基于NS2的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議開發(fā)方案

韓江雪++李昕

摘要：衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)早在20世紀(jì)初期就已經(jīng)被提出，地面網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)無法滿足日益增長的通信業(yè)務(wù)發(fā)展需求，商業(yè)和軍事領(lǐng)域也直接或間接地推動了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展。隨著衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，衛(wèi)星組網(wǎng)向多層化發(fā)展，而典型的地面網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)由無法應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中如何進行有效的路由選擇也逐漸成為新的焦點問題。而由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)應(yīng)用環(huán)境的特殊性，研究人員無法基于真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行研究，只能通過仿真工具進行仿真實驗，NS2是指Network Simulator version 2，NS（Network Simulator）是開源的軟件模擬平臺，研究人員使用它對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行開發(fā)研究，NS2已經(jīng)包含了衛(wèi)星節(jié)點、衛(wèi)星鏈路等模塊，但是這些模塊較為簡單，只能模擬單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。因此，本文提出了在NS2中模擬多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)層間通信，研發(fā)多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的方法。

關(guān)鍵詞：計算機仿真；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；NS2

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2016.02.016

引言

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信范圍覆蓋全球，可以保證較高速率的傳輸速度，支持大規(guī)?？蓴U展的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)前，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星座主要有單層衛(wèi)星星座和多層衛(wèi)星星座兩種，主要包含低軌道衛(wèi)星（IEO），中軌道衛(wèi)星（MEO）或者地球同步衛(wèi)星（GEO）三種軌道類型的衛(wèi)星，目前，世界上各個國家都已經(jīng)建立起了較為完善的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而未來的衛(wèi)星通信系統(tǒng)勢必要為更多的用戶提供更快速更加高效可靠的通信服務(wù)。因此，結(jié)合多軌道、多層次的衛(wèi)星構(gòu)建更廣泛更健壯的立體式多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)已經(jīng)成為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，隨著空間網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜化，多層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中如何實現(xiàn)快速有效的路由問題也日益成為新的研究焦點。而由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特殊性，普通研究人員沒有條件在實際網(wǎng)絡(luò)中進行研究，只能通過仿真平臺進行，因此，本文將描述如何在NS2中模擬多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲，仿真層間衛(wèi)星鏈路，實現(xiàn)星間通信，研發(fā)多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議。

1 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是指結(jié)合低軌道衛(wèi)星，中軌道衛(wèi)星或者地球同步衛(wèi)星，使用層間衛(wèi)星鏈路連接不同軌道的衛(wèi)星群體，結(jié)合不同軌道衛(wèi)星的優(yōu)勢，建立起立體式、多層次、交叉覆蓋的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，多層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如下圖所示：

相對于單層衛(wèi)星構(gòu)成的空間網(wǎng)絡(luò)，多層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的可擴展性、靈活性以及強的抗毀性。要使用衛(wèi)星組網(wǎng)，必須首先解決網(wǎng)絡(luò)中如何快速有效進行路由的問題，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由算法大多采用集中式路由方式，高層衛(wèi)星為集中控制群體，低層衛(wèi)星為接入衛(wèi)星，通信過程中由高層衛(wèi)星為低層計算最優(yōu)路徑，數(shù)據(jù)在低層衛(wèi)星中進行轉(zhuǎn)發(fā)。

2 NS2仿真平臺

NS2仿真平臺實際上模擬了一個時間調(diào)度引擎，調(diào)度引擎的核心對象是調(diào)度器類，負責(zé)進行時間推進并對在時間軸上的各個事件隊列進行調(diào)度，調(diào)度的過程中可能會在新的時刻觸發(fā)新的事件，那么這些事件就會被加入對應(yīng)時間點上的事件隊列中，等待調(diào)度引擎進行調(diào)度。調(diào)度器類采用先進先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)逐個調(diào)度事件，直到時間推進到仿真結(jié)束時刻，模擬過程中止。

NS2使用C++和Otcl語言進行開發(fā)，Otcl語言負責(zé)編寫仿真腳本，制定仿真計劃，調(diào)用NS2中封裝好的各個功能模塊，C++語言對tcl腳本解釋執(zhí)行。

