衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)現(xiàn)狀及展望

倪少杰 岳 洋 左 勇 劉文祥 肖 偉 葉小舟

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院 長(zhǎng)沙 410073)

1 引言

基于衛(wèi)星星座的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)正日益成為重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施。由上千甚至是上萬(wàn)顆低軌(Low Earth Orbit, LEO)、中軌(Middle Earth Orbit, MEO)和包含地球靜止軌道(GEostationary Orbit, GEO)及傾斜地球同步軌道(Inclined GeoSynchronous Orbit, IGSO)在內(nèi)的地球同步軌道衛(wèi)星構(gòu)成的龐大衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，能夠突破地面網(wǎng)絡(luò)需要在世界各地建設(shè)地面站的局限，實(shí)現(xiàn)全球不間斷信號(hào)覆蓋，為全球用戶提供大寬帶、低延時(shí)、無(wú)死角連接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。大規(guī)模、多層次的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是天地一體化網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，也是世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的重點(diǎn)[1]。

路由作為網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響著數(shù)據(jù)流的傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。目前針對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是無(wú)法直接用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，主要原因是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘎×摇⒙酚杀砀骂l繁、單星載荷受限、節(jié)點(diǎn)流量不均衡、衛(wèi)星損壞概率大等問(wèn)題，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)給衛(wèi)星路由協(xié)議和算法設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

目前學(xué)術(shù)界針對(duì)衛(wèi)星路由技術(shù)開(kāi)展了大量研究工作，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了總結(jié)。國(guó)內(nèi)的盧勇等人[2]將衛(wèi)星路由技術(shù)分為單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(例如LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò))路由和多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(例如LEO-MEOGEO 3層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò))，并且對(duì)單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由和多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由進(jìn)行了更為詳細(xì)地劃分；朱立東等人[3]對(duì)針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不同關(guān)鍵性能的路由技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。國(guó)外有學(xué)者將衛(wèi)星路由技術(shù)分類為負(fù)載均衡路由、基于流量的路由以及組播路由[4]，并且對(duì)負(fù)載均衡路由進(jìn)行進(jìn)一步劃分。隨著衛(wèi)星路由技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星路由算法已經(jīng)不局限于實(shí)現(xiàn)單一路由性能指標(biāo)的提升，而是著重解決在特定網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景約束條件下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體性能例如時(shí)延、丟包率、吞吐量等指標(biāo)的優(yōu)化；除此之外，目前已有的綜述文獻(xiàn)很少關(guān)注衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議以及適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺(tái)，而衛(wèi)星路由協(xié)議是衛(wèi)星路由算法得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，并且衛(wèi)星路由算法的性能優(yōu)劣需要通過(guò)仿真平臺(tái)進(jìn)行分析評(píng)估。針對(duì)以上問(wèn)題，本文首先介紹各類網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的衛(wèi)星路由協(xié)議，并且考慮到光通信已經(jīng)成為目前及未來(lái)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)考慮的通信技術(shù)，本文還簡(jiǎn)要介紹了衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡(luò)的路由問(wèn)題；然后提出了新的衛(wèi)星路由技術(shù)的分類方法，按照路由表是全局管理還是分布式?jīng)Q策對(duì)衛(wèi)星路由技術(shù)進(jìn)行分類并且總結(jié)了各衛(wèi)星路由算法的優(yōu)化目標(biāo)和適用場(chǎng)景；之后展望了衛(wèi)星路由技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)并在附錄處介紹了世界上衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)現(xiàn)狀。

2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與路由協(xié)議

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與地面通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比具有顯著差異，針對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不能直接應(yīng)用于衛(wèi)星，必須采用拓?fù)淇刂撇呗云帘涡l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性才能將地面路由協(xié)議用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。本節(jié)首先展示了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并且介紹了針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議現(xiàn)狀。

2.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)包含空間段、地面段以及用戶段?？臻g段由GEO/IGEO, MEO和LEO衛(wèi)星組成，作為空間段的核心，各個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)具有星上信號(hào)與數(shù)據(jù)處理能力，同軌道衛(wèi)星和非同軌道衛(wèi)星之間均通過(guò)建立星間鏈路(Inter-Satellite Link,ISL)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。地面段包括地面網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)控制中心(Networks Control Center, NCC)以及各類地面觀測(cè)站，主要完成向衛(wèi)星發(fā)送控制信號(hào)和從衛(wèi)星接收回饋信號(hào)的功能，同時(shí)提供到達(dá)地面網(wǎng)絡(luò)與用戶終端的接口。用戶段主要包括各類用戶終端以及相應(yīng)的用戶接口設(shè)施。

