（计算机科学与技术专业论文）双层卫星网络ip路由算法及tcp改进研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 摘要 卫星网络作为一个新兴的研究领域越来越受到科研人员的关注。目前，对卫 星网络路由算法的研究还处于探索阶段，由于卫星网络具有拓扑结构动态变化、 较大传输时延等与地面网络不同的特点，使得适用于地面网络的路由算法不能用 于卫星网络上。卫星网络中应用的i p 路由算法的优劣将直接影响到整个通信网络 的性能以及通信的质量，因此必须针对卫星网络的特点设计适合于卫星网络的i p 路由算法。 本文在现有卫星网络路由算法研究的基础上，从卫星网络和地面网络的差异 出发，提出了适用于双层卫星网络的i p 路由算法d s r a 。通过对o p n e t 网络仿 真软件机制的研究，实现了d s r a 路由算法的仿真分析。通过分析实验结果对 d s r a 的性能进行评价。 卫星网络信道差错率高、传播时延长和信道不对性等特点对t c p 传输有不良 影响，因此现有地面网络的t c p 不能直接用于卫星网络。t c p 的流量控制是网络 正常运行的基础，而围绕着t c p 流量控制的拥塞控制一直是卫星网络t c p 改进的 一个热点。本文对现有无线网络的t c p w e s t w o o d 进行改进，使其拥塞控制机制 在卫星网络的环境下有更好的性能。最后通过o p n e t 对t c p 改进进行仿真分 析，仿真实验结果证明了改进的有效性。 主题词：卫星网络，路由算法，o p n e t 仿真，拥塞控制 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wr e s e a r c hf i e l d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt o s a t e l l i t e n e t w o r k s c u r r e n t l y t h er e s e a r c ho nr o u t i n ga l g o r i t h mo fs a t e l l i t e n e t w o r k si s s t i l li na ne a r l ys t a g e d u et ot h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so fs a t e l l i t en e t w o r k s s u c ha s d y n a m i ct o p o l o g ye t c ，r o u t i n ga l g o r i t h m sw o r k i n gi nt e r r e s t r i a ln e t w o r k sd on o tf i t s a t e l l i t e n e t w o r k s t h er o u t i n ga l g o r i t h mo ft h es a t e l l i t e n e t w o r k sw i l l d i r e c t l y i n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n dt h eq u a l i t yo f c o m m u n i c a t i o n s s oi t sn e c e s s a r yt od e v e l o pan e wr o u t i n ga l g o r i t h m w h i c hi st a i l o r e d f o rs a t e l l i t e n e t w o r ka st oi t ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s a f t e rt h ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n gr o u t i n ga l g o r i t h m so fs a t e l l i t e n e t w o r k sa n dt h e d i f f e r e n c eb e t w e e ns a t e l l i t e n e t w o r k sa n dt e r r e t r i a ln e t w o r k s ad o u b l e 1 a y e r e ds a t e l l i t e n e t w o r k sr o u t i n ga l g o r i t h md s r ai sp r o p o s e di nt h et h e s i s a n dt h eo p n e ts i m u l a t i o n i m p l e m e n t a t i o no fd s r ai sa l s op r e s e n t e d b a s e do nt h es i m