低軌衛星網絡協議的仿真模擬 - 全文

引言

　　未來全球通信系統的重要組成部分就是低軌衛星網絡通信系統。由于低軌衛星通信系統的建立周期長、投資巨大，一旦建成不易對系統更改等特點，必須在系統實現前進行精確的仿真驗證。OPNET是一款性能優良的網絡仿真軟件，能夠對網絡結構、設備和應用進行設計、建模、分析和管理，能夠滿足大型復雜網絡的仿真需求，在網絡層協議仿真方面具有一定的優勢。然而，盡管OPNET 提供了豐富的標準節點模型、鏈路模型、協議模塊等等，但并沒有提供任何低軌衛星標準模塊，給低軌衛星網絡協議仿真帶來一定的困難。當前一些基于OPNET的低軌衛星仿真，大多數是將陸地網絡節點利用有線鏈路連接，通過離散化有線鏈路的通斷，近似模擬低軌衛星網絡中的切換以及拓撲結構變化。這種方法需要針對特定低軌衛星網絡在仿真之前進行復雜的運算，而且不具有通用性。文章通過分析低軌衛星協議體系結構，簡化協議體系中的某些部分，在OPNET 上實現了低軌衛星網絡協議仿真平臺。這個平臺支持非面相連接網絡的路由協議的開發。最后在該仿真平臺上加載動態路由協議，對仿真平臺進行了驗證。

　　1 衛星通信系統協議體系結構

　　根據衛星通信系統設計不同（軌道類型，星上處理或者彎管，ISL 的設計方式）采取的網絡結構有許多種。根據低軌衛星通信當前發展趨勢，本文主要研究具有星上處理/星上交換（OBP /OBS）以及星間鏈路（ISL）支持的低軌衛星網絡，其協議體系結構如圖1 所示。

????? 由圖1 可以看出星上協議中ATM與IP 之間的關系。早期的寬帶IP 衛星系統大多采用基于ATM的傳輸技術。但是一些研究人員認為IP over Satellite 方案與IP over ATM方案相比具有更大的好處：

　　（1）開銷小。Bell 實驗室仿真表明如果采用IP over ATM over SONET 的結構，大約有22%～29%的開銷，而在其中SONET的開銷大約是4%。因此，將ATM層去掉，將會使星上資源得到更充分的利用。

　　（2）易于實現千兆分組網絡。目前，采用ATM 技術的多媒體衛星的實驗干線速率已達622Mbps。但是在提升到吉比特時，ATM的開銷大這一缺點制約了線速的繼續提高。

　　（3）降低系統復雜度。在RS 塊狀編碼、交織和FEC 等技術支持下，衛星鏈路可達準光纖質量。因此無需采用ATM復雜的QoS 保證機制便能抵御無線信道的誤碼。

　　本文將根據圖1的協議框架圖建立無連接的IP over Satellite網絡協議仿真平臺。

　　2 OPNET 節點模型

　　低軌衛星網絡通信系統由空中衛星網絡和地面網關兩部分組成。空中衛星網絡的主要特點有：

　　（1）由于衛星之間存在相對運動導致空中衛星網絡拓撲結構快速持續變化。

　　（2）衛星網絡與地面網關之間存在高速的運動，為確保通信的持續必須進行頻繁的切換。

　　整個衛星網絡的協議劃分如圖2 所示。OPNET 提供的標準節點模塊對涉及到的協議進行了細致的模擬，修改起來的工作量巨大，為了避免修改OPNET 標準節點模塊，把Gateway節點拆分為兩個節點：OPNET標準路由器和低軌衛星網關，這兩個節點用PPP 鏈路直接連接，可以省去鏈路層協議的設計。低軌衛星網關的切換管理模塊實時檢測天線的俯仰角，以及信號功率，決定是否切換到另一顆衛星。此外為了把精力都放在網絡層協議的設計上，對位置注冊管理功能進行了簡化，由一個全局獨立節點來實現。例如網關可達網絡列表應該由低軌衛星網關實現，每個網關都應該保存一個列表，這個列表中包括各個網關及其連接到的Internet 子網地址。網關與衛星映射關系應該由Satellite節點實現，實時向其他衛星節點通告自己當前接入的網關標識。簡化后需要做的仿真工作有：衛星地面網關節點模型，衛星節點模型，Global Node 模型。

