IP組播技術在衛星通信系統的應用

楊 飛，陳 濤，李晴飛，包少彬

（南京熊貓電子股份有限公司，南京 210002）

IP組播技術在衛星通信系統的應用

楊 飛，陳 濤，李晴飛，包少彬

（南京熊貓電子股份有限公司，南京 210002）

本文分析了傳統的IP組播技術應用于衛星通信系統情況，以地球站IP組播業務傳輸模型為基礎，提出了多種衛星通信中IP組播傳輸的實現模式，為后續衛星通信系統對IP組播技術的應用提供了良好的技術支撐。

衛星通信；組播；組管理協議；密集模式；稀疏模式

1 引言

近年來，隨著通信技術的不斷發展，IP網絡業務在衛星通信領域應用越來越廣泛。在IP網絡業務中，很多是高帶寬的應用,這就需要采用IP Multicast（組播、多播或多路廣播技術）技術來解決帶寬的急劇消耗和網絡擁擠的問題。在我國已經建成或正在建設的衛星通信網中，IP業務都是采用點對點的單播或全網廣播。隨著衛星通信網和地面IP網絡的融合、接入，組播方式的作用日益突出，已成為衛星通信正在研究的重要內容之一。本文對IP組播作了綜合的介紹，結合筆者的研究，詳細描述了衛星通信中IP組播的多種實現方式。

2 基于衛星通信系統的IP組播模型

衛星通信和傳統的地面IP有線網絡通信相比較，具有很多優點。衛星通信中可以應用單播、廣播、組播傳輸IP網絡信息。使用單播（Unicast）傳輸時，在發送者和接收者之間需要單獨的一對全雙工衛星通信信道。如果有大量主機同時希望獲得數據包的同一份拷貝時，則需要使用多路全雙工的衛星通信信道來完成，這就需要增加硬件和帶寬等珍貴的資源。使用廣播（Broadcast）傳輸時，只能在IP子網內廣播數據包，所有在子網內部的主機都將收到這些數據包。廣播意味著網絡向子網主機都投遞一份數據包，不論這些主機是否樂于接收該數據包。廣播的使用范圍非常小，只在本地子網內有效，因為路由器會封鎖廣播通信，也就是廣播不能跨越不同的網段傳輸，現實中不跨越網段的傳輸模式應用很少。

在目前流行的單向信息流量較大（業務信息）而反方向信息流量小（主要是路由協議和管理信息）的多種IP組播業務中，單播和廣播存在的缺陷根本不能實現這些需求，而組播則可以滿足需求。衛星通信信道為全雙工的通道，對于信息量大的方向，可以使用高帶寬、高速率的資源，而信息量小的方向使用低帶寬、低速率的資源。

衛星通信中典型的IP組播傳輸模型如圖1所示。關鍵設備寬帶調制解調器實現信息的調制和解調功能；IP加速器對空間傳輸鏈路上的IP報文進行加速，提高了網絡吞吐量；保密機實現IP報文的加密和解密；路由器實現不同網絡在IP網絡層的互聯互通。由于寬帶信道、IP加速器、IP加密機都工作在TCP/ IP協議族的物理層或數據鏈路層，在IP業務傳輸過程中只做比特流的透明傳輸或者簡單的差錯控制，不具備IP報文的具體尋路工作，因此，可以將圖1的模型簡化為圖2的模型。

在衛星組播發送站和接收站中接入不同的IP組播業務終端，通過路由器生成的多播路由表來尋路，實現多種業務的組播傳輸。各衛星地球站使用支持組播功能的路由器（以Cisco 2801系列為例）作為接入點。

3 衛星通信中IP組播的規劃

根據圖1進行通信資源的規劃，建立好衛星通信傳輸鏈路。根據圖2進行IP地址的規劃。研究工作以音視頻業務組播為例（其他組播業務與之雷同），其傳輸方案為：音視頻信號通過IP編碼器接入衛星組播發送站，以IP組播報文的形式途徑衛星通信鏈路傳輸，衛星組播接收站1和2同步接收組播報文，經過IP解碼器還原出音頻信號。

