轉發接口是與C相連的接口，數據分組轉發到C，C查找臨時路由表失敗，依據接口方向轉發到E。同樣地，E查找臨時路由表失敗，將數據分組轉發到A，路由可達。

同理，D接入C的情況路由可達。

若D接入E，算法選擇的接口是A或者C，根據算法，數據分組轉發到E，路由可達。

特別地，考慮在數據分組轉發過程中，D接入的衛星發生變化的情況，LA-ISTN 將數據分組沿著形成的四邊形轉發，最終一定路由可達。由于不會出現用戶來回在2 顆衛星之間切換的情況，其路由在靠近目的地址的位置最多繞一圈便可完成數據分組轉發，故不會產生路由環路的問題。

3.3.2 軌間鏈路斷開及拼縫位置尋址可達性分析

3.1 節給出了LA-ISTN 所對應的低軌衛星網絡場景的具體介紹。除拼縫位置軌間不建立星間鏈路，其余位置軌間鏈路未按照地面預測連接關系正常建立或突然斷開時，給出尋址可達性證明如下。

證明 首先給出只涉及一條軌間鏈路斷開（即單條鏈路斷開）情況下的可達性分析。如圖3(a)所示，當S與右側鄰居的軌間鏈路斷開時，算法會選擇先轉發至B，而后轉發至A，最后一跳可達性證明同3.3.1 節。

圖3 軌間鏈路斷開情況下可達性分析示意

其次，當涉及多條軌間鏈路斷開時，如圖3(b)所示，S、B、A等衛星節點均與右側軌道衛星節點星間鏈路斷開。根據算法描述可知，在此情況下，數據分組會沿著當前軌道逐跳轉發，直到轉發至某一衛星節點，其靠近目的位置的軌間鏈路正常連接。當前衛星將數據分組轉發至相鄰軌道衛星節點E，在相鄰軌道內繼續轉發，直至到達D。

最后，給出當2 條相鄰軌道之間的星間鏈路全部斷開，即拼縫位置的尋址可達性分析。如圖4 所示，拼縫位置相鄰軌道間不建立星間鏈路。根據算法描述，數據分組轉發至拼縫位置的某條軌道時，會沿著該軌道逐跳轉發。當越過極點N時，數據分組會繼續沿更靠近D的方向轉發，不經過未建立軌間鏈路的拼縫位置，后續可達性分析同前文所述，最終實現路由可達。

圖4 拼縫位置可達性分析示意

3.3.3 開銷分析

本節從鄰居信息交換開銷、星上存儲開銷、算法時間復雜度三方面對算法開銷進行分析。

1) 鄰居信息交換開銷。LA-ISTN 需要的衛星接口方向信息和位置信息通過本地讀取衛星上關于天線角度的狀態信息和位置信息來獲得，并不需要交換鄰居信息。與地面基于IP 的分布式路由機制及傳統位置路由算法相比，LA-ISTN 不需要鄰居間“hello”消息傳遞和位置信息傳遞，鄰居間信息交換開銷為零。

2) 星上存儲開銷。LA-ISTN 僅存儲包含當前接入衛星用戶的路由信息和在一定時期內的算法計算結果，且IP 地址基于地理區塊信息生成，算法計算得出的路由表項可聚類，進一步減少星上路由表存儲開銷。與快照機制相比，存儲開銷的降低程度與鏈路切換次數成正比。

3) 算法時間復雜度。IA-ISA 的算法復雜度由算法1 中的步驟1)進行路由表查找、步驟3)接口方向角排序和步驟4)添加表項三部分組成。星上路由表規模記為M，則查詢運行時間為O(M)。由3.1 節描述可知，算法輸入接口方向角個數至多為除了接收到數據分組的接口之外的所有接口數，即輸入規模n≤3，故算法1 的步驟3)運行時間為常數級。步驟4)添加表項操作運行時間為O(1)。故IA-ISA 的時間復雜度為O(M)。

RP-ISA 時間復雜度由算法2 中的步驟1)路由表查找、步驟3)軌內軌間轉發接口確定、步驟4)部分接口選擇和步驟5)添加表項四部分組成。查詢步運行時間與IA-ISA 相同，為O(M)。由算法2 描述可知，軌內軌間轉發接口確定各需要進行2 次比較，接口選擇需要進行2 次比較，總比較次數為6 次，故步驟3)和步驟4)的運行時間為常數級。步驟5)添加表項操作運行時間為O(1)。故RP-ISA 的時間復雜度為O(M)。