2.2 衛(wèi)星路由協(xié)議

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要依靠路由協(xié)議才能完成路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。路由協(xié)議負(fù)責(zé)創(chuàng)建路由表，描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，執(zhí)行路由選擇和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能，因此衛(wèi)星路由協(xié)議對(duì)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信起到至關(guān)重要的作用。

當(dāng)前，IP協(xié)議是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入全球互聯(lián)網(wǎng)的主流入網(wǎng)方案。IP路由協(xié)議主要包括路由信息協(xié)議(Routing Information Protocol, RIP)、開(kāi)放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(Open Shortest Path First, OSPF)、中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)協(xié)議(Intermediate System to Intermediate System, IS-IS)、內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議(Interior Gateway Routing Protocol, IGRP)以及增強(qiáng)型內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol, EIGRP)等[5]。外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議主要包括邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(Border Gateway Protocol,BGP)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)在地面終端配置上述內(nèi)部/外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議進(jìn)行動(dòng)態(tài)IP路由，或者使衛(wèi)星成為路由節(jié)點(diǎn)，即采用星上路由的方法在星座網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)IP路由功能，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入全球互聯(lián)網(wǎng)[6]。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)除了基于IP的協(xié)議體系，還包括國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)協(xié)議體系和延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay/Disruption Tolerant Networks, DTN)協(xié)議體系。CCSDS在TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)制修改和擴(kuò)充，制定了空間通信協(xié)議規(guī)范(Space Communication Protocol Standards, SCPS)，并且定義了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議：空間分組協(xié)議(Space Packet Protocol, SPP)和空間通信協(xié)議規(guī)范-網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Space Communications Protocol Specification—Network Protocol, SCPSNP)。DTN體系架構(gòu)主要用于斷續(xù)網(wǎng)絡(luò)連接和高時(shí)延的通信場(chǎng)景，因此非常適合于衛(wèi)星通信。在DTN體系架構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包稱為消息，根據(jù)消息在網(wǎng)絡(luò)中副本數(shù)量，DTN路由協(xié)議可分為單副本路由和多副本路由。單副本路由協(xié)議有“直接傳輸”協(xié)議(direct transmission)[7]和“搜尋和聚焦”協(xié)議(seek and focus)[7]等；多副本路由協(xié)議有蔓延路由協(xié)議(epidemic)[8]、使用歷史記錄的概率路由協(xié)議(Probabilistic Routing Protocol using History of Encounters and Transitivity, PRoPHET)[9]、考慮最大數(shù)據(jù)傳播概率(max propagation)的路由協(xié)議(MaxProp)[10]、“擴(kuò)散和等待”協(xié)議(spray and wait)[11]等基于復(fù)制的路由，以及考慮社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的社會(huì)相似度(social similarity)和中間中心度(betweenness centrality)的路由(routing based on Similarity and Betweenness centrality, Sim-Bet)[12]等基于社會(huì)行為的路由策略。

針對(duì)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的探索與應(yīng)用，新型網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議也應(yīng)運(yùn)而生。命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(Named Data Networking, NDN)是一種以數(shù)據(jù)內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)[13]，NDN能夠直接響應(yīng)用戶的數(shù)據(jù)請(qǐng)求而無(wú)需通過(guò)IP地址與服務(wù)器通信[14]，因此相比TCP/IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，NDN能夠更好適應(yīng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代以多媒體流量?jī)?nèi)容為中心的數(shù)據(jù)分發(fā)模式。目前NDN中主要有3種路由協(xié)議[15]：針對(duì)命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF for Named data networking, OSPFN)、針對(duì)命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的雙層路由協(xié)議(Two-layer Routing Protocol for NDN, TRPN)和命名數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(Named-data Link State Routing protocol, NLSR)。而著眼于目前的5G、未來(lái)的6G+天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)代，未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)全球無(wú)死角全覆蓋，非地面網(wǎng)絡(luò)(Non-Terrestrial Network, NTN)的出現(xiàn)將很好地解決例如偏遠(yuǎn)地區(qū)、高速移動(dòng)的交通工具(例如飛機(jī))、應(yīng)急通信等特殊場(chǎng)景的通信需求，針對(duì)NTN的衛(wèi)星路由協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也正在制定[16]。