u l a t i o n ap e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no fd s r ai sg i v e nb ye x p e r i m e n t s t c p e x p e r i e n c e sp e r f o r m a n c ed e g r a d l a t i o ni ns a t e l l i t e n e t w o r k sd u et oh i 2 hb e l l i g hl a t e n c ya n db a n d w i d t ha s y m m e t r y ，s oi ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et c pf o rs a t e l l i t e n e t w o r k s t c pf l o wc o n t r o li st h eb a s i sf o rt h ei n t e r n e tt oo p e r a t en o r m a l l y a n dt h e t c pf l o wc o n g e s t i o nc o n t r o l i so n eo ft h ec u r r e n th o tp r o b l e m si nt h ei n t e m e tr e s e a r c h i nm i st h e s i s a ni m p r o v e ds c h e m eb a s e do nt h er e s e a r c ho ft c p w e s t w o o di sp r o s e d a n dt h er e s u l to fo p n e ts i m u l a t i o ns h o wt h ev a l i d a t i o no ft h es c h e m e k e yw o r d s ：s a t e l l i t e n e t w o r k s ，r o u t i n ga l g o r i t h m ，o p n e ts i m u l a t i o n ， c o n g e s t i o nc o n t r o l 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图3 1 双层卫星网络示意图2 0 图3 2l e o 层轨道高度对覆盖率的影响2 1 图3 3l e o 层的逻辑节点图。2 3 图3 4m e o 卫星的投影图2 5 图3 5 快照周期的分布2 6 图3 6 当r = l 时，拥塞链路的拥塞区图2 8 图4 1同轨道内交换3 0 图4 2 轨道间交换图3 l 图4 3 卫星节点和地面节点的节点模型。3 5 图4 4d s r p 的状态迁移图：361eo 图4 5d s r a 算法和b e l l m a n f o r d 算法的时延差3 9 图4 6 卫星失效对端到端延迟的影响3 9 图5 1t c p 仿真场景。5l 图5 2不同p e r 时t c p w 和s t c p w 的吞吐量对比5 2 图5 3不同p e r 时t c p w 和s t c p w 的丢包数对比。5 2 图5 4不同l m 时t c p w 的吞吐量变化5 3 图5 5不同i m 时s t c p w 的吞吐量变化5 3 第v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表3 1l e o 层卫星的参数2 l 表3 2m e o 层卫星的参数2 2 表4 1 d s r p _ l e o 各状态功能描述3 8 第l v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：丞星里星圆鳌! 整由篡洼区! 要邀进盟窥 学位论文作者始爿坦 日期i ) 唧年1 1 月蝎日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：型坠建望 作者指导教师签名：羔刚激 吼岬年j ，月杉日 日期：旧年f j 月矽日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 目前，以i n t e m e t 为核心的陆基网络已经得到了长足的发展，以各种卫星为基 础的天基网络进入到快速发展阶段。卫星网络在在宽带传输、因特网接入和数据广 播业务等方面，有着广阔的市场发展前景。如何将陆基网络和卫星网络无缝结合， 使地面节点和卫星节点对用户透明成为目前网络技术领域研究的热点【l 】。 早在上世纪八十年代末，天基网络的概念就被提出，相关的研究工作也取得了 一系列重大发展。近些年，天基综合信息网络、天地一体化网络、陆海空天一体化 网络等概念不断涌现，相关领域的研究也正在蓬勃兴起。随着卫星载荷技术、传输 技术、天线技术和发射技术的日益发展，卫星已经不仅局限于最初的反射型中继功 能，而逐步由多颗卫星构成卫星网络提供对航空、地面移动网络和个人通信服务的 多种业务类型支持。