王小康

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081

IP組播技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用和分析

王小康

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081

針對(duì)目前衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源日益緊張的現(xiàn)狀提出在衛(wèi)星通信網(wǎng)中采用IP組播技術(shù)進(jìn)行緩解的一種方法。首先對(duì)IP組播技術(shù)的各種協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析和論述，其次根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用分別搭建了平面IP組信號(hào)播傳輸測(cè)試系統(tǒng)和衛(wèi)星IP組播信號(hào)傳輸測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)上述兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估，最后對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)中IP組播技術(shù)的應(yīng)用提出了進(jìn)一步的改進(jìn)要求。

IP組播；衛(wèi)星通信；TCP/IP協(xié)議

IP multicast；satellite communica；tio nTCP/IP protocol

引言

近幾年國(guó)內(nèi)自然災(zāi)害頻發(fā)，有時(shí)在救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)和指揮調(diào)度中心之間只能通過衛(wèi)星通信傳輸電話或者視頻信號(hào)。采用傳統(tǒng)的“IP單播方式”，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳輸多路視頻信號(hào)將會(huì)占用大量的衛(wèi)星資源，而采用“IP組播技術(shù)”則可以通過地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組播信號(hào)復(fù)制,大量減少占用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源，因此“IP組播技術(shù)”正逐步成為衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)的新選擇。圖1是兩種傳輸方式對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器占用情況的對(duì)比圖。

圖1 單播方式和組播方式對(duì)比示意圖

1.IP組播技術(shù)

IP組播技術(shù)用于網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)指定設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主要用于視頻、伴音等多媒體的傳輸。由于采用一對(duì)多的傳輸方式，因此在信息傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)干線中只需傳輸一路數(shù)據(jù)流，到分支時(shí)再進(jìn)行復(fù)制，傳到不同的分支，可以節(jié)省大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，同時(shí)，發(fā)送端也可以僅啟動(dòng)一個(gè)發(fā)送進(jìn)程，就能完成對(duì)多個(gè)目的的發(fā)送，節(jié)省發(fā)送設(shè)備的資源。由于組播技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)，目前，已在IP網(wǎng)絡(luò)中獲得廣泛應(yīng)用，也獲得了絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠商的支持。

IP組播主要由以下三類協(xié)議組成：

①客戶端——路由器協(xié)議

客戶端——路由器協(xié)議主要用于網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備與路由設(shè)備間的信息交互，通過該協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備可以向其相連的路由設(shè)備提出接收組播信息的請(qǐng)求，同時(shí)路由設(shè)備也可以定時(shí)查詢終端設(shè)備的組播要求，以保持提供組播服務(wù)。目前使用最為廣泛的客戶端——路由器協(xié)議為IGMP，IGMP為一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，絕大多數(shù)廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均支持這一協(xié)議，它現(xiàn)在已發(fā)展到了第三個(gè)版本，即IGMP V 3，但受到廣泛支持的仍為版本2，即IGMP V2。

② 組播交換協(xié)議

組播交換協(xié)議主要用于客戶端和二層設(shè)備（交換機(jī)）間的通信，通過該協(xié)議，交換機(jī)可以了解當(dāng)前與其相連的客戶端組播信息轉(zhuǎn)發(fā)需求，從而使交換機(jī)只向特定的端口進(jìn)行組播流的轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬和交換機(jī)資源。目前使用較多的組播交換協(xié)議有IGMP Snooping和CGMP，IGMP Snooping為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，受到大多數(shù)廠商的支持，但運(yùn)行時(shí)，對(duì)交換機(jī)資源占用比較大，CGMP為Cisco公司的私有協(xié)議，多數(shù)廠商不支持，但運(yùn)行時(shí)，對(duì)交換機(jī)資源占用較小。

③ 組播路由協(xié)議

組播路由協(xié)議主要用于網(wǎng)絡(luò)中三層設(shè)備間的路由信息交互，通過組播路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的三層設(shè)備可以維護(hù)一個(gè)組播流傳輸?shù)穆窂?，并根?jù)情況，隨時(shí)進(jìn)行修剪。組播路由協(xié)議主要有D V M R P、M O S P F和P I M，其中DVMRP和MOSPF兩種協(xié)議需要依靠特定的單播路由協(xié)議來運(yùn)行，目前，已基本不使用，而PIM協(xié)議可以獨(dú)立于單播路由協(xié)議來運(yùn)行，目前使用較廣泛。