現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議總結(jié)如表1所示。

表1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

由于微波通信頻譜資源的限制以及接入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的用戶數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)的微波通信帶寬已經(jīng)接近理論瓶頸值。而激光通信因頻段高、波長(zhǎng)短、波束狹窄等特點(diǎn)因而相對(duì)傳統(tǒng)微波通信而言具有更大的通信帶寬，且安全保密性高，信號(hào)收發(fā)天線尺寸小，便于衛(wèi)星攜帶[17]?；谏鲜鲈?，衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡(luò)已成為下一代衛(wèi)星通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)。學(xué)術(shù)界針對(duì)衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡(luò)路由問(wèn)題開(kāi)展了大量研究[18–27]，由于激光星間鏈路波長(zhǎng)資源有限，因此一般認(rèn)為衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)路由問(wèn)題屬于考慮多優(yōu)化目標(biāo)的路由與波長(zhǎng)分配問(wèn)題[17](Routing and Wavelength Assignment,RWA)。但目前激光通信技術(shù)還不夠成熟，基于衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議與算法仍處于理論研究與仿真實(shí)驗(yàn)階段。

3 衛(wèi)星路由算法現(xiàn)狀

衛(wèi)星路由算法根據(jù)路由決策主體的差異可分為集中式路由、分布式路由和混合式路由。集中式路由在中央節(jié)點(diǎn)計(jì)算路由表然后將路由表分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中各衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)；分布式路由中各衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)成為路由決策主體，各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立計(jì)算最優(yōu)的下一跳節(jié)點(diǎn)并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；混合式路由則結(jié)合了集中式路由集中計(jì)算和分布式路由獨(dú)立決策的特點(diǎn)。

3.1 集中式衛(wèi)星路由

集中式衛(wèi)星路由方法是在中央節(jié)點(diǎn)中計(jì)算并維護(hù)路由表，并將路由表分發(fā)給衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)查找路由表并選擇下一跳，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變時(shí)，中央節(jié)點(diǎn)收集全局網(wǎng)絡(luò)鏈路信息，并進(jìn)行路由表的更新。中央節(jié)點(diǎn)可以是接入衛(wèi)星或地面控制中心。

早期衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)均采用基于連接的集中式路由算法。Chang等人[28]提出有限狀態(tài)機(jī)(Finite State Automata, FSA)路由算法，其采用離散拓?fù)淇刂撇呗?，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)離散化并建模為一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，在不同狀態(tài)中為不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分配不同的路由表。FSA屬于靜態(tài)路由方法，即將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣３伸o態(tài)拓?fù)?，從而屏蔽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)性。具有代表性的靜態(tài)路由算法還有流偏差算法(Flow Deviation, FD)[29]和自適應(yīng)路徑路由策略(Adaptive Path Routing Scheme , APRS)[30]等。FD算法在預(yù)先指定的中央節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，旨在尋找端到端時(shí)延最小的路徑；APRS其利用LEO衛(wèi)星周期性和可預(yù)測(cè)的特點(diǎn)降低ISL切換頻率，并且通過(guò)提高鏈路切換請(qǐng)求和新連接請(qǐng)求的接受率來(lái)緩解星間鏈路的流量擁塞。

靜態(tài)路由算法將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行離散化建模然后進(jìn)行路由決策，隨著衛(wèi)星星座規(guī)模的增大，靜態(tài)路由很難及時(shí)感知鏈路狀態(tài)信息[31]。因此，采用能夠感知鏈路狀態(tài)信息的動(dòng)態(tài)路由方法能夠及時(shí)更新路由表，提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。Rao等人[32]提出在源節(jié)點(diǎn)集中計(jì)算的多路徑QoS路由算法(Multi-Path QoS Routing, MPQR)和基于移動(dòng)代理的QoS路由協(xié)議(Quality of Service Routing Protocol based on Mobile Agent, QoSRP- MA)[33]，在MPQR中源節(jié)點(diǎn)使用遺傳算法和模擬退火算法尋找滿足服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)約束條件的最優(yōu)路徑并將路由表轉(zhuǎn)發(fā)給路徑節(jié)點(diǎn)；QoSRP-MA派遣移動(dòng)代理(mobile agent)沿著星間鏈路在整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中遷移并探測(cè)滿足QoS約束的路徑。移動(dòng)代理到達(dá)目的衛(wèi)星后，按原路返回并向源節(jié)點(diǎn)通報(bào)路由信息，由源節(jié)點(diǎn)決策路由轉(zhuǎn)發(fā)路徑。Hui等人[34]提出了分布式QoS算法(Distributed QoS-based Algorithm, DQA)，DQA中，源節(jié)點(diǎn)周期性地向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送多只智能螞蟻分組，尋找滿足QoS要求的全局最優(yōu)路徑。Bai等人[35]提出顯式緊湊多路徑路由算法(Compact Explicit Multi-path Routing,CEMR)。在CEMR中，中央衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)稱為“軌道發(fā)言人”，軌道發(fā)言人通過(guò)星間信息交換機(jī)制獲取各衛(wèi)星傳輸過(guò)來(lái)的鏈路狀態(tài)信息，計(jì)算并向各衛(wèi)星分配路由表。