独立运行和管理的卫星系统已经不能有效地适应信息社会和军 事应用的要求，有些国家已开始实施天基网络的研究与开发并制定出相应的发展规 划。美国军方已明确的把天基综合信息系统列为国防重点研究发展的信息结构。 要实现卫星网络和陆基网络的无缝结合就必须实现星上i p ，美国在这方面的 成功经验证实了星上i p 的可行性。2 0 0 3 年9 月，思科3 2 5 1 m o b i l ea c c e s s 路由器被 发射进近地轨道，搭载在由英国“萨里卫星技术有限公司”建造和操作的“英国灾 害监测联合体”( 简称“u k d m c ) 卫星上。这些卫星和地面站的连接，形成一 个世界范围的i p 网络，延伸进广袤的太空中。2 0 0 7 年3 月，c l e o ( 思科低轨卫星 路由器) 成功进行了i p s e c 和i p v 6 的测试，这更坚定了卫星服务提供商开发卫星网 络口技术的信心。星上口的应用可以提供更大的带宽，并能节约管理和运营成 本。以实现星问路由的星座组成的高速的空间骨干网和地面互联网的无缝结合将使 人们的通信方式发生革命性变化，“一个世界，一个网络”的梦想终会实现。 传统g e o 卫星由于其轨道高，链路时延大，星地传输损耗大，并且地面站需 要较大口径的天线，用户终端功耗大，限制了卫星与移动节点的通信。因此，近年 来的卫星组网技术中更多地应用非静止地球轨道卫星，即低轨道l e o 卫星和中轨 道m e o 卫星。l e o 卫星轨道低，星地传输损耗和传输时延小，用户终端实现简单 且功耗低，频率能高效复用，链路具有高带宽，能够支持手持机与卫星直接通信。 m e o 卫星的特性介于l e o 卫星和g e o 卫星之间，组成星座后全球覆盖特性均匀， 高纬度地区有更好的仰角特性，星地传输时延相对较i x ；与l e o 卫星相比，单星 第l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 覆盖域大，切换频率低，轨道周期长，卫星数量少，系统结构简单【2 1 。随着卫星发 射技术和小卫星技术的逐渐成熟，利用l e o m e o 双层卫星网络和地面网络组成一 个无缝的普遍服务体系已成为可能。而路由问题一直是l e o m e o 卫星网络需要解 决的难点之一i j j 。 由于天基网络拓扑的特殊性，其路由也必然不能沿袭地面网络的路由。卫星网 络的路由就像是戴着枷锁跳舞一样，有限的资源和动态的拓扑正是卫星网络不得不 背负的枷锁。 t c p i p 协议已经是数据通信标准的代名词，是唯一可以通达世界范围内 i n t e r n e t 连接的通信协议，也是任何数据用户终端最先支持的协议标准。利用 t c p i p 协议进行数据传输是网络应用的主流，随着网络通信容量的不断增加和计 算机信息处理能力的不断提高，t c p i p 协议成为“唯一的选择，即所谓 “e v e r y t h i n go v e ri p ”。但适用于地面互连网的t c p 拥塞控制算法在卫星网络中存 在以下问题：时延大导致拥塞控制的节奏缓慢，效率降低。例如慢启动算法就名副 其实地慢，由此而来的是卫星链路的高带宽无法得到有效的利用。误码率高导致许 多丢包；而一般简单的拥塞算法将所有丢包都视为拥塞的出现，这就使拥塞控制算 法徒劳地作用于误码上，各源结点纷纷降低发送速度，浪费网络带宽。因此我们必 须对现有的t c p 协议作必要的改进以使其适用于卫星网络的数据传输。 1 2 卫星网络概述 随着航天技术和计算机网络技术的迅速发展，现代卫星通信系统己不局限于单 颗卫星的通信，正在逐渐向网络化方向发展。由多颗卫星按照一定规则构成的卫星 网络系统以其良好的覆盖能力、良好的移动性和良好的可扩展性为特点，已经成为 一种重要的通信手段，得到广大研究者的关注。它不受地理环境限制，不受时间限 制，能够使任何人在任何地点于任何时间和其他人通信，是地面通信网的补充和延 伸。 1 2 1 卫星网络 卫星网络是由不同轨道上多种类型的卫星系统，按照空间信息资源的最大有效 综合利用原则，互通互联，有机构成的智能化体系。卫星星座是卫星网络的重要组 成部分，它决定了卫星网络的结构。卫星星座的定义由卫星轨道和星间链路两部分 构成【4 5 1 。 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 1 2 1 1 卫星星座 一个卫星移动通信系统的所有按一定规则分布的卫星构成该系统的卫星星座。 通常它们具有相同的使命，提供地面段各设备收发信号之间的转接或交换处理。按 照卫星轨道和卫星数量的不同可以构成任意不同的卫星星座。 近年来，设计者们提出了多种卫星星座设计方案，力图使得卫星星座的覆盖面 积达到最优。比较有代表性的是w a l k e r 星座体系【6 1 。它是由设计者w a l k e r 的名字 命名。w a l k e r 星座采用圆形轨道，星座参数有四个。按照w a l k e r 惯用的符号和表 示方法，可写为：i ：t p f 。其中，i 为轨道平面倾角，t 是星座中的总的卫星数 目，p 为轨道平面的数目( 所有轨道面具有相同的倾角) ，f 是轨道相位参数， 0 9 9 1 ，轨道内卫星间的角度为3 6 0 0 p t 。