衛星幀中繼網絡環境下的組播傳輸方法

任 政，鄭宇翔，王玉強

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.06.010

中圖分類號：TN927 文獻標示碼：A 文章編碼：1672-7274（2017）06-0032-04

衛星幀中繼網絡環境下的組播傳輸方法

任 政，鄭宇翔，王玉強

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.06.010

中圖分類號：TN927文獻標示碼：A文章編碼：1672-7274（2017）06-0032-04

1 引言

雖然幀中繼技術具有上述種種局限性，但憑借其自身優點仍在通信領域廣泛應用。幀中繼技術在保持了分組交換技術靈活性的同時，縮短了傳輸時延，提高了傳輸速度，而且組網簡單，可以與不同入網速率的用戶通信，一個端口可以實現多個PVC的連接，同時易于加密，廣泛應用于銀行、證券等金融及大型企業，政府部門總部與各地分支機構的局域網之間的互連。

2 衛星通信系統發展概況

近年來隨著衛星射頻技術、寬帶調制技術和信號處理技術的發展，VSAT通信系統的信噪比得到了很大提高，增強了衛星通信系統的可靠性，加大了傳輸帶寬，使得幀中繼技術在VSAT通信系統中得到充分的應用。

2.1 VSAT通信系統介紹

VSAT通信系統主要可以通過載波分配方式和有無主站進行區分，根據載波分配方式可以分為單路單載波方式和時分多址方式。其中，單路單載波（SCPC）體制具有組網結構簡單的特點，但其信道利用率較低，一般不超過30%；時分多址體制內部多采用分組交換方式，系統設計時，用戶端站的吞吐量較低，并且這類系統通常在主站完成數據包交換工作，用戶端站間的通信需要兩跳來完成。在有主站系統中，系統主站負責完成系統資源分配、系統各單元管理、監測以及分組交換系統中的數據包交換等功能。在無主站系統一般均采用SCPC方式工作，信道資源主要采用預分配模式，在網絡拓撲結構上以星型為主。

2.2 幀中繼（Frame Relay）技術

幀中繼技術是在傳統的分組交換技術基礎上發展起來的一種“快速”分組交換技術，其與X.25的區別主要表現在以下方面：

（1）減少處理層數，按照OSI參考模型，X.25協議涉及物理層、鏈路層和網絡層，而幀中繼在物理層、鏈路層即可實現，從而減少了處理環節。

（2）簡化糾錯機制，X.25協議需在鏈路層、網絡層做層層糾錯處理，而幀中繼則不同，僅在節點對傳輸幀做檢錯處理，一旦發現出錯即將該幀丟棄。

（3）改變地址含義，幀中繼的“地址”稱為數據鏈路層標志（DLCI），僅具有本地意義，其地址管理工作相對簡單。

（4）降低協議開銷，在幀中繼協議中，標準幀的協議開銷僅為4字節。

（5）優化資源配置，由于幀中繼技術在OSI參考模型的第二層實現，因此，通過對數據幀格式的定義可實現根據用戶業務特征確定的傳輸幀尺寸、優先級以及處理方式等一系列控制，并根據用戶業務類型和要求對傳輸帶寬動態分配，提高系統資源利用率和用戶綜合業務的傳輸質量。

幀中繼網中用戶帶寬的動態分配主要通過對承諾速率（CBR）和突發速率（VBR）的定義實現：承諾速率定義了幀中繼通信網能夠可靠傳輸用戶數據的速率；突發速率則定義了用戶通過幀中繼網能夠傳輸數據的最大速率。通過對承諾速率和突發速率的定義，可以使用戶在幀中繼通信網重負載時能以承諾速率可靠傳輸數據，也能使用戶在網絡輕負載時以突發速率傳輸數據，因此可實現網絡帶寬資源的充分利用。

2.3 幀中繼VSAT通信系統（FR-VSAT）結構

2.3.1 幀中繼VSAT系統結構

幀中繼VSAT通信系統主要由衛星通信單元和幀中繼協議處理單元兩部分組成。衛星通信單元主要完成與衛星通信有關的功能，其實現可由傳統的SCPC設備完成，幀中繼協議處理單元主要完成幀中繼拆裝、幀中繼交換、幀中繼傳輸控制等功能。

