在基于星上IP路由的卫星网络中，星载IP路由器的处理／存储能力受限同样会对PIM-SM协议的应用带来一定影响。......
2023-07-02
单播路由协议的适应性分析
【摘要】：接下来重点分析在地面网络中广泛应用的单播路由协议在空间信息网络中的适应性。
接下来重点分析在地面网络中广泛应用的单播路由协议在空间信息网络中的适应性。透明转发机制和星上交换机制都会被考虑。
2.2.2.1 RIP协议
RIP协议基于距离矢量算法计算路由，在地面网络中应用时，存在跳数限制、路由选择环路、带宽开销过大、收敛慢等问题，尽管有许多研究试图加以改进，仍难以适用于大型网络。但在基于透明转发的卫星网络中，RIP协议却能够很好地避免这些问题。
（1）在基于透明转发的卫星网络中，节点间的跳数远小于RIP协议支持的15跳。
（2）RIP协议通过采用水平分割技术，只向外广播本地路由信息，可大大降低路由协议的带宽开销。
（3）RIP协议在地面网络中“收敛慢”是指当一条路由信息失效后，邻居路由器需要等待90 s才能发现，180 s后才会将该路由条目从路由表中删除，并通知其他路由器这一变化。在地面网络中，由于存在多条冗余链路，因此要求路由协议能够迅速发现路由信息的变化，从而寻找到另外一条传输链路。而在基于透明转发的卫星网络中，由于不存在冗余链路，当某条路由信息失效后，尽管其他路由器需要很长时间才能把该条路由删除，但并不影响系统的正常运行。
在基于星上ATM交换的卫星网络中，ATM网关将卫星ATM网络与多个IP子网互联，星载ATM交换机负责各个ATM网关之间的相互通信，通过卫星ATM信元承载IP数据包，保证多个网络之间的正常通信。多个ATM网关与星载ATM交换机组成一个链路类型为非广播多路访问（NBMA）的网络，即任意两个ATM网关间存在一条虚链路实现直接可达，如图2-14所示。仅有OSPF协议支持NBMA链路类型，且配置过程较为复杂。因此，RIP协议不适合在基于星上ATM交换的空间信息网络中应用，该类卫星网络通常采用静态路由，实现IP数据包的寻址。
图2-14 卫星ATM网络非广播多路访问链路
在基于星上IP路由的空间信息网络中，位于同一波束下的多个星载IP路由器组成一个链路类型为广播或点到多点的网络。点到多点的卫星IP网络，如图2-15所示。IP路由器的RIP路由信息到达星上IP路由器后，不再转发至同波束下的其他IP路由器，因此RIP协议若开启水平分割功能，则同波束下IP路由器不能相互学习路由信息。即使RIP协议关闭水平分割功能，IP路由器仍不能学习到正确的下一跳信息（对IP路由器来说，其正确的下一跳为星上IP路由器，而通过RIP协议学到的下一跳为另一IP路由器）。
图2-15 卫星IP网络点到多点链路
2.2.2.2 开放最短路径优先（OSPF）协议和IS-IS协议
OSPF和IS-IS协议都属于链路状态路由选择协议，均采用最短路径优先（SPF）算法来构建路由表。OSPF协议与IP结合密切，被广泛应用于各种企业网络。IS-IS协议则被大多数网络服务提供商（ISP）网络用作骨干网路由协议。但OSPF协议和IS-IS协议应用于基于透明转发的卫星网络时，其Hello机制和链路状态泛洪机制却存在一定问题，使得路由开销过大。由于OSPF协议和IS-IS协议的实现机理类似，下面以OSPF协议为例说明此类问题。
1）Hello机制
OSPF协议通过定期发送Hello报文来发现和维护邻接关系，Hello报文中会罗列出它所知道的邻居路由器ID。在地面网络中，路由器之间往往通过点到点链路连接，所以Hello报文的带宽开销很小。但在基于透明转发的卫星网络中，大量用户卫星及其子网通过卫星链路形成邻接关系。随着路由节点数目的增大，Hello报文的长度会急剧增大，这将造成Hello报文的带宽开销变大。
2）链路状态泛洪机制
OSPF协议通过链路状态泛洪机制，使得一个路由区域内所有路由器获得相同的链路状态数据库，从而采用SPF算法计算路由表。在点到点链路上（如计算机网络），路由器以单播的方式将更新数据包发送到邻居路由器，邻居路由器发送链路状态确认包来确认收到该链路状态通告（LSA）。在这种方式下，路由协议的带宽开销相对于地面网络的链路带宽而言是很小的。基于透明转发的卫星网络中OSPF协议泛洪扩散流程示例如图2-16所示。
图2-16 基于透明转发的卫星网络中OSPF协议泛洪扩散流程
在基于透明转发的卫星网络（广播型网络）中，OSPF路由器分为指定路由器（DR）、备份指定路由器（BDR）和DR Other（既不是DR也不是BDR的路由器）。DR Other与DR，BDR形成邻接关系。当某一DR Other的局部状态发生变化时，它会将链路状态更新数据包通过组播的方式发送给DR，DR也将以组播的方式发送包含LSA的更新数据包到网络上所有与之建立邻接关系的路由器。同时，其他DR Other还会发送链路状态确认数据包来确认收到该LSA。因此，随着网络规模的增大，链路状态洪泛过程占用的链路带宽也会迅速增大。相对于卫星网络的链路带宽，OSPF协议的路由开销太大。
在基于星上IP路由的卫星网络中，当位于同一波束下的多个IP路由器与星载IP路由器组成一个链路类型为广播的网络时，OSPF协议同样存在基于透明转发卫星网络中路由开销过大的问题。当位于同一波束下的多个IP路由器与星载IP路由器组成一个链路类型为点到多点的网络时，需将星载IP路由器的OSPF协议配置为点到多点接口类型，IP路由器OSP协议配置为点到点接口类型，路由信息才会正常收敛。
2.2.2.3 扩展型内部网关路由协议（EIGRP）
EIGRP协议具有复合度量、链路开销小等优点，尤其是采用扩散更新算法（DUAL），使得路由收敛时间是所有路由协议中最小的。但在基于透明转发的卫星网络中，当网络拓扑变化时，该算法占用的带宽太大。下面简要分析该算法在卫星网络中应用时存在的问题。
在基于透明转发的卫星网络中某一条路由失效后，所有路由器都会对其邻居发出查询请求，寻找替换路由，如图2-17所示。根据邻居表，建立应答状态表，跟踪邻居的应答。路由表中将该路由设置为活动状态，这个标识防止循环查询。
图2-17 基于透明转发的卫星网络中EIGRP扩散计算步骤1
邻居路由器在收到查询后，由于该路由条目在本路由器中已处于活动状态，因此，答复当前最佳路由并停止查询处理，如图2-18所示。启动查询的路由器在收到邻居的应答时，会把收到的数据存放在拓扑表中，并标记应答表中的相应项目。当收到所有的应答后，会把路由标记设置为被动状态，然后再次开始本地计算，选择最佳的路由，并在路由表中安装新的最佳路由，如图2-18所示。
图2-18 基于透明转发的卫星网络中EIGRP扩散计算步骤2
从上面分析EIGRP扩散更新的流程可知，当基于透明转发的卫星网络中某条路由失效后，实际上已没有通往路由目的地的通信链路，所以EIGRP的扩散更新算法并没有起到有效作用，白白浪费了网络带宽。同样，在基于星上IP路由的卫星网络中应用EIGRP，也存在类似的路由开销过大问题。
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