轨道间的角度为3 6 0 0 p ，相位角为 3 6 0 0 f 厂r 。 w a l k e r 星座按照所采用轨道的倾角的不同可分为两种类型。一种是极轨道星 座。另一种是倾斜轨道星座。卫星轨道平面倾角为9 0 0 或接近9 0 0 时，轨道通过地 球南、北极，这种轨道称为极轨道。以极轨道卫星构成的星座对高纬度地区可形成 多重覆盖。倾斜轨道平面与赤道平面的夹角小于9 0 0 。 1 2 1 2 卫星轨道 卫星轨道是卫星运行的轨迹。不同轨道参数的轨道对系统性能产生很大影响。 根据轨道参数不同可以分为圆形轨道和椭圆轨道。 ( 1 ) 椭圆轨道 椭圆轨道是指轨道离心率大于零的轨道。地球位于轨道的一个焦点上。卫星和 地球间的距离周期性地变化，其运动速度和轨道高度也在时刻变化，覆盖面积不均 匀。卫星在离地球较近的一端时工作，在远离地球时关闭链路，常用于提供特定地 区的服务。 ( 2 ) 圆形轨道 圆形轨道是椭圆轨道的特例。其轨道离心率等于零。地球位于轨道中心。卫星 和地球间的距离恒定，运动速度不变，卫星在任意位置都可以工作，因此较容易提 供的全球覆盖，目前被广泛使用。 圆形轨道按照轨道高度的不同，圆形轨道可以分为三类：地球同步卫星( g e o ) 、 中轨道卫星( m e o ) 和低轨道卫星( l e o ) 。 地球同步卫星 地球同步卫星轨道高度在2 0 0 0 0 k m 以上，位于赤道正上方。当其海拔达到 3 5 7 8 6 k m 时，卫星运行的角速度和地球运行的角速度相刚7 1 ，使得从地面看去卫星 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 和地球是相对静止的。如果仅使用地球同步卫星并不能实现全球覆盖。然而，地球 同步卫星有一个优点就是最少可以用三颗g e o 卫星就可以覆盖地球非常大的面 积。 低轨道卫星 低轨道卫星轨道高度在5 0 0 2 0 0 0 k m 左右。其轨道高度要远远小于g e o 卫星， 因此l e o 卫星到地球的往返时延较小，通常在3 0 m s 以内。对于高度为1 0 0 0 k m 的 卫星，最长过境时间( 仰角为1 0 0 ) 不到1 3 m i n t 引。因此要实现全球覆盖则需要较多数 目的卫星节点。根据覆盖率和最小仰角的不同，需要的卫星数目则不同。通常为几 十颗甚至上百颗。 一 中轨道卫星 中轨道卫星轨道高度在1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 k m 之间，位于g e o 和l e o 卫星之间。因 此，其性能基本上也介于g e o 和l e o 卫星之间。m e o 卫星相对地球站运行速度比 l e o 卫星要慢，每颗卫星相对于地球的可见时间是1 2 小时。一般需要十几颗m e o 卫星提供全球覆盖。中轨卫星到地球的往返时延为1 l o 1 3 0 m s 。 1 2 1 3 星间链路 星间链路是指星间或星地之间双向通信的链路( 可以是激光链路，也可以采用 毫米波如k a 波段链路) 。具有网络特性的卫星星座中的卫星之间主要靠星间链路进 行通信。星间链路和卫星星座共同决定了卫星网络的拓扑结构。卫星网中的链路可 以分为三类：轨道间链路( i o l ：i n t e r o r b i t a ll i n k ) ，轨道内链路( i s l ：i n t e 卜s a t e l l i t el i n k ) 和星地链路( u d l ：u s e rd a t al i n k ) 。 ( 1 ) 轨道内星间链路 同一个轨道面卫星之间的链路称为轨道内星间链路。由于卫星位置相对固定， 这种链路能够一直保持，可视为永久链路。在相同的覆盖情况下，通过i s l 可以大 的提高系统的通信容量；在覆盖不同的区域时，可以大大地增加通信覆盖的面积；同 时可以提高地面站的最小仰角，提高通信的质量。 ( 2 ) 轨道间链路 不同轨道的卫星之间的链路称为轨道间链路。卫星网络可以由运行在不同高度 的卫星轨道组成，形成多层星座的卫星网络。在这样的星座中，不同层的卫星通过 层间的卫星链路通信。l e o ，m e o 和g e o 卫星之间都可以有通信链路。i o l 可以是 同层( 如l e o ) 不同轨道卫星间的星际链路，也可以是不同层( 如l e o 和m e o ) 卫星之 间的星际链路。在具有星际链路的卫星网络中每颗卫星将成为空间网的一个节点， 使通信信号能按照所需的最佳路径进行传输，对于组织全球通网将是十分方便和灵 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 活的圈。 轨道间链路在某些情况下会关闭，如当星际链路位于极地地区以内时，由于卫 星相对位置发生变化，链路要关闭，等到出了极地地区就恢复连接；位于反旋轨道 间的星际链路由于星间相对运动速度极快，可通信时间极短；椭圆轨道中的卫星在 离地球较远一方时链路关闭，在靠近地球一方时恢复链路。 ( 3 ) 星地链路 卫星通过u d l 和其覆盖范围内的地面网关通信。一颗卫星可和多个地面网关 进行通信。