2.3.2 幀中繼VSAT系統的組網工作方式

幀中繼VSAT系統的組網工作方式主要可以分為星狀網和網狀網兩種形式。本文介紹的組播傳輸方法基于星狀網組網方式，在星狀網結構的FRVSAT系統中，其主站到每個端站為一個下行大載波，通過幀中繼協議，在下行大載波里為每個端站劃分1條PVC，每條PVC可以通過唯一的DLCI來識別，小站通過各自的PVC接收來自主站的數據。每個端站的解調器接收頻率為主站下行大載波頻率，發射頻率為小站回傳上行小載波頻率，通過為每個端站分配1個單獨的上行小載波（1條PVC）將數據回傳到主站。

同SCPC系統組成的星狀網相比，幀中繼VSAT系統的主站僅發射一個載波，在具有一個中心點，N個外圍點的星狀結構中，SCPC設備所需要的載波總數為2N個，采用幀中繼技術后，所需的載波數為N+1個，因此可有效降低系統結構的復雜性及建設運行的成本。

圖1 衛星TDM-SCPC幀中繼網拓撲圖

在VSAT衛星通信系統中采用幀中繼技術可方便地實現單載波多址，并可根據需要靈活組網和改變網絡結構，同時簡化了組網過程中的管理維護工作。同傳統的SCPC系統相比，在VSAT系統中采用幀中繼技術可顯著減少系統使用的衛星頻帶資源，有利于降低系統運行成本。

隨著TCP/IP通信協議的迅速普及，VSAT通信系統中用戶接口與衛星鏈路已呈現出不可阻擋的IP化發展趨勢，VSAT通信系統已支持基于IP的業務應用，如網絡電話業務、視頻會議業務、網絡電視業務等。

圖2 SCPC通信系統與幀中繼通信系統比較

3 組播技術介紹

隨著網絡技術的不斷發展，利用網絡進行視頻會議、視頻點播、遠程教學等多媒體傳輸的應用越來越多。這些應用對網絡帶寬提出了高要求，對某些應用而言，點對點交換信息不管對網絡還是信息發送者，都是一種負擔，代價昂貴。組播技術作為一種有效的點對多點傳輸解決方案顯示出其特有的優勢，當網絡中的某些用戶需要特定信息時，組播信息發送者（即組播源）通過向多個接收方傳送單信息流方式，可以減少網絡通信流量，隨著流媒體傳輸技術的發展，越來越多的機構開始采用組播技術在網絡上傳送流媒體格式的音頻和視頻。

一般來講，每一種應用要么采用單播方式傳送，要么采用廣播方式傳送。單播方式只向特定目標傳送數據，雖然實現方式比較簡單，但當多個客戶需要同樣的數據時，相同信息需要傳輸多次，造成擁塞和網絡資源的浪費；廣播方式中，數據在整個IP子網范圍內廣播傳送，在子網內部所有的主機用戶不論是否需要都必須接收，可能會造成網絡資源和主機資源的浪費，同時廣播一般通過廣播地址進行傳送，難以實現廣域網上的路由，顯然傳統的數據傳送方式已經不能適應應用發展的需求。

為滿足數據傳輸的需求，人們引進IP組播的概念，作為網絡中主機之間通信的一種模式，不論組成員數量多少，IP組播數據源只向那些需要數據包的主機和網絡發送一次數據包，在共享的鏈路上，相同的信息只需要一個組播流，從而能夠很好地控制流量，減少主機和網絡的負擔。組播技術基于“組”這樣一個概念，配置組播涉及三個協議：Internet組管理協議（IGMP）、思科組管理協議（CGMP）、組播路由協議（PIM）。

（1）因特網組管理協議。組播路由通過IGMP協議判斷在與自己連接的任何一個網絡上，是否存在組播組的任何成員。IGMP協議工作主要分為兩個階段，第一階段：建立組成員，當主機加入一個新的組播組時，它把一個IGMP報文發送給直連路由器，通告其成為組成員。本地組播路由器收到這個報文后，向互聯網上的其它組播路由器傳播這個組成員信息，以建立必要的路由。第二階段，刷新組成員，直連路由器周期性的詢問本地子網上的主機，以便確定當前各個組中有哪些主機。如果經過若干輪詢后，某個組始終沒有成員，直連路由器就認為該組中不再有網絡中的主機，于是停止向其它組播路由器通告該組的成員信息。