綜上可知，LA-ISTN 運行的計算開銷主要來源于路由表查找開銷。

3.3.4 性能分析

本節從路徑最優性、抗毀性和對于連續數據傳輸支持的角度對算法進行分析。

1) 路徑最優性。分布式 IP 路由協議通過Dijkstra 算法計算生成最短路徑。LA-ISTN 逐跳計算下一跳路由，在鄰近目的地址時可能會出現多跳尋址的情況，使算法獲得的路徑不是最短路徑。根據最后一跳尋址可達性分析可知，從路徑跳數的角度比較，記最短跳數為n，則LA-ISTN 所得路徑跳數至多為n+2。從路徑傳輸時延的角度比較，LA-ISTN 第二種實現方式（RP-ISA）將緯度越高、橫向鏈路距離越短的特性納入考慮，記最短路徑傳輸時延為T，則LA-ISTN 所得路徑的傳輸時延最大值為T+2L，其中，L表示單條縱向或橫向星間鏈路的最大傳輸時延。

2) 抗毀性。LA-ISTN 僅考慮當前有效的接口，不依賴預測的鏈路連接關系，故路由選擇靈活性和抗毀性強。

3) 對于連續數據傳輸支持。LA-ISTN 提出臨時路由表的概念，利用傳統路由查表機制的優勢，連續數據流只需計算一次，后續路由查找臨時路由表獲得，避免單個數據分組計算帶來的額外開銷，對連續數據傳輸支持度高。

4 實驗驗證

本文使用STK（Systems Tool Kit）衛星工具包[22]和Mininet 網絡仿真軟件[23]搭建了一體化網絡仿真環境。低軌衛星網絡由于距地面距離近、時延低成為了衛星網絡發展的趨勢。低軌衛星網絡的拓撲變化最頻繁，路由機制設計所面臨的形勢相較其他軌道高度衛星來講更嚴峻，因此本文仿真的一體化網絡場景中衛星網絡部分為低軌衛星網絡。由于銥星系統經過多年的發展，其星座結構最具有代表性，故本文的仿真場景基于銥星系統的星座結構來模擬低軌衛星網絡，增加衛星節點數來模擬多個場景。低軌衛星網絡參數如表1 所示。地面節點選取了15 個地面站進行地面站間組網，在全球范圍內選取了25 個用戶節點，共40個地面節點。

本文通過將真實的衛星軌道運行參數和地面節點位置信息輸入STK 衛星工具包，模擬了網絡在一個衛星運動周期（100 min）內的拓撲變換情況并選取了最典型的快照機制[6]和地面應用最廣泛的分布式路由協議OSPF[22]與LA-ISTN 進行對比。開銷測試通過在Mininet 網絡仿真軟件中搭建上述不同規模的網絡，使用Quagga 路由軟件[24]部署OPSF協議來進行。從路由表存儲開銷、路由更新開銷、網絡可用性及路徑傳輸時延4 個方面對3 種機制進行對比分析。

表1 低軌衛星網絡參數

4.1 路由表存儲開銷

記一次衛星運行周期內，單顆衛星上采用的基于虛擬拓撲的快照機制[6]攜帶的路由表規模為CVT，OSPF 協議存儲的路由表規模為COSPF，LA-ISTN 存儲的臨時路由表規模為CLA-ISTN，切分的靜態拓撲時間片數為R。根據3 種路由機制的設計可知，快照機制需要攜帶所有時刻的路由表，星上定期更新當前時刻生效路由表，OSPF協議僅存儲當前時刻的路由表，故存在如式(3)所示關系。

根據3.2.2 節所述臨時路由表的定義可知，LA-ISTN 中衛星僅需要存儲當前時刻衛星的接入終端地址項及算法計算出的網絡部分路由信息。與存儲當前時刻全網路由信息的OSPF 相比，可得式(4)所示不等式。

整理可得式(5)所示關系。

隨著衛星星座規模增長，鏈路切換更加頻繁，使靜態時間片切分難度加大，導致R不斷增大。由式(5)可知，快照路由機制面臨著嚴峻的路由表存儲開銷急增問題和復雜的維護問題，其存儲規模是LA-ISTN 存儲規模的R倍。相比快照機制，LA-ISTN更適合大規模衛星網絡，雖然OSPF 協議的路由表存儲開銷與LA-ISTN 基本一致，但其路由更新頻繁，使資源有限的衛星難以承受。