当然，一个地面网关也可以直接和不同层中的多颗卫星通信。 1 2 2 卫星网与地面网的差异 卫星网与地面上的各种通信网络的不同主要在于它有以下几个方面的特性： ( 1 ) 地面网大都属于固定节点网，即使是近几年来新兴的移动通信网，也只是 用户终端在移动，而作为网络核心的骨干路由节点是固定的，并没有脱离传统的固 定网络的范畴。卫星网与其区别就在于网络中的各个路由节点一直处于运动之中。 路由节点的不断运动导致了卫星网网络拓扑的剧烈变化，这是卫星网区别于一般网 络的主要特性。 ( 2 ) 卫星网是由众多卫星节点组成的通信网络，每个卫星节点有自己特定的运 行轨道。卫星与卫星之间的空间距离相对于地面网络的节点距离大了很多。距离增 大导致数据传输时延随之增大。卫星网这种相对较大的网络传输时延对于网络协议 及其性能都有非常大的影响。 ( 3 ) 卫星网卫星节点的不断运动，导致了卫星间相对距离的变化。这种距离的 变化对于网络时延有很大的影响，可能导致网络时延的抖动。这种时延抖动会影响 网络的路由协议，同时它对实时性要求较高的网络业务( 如视频会议) 的影响有时会 是致命的。 卫星网与现有的地面网络之间存在如此显著的差异，因此对卫星网路由协议的 设计，必须充分考虑卫星网的上述特性。 1 2 3 双层卫星网络的优势 m e o 与l e o 系统在支持网络通信时所具有的优势不尽相刚9 】【l o 】。l e o 系统 轨道低，星地之间的传播时延小，链路传播损耗小，对用户终端e i r p 和g t 值要 求不高；然而每颗卫星的覆盖范围十分有限，需要众多的卫星来构成全球系统，网 络结构复杂，系统投资大m e o 系统星地间的传播时延较大，但是在信息的远距离 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 传输时其传播时延优于l e o 。具有星际链路( i s l ) 的双层l e o m e o 卫星星座，不依 赖地面网，形成一个独立的空间网络平台，具有更为广阔的应用前景，并得到了越 来越多的重视。 目前对卫星网的研究大多集中在单层卫星网，其中以l e o 卫星网最具代表 性。随着通信技术的迅速发展，新一代的卫星网通常需要支持多媒体信息传输，包 括对网络带宽资源占用较多的视频业务等。因此，对卫星网络的性能提出了更高的 要求。大多数单层l e o 卫星网是通过增加在轨卫星的数量来提高系统性能，当 l e o 网络规模扩大到一定程度时，单层l e o 卫星网的矛盾就暴露出来了，例如时 延限制路由算法的复杂性与l e o 卫星网络规模成几何级数关系；在l e o 星座规模达 到一定程度的条件下，卫星切换后重路由算法中优化概率等于l ，路由优化机制己 经没有作用了。 在多层卫星网中，m e o 卫星和g e o 卫星成为卫星网交换节点，为所连接m e o 卫星和l e o 卫星提供信息交换服务，每个l e o 卫星成为具有交换功能的用户接入 点，与低速率的地面移动用户和高速率固定用户相连接，并为其覆盖区内用户进行 信息交换，位于不同l e o 卫星覆盖区内用户间和卫星用户和地面网络用户间信息 交换通过l e o 卫星与m e o 卫星间链路、g e o 卫星与m e o 卫星间链路、m e o 卫 星间链路和g e o 卫星来实现。 由上可看出，未来的卫星网既要求网络传输的高可靠性，又要求移动终端的全 球覆盖性，而且还要求高质量的接入服务和提供q o s 保证等。如果仅采用l e o ， m e o 或g e o 单层星座卫星网都无法同时满足上述要求，因此结合l e o 和m e o 卫 星网络的各自特点设计满足应用需求的双层卫星网络很有实际意义。 1 3 本文的研究内容及其意义 本文的研究内容共分为三个方面： 一是双层卫星网络模型的确定，包括星座参数的选择和卫星网络体系结构的构 建，它是后续i p 路由算法设计和卫星t c p 改进的物理基础。本文借鉴已有的星座 模型，在l e o 层采用比较成熟的极轨道星座模型，在m e o 层采用覆盖均匀的倾斜 轨道。两种星座均有成功应用的商业卫星模型，如1 9 9 8 年的铱星系统和i c o 系 统，因此这就使得本文的研究具备一定的现实可靠基础。通过m e o 卫星对l e o 卫 星的分组和管理实现系统负载的均衡分配，通过快照等定义实现双层卫星网络体系 结构的构建。 二是卫星网络i p 路由算法的设计。要使卫星网络和地面网络无缝结合，路由 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 算法的研究一直是一个难点和热点。本文在现在卫星网络路由算法研究的基础上提 出 了双层卫星网络路由算法( d s r a ：d o u b l e 1 a y e r e d s a t e l l i t e n e t w o r k r o u t i n g a l g o r i t h m ) ，该算法兼顾l e o 卫星和m e o 卫星的优势，在系统稳定性和复杂度方 面做出了合理的折衷选择。我们用m e o 层对l e o 层进行管理，分担l e o 层计算 路由表的开销，每个l e o 卫星实时监控邻居卫星节点的情况，一旦出现拥塞或卫 星失效，m e o 卫星能够及时重新计算路由表，以保证路由表的时效性。 