集中式路由算法從全網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和路由計(jì)算均具有全局視野，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的流量分配和負(fù)載均衡。但是，隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大以及巨型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，受到單星星上處理與計(jì)算能力較小的限制，以衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)作為中央節(jié)點(diǎn)的集中式路由面臨路由計(jì)算復(fù)雜度高與信令開(kāi)銷大的問(wèn)題[36]。即便是以計(jì)算資源豐富的地面站作為中央計(jì)算節(jié)點(diǎn)，當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)或者鏈路出現(xiàn)異常或者故障時(shí)，地面站很難及時(shí)感知節(jié)點(diǎn)與鏈路狀態(tài)變化并及時(shí)更新路由表，使得網(wǎng)絡(luò)性能下降的風(fēng)險(xiǎn)大大提高。

3.2 分布式衛(wèi)星路由

與集中式路由不同，在分布式路由策略中每個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)作為獨(dú)立的路由決策者，根據(jù)鏈路狀態(tài)信息獨(dú)立計(jì)算并選擇下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，無(wú)需中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全局路由計(jì)算。

早期的分布式路由算法(Datagram Routing Algorithm, DRA)[37]基于最短路徑路由的思想，無(wú)法解決鏈路擁塞和負(fù)載不均衡的問(wèn)題。鑒于此學(xué)術(shù)界提出了一系列負(fù)載均衡路由算法例如顯示負(fù)載均衡算法(Explicit Load Balancing, ELB)[38]、基于移動(dòng)代理的負(fù)載均衡路由協(xié)議(Load Balancing Routing Protocol based on Mobile Agent, LBRP-MA)[39]、面向延時(shí)的自適應(yīng)路由算法(Delay-Oriented Adaptive Routing algorithm, DOAR)[40]、考慮能耗的QoS路由算法(QoS Energy Routing, QER)[41]、基于優(yōu)先級(jí)的自適應(yīng)路由算法(Priority-based Adaptive Routing, PAR)[42]等。ELB和DOAR均是通過(guò)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送反饋信號(hào)使鄰居節(jié)點(diǎn)減少向擁塞節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；LBRP-MA通過(guò)各節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)洪泛移動(dòng)代理進(jìn)行鏈路狀態(tài)搜集，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)搜集的信息選擇最佳下一跳。QER根據(jù)節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列大小和剩余能量調(diào)整下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，控制鏈路流量。這些分布式負(fù)載均衡算法均依賴當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的流量信息，往往會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)中存在較多的狀態(tài)信息，可能反而會(huì)加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，使傳輸性能惡化。與上述被動(dòng)式負(fù)載均衡算法不同，PAR選擇歷史利用率較小的鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可以主動(dòng)避免鏈路擁塞，但是該方法沒(méi)有考慮用戶流量的地理分布差異，對(duì)于全局負(fù)載均衡效果不佳。LIU等人[43]提出基于分段路由的負(fù)載均衡路由算法(Load Balancing Routing Algorithm based on Segment Routing, LBRA-SR)。該算法考慮了全球流量的地理分布不均勻性，動(dòng)態(tài)劃分輕、重流量負(fù)載區(qū)域，數(shù)據(jù)包在兩類區(qū)域分別采用不同的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略；但是該算法仍然只考慮網(wǎng)絡(luò)的即時(shí)信息，沒(méi)有利用網(wǎng)絡(luò)歷史信息。近年來(lái)，基于流量和擁塞預(yù)測(cè)的分布式路由算法逐漸成為研究熱點(diǎn)。Na等人[44]提出基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的分布式路由算法(Extreme Learning Machine based Distributed Routing, ELMDR)，考慮地球表面流量分布密度，所提出的極限學(xué)習(xí)機(jī)機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)荷進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，節(jié)點(diǎn)基于流量預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行路由決策。Liu等人[45]提出了基于混合流量繞行的負(fù)載均衡路由算法(Hybrid-traffic-detour based Load Balancing Routing, HLBR)，通過(guò)先驗(yàn)地理信息和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中容易發(fā)生級(jí)聯(lián)擁塞的區(qū)域，然后計(jì)算最佳繞行路徑使得業(yè)務(wù)流量繞開(kāi)擁塞區(qū)域，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