3.1 通信資源規劃

配置衛星組播發送站的衛星通道1和2的寬帶調制解調器發送帶寬2Mb/s，接收帶寬8kb/s；配置衛星組播接收站1和2的衛星通道的寬帶調制解調器發送帶寬8kb/s，接收帶寬2Mb/s。建立衛星發送站的衛星通道1和衛星接收站1衛星通道的通信傳輸鏈路；建立衛星發送站的衛星通道2和衛星接收站2衛星通道的通信傳輸鏈路。

3.2 IP地址的規劃

（1）衛星發送站。路由器A網絡互聯口F0/0 IP地址為192.168.1.1/24，本地互聯口FA0/1的IP地址為192.168.11.1/24。音視頻編碼器IP地址為192.168.11.2/24，默認網關為路由器A的FA0/1口IP地址。

（2）衛星接收站1。路由器B網絡互聯口F0/0 IP地址為192.168.1.2/24，本地互聯口FA0/1的IP地址為192.168.21.1/24。音視頻編碼器IP地址為192.168.21.2/24，默認網關為路由器B的FA0/1口IP地址。

（3）衛星接收站2。路由器C網絡互聯口F0/0 IP地址為192.168.1.3/24，本地互聯口FA0/1的IP地址為192.168.31.1/24。音視頻編碼器IP地址為192.168.31.2/24，默認網關為路由器C的FA0/1口IP地址。

（4）組播套接字。組播需要用組播套接字進行通信傳輸，組播套接字是組地址和端口號的組合序列，規劃衛星地球站之間使用組播地址224.10.10.10，端口號2009進行IP組播傳輸（可以使用任意的合法組播地址和端口號），在衛星發送站或接收站各音視頻編碼/解碼器中配置組播套接字。

4 衛星通信中IP組播的實現

衛星通信中IP組播可以通過多種方式來實現，筆者根據實際的研究結果詳細介紹3種模式，包括動態路由協議（RIP，OSPF，BGP）+PIM協議模式、RP（靜態、動態）模式和混合模式。

4.1 動態路由協議+PIM協議模式

動態路由協議是指運行同一種路由協議的路由器之間動態相互交互信息，形成路由表的過程，包括內部路由協議（典型的有RIP，OSPF）和外部路由協議（典型的有BGP）。PIM使用PIM-SDM（SDM是SM和DM兩種方式的結合體），任何一種動態路由協議配合PIM協議可以實現組播。

4.1.1 RIP+PIM模式

路由器配置RIP動態路由協議，組播發送端配置互聯網段和業務終端網段，組播接收端配置互聯網段，而業務終端網段可選配（可配置也可不配置），本實現方式全部配置，路由器各接口配置PIM模式。

4.1.2 OSPF+PIM模式

路由器配置OSPF動態路由協議。組播發送端配置互聯網段和業務終端網段；組播接收端配置互聯網段，而業務終端網段可選配。本實現方式全部配置。將互聯網段劃分到域序號0中，IP終端網段分別劃分到域序號1，2，3中，路由器各接口配置PIM模式。

4.1.3 BGP+PIM模式

路由器配置BGP動態路由。組播發送端互聯網段的鄰居需要配置，同時配置業務終端網段；組播接收端配置互聯網段的鄰居，而業務終端網段可選配。本實現方式全部配置。將路由器A，B，C分別劃分到域100，200，300中，路由器各接口配置PIM模式。

4.2 RP模式

所有的組播業務信息先發送到帶RP功能的路由器，然后再根據策略發送到相應的路由器。RP模式包括手工配置的靜態選定RP和自動選擇的動態發現RP。動態發現RP有包括Auto-RP和PIM V2 BSR兩種方式。

4.2.1 靜態選定RP。

靜態RP需要在所有的路由器上進行配置。所有的路由器配置的RP必須是一致的，是同一臺路由器。通常將組播發送方路由器配置為靜態RP。

4.2.2 動態發現RP

相對于靜態選定RP模式，動態發現RP模式配置更加簡便。只需要在組播發送方路由器上全局配置，組接收路由器不需要作任何的全局配置，雙方通過信息傳遞發現RP。動態發現RP又分為Auto-RP和PIM V2 BSR兩種方式。