三是卫星t c p 协议的改进。t c p 协议在有线网络中工作得是很好的，但是在 卫星通信中却不能很好的利用它的带宽。传输的长延时、接收窗口的大小、网络中 的拥塞等都成为卫星通信中的突出问题厂为此本文对卫星通信中的tcp 作了一些 改进。重点对拥塞控制算法的改进进行了研究，基于对现有地面无线网络 t c p w e s t w o o d 协议的研究，提出了对t c p w e s t w o o d 的改进使其适用于卫星网 络，仿真实验表明这种改进提高了卫星网络的吞吐量并使丢包率大为降低。 1 4 论文章节安排 论文共分为六章，整体结构与章节安排如下： 第一章概述了论文的研究背景和卫星网络的特点，将卫星网络和地面网络进行 对比，提出本文的研究内容。 第二章主要讨论了本文研究的工作基础，包括仿真软件的选择、双层卫星网络 星座的设计方法，卫星网络路由算法的分析和卫星网络t c p 分析。 第三章利用s t k 设计双层卫星网络的星座模型，在此基础上对双层卫星网络 的各层模型及分组快照等概念进行定义，完成双层卫星通信网络体系结构的构建。 第四章在分析现有卫星网络路由算法的基础上设计一种路由信令和通信数据物 理隔离的路由算法并通过o p n e t 仿真验证路由算法的性能。 第五章针对卫星网络t c p 协议存在的问题提出改进建议，并通过仿真验证在 卫星网络高误码率和长时延的背景下，通过对地面无线网t c p w 协议的改进可以 大大提高t c p 传输的吞吐量，降低丢包数。 第六章是全文的结束语。 第7 页 国防科学技术大学研究生院1 二学硕士学位论文 第二章本文研究工作的基础 2 1 仿真软件的选择 卫星网络的研究需要使用相关的仿真软件作为工作基础。本文选择业界最为先 进的两款仿真软件s t k 和o p n e t 作为卫星网络研究的仿真平台，其中s t k 用于 卫星网络的星座仿真，o p n e t 用于卫星网络的协议仿真。 s t k 是美国a g i 公司出品的卫星仿真设计工具包，是目前航天工业领先的卫 星分析和可视化工具，支持卫星网络设计的整个生命周期。 s t k 软件由基本版、专业版和各种模块组成。s t k 基本版提供的核心功能包 括1 ) 轨道生成，提供卫星轨道生成向导，生成各种类型的轨道，快速准确地确定 卫星在任何时刻的轨道位置。2 ) 可见性分析，计算任意两个节点在任何时候是否可 见。3 ) 覆盖分析，计算卫星节点对地球表面和卫星节点本身的覆盖情况。s t k 专 业版是s t k 基本版的补充，功能包括轨道预报、姿态调整、多种坐标类型和坐标 系、多种遥感器类型、可见性约束、以及城市、地面站和恒星数据库。s t k 的三 维显示模块提供太空环境、地面资源，卫星轨道等的三维显示效果。s t k 的分析 模块提供轨道机动分析、链路分析、接近分析等功能。 本文主要用s t k 进行星座仿真，仿真分析双层卫星各层的覆盖性能，确定卫 星星座的参数，建立双层卫星网络的星座模型。 2 1 2o p n e t o p n e t 是一种商业软件，是美国o p n e tt e c h n o l o g i e si n s 公司的产品。目前 o p n e t 是世界上最先进的网络仿真开发和应用平台之一，近几年被第三方权威机 构( 如n e t w o r k w o r l d 等) 评选为“世界级网络仿真软件第一名。o p n e t 采用离散 事件驱动的模拟机理，其中“事件”是指网络状态的变化，也就是说，只有网络状 态发生变化时，模拟机才能工作。网络状态不发生变化的时间段内不执行任何模拟 计算，即被跳过。因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率更高。 另外o p n e t 采用基于包的建模机制。建模方面o p n e t 模型分为网络、节点和进程 三个层次，用户可以在这三个层次的任何地方切入编程，建立所需的模型。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 本文用o p n e t 中导入s t k 中建立的星座模型，对双层卫星网络模型的i p 路 由算法和t c p 传输进行仿真，验证本文设计的i p 路由算法和提出的t c p 改进建议 的性能。 2 2 双层卫星网络星座设计方法 从网络的角度来看，卫星星座会影响网络的覆盖区域，网络的时延大小和时延 分布等性能参数，因此卫星网络星座仿真是卫星网络算法和协议仿真的前提和基 础。 一般说来，卫星星座设计需要考虑星座任务要求、卫星制造成本、地面应用系 统的分布、外层空间环境等约束的影响，合理的选择卫星星座的各种参数，使之满 足指定的各种性能要求。卫星星座的仿真模型包括基本几何参数的性能参数的定 义，以及参数之间关系的定义。本文的性能参数主要从路由交换角度来选取。 卫星星座对路由的影响首先表现在信息传输的时延上，传输时延由星间链路的 距离决定。其次，卫星星座的覆盖面积也是影响路由性能的因素。因此将星间链路 距离和星座覆盖面积作为模型的性能参数。 