低轨(LEO:Low Earth Orbit)卫星网络,是指采用若干LEO通信卫星节点构成的星座网络。由于LEO卫星网络具有广阔的地理覆盖特性、较短的通信往返延迟、较低的用户终端与卫星节点间通信功耗以及高效的无线频谱复用特性,为实现全球实时无缝信息传递,提供了有效的解决手段,在视频点播、多媒体广播、远程医疗、远程教育和高速互联网接入等领域,具有广阔的应用前景和研究价值。路由技术作为解决LEO卫星网络承载互联网数据报通信的核心技术,对信息的高效实时传递,具有极为重要的意义。然而,LEO卫星网络的时变拓扑、用户与卫星节点间接入关系的不断变化、星上处理能力严重受限和节点硬件不可升级等特性,给LEO卫星网络路由协议设计提出了严峻挑战。本文围绕LEO卫星网络路由协议设计中面临的现实问题,重点对移动管理、单播和组播等关键技术开展了深入研究。本文的主要研究成果和贡献如下:1、提出一种地球静止轨道(GEO:GEostationary Orbit)卫星辅助的移动管理协议——GSAMM(GEO-Ssatellites-Aided Mobility Management)。为了实现用户节点间的数据报通信,LEO卫星网络除了需要具备数据报路由功能外,还需要通过移动管理系统对用户节点进行定位,以及在用户节点切换接入卫星节点时,保持已有的通信进程不被中断。由于用户节点与LEO卫星节点间接入的关系动态性,以及LEO卫星网络中,存在诸如“seam”区域、极地区域等特殊区域,因此在LEO卫星网络中,通过LEO卫星实现基于空间的移动管理,存在绑定更新和定位开销过大等问题。针对这些问题,提出一种以GEO卫星为主的基于空间的移动管理协议GSAMM。GSAMM利用GEO卫星具有覆盖范围广的特点,借助GEO卫星完成LEO卫星网络移动管理的主要工作,从而降低了定位用户节点过程的复杂性和开销;同时,采用本地基于距离的位置更新方法,降低了网络中绑定更新事件产生的频率和开销等问题。由于LEO卫星只负责辅助性的工作,无需判断与本卫星节点覆盖区域重叠的定位区域,是否与相邻LEO卫星节点的覆盖区域重叠;并且,相邻的LEO卫星节点之间不需要交互彼此覆盖区域的信息,极大地减小了LEO卫星节点在移动管理方面的开销。实验结果表明,与已有相关研究工作比较,GSAMM协议可减少70%以上的管理开销。2、提出一种基于用户节点相对不变属性的分布式路由协议——RBRUAU(Routing Based on Relatively-Unchanged Attributes of Users)。LEO卫星网络拓扑的时变特性,以及用户节点与卫星节点间接入关系的动态性,给点到点路由协议的实现,带来难以维持路由信息与网络拓扑、与接入关系一致的问题。针对该问题,提出一种新型分布式路由协议RBRUAU,它无需维持路由信息的一致性的。RBRUAU是在基于地理位置的路由算法基础上实现的,即无需维持路由信息的一致性,又能够快速适应网络拓扑的变化,具有较小的信令和处理开销,以及良好的可扩展性。RBRUAU首先对实施基于地理位置的路由算法时,所需要应对的本地极值情况进行分类;然后,利用卫星网络拓扑的规律性,通过将用户节点的相对不变属性与基于轨迹的转发方法相结合的方式,解决不同类型的本地极值问题。实验结果表明,与用户节点间最短路径所产生的数据报传输延迟相比,RBRUAU产生的平均延迟增加值不超过9.2%。3、提出一种基于组播用户地理位置的组播路由协议——GMPBMR(Group-Members Position Based Multicast Routing)。LEO卫星网络拓扑的时变特性,以及用户节点与卫星节点间接入关系的动态性,给组播路由协议的实现带来了组播状态信息难以维护的问题。针对该问题,提出一种不依赖于“组播树”,转发组播数据报的组播路由协议GMPBMR。GMPBMR依据卫星所在轨道面,对LEO卫星网络中的卫星节点分簇,将组播用户与卫星节点间接入关系的变化信息,限制在簇内卫星节点间通告;使用基于地理位置的路由算法路由组播数据报,使得GMPBMR能快速适应网络拓扑的动态变化。由于GMPBMR无维护组播状态信息的开销,并使用基于地理位置的路由算法,路由组播数据报,因此,具有较小的信令和处理开销,以及较好的可扩展性。实验结果表明,与已有相关研究工作比较,GMPBMR产生的从组播源节点到组播用户节点间的平均延迟可减少20%以上。