IP組播技術在衛星通信中的應用和分析

王小康

中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081

IP組播技術在衛星通信中的應用和分析

王小康

中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081

針對目前衛星轉發器資源日益緊張的現狀提出在衛星通信網中采用IP組播技術進行緩解的一種方法。首先對IP組播技術的各種協議進行了簡要的分析和論述，其次根據實際的系統應用分別搭建了平面IP組信號播傳輸測試系統和衛星IP組播信號傳輸測試系統，并對上述兩個系統進行了測試和評估，最后對衛星通信網中IP組播技術的應用提出了進一步的改進要求。

IP組播；衛星通信；TCP/IP協議

IP multicast；satellite communica；tio nTCP/IP protocol

引言

近幾年國內自然災害頻發，有時在救災現場和指揮調度中心之間只能通過衛星通信傳輸電話或者視頻信號。采用傳統的“IP單播方式”，即點對點方式傳輸多路視頻信號將會占用大量的衛星資源，而采用“IP組播技術”則可以通過地面網絡進行組播信號復制,大量減少占用衛星轉發器資源，因此“IP組播技術”正逐步成為衛星應急通信系統的新選擇。圖1是兩種傳輸方式對衛星轉發器占用情況的對比圖。

圖1 單播方式和組播方式對比示意圖

1.IP組播技術

IP組播技術用于網絡中一個設備向網絡中多個指定設備進行數據傳輸，主要用于視頻、伴音等多媒體的傳輸。由于采用一對多的傳輸方式，因此在信息傳輸時，網絡干線中只需傳輸一路數據流，到分支時再進行復制，傳到不同的分支，可以節省大量的網絡帶寬，同時，發送端也可以僅啟動一個發送進程，就能完成對多個目的的發送，節省發送設備的資源。由于組播技術的這些優點，目前，已在IP網絡中獲得廣泛應用，也獲得了絕大多數網絡設備生產廠商的支持。

IP組播主要由以下三類協議組成：

①客戶端——路由器協議

客戶端——路由器協議主要用于網絡中終端設備與路由設備間的信息交互，通過該協議，網絡中的終端設備可以向其相連的路由設備提出接收組播信息的請求，同時路由設備也可以定時查詢終端設備的組播要求，以保持提供組播服務。目前使用最為廣泛的客戶端——路由器協議為IGMP，IGMP為一國際標準協議，絕大多數廠商的網絡設備均支持這一協議，它現在已發展到了第三個版本，即IGMP V 3，但受到廣泛支持的仍為版本2，即IGMP V2。

② 組播交換協議

組播交換協議主要用于客戶端和二層設備（交換機）間的通信，通過該協議，交換機可以了解當前與其相連的客戶端組播信息轉發需求，從而使交換機只向特定的端口進行組播流的轉發，節省網絡帶寬和交換機資源。目前使用較多的組播交換協議有IGMP Snooping和CGMP，IGMP Snooping為國際標準協議，受到大多數廠商的支持，但運行時，對交換機資源占用比較大，CGMP為Cisco公司的私有協議，多數廠商不支持，但運行時，對交換機資源占用較小。

③ 組播路由協議

組播路由協議主要用于網絡中三層設備間的路由信息交互，通過組播路由協議，網絡中的三層設備可以維護一個組播流傳輸的路徑，并根據情況，隨時進行修剪。組播路由協議主要有D V M R P、M O S P F和P I M，其中DVMRP和MOSPF兩種協議需要依靠特定的單播路由協議來運行，目前，已基本不使用，而PIM協議可以獨立于單播路由協議來運行，目前使用較廣泛。

2.組播特性分析

傳統的IP通信是在一個源IP主機和一個目標IP主機之間(單播),或者一個源IP主機和網絡中所有的IP主機之間(廣播)進行的。如果要將信息發送給網絡中的多個而非所有IP主機，只有采用廣播方式，或由源IP主機分別向網絡中的多個目標IP主機單播發送IP包。廣播方式不僅會將信息發送給不需要的IP主機而浪費帶寬，也可能由于路由回環引起一場嚴重的廣播風暴；單播方式由于IP包的重復發送而白白浪費掉大量帶寬，也增加了服務器的負載。可以說傳統的IP通信技術不能有效地解決單點發送多點接收的問題。組播是指信源將信息發向所有網絡節點的某個確定子集的點到多點的通信形式。IP組播是指在IP網絡中以數據包傳送的形式發送到所有網絡節點的某個確定子集，這個子集稱為組播組。IP組播的基本思想是源IP主機只發送一份數據，一個或多個接收者可接收相同數據的拷貝。即允許源IP主機向網上所有IP主機的一部分(子集)發送IP分組，只有該子集內的主機(目標主機)可以接收該分組，而網絡中其他IP主機不能收到該分組。這種邏輯上的子集(目標主機)就是組播組，用D類IP地址(224.0.0.0～239，255.255.255)來標志。

IP組播技術有效地解決了單點發送多點接收、多點發送多點接收的問題，實現了IP網絡中點到多點的高效數據傳送、能夠有效地節約網絡帶寬、降低網絡負載。IP組播技術在實時數據傳送、網絡電視IPTV、多媒體會議、數據拷貝、游戲和仿真等諸多方面都有廣泛的應用。