衛(wèi)星路由除了考慮如何避免擁塞，還要考慮例如時(shí)延、帶寬、丟包率等關(guān)鍵性能指標(biāo)，滿足用戶的服務(wù)質(zhì)量需求。多服務(wù)按需路由(Multiservice On-demand Routing, MOR)[46]是典型的分布式QoS路由算法，其將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的流量類型分為時(shí)延敏感型、“盡力而為”型以及帶寬敏感型；網(wǎng)絡(luò)中每顆衛(wèi)星負(fù)責(zé)維護(hù)一個(gè)路由表，每個(gè)路由表都包含了流量業(yè)務(wù)類別以及對(duì)應(yīng)流量類別的下一跳節(jié)點(diǎn)。Dai等人[47]提出基于馬爾可夫空時(shí)圖的面向服務(wù)路由(Service-Oriented Routing with Markov Spacetime Graph, SOR-MSG)，首先通過(guò)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的連接時(shí)長(zhǎng)和連接概率構(gòu)建馬爾可夫空時(shí)圖(MSG)模型，鏈路中的衛(wèi)星基于建立的MSG，調(diào)整基于QoS要求的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則和信息素更新規(guī)則，自主選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，最終確定最優(yōu)路徑。以上算法考慮了網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量，但是沒(méi)有考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性和可靠性。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和鏈路出現(xiàn)失效和故障會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑霈F(xiàn)變化、路徑切換以及重路由事件，從而影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。鑒于此，Qi等人[48]提出一種適用于傾斜軌道巨型星座的分布式生存路由算法(Distributed Survivable Routing Algorithm for Mega-Constellations with Inclined Orbits,DSRA-MCIO)，其利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊?guī)律性，以最小計(jì)算開(kāi)銷確定數(shù)據(jù)包每個(gè)目的地的多條主、次路徑。然后，根據(jù)受限洪泛機(jī)制和預(yù)繞行機(jī)制組成的故障恢復(fù)機(jī)制，降低鏈路故障時(shí)的端到端時(shí)延和信令開(kāi)銷。

分布式路由算法的優(yōu)勢(shì)是減小了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，且對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的變化具有較好的敏感性，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行路由更新。但是分布式路由也存在缺陷。由于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地選擇下一跳，分布式路由算法的路由決策缺乏全局流量信息，所選擇的路徑不一定是全局最優(yōu)，并且路由決策依賴于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與鏈路狀態(tài)、控制信息的交互，這將導(dǎo)致在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓脑缙跀?shù)據(jù)包可能被轉(zhuǎn)發(fā)至非最優(yōu)的路徑中，并且產(chǎn)生較大的信令開(kāi)銷。

3.3 混合式衛(wèi)星路由

混合式衛(wèi)星路由結(jié)合了集中式路由和分布式路由各自的特點(diǎn)，其中一種思路是采用半分布式的路由策略，即轉(zhuǎn)發(fā)路徑中既有能夠自主決定下一跳節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)又有僅負(fù)責(zé)透明轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)。Guo等人[49]提出一種加權(quán)半分布式路由算法(Weighted Semi-Distributed Routing Algorithm, WSDRA)。WSDRA將衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)分為路由衛(wèi)星(Routing Satellite,RS)和信使衛(wèi)星(Message Satellite, MS)。在一條完整的傳輸路徑中，RS和MS成對(duì)出現(xiàn)，RS負(fù)責(zé)路由計(jì)算，將數(shù)據(jù)包傳輸給下一跳MS, MS只負(fù)責(zé)路由轉(zhuǎn)發(fā)。經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，與DRA相比，由于信使衛(wèi)星MS不計(jì)算下一跳，WSDRA減少至少50%的計(jì)算開(kāi)銷，同時(shí)維持了較好的整體性能?；旌鲜铰酚傻牧硪环N思路是以全局集中式路徑計(jì)算為主，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)鏈路狀態(tài)進(jìn)行局部路由調(diào)整。Zhang等人[50]提出生成與更新路由算法(Generation and Update Routing Algorithm, GURA)算法，以地面生成的全局路由表為主，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)生成的局域路由表為輔；局域路由表由局部網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行更新，全局路由表根據(jù)本地路由表進(jìn)行更新，從而降低節(jié)點(diǎn)計(jì)算負(fù)擔(dān)。Liu等人[51]提出全局局部混合負(fù)載均衡路由策略(Hybrid Global-local Load Balancing Routing Scheme, HGLBRS)，將星間流量需求分解為可預(yù)測(cè)的長(zhǎng)期基線和不可預(yù)測(cè)的短期波動(dòng)。首先采用全局策略進(jìn)行基于長(zhǎng)期基線的全局流量分配，然后采用局部策略進(jìn)行基于短程波動(dòng)的路線調(diào)整。通過(guò)全局規(guī)劃和局部實(shí)時(shí)調(diào)整相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的最優(yōu)分配。Jiang等人[52]提出基于操作響應(yīng)空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)路由算法(Fastrecovery Routing Algorithm for Software Defined Network based Operationally Responsive Space satellite networks, FRA-SDNORS)算法，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的集中式路由作為基本路由模式，在節(jié)點(diǎn)故障或擁塞發(fā)生時(shí)啟動(dòng)分布式機(jī)會(huì)重路由，主動(dòng)調(diào)整流量分配緩解衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)區(qū)域的擁塞。

