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随着科学技术日新月异的发展，卫星通信在政治、经济和军事等领域有着越来越广泛的应用，成为现代通信的重要组成部分。卫星网络作为卫星通信的载体，其结构设计的优劣对通信性能影响很大。而在卫星网络技术中，网络路由技术处于核心地位，决定着整个通信系统的性能。本文以多层卫星网络结构及相应的网络路由协议为研究对象，首先设计符合研究要求的多层卫星网络模型，之后在研究已有卫星路由协议特别是MLSR路由协议的基础上提出并设计了优化的路由协议NMLSR，详细阐述了NMLSR协议的实现思想和设计方案。为了有效评估所设计的多层卫星网络和路由协议的性能，本文采用VRNET和STK网络模拟软件，首先利用STK工具搭建GEO/MEO/LEO多层卫星网络模型，其中MEO和LEO层均采用walker delta星座模型，利用层内的永久性链路建立稳定的网络拓扑，GEO层卫星采用等间隔环状结构，之后，在VRNET平台上搭建多层卫星网络和路由协议模型，设置多组仿真场景来测试所设计多层网络模型的有效性，以及NMLSR路由协议在不同的环境和参数条件下的性能。仿真结果验证了所设计的多层卫星网络模型相对于单层卫星网络具有较好的时延特性和稳定性，NMLSR路由协议相对于MLSR协议具有较小的路由开销，较低的丢包率，更能应对网络中流量的突发性变化和卫星故障等意外情况。