NS2仿真平臺已經(jīng)封裝了許多功能模塊，最基本的是節(jié)點、鏈路、數(shù)據(jù)包格式等等。其中也包括了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真模塊，但是實現(xiàn)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)功能較為簡單并且與真實場景差異較大，仿真實驗時需要在這部分功能的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。

2.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模塊

NS2中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真模塊的核心代碼在ns-2.35目錄下的satellite文件夾中，主要包括satnode類，sathandoff類，satroute類，satlink類等源文件分別用來模擬衛(wèi)星節(jié)點、衛(wèi)星鏈路切換、衛(wèi)星路由、衛(wèi)星鏈路等。

2.1.1 sathandoff模塊

由于衛(wèi)星的移動性，不同軌道間的衛(wèi)星或者是地面站與衛(wèi)星間為了保證能夠正常通信需要經(jīng)常進行鏈路切換（找到一顆位置上更加合適的衛(wèi)星連接上），sathandoff就是負責(zé)這部分的工作，其中包括termhandoff以及sathandoff兩個主要的函數(shù)分別包含了地面站和衛(wèi)星的切換機制。每顆衛(wèi)星都包含一個sathandoff的實例，切換是由鏈路檢測切換時間來控制的，在tcl腳本中配置好鏈路切換檢測的周期，每顆衛(wèi)星或地面站就會周期性地調(diào)用sathandoff或者termhandoff函數(shù)檢測并切換鏈路（需要切換時）。

2.1.2 satroute模塊

satroute類模擬了衛(wèi)星路由層的功能，其中Recv和ForwardPacket兩個函數(shù)實現(xiàn)了收、發(fā)數(shù)據(jù)包的功能。NS2白帶了一個集中式的路由代理satRouteLogic類，默認情況下，當(dāng)衛(wèi)星需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時就使用這個路由代理類計算全網(wǎng)最短路徑路由表并依照路由表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，最短路徑可以配置成使用跳數(shù)或鏈路時延兩種計算方式。使用路由代理類相當(dāng)于是默認每顆衛(wèi)星在每一時刻都知道全網(wǎng)實時拓撲，這顯然是不切實際的，因此實際仿真時不應(yīng)使用這個路由代理。

2.1.3 satlink模塊

satlink類負責(zé)模擬星間鏈路，包括星地鏈路、同層衛(wèi)星軌道內(nèi)鏈路、同層衛(wèi)星軌道間鏈路。

3 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在NS2中的實現(xiàn)方案

NS2仿真平臺中已經(jīng)實現(xiàn)了部分衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真模塊，擁有極地衛(wèi)星節(jié)點和地球同步衛(wèi)星節(jié)點，但是星間鏈路只包括同層衛(wèi)星之間的鏈路，沒有層間鏈路的定義與實現(xiàn)。并且模塊中實現(xiàn)的路由功能使用的是集中式的路由代理satRouteLogic類，每顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時由路由代理類實時根據(jù)全網(wǎng)拓撲計算網(wǎng)絡(luò)最短路徑，這也與實際情況不符，因此，需要將自己的路由協(xié)議方案，下面，將從層間鏈路、鏈路切換、星間通信、路由模塊等方面介紹如何在NS2中搭建多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及仿真自己的路由協(xié)議。

3.1 層間鏈路及鏈路切換

NS2中satellite文件夾下的satlink.cc以及satlink.h文件實現(xiàn)了衛(wèi)星鏈路模塊，為了實現(xiàn)層間鏈路，首先在satlink.h中加入層間鏈路宏定義：

#defrne LINK ISL INTERLAYER 9

接著，在satlink.cc中定義在tcl語法中對層間鏈路的標(biāo)識：

if（strcmp（ argv[2]， “geo”）==0）{

type_=LrNK_GSL_GEO；

return TCL_OK：

}……

else if（ strcmp（ argv[2]，“interlayer”）==0）{

type_= LINK ISL_INTERLAYER；

retum TCL OK；

}

這樣就可以在tcl腳本中使用interlayer指令將兩顆不同層的衛(wèi)星進行連接，如下代碼所示：

$ns add-isl interlayer $n（0）$n（1）$opt（bw_isl）$opt（ifq） $opt（qlim）

但是，這樣的連接是沒有實際意義的，因為層間衛(wèi)星節(jié)點的運動軌跡不同，兩顆衛(wèi)星由于空間位置、傾角的原因不可能永久連接，因此，需要實現(xiàn)層間鏈路的鏈路切換功能。