（2）思科組管理協議。CGMP協議用于管理參與組播的主機。每當有主機加入或離開某個組時，路由器就會把該主機的消息類型（加入或離開）以CGMP消息告知交換機，交換機根據這些信息就可以建立起組播轉發表。

（3）組播路由協議。組播路由協議（PIM）用于生成由組播源到組播組所有成員間的分布樹。根據組播組成員在網絡中的分布情況，可以把組播路由協議分為密集模式協議和稀疏模式協議兩種類型。

密集模式（Dense-Mode，DM）假設組播組的成員密集分布在網絡中，每個子網至少含有一個成員。密集模式組播路由協議依靠洪泛法（Flooding）把信息傳遞給每個路由器的所有接口。

稀疏模式（Sparse-Mode，SM）組播適用于組播成員稀疏分布，而帶寬不是很寬裕的網絡中。這種模式下用戶數量不一定很少，但分布范圍較廣。稀疏模式在網絡中構建一些虛擬的數據交換地點作為匯聚點RP，RP負責管理數據域與接收者之間的通信。

4 衛星幀中繼網絡環境下組播傳輸方法

4.1 傳統幀中繼網組播傳輸方法

圖3 傳統幀中繼網的組播傳輸方法

圖4 衛星幀中繼網的組播傳輸方法

如果主站路由器的幀中繼接口需要轉發組播數據到小站1，小站2，小站3的路由器，主站路由器的幀中繼接口是將組播數據分別復制到小站1，小站2，小站3路由器的PVC上。傳統幀中繼網的組播傳輸方法存在的問題：在衛星下行鏈路中，組播數據需要傳輸N份相同的數據，將會極大浪費寶貴有限的衛星帶寬資源。用戶的實際需求是：充分利用衛星下行載波的廣播特性，每個小站都可以接收到衛星下行載波的數據，為了節省衛星帶寬資源，只傳輸一份組播數據。為了滿足客戶的實際需求，提出了衛星幀中繼網的組播傳輸方法。

4.2 衛星幀中繼網絡環境下組播傳輸方法

（1）主站組播數據的組播隧道配置。通過“添加組播信道”命令添加一個組播隧道，組播隧道的參數包括：組播地址、轉發的FR接口和DLCI號、組播數據的優先級。

圖5 組播幀中繼幀結構圖

（2）主站組播數據的接收。主站eth0和組播源在同一局域網，網卡eth0接收到組播數據包。在網卡驅動中將組播數據包截獲，在頭部添加轉發的FR接口和DLCI號標示信息后，放入組播包接收的RING緩存區中。

（3）主站組播數據的轉發。定時輪詢接收組播包的RING緩存區，如果有組播包，根據頭部轉發的FR接口和DLCI號標示信息，封裝成幀中繼幀，將組播報通過轉發的FR接口（V35接口）發送到衛星下行鏈路。

圖6 衛星幀中繼網組播數據操作步驟

（4）小站組播數據的接收。每個小站在接收幀中繼幀時，通過DLCI號，識別出封裝成幀中繼幀的組播數據包。如果當前幀是組播包，將解封裝，放入組播包發送的RING緩存區中。

（5）小站組播數據的轉發。定時輪詢發送組播包的RING緩存區，如果有組播包，就將組播包通過以太網口eth0發送到局域網。

4.3 衛星幀中繼通信系統與傳統SCPC通信系統組播方法比較

圖7 幀中繼通信系統與SCPC通信系統組播使用帶寬比較

（1）利用衛星下行鏈路的廣播傳輸特性，只需要傳輸一份組播數據，從而大大節省了衛星帶寬資源。

（2）組播包可以徹底穿透廣域網進行傳輸，不需要主機對組播協議提供支持。

5 結束語

以上提出了一種衛星幀中繼網絡環境下的組播傳輸方法。針對衛星幀中繼網絡結構特點，將衛星下行鏈路的廣播傳輸特性與組播技術進行有效結合，避免了組播數據的重復性傳輸，提高了衛星帶寬的使用效率，提升了多用戶通信系統的組播體驗效果。

[1] 李洪．IP組播技術介紹．廣東通信技術，2002,22(1):23-27

[2] 趙為春．幀中繼技術在VSAT系統中的應用．2000年中國衛星在因特網中的應用技術研討會，2007

A Multicast Transmission Method under VSAT Frame Relay Network Environment

Ren Zheng, Zheng Yuxiang, Wang Yuqiang