（1）Auto-RP方式。Auto-RP是Cisco的私有解決方案。需要配置候選RP（C-RP,candidate-rp）和動態影射代理MA（Mapping Agents）。C-RP會利用管理組地址發送一個自己是RP的通告，MA監聽判決，然后向所有的路由器發送RP的地址。

（2）PIM V2 BSR。PIM V2 BSR是PIM自帶的一種RP選舉機制。在域內BSR選定后，向所有設備發送自己是BSR的通告，RP向BSR發送注冊信息，BSR將此信息發送給所有的路由器，所有路由器都使用這些信息，根據自己的算法計算出誰是RP。

4.2.3 混合模式

對于以上兩種應用模式，使用的都是域內PIM組播路由協議。而在域間則是使用組播源發現協議（MSDP）。MSDP通過各PIM域的RP之間建立MSDP對等關系，使它們能在域間轉發信源有效信息。共享組播信息源。此時既需要在本域內路由器各個網絡接口配置PIM協議，又需要在域之間配置MSDP協議。

將路由器A，B，C分別劃分到域100，200，300中。首先配置BGP路由協議。

通過不同的配置方法，上面所描述的三種模式都可以在衛星通信中實現IP組播傳輸。在三種模式中，采用動態路由協議和PIM協議實現IP組播的模式應用最為廣泛。因為在衛星通信中，需要配置動態路由協議來實現不同物理網絡IP單播業務的傳輸。因此只需要增加相應的PIM配置就可以實現IP組播業務的傳輸。而且組播業務和單播業務不會互相影響，它們可以同時進行傳輸。

4.2.4 后序

在完成上述的研究后，筆者還進行了下列研究：

⊙ 多個音視頻組播同時發送和接收。

⊙ 多個網絡數據組播同時發送和接收。

⊙ 單個音視頻組播和單個網絡數據組播同時混合發送和接收。

⊙ 多個音視頻組播和多個網絡數據組播同時混合發送和接收。

這些研究都取得了成功，對今后組播業務在衛星通信領域中的應用具有相當大的參考價值。

5 結束語

本文提出了基于衛星通信的IP組播模型，并給出了該模型下實現組播的條件、組播的地址分配、Internet組管理協議、組播轉發、組播路由協議，該模型在衛星通信系統下能較好地實現IP業務的互聯互通。隨著衛星通信網與地面有線IP網絡的逐漸融合，本文所提的IP組播模型將在衛星通信領域中的應用得越來越廣泛，具有較強的應用性和推廣型。

[1] 魏大新，李育龍．Cisco網絡技術教程．北京：機械工業出版社，2007

[2] 黃傳河．網絡規劃設計師教程．北京：清華大學出版社，2009

[3] Jeff Doyle,Jennifer Carrol．Routing TCP/IP．北京：人民郵電出版社，2008

[4] Randy Zhang,Micah Bartell．BGP Design and Implementation．北京：人民郵電出版社，2008

[5] 周賢偉，楊軍．IP組播與安全．北京：國防工業出版社，2008

Application of the IP Multicast Technology in Satellite Communication

Yang Fei, Chen Tao, Li Qingfei, Bao Shaobin
(Nanjing Panda Electronics Company Limited, Nanjing, 210002)

This paper introduce the technique of IP multicast systemically, on the base of the transmission model of satellite station IP multicast service. We design some realization model of the IP multicast transmission in satellite commutation detailedly. This will have the very important reference value in the area of satellite commutation for the future.

Satellite Commutation; IP Multicast; PIM; Dense-Mode; Sparse-Mode

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.06.005

TN927+.2文獻標示碼：A

1672-7274（2015）06-0038-04

楊 飛，博士，南京熊貓電子股份有限公司工程師。陳 濤，本科，南京熊貓電子股份有限公司工程師。李晴飛，碩士，南京熊貓電子股份有限公司工程師。包少彬，本科，南京熊貓電子股份有限公司工程師。