混合式路由結(jié)合了集中式路由和分布式路由算法的特點(diǎn)，雖然很好地改善集中式和分布式路由各自的缺陷，但是算法復(fù)雜度較高，且對(duì)星-地鏈路的穩(wěn)健性和星上處理能力有著較高的要求。由于混合式路由具有較好的綜合網(wǎng)絡(luò)性能，已成為當(dāng)前衛(wèi)星路由技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

3.4 衛(wèi)星路由算法總結(jié)

不同的路由算法在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)考慮如何實(shí)現(xiàn)不同的性能指標(biāo)的優(yōu)化，這些指標(biāo)決定著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能好壞。路由的性能指標(biāo)主要包括端到端時(shí)延、丟包率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和ISL利用率等。

本節(jié)總結(jié)了本文所提衛(wèi)星路由算法的優(yōu)化目標(biāo)、著重考慮的性能指標(biāo)以及適用場(chǎng)景，如表2所示。

由表2可知，不論是采用哪種路由策略或者優(yōu)化目標(biāo)，幾乎所有的路由算法都考慮了端到端時(shí)延。這也側(cè)面反映了端到端時(shí)延是路由性能指標(biāo)中非常重要的部分，在設(shè)計(jì)路由算法時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)考慮。

表2 本文所提路由算法的優(yōu)化目標(biāo)、性能考慮以及適用場(chǎng)景總結(jié)

3.5 衛(wèi)星路由算法場(chǎng)景分析

早期的路由算法主要基于最短路徑的思想，在數(shù)據(jù)接入衛(wèi)星處為數(shù)據(jù)包選擇一條具有最小節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)的路徑將其轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)，但是隨著接入網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量增多，位于最短路徑上的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)將承載大量的業(yè)務(wù)流量，從而導(dǎo)致時(shí)延和丟包率的提高，網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境逐漸惡化；并且考慮到地球人口分布不均勻，覆蓋人口密度高地區(qū)的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)將承擔(dān)更多的流量傳輸任務(wù)而覆蓋人口稀少地區(qū)的衛(wèi)星將出現(xiàn)鏈路與帶寬資源受到閑置與浪費(fèi)；另外，地面站無(wú)法做到全球均勻分布也容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸路徑末端出現(xiàn)鏈路擁塞的情況。針對(duì)以上場(chǎng)景，應(yīng)該采用負(fù)載均衡算法或者多路徑路由算法，即時(shí)繞開(kāi)擁塞路徑，充分利用閑置衛(wèi)星，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。

而對(duì)于包含多種業(yè)務(wù)類型的數(shù)據(jù)流量，例如語(yǔ)音、通話和視頻會(huì)議等時(shí)延敏感性流量，其主要的QoS需求是最小化端到端時(shí)延，此時(shí)采用基于最短路徑的路由算法能更好地滿足時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的QoS需求；而以文件傳輸為代表的帶寬敏感型流量主要的QoS需求是最大限度地利用衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的傳輸帶寬，此時(shí)采用考慮衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)剩余帶寬的路由算法能更好地滿足帶寬敏感業(yè)務(wù)的QoS需求；此外不同業(yè)務(wù)類型流量還具有不同的傳輸優(yōu)先級(jí)。因此，針對(duì)多業(yè)務(wù)類型的通信場(chǎng)景，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要針對(duì)不同QoS需求以及優(yōu)先級(jí)的不同采用合適的路由算法。

4 衛(wèi)星路由技術(shù)研究展望與挑戰(zhàn)

隨著以低軌衛(wèi)星為核心的超大衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓?fù)鋸?fù)雜度都在不斷提升。并且在后5G時(shí)代乃至未來(lái)6G時(shí)代中，讓衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)更重要的角色已經(jīng)成為專家學(xué)者們的共識(shí)。如何設(shè)計(jì)針對(duì)大規(guī)模復(fù)雜衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)成為十分具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，衛(wèi)星路由技術(shù)未來(lái)的發(fā)展注定是挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。本節(jié)就衛(wèi)星路由技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)進(jìn)行討論。