鏈路切換功能是satellite文件夾下的sathandoff類，類中的handoff函數(shù)實現(xiàn)了軌道間鏈路，反向縫鏈路以及星地鏈路的切換功能。這里將層間鏈路的切換功能加入handoff函數(shù)，層間鏈路切換的核心代碼如下：

for（slhp=（SatLinkHead*）local->linklisthead（）.lh_first；slhp；

slhp=（SatLinkHead*） slhp->nextlinkhead（））{

peer_meo=get_peer（slhp）；

peer_slhp_meo=get_peer_linkhead（slhp）；

dist_to_peer_meo=SatGeometry：：distance（peer_coord_meo，local_coord_）；

int layerchanges=FALSE；

for（inti=MEO->minld；i <=MEO->count；i++）

{

double dist_to_Meo_next；

disttoMeonext=SatGeometry：：distance（Meopos->coord（），local_coord_）；

if（disttoMeonext

peer_nextslhp_meo=getMeopeer_nextlinkhead（peer_next_meo）；

tx_channeI meo=slhp->phy_tx（）->channel（）；

rx_channel_meo=slhp->phy_rx（）->channel（）；

}

}

}

層間鏈路切換由低層衛(wèi)星觸發(fā)，根據(jù)星間距離、傾角選擇一顆合適的高層衛(wèi)星進行鏈路切換。

3.2 星間通信

主干衛(wèi)星為了為低層衛(wèi)星計算路由表，需要定期收集低層衛(wèi)星的鏈路狀態(tài)，這就涉及到星間通信，但是在NS2中并沒有相應(yīng)的模塊實現(xiàn)，為此，可以將低層衛(wèi)星定期上傳鏈路狀態(tài)的功能集成到衛(wèi)星路由模塊。衛(wèi)星路由模塊由satelite文件夾下的satroute類實現(xiàn)。首先在satroute類中創(chuàng)建定時器，負責(zé)周期性上傳鏈路狀態(tài)報告，在定時器觸發(fā)的函數(shù)中通過Pakcet類構(gòu)造鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)包并上傳給主干衛(wèi)星。核心代碼如下：

NsObject*link_entry_；

Packet*p=allocpkt（）；

hdr_ip *iph= hdr_ip：：access（p）；

iph->saddr（）=node（）->address（）；

iph->daddr（）=GeoAd；

hdrc->la st_hop_=myaddr_；//for tracing purposes

link_entry_=slhpGeo；

link_entry_->recv（p，（Handler*）0）；

3.3 路由模塊

satroute類實現(xiàn)了衛(wèi)星路由模塊，其中的Recv和ForwardPacket函數(shù)分別描述了衛(wèi)星節(jié)點的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的功能。ForwardPacket函數(shù)調(diào)用了SatRouteLogic類實時計算路由表確定下一跳，在實際開發(fā)路由協(xié)議的時，需要屏蔽SatRouteLogic類，調(diào)用自己生成的路由表進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

首先，在satroute.h頭文件中定義路由表結(jié)構(gòu)體：

struct slot_entry{

int next_hop；

NsObject* entry；

}；

低層衛(wèi)星的路由表由主干節(jié)點定期收集鏈路狀態(tài)報告并匯總后計算得出，主干節(jié)點計算完成后通過星間通信下發(fā)給低層衛(wèi)星，低層衛(wèi)星接收到路由表后更新slot_entry結(jié)構(gòu)體。

實際轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，只需在ForwardPacket函數(shù)中訪問slot_entry結(jié)構(gòu)體，找到下一跳節(jié)點并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)即可完成路由工作。

4 結(jié)論

本文給出了如何在NS2仿真平臺中模擬多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)層間鏈路、鏈路切換、星間通信，仿真路由協(xié)議的方法，研究人員只需要按照文中介紹的內(nèi)容進行開發(fā)，即可實現(xiàn)多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的仿真測試。