4.2 路由更新開銷

路由更新開銷定義為由于路由更新所致的更新數據交換開銷?？煺諜C制是基于虛擬拓撲預先計算出每一時間片的路由信息，隨時間片更新當前生效路由表，不需要發送更新數據進行路由表更新，因此其路由更新開銷為0。

LA-ISTN 中路由表更新發生在單顆衛星切換分區時衛星本地更新路由表，不需要鄰居間路由信息交換和其他通信，因此其路由更新開銷為0。

OSPF 協議中使用“hello”消息來監聽鏈路連接狀態，鏈路狀態變化會觸發路由表更新。由于OSPF 協議需要得知全網連接信息以計算最短路徑，因此本地路由表更新會導致鄰居間傳遞LSA update 數據分組，交換各自路由表，因此OSPF 協議存在更新數據交換開銷。實驗得到該協議在不同網絡規模下一個衛星周期內的路由更新引起的數據交換總開銷，如圖5 所示。由圖5 可以看出，OSPF協議因路由更新引起的數據交換開銷隨著網絡節點規模的增長近乎呈指數級增長。

圖5 OSPF 協議路由更新數據交換總開銷變化

綜上分析可知，LA-ISTN 無路由更新開銷，可以極大地減少星上帶寬資源消耗，提升網絡整體性能。

4.3 網絡可用性

網絡可用性定義為當前時刻路由表能準確地反映當前時刻網絡拓撲狀況的時長占比?？煺諜C制下衛星網絡理論上始終可用，但在實際運行過程中衛星具有一定的隨機性，不能保證其鏈路連接狀態與地面預測結果時刻保持一致。倘若發生鏈路建立失敗或鏈路意外斷開等情況，網絡實際拓撲將與預測信息不一致，其網絡可用性將受到毀滅性打擊。

根據3.3.4 節抗毀性分析可知，LA-ISTN 基本不受鏈路預測的影響，星間鏈路建立失敗僅會導致當前可選擇接口減少，可能會引起星間轉發跳數的增加，但能保證數據分組可達。因此意外情況對LA-ISTN 下的網絡可用性無影響，網絡始終可用。

分布式IP 路由協議遇到故障會引起全網路由更新，路由長時間處于收斂狀態，收斂過程中，網絡可用性受到極大影響。OSPF 協議的網絡可用性測試是在Mininet 環境中使用Quagga 路由軟件部署，得到了不同網絡節點規模下一個衛星運行周期內的OSPF 協議的運行情況，計算得到其網絡可用時長占比，如表2 所示。

表2 不同網絡節點規模仿真發生路由更新次數及網絡可用時長占比

由表2 可以看到，隨著網絡規模的增長，路由更新次數增長對OSPF 協議可用性的影響較大，當網絡規模為178 時，可用時長占比已不足7%。綜上，相較快照機制和OSPF 協議，LA-ISTN 在網絡可用性方面占據明顯優勢。

4.4 路徑傳輸時延

本文選擇分別位于北京和開羅的2 個地面接入節點，在不同的網絡規模下，測量并比較了IA-ISA、RP-ISA 和最短路徑3 種路由選擇算法計算得到的路徑傳輸時延，結果如表3 所示。其中，最短路徑算法是快照機制和OSPF 協議的路由選擇算法，IA-ISA 和RP-ISA 是LA-ISTN 機制下2 種不同的路由選擇算法。

由表3 可以看出，IA-ISA 在不同網絡規模下的路徑傳輸時延與最短路徑傳輸時延相同，即為最優傳輸路徑。當RP-ISA 的節點規模分別為130、154、178 時，路徑傳輸時延相比最短路徑有一定延遲，平均差值為7.792 2 ms，與3.3.4 節性能分析的結果相符，差值在理論分析范圍內。

表3 3 種算法路徑傳輸時延比較

5 結束語

本文提出一種基于位置的天地一體化網絡路由尋址機制——LA-ISTN，基于用戶IP 地址根據其地理位置信息生成的編址方式，在星間路由時，利用IP 地址中的位置信息計算路由方位，根據路由方位選擇最優的轉發接口進行轉發。實驗結果表明，相較快照協議和OSPF 路由協議，LA-ISTN 星上路由表規模僅為前者的（R為快照機制攜帶的路由表的數目）。LA-ISTN 路由更新引起的數據分組交換開銷和鄰居通信開銷為0，且路由選擇不依賴于預測的鏈路連接關系，穩健性強，可保證網絡時刻可用。