　　下面對本文簡化掉數據鏈路層的合理性進行分析。數據鏈路層的基本功能是在兩個相鄰節點間建立和維持數據鏈路，為網絡層提供無差錯的通信服務，它可以細分為邏輯鏈路控制層（LLC）和媒體接入控制層（MAC）。MAC層的任務是在發送數據時，按某種規則從LLC 層接收數據，然后執行媒體訪問規程，查看鏈路狀態，如可發送，將給數據加上控制信息，形成幀，送往物理層；在接收數據時，從物理層接收到數據幀，并檢查數據幀中的控制信息，判斷是否發生傳輸錯誤，將正確的數據幀去掉控制信息后送至LLC層。LLC層的任務是完成兩通信實體間點到點鏈路上的數據幀傳輸與流量控制，為上層提供數據報與虛電路兩種不同服務。本文假設每顆衛星只有一個地面網關接入，因此只要LLC有數據業務流接入MAC就可以對其進行轉發，不存在鏈路的爭用，不用實現MAC層的協議。此外把每個節點的數據包緩沖區設置為無限大，因此不會存在溢出丟包現象，自然形成先進先出的策略，在帶寬小的鏈路上實現瓶頸效應，所以也不用實現LLC層的數據幀傳輸與流量控制。

　　為了保證每顆衛星在同一時刻只有一個地面網關接入，把網絡場景劃分為三種。第一種，每顆衛星只有一個地面接入網關。第二種，每顆衛星存在兩個以上地面接入網關，但是同一顆衛星覆蓋下的兩個網關之間不存在數據流業務。第三種，每顆衛星存在兩個以上地面網關，但只有處于相同衛星覆蓋下的地面網關之間存在數據業務。通過對這三種場景組合可以搭配出所有的仿真場景。第二種仿真場景可以拆分成多個第一種仿真場景的組合。第三種仿真場景可以采用固定節點、有線鏈路近似模擬。因此，只要完成第一種仿真場景，所有的問題就都可以解決。在第一種仿真場景中每顆衛星只有一個地面網關接入，編程過程中可以不再考慮沖突檢測、信道預留、業務的優先級處理等數據鏈路層功能，符合前面所提簡化。

　　2.1 地面網關節點模型要實現的功能

　　（1）切換管理，向GlobalNode 通告與衛星的映射關系；

　　（2）向Global Node 通告可以到達的子網地址；

　　（3）數據包的封裝與解封；

　　（4）上行鏈路的各個pipeline 階段。

　　2.2 Satellite 節點要實現的功能

　　（1）路由地面網關發送來的數據包；

　　（2）網絡協議平臺，在其上實現非面向連接的路由協議；

　　（3）下行鏈路的各個pipeline 階段；

　　（4）星間鏈路的各個pipeline 階段；

　　（5）導入STK（Satellite Tools Kit）衛星軌道文件。

　　2.3 Global Node 要實現的功能

　　（1）存放網關可達子網列表，供網關封包時查詢；

　　（2）存放網關與衛星映射列表，供衛星節點星上路由時查詢。

　　3 仿真驗證

　　在本文所建立的仿真系統平臺上，作者仿真了TCP 協議在動態路由上的性能。仿真場景采用Iridium 系統的一部分作為空中衛星網絡，兩個地面網關處于不同衛星覆蓋范圍內，網關所連接的Internet 中有一對客戶機/服務器采用TCP 連接進行數據傳輸。仿真結果將比較通過低軌衛星網絡進行TCP 連接與通過地面網絡進行TCP 連接之間的擁塞控制窗口，切換前后時延變化。仿真設置為：客戶端（longitude- 161.8, latitude-29.14）下載服務器端（longitude- 15.2, latitude- 20.9）上大小為1Mbit 的文件，帶寬瓶頸為10Mbps, 整個過程每5s 重復一次，直至仿真結束，仿真的網絡場景拓樸結構如圖3所示。