根据卫星星座各参数之间的相互关系，给定基本参数可以确定性能参数。反 之，如果给定性能参数，则可以确定基本几何参数。这个过程可以通过s t k 仿真 来实现。下面讨论在给定性能参数的情况下如何确定基本参数。 。 在我们的双层卫星星座模型中，我们先确定部分参数。如卫星轨道都采用圆形 轨道，由此得出离心率和近地点幅角都为0 。l e o 层采用极轨道，轨道倾角为8 6 度。因此每个l e o 卫星有三个参数待定，即轨道高度、升交点赤径和平近点角， 每个m e o 卫星有四个参数待定，即轨道倾角、轨道高度、升交点赤径和平近点 角。 由此星座参数的确定转变成一个多变量多目标优化的问题。多变量多目标优化 问题的求解一般都很复杂，不容易求得全局最优解。这里采用如下方法简化求解过 程。 。 首先建立各个卫星的升交点和平近点角参数的关系，减少参数个数。假设同一 层的卫星节点均匀分布，那么同一个轨道的卫星的升交点赤径相同，平近点角由卫 星之间的相位差决定。不同轨道卫星的升交点赤径的差由轨道的相位并决定。这样 通过确定一个卫星的升交点赤径和平近点角参数，就能够计算出所有同层卫星的升 交点赤径和平近点角参数，多个参数化归为单个参数。 其次，固定其它参数，研究单个参数对目标函数的影响的规律。可以将其它参 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 数设定为典型值，然后根据单个参数对目标函数影响的规律，求出这个参数的较优 解。如此逐一求出各参数的较优解。这种方法的缺点是可能求得的只是局部最优 解。因此需要进行回归求解，修正之前得到的解。 此外，由于w a l k e r 星座的参数有限，而且离散性质明显，所以采用取值空间 穷举法搜索也是一种可行的求值方法。 本文在l e o 层主要考虑轨道高度对覆盖性能的影响，在确定轨道倾角、卫星 轨道数、每轨道卫星数、地面最小仰角的情况下选取适当的轨道高度采样步长，通 过仿真试验确定最优覆盖性能的轨道高度。在m e o 层我们主要考虑轨道倾角对覆 盖率的影响。在确定轨道高度、卫星轨道数、每轨道卫星数、地面最小仰角的情况 下选取适当的轨道倾角采样步长，通过仿真试验确定最优覆盖性能的轨道倾角。具 体过程将在下一章中详细给出。 2 3 卫星网络路由算法分析 2 3 1 卫星网络与现有固定网路由的对比分析 现有的比较成熟的固定网络路由机制，根据其获取信息方式的不同，可以分为 两种：静态路由( s t a t i cr o u t i n g ) 和动态路i 扫( d y n a m i cr o u t i n g ) 。 2 3 1 1 静态路由 在静态路由中，路由表的配置完全由管理员进行手工控制。管理员根据网络流 量的时间相关性，对路由进行调整，在能够成功选路的基础上，使网络的负载能够 较均衡的分布在整个网络上。这种路由机制由于可以周期性的更该路由表，表现出 一定的动态性。如果采用专家系统等技术使得将管理员的手工控制转换成由程序进 行控制，将提高此路由机制的灵活性和动态性。但这种动态性和动态路由的动态性 相差很大，无法做到实时更新路由，一旦网络出现频繁的拓扑变化，此路由机制将 无法胜任对路由的实时的要求。但这种路由机制却不需要再选择路由上花费任何额 外的开销，包括计算和传输的开销，因此，寻路速度非常快，效率很高。 卫星网络拓扑是动态变化的，但这种动态的变化却是遵循一定的规律。在正常 运行的情况下卫星网络的拓扑变化根据其规律是可以预知的，可以考虑根据卫星网 络的这种特性，为其设计并采用静态路由策略。目前在卫星网络的静态路由方面， 己经有了一定的进展，具有代表意义的包括m a r k u sw e m e r 等人的基于a t m 的 l e o m e o 卫星网络路由策吲1 2 j ，h o n gs e o n gc h a n g 等人的l e o 卫星网络拓扑设计 和路由算法【1 3 1 ，v i d y a s h a n k a rvg o u n d e r 等人的面向连接的、在简单标记交换基础 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 上发展起来的卫星网络路由算法【1 4 】等。 但是静态路由本身无法做到实时性更新，因此，上述算法在网络出现故障，从 而拓扑出现无法预知的变化时，将导致大量网络连接的断开、整体性能显著下降， 甚至使整个网络瘫痪。而这种情况静态路由本身无法解决，必须通过外力进行干 涉。同时静态路由策略在卫星网络上的应用将会增加网络对地面系统的依赖，降低 网络的自治能力。另外由于卫星距地距离远、地面系统铺设范围有限等原因，在故 障出现时网络的修复时间也会较长，从而也降低了网络的可靠性。对于一些安全 性、可靠性、实时性要求十分严格的系统，比如军事作战系统，静态路由策略无法 直接应用于卫星网络。 2 3 1 2 动态路由 动态路由最大的特点在于其实时性。但这种实时性是以增加系统开销为代价 的。这种路由策略通过某种方式，收集到网络中的拓扑的变化，然后通过分析，计 算出新的路由。同时将发送出更新后的路由信息，通知其它的节点进行路由更新。 