Маршрутизация в спутниковых сетях

Маршрутизация трафика особенно сложна и важна в сетях спутниковой связи на основе низкоорбитальных спутников с межспутниковыми линиями связи. Главная сложность ее связана с высокой динамичностью таких сетей, обусловленной быстрым перемещением спутников относительно друг друга и относительно Земли. В результате популярные протоколы маршрутизации, реализованные в наземных сетях, здесь абсолютно не приемлемы. Для таких сетей спутниковой связи предложено два основных алгоритма маршрутизации - DT-DVTR (Discrete-Time Dynamic Virtual Topology Routing) и VN (Virtual Node).

Алгоритм DT-DVTR основан на периодическом характере изменений в орбитальной группировке. Вся шкала времени делится на интервалы стационарности, определяемые таким образом, что топология меняется только в начале и конце интервалов, оставаясь постоянной до начала следующего интервала. На длительности каждого такого интервала можно решать задачу статической маршрутизации уже известными методами. Результатом ее решения для каждого интервала является соответствующая таблица маршрутизации. Набор таблиц маршрутизации для всех возможных интервалов стационарности хранится на борту каждого спутника и каждая из них используется в соответствующем интервале. При таком подходе вместо проведения сложных вычислений в реальном масштабе времени спутник должен хранить многочисленные таблицы маршрутизации, а значит, обладать бортовой памятью большого объема. Для уменьшения требуемого объема памяти возможна организация обмена таблицами между соседними спутниками.

Главная идея алгоритма VN состоит в том, чтобы спрятать от протокола маршрутизации топологические изменения. Для этого вводится виртуальная топология, которая является суперпозицией виртуальных узлов и физической топологии орбитальной группировки. В течение определенного периода времени каждый виртуальный узел представляет собой определенный физический спутник, находящийся в заданной области. Пока он остается в ней, виртуальная топология считается неизменной. Как только спутник покидает ее, виртуальный узел соотносится с другим спутником, который вошел в эту область. Первый спутник передает второму всю необходимую для работы данного виртуального узла информацию. Задача маршрутизации решается уже над виртуальной топологией, и при передаче трафика протоколу маршрутизации не нужно отслеживать динамику орбитальной группировки.

На основе двух базовых алгоритмов разработано несколько конкретных схем переноса IP-пакетов через низкоорбитальную сеть. Как правило, они основаны на алгоритме VN. В ряде коммерческих спутниковых сетей (включая проект сети Teledesic) используются собственные технологии маршрутизации, ориентированные на учет особенностей орбитальной группировки. Однако во всех этих решениях остается ряд проблем, связанных с практической реализацией алгоритмов маршрутизации, особенно при требовании обеспечения QoS.

Для коммутации трафика внутри сети в относительно большом числе проектов (Cyberstar, Astrolink, Spaceway, Skyway) предполагается применение технологии ATM в качестве базовой. В частности, существует ATM-версия алгоритма DT-DVTR, согласно которой каждая пара соседних спутников сгруппирована в виртуальный путь VPC (Virtual Path Connection), и бортовой процессор работает уже исходя из меток этого VPC. При этом предполагается применение специфичных для спутниковой сети протоколов сигнализации и передачи данных канального уровня. Предложенный модифицированный пакет S-ATM имеет меньшую избыточность без изменения размера ячейки (53 октета). Для адаптации подобных сетей к поддержке сервисов Интернет может быть использована технология передачи IP-трафика поверх ATM (IP over ATM).

Разработчики, производители и операторы спутниковых сетей делают все возможное, чтобы в их сетях были реализованы наиболее эффективные протоколы маршрутизации. В то же время детали реализации спутниковой сети должны быть скрыты от наземной сети Интернет. Для изоляции специфичных сетей широко используется концепция автономной системы AS (Autonomous System). Согласно ей, для маршрутизации трафика между AS применяются несколько стандартных протоколов, в то время как внутри каждой AS для передачи трафика может быть задействован свой собственный уникальный протокол маршрутизации.

Спутниковую сеть можно считать отдельной автономной системой Интернет с рядом граничных шлюзов BG (Border Gateway), реализующих внешний протокол маршрутизации BGP (Border Gateway Protocol), который принят в наземных автономных системах Интернет. Входной граничный шлюз определяет выходной граничный шлюз для каждого пакета. При необходимости входной и выходной шлюзы осуществляют инкапсуляцию или декапсуляцию пакетов и преобразование адресов. Граничные шлюзы можно реализовать как на борту, так и в составе ЗС. В первом случае требования к вычислительным ресурсам и энергетике спутника могут оказаться чрезмерными.

При организации доступа в Интернет через системы прямого вещания возникает проблема обеспечения однонаправленной маршрутизации, которая не может быть решена традиционными протоколами маршрутизации, рассчитанными на дуплексные каналы связи. Не считая нетривиальной настройки статической схемы маршрутизации, возможно два направления решения данной проблемы - путем модификации протоколов маршрутизации и с помощью тунеллирования трафика. В рамках IETF организована рабочая группа UDLR (Unidirectional Link Routing) для разработки соответствующего протокола. Модифицированный протокол должен позволять маршрутизатору-приемнику (с приемной стороны однонаправленного канала) идентифицировать маршрутизатор-передатчик (с передающей стороны однонаправленного канала) всякий раз, когда получает от него обновленную служебную информацию. Кроме того, маршрутизатор-приемник периодически должен сам отправлять свои служебные сообщения всем маршрутизаторам-передатчикам через наземные обратные каналы связи. Когда маршрутизатор-передатчик получает маршрутизирующую информацию, он обновляет соответствующую запись в своей таблице маршрутизации. Эта идея использована рабочей группой UDLR для модификации таких распространенных протоколов, как RIP, OSPF и DVMRP. С помощью тунеллирования трафика предпринимается попытка скрыть от процесса маршрутизации асимметричность используемых каналов. Между системой прямого вещания и терминалом пользователя посредством процедур инкапсуляции/декапсуляции эмулируется виртуальная двунаправленная линия. Она и является туннелем, через который передаются пакеты, предназначенные для передачи информации от пользователя к системе DBS. В конце туннеля на стороне пользователя пакеты сначала инкапсулируются, а потом обрабатываются протоколом маршрутизации, направляющим их через реальный обратный наземный канал. Пакеты, прибывающие на сторону системы прямого вещания, перехватываются и декапсулируются, а затем обрабатываются протоколом маршрутизации, для которого они выглядят так, как прибывшие по двунаправленному каналу. Рассмотренные схемы модификации и тунеллирования являются достаточно простыми и могут быть быстро реализованы. Однако, они разработаны применительно к однонаправленным каналам типа точка-точка, хотя по природе своей спутниковые системы относятся к широковещательным (типа точка - много точек). Разработка и оптимизация решений для такой сетевой архитектуры требует дальнейшего изучения.