2.組播特性分析

傳統(tǒng)的IP通信是在一個(gè)源IP主機(jī)和一個(gè)目標(biāo)IP主機(jī)之間(單播),或者一個(gè)源IP主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)中所有的IP主機(jī)之間(廣播)進(jìn)行的。如果要將信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)而非所有IP主機(jī)，只有采用廣播方式，或由源IP主機(jī)分別向網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)目標(biāo)IP主機(jī)單播發(fā)送IP包。廣播方式不僅會(huì)將信息發(fā)送給不需要的IP主機(jī)而浪費(fèi)帶寬，也可能由于路由回環(huán)引起一場(chǎng)嚴(yán)重的廣播風(fēng)暴；單播方式由于IP包的重復(fù)發(fā)送而白白浪費(fèi)掉大量帶寬，也增加了服務(wù)器的負(fù)載。可以說傳統(tǒng)的IP通信技術(shù)不能有效地解決單點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收的問題。組播是指信源將信息發(fā)向所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的某個(gè)確定子集的點(diǎn)到多點(diǎn)的通信形式。IP組播是指在IP網(wǎng)絡(luò)中以數(shù)據(jù)包傳送的形式發(fā)送到所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的某個(gè)確定子集，這個(gè)子集稱為組播組。IP組播的基本思想是源IP主機(jī)只發(fā)送一份數(shù)據(jù)，一個(gè)或多個(gè)接收者可接收相同數(shù)據(jù)的拷貝。即允許源IP主機(jī)向網(wǎng)上所有IP主機(jī)的一部分(子集)發(fā)送IP分組，只有該子集內(nèi)的主機(jī)(目標(biāo)主機(jī))可以接收該分組，而網(wǎng)絡(luò)中其他IP主機(jī)不能收到該分組。這種邏輯上的子集(目標(biāo)主機(jī))就是組播組，用D類IP地址(224.0.0.0～239，255.255.255)來標(biāo)志。

IP組播技術(shù)有效地解決了單點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收、多點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收的問題，實(shí)現(xiàn)了IP網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到多點(diǎn)的高效數(shù)據(jù)傳送、能夠有效地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。IP組播技術(shù)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送、網(wǎng)絡(luò)電視IPTV、多媒體會(huì)議、數(shù)據(jù)拷貝、游戲和仿真等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用。

3.組播技術(shù)在衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

3.1 前提條件

實(shí)現(xiàn)IP組播數(shù)據(jù)傳輸，要求組播源和接收者以及兩者之間的下層網(wǎng)絡(luò)都必須支持組播。這包括以下幾方面：①主機(jī)的TCP/IP實(shí)現(xiàn)支持發(fā)送和接收IP組播；②主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口支持組播；③有一套用于加入、離開、查詢的組管理協(xié)議，即IGMP（v1,v2）；④有一套IP地址分配策略，并能將第三層IP組播地址映射到第二層MAC地址；⑤支持IP組播的應(yīng)用軟件；6）所有介于組播源和接收者之間的路由器、集線器、交換機(jī)、TCP/IP棧、防火墻均需支持組播。

在組播通信中，需要兩種地址：一個(gè)IP組播地址和一個(gè)Ethernet組播地址。其中，IP組播地址標(biāo)志一個(gè)組播組。由于所有IP數(shù)據(jù)包都封裝在Ethernet幀中，所以還需要一個(gè)組播Ethernet地址。為使組播正常工作，主機(jī)應(yīng)能同時(shí)接收單播和組播數(shù)據(jù)，這意味著主機(jī)需要多個(gè)IP和Ethernet地址。

圖2 系統(tǒng)平面測(cè)試框圖

3.2 平面測(cè)試系統(tǒng)

為了驗(yàn)證IP組播數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，選擇了一些技術(shù)比較成熟的設(shè)備搭建一個(gè)平面測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖2所示。

在平面聯(lián)試階段，需要達(dá)到的效果是這樣的：①組播源以IP組播方式分別向兩個(gè)組成員發(fā)送1路圖像和伴音信號(hào)，兩個(gè)組成員應(yīng)該收到各自的圖像和伴音信號(hào)，圖像無馬賽克，伴音清晰可懂；②兩個(gè)組成員分別向組播源發(fā)送1路圖像和伴音信號(hào)，組播源的圖像解碼器可以自由選擇收看任意一路圖像和伴音信號(hào)，圖像無馬賽克，伴音清晰可懂；③組成員3的解碼器可以選擇收看組成員2收到的圖像和伴音信號(hào)或者組播源發(fā)送給微波傳輸站的圖像和伴音信號(hào)，圖像無馬賽克，伴音清晰可懂。

整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)流程如圖2所示。①組播源發(fā)出兩路音視頻信號(hào)，經(jīng)過圖像變碼器變成IP組播數(shù)據(jù)進(jìn)入交換機(jī)，然后到路由器，經(jīng)過路由選擇到達(dá)各自的寬帶調(diào)制解調(diào)器；②寬帶調(diào)制解調(diào)器把IP信號(hào)轉(zhuǎn)變成L頻段模擬信號(hào)，組成員的寬帶調(diào)制解調(diào)器把L頻段模擬信號(hào)還原成IP信號(hào)送給路由器，然后到交換機(jī)。交換機(jī)根據(jù)IP信號(hào)里面包含的目的組播地址進(jìn)行組播信號(hào)復(fù)制和傳輸?shù)綀D像解碼器。③組成員1、組成員2到組播源的信號(hào)流程基本與上面類似。