4.1 基于人工智能的衛(wèi)星路由

傳統(tǒng)的衛(wèi)星路由方法基于人為建立的網(wǎng)絡(luò)流量與鏈路狀態(tài)模型，難以適應(yīng)日趨復(fù)雜臃腫的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)變化的網(wǎng)絡(luò)流量特性以及節(jié)點(diǎn)或鏈路受干擾甚至失效的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，傳統(tǒng)路由算法計(jì)算復(fù)雜度不可避免會(huì)隨著衛(wèi)星數(shù)量而快速增大。以機(jī)器學(xué)習(xí)/深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的人工智能技術(shù)可以自動(dòng)提取復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的流量與狀態(tài)特征，輸出符合路由約束的最優(yōu)路徑，使用戶能夠獲得更好的服務(wù)質(zhì)量。由于具有良好的數(shù)據(jù)建模特性，人工智能技術(shù)在應(yīng)對(duì)未來(lái)復(fù)雜衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由問(wèn)題上具有巨大的應(yīng)用潛力[53]。目前學(xué)術(shù)界已經(jīng)嘗試在衛(wèi)星路由研究中運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)以及(深度)強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)。機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)由于其優(yōu)異的數(shù)據(jù)非線性擬合能力被應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的流量預(yù)測(cè)問(wèn)題[44,54–55]。而強(qiáng)化學(xué)習(xí)和結(jié)合了深度學(xué)習(xí)的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)由于其無(wú)需事先提供訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)以及可以通過(guò)與外部環(huán)境的互動(dòng)不斷優(yōu)化自身決策模型的特點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)路由決策過(guò)程相似，有不少研究者將(深度)強(qiáng)化學(xué)習(xí)引入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法的設(shè)計(jì)中并且通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明(深度)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的強(qiáng)大決策能力適用于解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由決策問(wèn)題[56–59]。

4.2 基于多層網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星路由

未來(lái)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將是LEO,MEO和GEO/IGEO衛(wèi)星構(gòu)成的3層復(fù)合網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由策略，目前常見(jiàn)的思路是采用分組策略，高層衛(wèi)星作為區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)搜集組內(nèi)低層衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ瑸榈蛯有l(wèi)星計(jì)算路由表，低層衛(wèi)星只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。目前基于分組管理思路的多層衛(wèi)星路由技術(shù)已經(jīng)有較多的研究成果，國(guó)內(nèi)外研究人員已提出例如多層衛(wèi)星路由算法(Multi-Layered Satellite Routing, MLSR)[60]、衛(wèi)星分組路由協(xié)議(Satellite Grouping and Routing Protocol, SGRP)[61]、QoS自適應(yīng)路由協(xié)議(Adaptive Routing Protocol for Quality of Service, ARPQ)[62]、可預(yù)測(cè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議(Predictable Satellite Network Routing Protocol, PSNRP)[63]、基于時(shí)隙劃分的QoS路由協(xié)議(Time-slot Division QoS Routing Protocol,TDRP)[64]、多層衛(wèi)星分布式QoS路由協(xié)議(Hierarchical and Distributed QoS Routing Protocol,HDRP)[65]等基于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由算法/協(xié)議。這種路由策略有助于發(fā)揮低層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸能力，提高系統(tǒng)吞吐量。但是分組管理的路由策略并不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。一是該策略沒(méi)有考慮高層衛(wèi)星很難保證對(duì)低層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶?shí)時(shí)精確捕獲，從而使得路由表時(shí)效性不強(qiáng)；二是層間星間鏈路不穩(wěn)定，無(wú)法保證高層衛(wèi)星能夠及時(shí)獲取底層衛(wèi)星的鏈路狀態(tài)并進(jìn)行路由更新，路由策略的穩(wěn)健性差；三是分組管理策略容易造成更多的時(shí)隙劃分，過(guò)小的時(shí)隙長(zhǎng)度不利于路由計(jì)算的收斂并且還會(huì)增大節(jié)點(diǎn)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。因此，設(shè)計(jì)可靠穩(wěn)健的多層網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星路由算法是未來(lái)衛(wèi)星路由技術(shù)的一大挑戰(zhàn)和重要發(fā)展方向。

4.3 基于SDN的衛(wèi)星路由

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)已從相對(duì)封閉、架構(gòu)固定的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為未來(lái)空天地一體化互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking, SDN)是下一代移動(dòng)和固定通信的范式之一，核心特點(diǎn)是將路由決策等控制功能從路由/轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中分離，由集中式的控制器進(jìn)行統(tǒng)一控制，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的解耦[66]，其具有IP網(wǎng)絡(luò)不具備的靈活性，可編程性、虛擬化和資源管理集中化等特點(diǎn)，能顯著改善用戶服務(wù)質(zhì)量，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，減小網(wǎng)絡(luò)管理開(kāi)銷。目前針對(duì)基于SDN的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面，特別是SDN控制器部署方案層面，當(dāng)前主流的SDN控制器部署方案有以下幾種：地面控制中心作為控制器[67]、GEO衛(wèi)星作為控制器[68]、地面控制中心作為主控制器+GEO衛(wèi)星作為次級(jí)控制器[69]等，針對(duì)不同的SDN控制器部署方案可以設(shè)計(jì)多種高效靈活、自適應(yīng)的衛(wèi)星路由算法以最大限度滿足用戶的QoS需求。考慮到基于SDN架構(gòu)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比存在的巨大優(yōu)勢(shì)，未來(lái)衛(wèi)星路由策略研究與SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的結(jié)合將成為大勢(shì)所趨。