动态路由算法的典型代表是最短路径路由，它通过在网络交换节点( 比如路由器) 之 间传输和交换实时的路由信息，从而为每一个目的主机或目的网络选择路径最短或 者路径开销最小的路由。最短路径算法分为距离向量算法( d i s t a n c ev e c t o r a l g o r i t h m ) 和链路状态算法( l i n ks t a t u sa l g o r i t h m ) 。具体思想如下： ( 1 ) 离向量算法： 网络中每一个交换节点都周期性的将自己的路由表与邻居节点进行交换。将邻 居的路由表中到某目的网络的开销( 通常是指到目的网络的跳数，也可以是路由的 其它开销) a n 上该节点与这个邻居之间的开销( 包括实际的开销或者定义的开销) ，就 得到了本节点到该目的网络的总开销。经过不同的邻居节点到达同一目的网络的总 开销可能互不相同，选择到达目的网络总开销最小的邻居作为到该目的网络的下一 跳节点，并设置这个最小总开销为本节点到达目的网络的总开销。对所有的目的节 点都进行以上的计算就完成了动态路由的计算过程。 典型的距离向量算法有著名的b e l l m a n - f o r d 算法，以及由b e l l m a n - f o r d 算法演 化出的其它路由算法。基于距离向量算法的路由协议有广泛应用于i n t e m e t 的r i p ( r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) ，i g r p ( i n t e r i o rg a t e w a yr o u t i n g p r o t o c 0 1 ) ，e i g r p ( e n h a n c e di n t e r i o rg a t e w a yr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 等。 但是，固定网络的距离向量算法无法直接用于卫星网络，主要是因为这种算 法收敛较慢，而且系统开销大在卫星网络中，网络拓扑的变化非常得频繁，而且 有些拓扑变化是有规律可循，可以预知的。如果采用距离向量算法，卫星网络拓扑 第1 1 页 围防科学技术大学研究生院丁学硕士学位论文 变化的规律性和可预知性这一重要信息将被忽略，造成不必要的系统开销，同时， 节点的路由调整将无法跟上网络拓扑变化的速度，整个网络将始终处于路由更新的 状态。新型的距离向量算法，如e i g r p 算法针对算法收敛速度慢这一特点进行了 改进，提高了收敛速度。 ( 2 ) 链路状态算法： 这一算法也叫做最短路径优先算法( s p f s h o r t e s t p a t hf i r s t ) 【1 5 】【1 6 】【1 7 】【18 1 。 每一个路由器都保存一份最新的关于整个网络的网络拓扑结构数据库，在此数 据库中存储的信息可以计算出从本路由器出发能否到达某一指定网络，而且在能到 达的情况下，还能选择出最短的路径以及使用该路径将经过哪些路由器。链路状 态算法中每一个网络交换节点需要向网络中其它所有节点广播与自己直接相连的所 有物理链路的链路状态数据包( l i n k s t a t ep a c k e t ，l s p ) ，同时也收集从其它节点发送 来的l s p 。根据收集的l s p 信息，网络交换节点可以构造网络的拓扑数据库。并在 该库内使用d i j s t r a 算法为所有的目的节点选择路径最短的路由。使用链路状态算法 的路由协议有n l s p ，o s p f 和i s i s 等。 链路状态算法要求每一个网络交换节点同时向网络中所有其它网络交换节点广 播与其直接相连的链路状态信息，算法的收敛速度比距离向量算法中路由信息的逐 级播送要快得多。而且由于链路状态算法为每一个网络交换节点保存整个网络的拓 扑状态图，所以可以有效的杜绝选路中的回路，自然也就不存在选路的无限计数问 题。 但这种算法系统开销较大，无法直接应用于卫星网络。其原因主要有两个方面： 首先，链路状态算法要求网络交换节点周期性的向全网广播l s p ，这将造成大量的 系统传输带宽开销，这种开销对于带宽资源日益丰富的固定网络当然不在话下，但 是对于利用无线信道传输数据的卫星网络却是沉重的负担。其次，链路状态算法要 求节点保存全网的拓扑状态图，但在卫星网络中，网络拓扑变化频繁，因此这个拓 扑状态图需要不断的更新，同时计算量也大得多，这些都会给网络节点带来较大的 计算开销。对于内存、c p u 资源有限，通过电池供电的卫星节点而言，这种计算 开销是代价太大。 综上所述，静态路由无法直接用于卫星网络，现有地面网络的动态路由也无法 直接应用于卫星网络。因此我们要设计专门的卫星网络路由算法，使其即能适应卫 星网络的拓扑动态变化，又能充分利用卫星网络拓扑变化的规律性。本文设计的路 由算法基于链路状态算法的理念，用m e o 卫星对l e o 卫星进行分组管理，这样 l e o 卫星就无需保存全网的拓扑状态图，链路状态也直接传送给m e o 卫星，使 l e o 层的带宽完全用于通信数据的传递，这种方法大大减少了系统广播l s p 的开 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 销