3.3 測(cè)試效果評(píng)估

在平面測(cè)試中，網(wǎng)絡(luò)的IP丟包率≤1 %，圖像沒有馬賽克，聲音清晰可懂。完全滿足設(shè)計(jì)要求。但是由于沒有采用衛(wèi)星信道模擬器，衛(wèi)星時(shí)延及突發(fā)干擾對(duì)系統(tǒng)的影響還需要進(jìn)一步做試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。

3.4 IP組播在衛(wèi)星通信的應(yīng)用實(shí)例

IP組播衛(wèi)星通信試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖3所示，由一個(gè)組播源和2個(gè)組成員組成。

系統(tǒng)測(cè)試的最終效果是成員2可以選擇接收組成員收到的組播數(shù)據(jù)或者組播源傳輸?shù)慕M播數(shù)據(jù)。衛(wèi)星信道載噪比6.0dB，信道容量1600 Kbit/S，網(wǎng)絡(luò)的IP丟包率≤1%，圖像基本沒有馬賽克，聲音清晰可懂。

組播源也可以接收組成員1發(fā)送的組播數(shù)據(jù)，圖像基本沒有馬賽克，聲音清晰可懂。進(jìn)行動(dòng)中通IP組播數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)，組成員1在時(shí)速80公里（高速公路）的情況下與組播源互相傳輸IP組播數(shù)據(jù)（音視頻信號(hào)），除天線遮擋或者路面顛簸的情況以外，兩個(gè)站收到的圖像信號(hào)無馬賽克，聲音清晰可懂。

圖3系統(tǒng)上星試驗(yàn)框圖

從上面的測(cè)試結(jié)果來看，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用IP組播技術(shù)可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4.如何解決存在的問題

4.1 二層交換機(jī)問題

各廠家二層交換機(jī)工作性能差別很大，尤其在多個(gè)組播流合路時(shí)，組播流相互影響更為突出，甚至一個(gè)交換機(jī)不能向另一個(gè)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)組播流，反過來應(yīng)用沒有問題。對(duì)于性能較好二層交換機(jī)，在應(yīng)用上也應(yīng)劃分虛擬局域網(wǎng)（V L A N），統(tǒng)一與其連接設(shè)備端口速率（建議不要設(shè)置為自動(dòng)方式）、雙工方式，對(duì)特殊業(yè)務(wù)組播流還應(yīng)設(shè)置：i p igmp snooping vlanX Mroute interface才能保證組播流持續(xù)傳輸，集線器不要用于多個(gè)組播流合路傳輸。

4.2 路由器配置問題

路由器種類很多，軟件版本各異。因此被選擇路由器一定支持Ip multicast routing。配置端口時(shí)采用IP PIM dense-mode；IP IGMP join-group multicast IP address。

協(xié)議無關(guān)組播協(xié)議－密集模式(P I MDense-Mode)適用于發(fā)送者和接收者非常接近，且只有一小部分發(fā)送者和大量的接收者、組播流量大、組播流是持續(xù)的；協(xié)議無關(guān)組播協(xié)議——分散模式（PIM-Sparse-Mode）適用于網(wǎng)絡(luò)中接收者的人數(shù)很稀疏或者組播流被廣域網(wǎng)分割開、一個(gè)組里接收者很少、發(fā)送者和接收者被廣域網(wǎng)分開、組播流量斷斷續(xù)續(xù)。根據(jù)用戶協(xié)議，可以在路由器端口上，限制用戶組播流帶寬在雙方協(xié)議中規(guī)定的帶寬內(nèi)，確保衛(wèi)星IP封裝機(jī)工作穩(wěn)定。如在端口上設(shè)置入向保證速率2 Mbit/ s，正常每秒突發(fā)字節(jié)125 KB，最大每秒突發(fā)字節(jié)312.5 KB，超過部分丟棄。在端口中寫入rate-limit input 2000000 125000 312 500 conform-action transmit exceedaction drop。

5.結(jié)束語

IP組播技術(shù)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合具有美好前景與市場(chǎng)效益，必將成為人們工作和生活中不可缺少的高速寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，同時(shí)促進(jìn)社會(huì)科學(xué)技術(shù)、文化、經(jīng)濟(jì)、軍事發(fā)展。但是此技術(shù)應(yīng)用也面臨著一些需要改進(jìn)的問題，如組播網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控、組播成員的身份認(rèn)證、組播流沖突與QoS保證等。

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Application and Analasys of the IP multicast technology in satellite communication

Wang Xiaokang
The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081,China

The method based on IP multicast technology is advanced in the satellite communication network for the limited transponders resources. First of all, several IP multicast technology protocols are analyzed and introduced in a simple way, secondly, the planar testing system and the satellite testing system for IP multicast signal transmission are built on the practical system application, which are tested and evaluated, and then the follow improved measure in the application of IP multicast technology in satellite communication network is proposed.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.16.051