3.組播技術在衛星系統應用實例

3.1 前提條件

實現IP組播數據傳輸，要求組播源和接收者以及兩者之間的下層網絡都必須支持組播。這包括以下幾方面：①主機的TCP/IP實現支持發送和接收IP組播；②主機的網絡接口支持組播；③有一套用于加入、離開、查詢的組管理協議，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、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IP組播地址和一個Ethernet組播地址。其中，IP組播地址標志一個組播組。由于所有IP數據包都封裝在Ethernet幀中，所以還需要一個組播Ethernet地址。為使組播正常工作，主機應能同時接收單播和組播數據，這意味著主機需要多個IP和Ethernet地址。

圖2 系統平面測試框圖

3.2 平面測試系統

為了驗證IP組播數據傳輸的可靠性，選擇了一些技術比較成熟的設備搭建一個平面測試系統進行測試。測試系統框圖如圖2所示。

在平面聯試階段，需要達到的效果是這樣的：①組播源以IP組播方式分別向兩個組成員發送1路圖像和伴音信號，兩個組成員應該收到各自的圖像和伴音信號，圖像無馬賽克，伴音清晰可懂；②兩個組成員分別向組播源發送1路圖像和伴音信號，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，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或者組播源發送給微波傳輸站的圖像和伴音信號，圖像無馬賽克，伴音清晰可懂。

整個系統的信號流程如圖2所示。①組播源發出兩路音視頻信號，經過圖像變碼器變成IP組播數據進入交換機，然后到路由器，經過路由選擇到達各自的寬帶調制解調器；②寬帶調制解調器把IP信號轉變成L頻段模擬信號，組成員的寬帶調制解調器把L頻段模擬信號還原成IP信號送給路由器，然后到交換機。交換機根據IP信號里面包含的目的組播地址進行組播信號復制和傳輸到圖像解碼器。③組成員1、組成員2到組播源的信號流程基本與上面類似。

3.3 測試效果評估

在平面測試中，網絡的IP丟包率≤1 %，圖像沒有馬賽克，聲音清晰可懂。完全滿足設計要求。但是由于沒有采用衛星信道模擬器，衛星時延及突發干擾對系統的影響還需要進一步做試驗進行測試。

3.4 IP組播在衛星通信的應用實例

IP組播衛星通信試驗系統框圖如圖3所示，由一個組播源和2個組成員組成。

系統測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據或者組播源傳輸的組播數據。衛星信道載噪比6.0dB，信道容量1600 Kbit/S，網絡的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發送的組播數據，圖像基本沒有馬賽克，聲音清晰可懂。進行動中通IP組播數據傳輸試驗，組成員1在時速80公里（高速公路）的情況下與組播源互相傳輸IP組播數據（音視頻信號），除天線遮擋或者路面顛簸的情況以外，兩個站收到的圖像信號無馬賽克，聲音清晰可懂。

圖3系統上星試驗框圖

從上面的測試結果來看，在衛星通信系統采用IP組播技術可以滿足設計要求。

4.如何解決存在的問題

4.1 二層交換機問題

各廠家二層交換機工作性能差別很大，尤其在多個組播流合路時，組播流相互影響更為突出，甚至一個交換機不能向另一個交換機轉發組播流，反過來應用沒有問題。對于性能較好二層交換機，在應用上也應劃分虛擬局域網（V L A N），統一與其連接設備端口速率（建議不要設置為自動方式）、雙工方式，對特殊業務組播流還應設置：i p igmp snooping vlanX Mroute interface才能保證組播流持續傳輸，集線器不要用于多個組播流合路傳輸。

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。配置端口時采用IP PIM dense-mode；IP IGMP join-group multicast IP address。

協議無關組播協議－密集模式(P I MDense-Mode)適用于發送者和接收者非常接近，且只有一小部分發送者和大量的接收者、組播流量大、組播流是持續的；協議無關組播協議——分散模式（PIM-Sparse-Mode）適用于網絡中接收者的人數很稀疏或者組播流被廣域網分割開、一個組里接收者很少、發送者和接收者被廣域網分開、組播流量斷斷續續。根據用戶協議，可以在路由器端口上，限制用戶組播流帶寬在雙方協議中規定的帶寬內，確保衛星IP封裝機工作穩定。如在端口上設置入向保證速率2 Mbit/ s，正常每秒突發字節125 KB，最大每秒突發字節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.結束語

IP組播技術與衛星通信系統技術結合具有美好前景與市場效益，必將成為人們工作和生活中不可缺少的高速寬帶網絡技術之一，同時促進社會科學技術、文化、經濟、軍事發展。但是此技術應用也面臨著一些需要改進的問題，如組播網絡的監控、組播成員的身份認證、組播流沖突與QoS保證等。

[1]郭超.IP組播技術在視頻監控系統中的應用.北方交通.2010年2月,103-105

[2]張有志.基于衛星網絡的IP組播技術.電信快報.2004年1月，22-27

[3]潘攀.IP組播技術在流媒體中的應用.福建電腦.2010年5月，163-164

[4]周恒.IP組播技術及其應用[J].福建電腦. 2003（2）：16-17

[5]吳茜，吳建平，徐恪,等.移動Internet中的IP組播研究綜述[J].軟件學報.2003(14)：7

[6]熊艷.IP組播技術及其應用[J].武漢生物工程學院學報.2008，4(2：)74-76

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