5 結(jié)論

隨著空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，在未來(lái)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作為非地面網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分將成為與地面網(wǎng)絡(luò)同等重要的通信基礎(chǔ)設(shè)施。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使得全球用戶接入互聯(lián)網(wǎng)不再受到地理?xiàng)l件的限制，將有效填補(bǔ)數(shù)字鴻溝并極大地促進(jìn)信息服務(wù)在全球各地的流通。衛(wèi)星路由作為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，決定著數(shù)字信息能否有效并及時(shí)地通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩艚K端設(shè)備，關(guān)系到衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)能力與服務(wù)質(zhì)量。本文首先介紹了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已有的路由協(xié)議，重點(diǎn)圍繞衛(wèi)星路由的計(jì)算特點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星路由技術(shù)進(jìn)行了綜述，并介紹了各類路由算法的優(yōu)化目標(biāo)和適用場(chǎng)景，并且展望了衛(wèi)星路由技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

6 附錄——衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)主要應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)估、網(wǎng)絡(luò)吞吐量規(guī)劃、新協(xié)議的開(kāi)發(fā)以及網(wǎng)絡(luò)快速部署設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[70]，功能強(qiáng)大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)研究起到事半功倍的效果。

當(dāng)前有許多可用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真的開(kāi)源平臺(tái)，NS-2是一種基于C++和 Otcl的面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真器，是目前學(xué)術(shù)界使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，但已停止更新。NS-3是網(wǎng)絡(luò)仿真領(lǐng)域的新貴，其核心代碼和功能模塊完全基于C++，大多數(shù)模塊都提供Python編程接口，極大地降低了用戶的上手難度。OMNeT++和GTNets均為基于C++的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，OMNeT++的主要特點(diǎn)是可跨平臺(tái)仿真，而GTNets具有強(qiáng)大的分布式并行處理能力，主要面向大型網(wǎng)絡(luò)仿真。J-SIM和JiST/SWANS均基于Java開(kāi)發(fā)，共同點(diǎn)是擴(kuò)展性較好且可以跨平臺(tái)運(yùn)行，其中JiST/SWANS基于虛擬機(jī)運(yùn)行，執(zhí)行速度快、內(nèi)存消耗小是它的優(yōu)勢(shì)，但上手難度大，對(duì)初學(xué)者不夠友好。SSFNet是一種模型自配置的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，主要針對(duì)IP層以上的網(wǎng)絡(luò)模型仿真。Mininet基于Linux，是目前主流的基于SDN架構(gòu)的虛擬網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)。

除了開(kāi)源仿真平臺(tái)，商業(yè)級(jí)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真軟件也應(yīng)用廣泛。STK是目前常用的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分析工具，可用于生成衛(wèi)星星座、獲取星座運(yùn)行參數(shù)等。QualNet是由美國(guó)GloMoSim公司開(kāi)發(fā)的基于C++的仿真系統(tǒng)，它的最大優(yōu)勢(shì)是仿真速度快。OPNET最早由麻省理工學(xué)院于1986年推出，現(xiàn)在已經(jīng)成為一個(gè)使用廣泛的商業(yè)離散事件仿真器。EstiNet是一種針對(duì)SDN架構(gòu)的商用OpenFlow網(wǎng)絡(luò)仿真器，相對(duì)于開(kāi)源的Mininet, EstiNet能夠適應(yīng)更大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的仿真，并且仿真結(jié)果能夠復(fù)現(xiàn)。

目前主流的可用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的仿真軟件特性總結(jié)如表3所示。

除了開(kāi)源和商業(yè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，一些研究團(tuán)隊(duì)也獨(dú)立開(kāi)發(fā)了專門(mén)針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的仿真架構(gòu)或平臺(tái)。有國(guó)外學(xué)者提出了新的網(wǎng)絡(luò)仿真架構(gòu)Hypatia[71]。Hypatia是一個(gè)帶有仿真和可視化模塊的分析框架，可以用于實(shí)現(xiàn)和評(píng)估衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路由以及擁塞控制的新方法，仿真可視化是其相?duì)其他衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的一大優(yōu)勢(shì)。在國(guó)內(nèi)，西安電子科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)等機(jī)構(gòu)均有研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了各自的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)[56–57]。這些平臺(tái)的出現(xiàn)很好的支持了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的研究。