EUMETCast組播通信技術應用

■ 王鵬 王春芳

EUMETCast組播傳輸采用源特定組播（SSM）方式和IGMPv3協議，通過互聯網路由器的定向路由傳輸，并在接收端本地路由器上進行組播分發。用戶通過EUMETCast門戶網站訂閱所需數據后，即可通過EUMETCast組播方式實時接收。

全球綜合地球觀測系統（GEOSS）是建立一個綜合、協調、持續的分布式系統，目標是將為建立一個滿足用戶需求的全球綜合地球觀測系統提供一個具有整體概念和組織結構的框架。全球觀測資料廣播系統（GEONETCast）是GEOSS中的重要分系統之一，滿足向全球用戶分發核心數據的需要。GEONETCast是基于衛星通信的全球數據分發系統，分發數據內容包括氣象、水利、氣候、農業、能源、自然災害、生態環境等領域。

GEONETCast覆蓋全球范圍的分發服務由EUMETCast、CMACast和GEONETCast Americas三個衛星廣播通信系統構成，分別屬于歐洲氣象衛星應用組織（EUMETSAT）、中國氣象局（CMA）和美國海洋和大氣管理局（NOAA）。

CMACast是中國氣象局基于DVB－S2標準的新一代衛星數據廣播系統，使用亞衛4號一個完整的C波段器對中國及亞太地區進行氣象資料、衛星遙感資料及流媒體節目的廣播，可以為亞太地區發展中國家提供及時、有效的數據廣播服務，能夠實時提供包括EUMETSAT衛星數據產品在內的多種數據。

CMACast是GEONETCast的重要組成部分。根據CMA、EUMETSAT和NOAA簽署的GEONETCast的雙邊合作協議，EUMETCast、GEONETCast Americas和CMACast作為GEONETCast的三個區域網絡中心，除完成本身的數據廣播業務外，還將通過地面線路交換廣播資料，并通過各自的衛星系統進行廣播，以實現GEOSS數據的全球共享。

CMACast與EUMETCast的數據交換鏈路，包括世界氣象組織（WMO）全球通信系統（GTS）和Internet兩種線路。隨著交換數據量的與日俱增，GTS線路已經無法滿足海量衛星數據實時交換的要求。為此，通過Internet線路進行數據交換就變得更加重要。

EUMETCast是EUMETSAT向全球用戶分發實時數據和產品的通信系統，不僅能夠通過衛星鏈路進行廣播，也支持通過Internet向注冊用戶進行組播傳輸。中國氣象局通過Internet和EUMETCast組播方式實時接收EUMETCast數據，之后通過CMACast系統進行廣播。

1　EUMETCast組播通信

1.1　IP組播技術

IP（網際協議，internet protocol）組播（multicast）技術能夠實現單點向多點的高效率傳輸，如圖 1。能夠將單數據源的數據流同時向多個目標地址分發，無需增加發送端的負擔。與單播（unicast）相比，組播能夠實現“發送一次、多點接收”的效果，能夠有效降低數據源的帶寬消耗。組播技術已經在流媒體分發、企業內信息分發等領域得到了應用。

IP組播技術采用組播組（multicast group）的方式管理。需要接收某個組播數據源的接收端，加入該組播組以后，即可接收到組播數據流。按照IPv4地址分配規則，（非局域網的）全局組播通信的組地址網段為224.0.1.0至238.255.255.255。每個組播組占用組播網段的一個子網作為組播通道。

圖1　互聯網IP組播傳輸示意圖

互聯網IP組播技術，主要是由路由器實現組播轉發和組播分發（圖1）。通過互聯網傳輸組播數據，由路由器自動協商計算出組播數據轉發路由（組播分發樹），在向主機分發前采用IGMP（網路群組管理協議，internet group management protocol）協議和MAC（介質訪問控制，media access control）組播（2層）協議進行分發。

網絡路由器基于IGMP協議管理組播組成員（接收端）。IGMP協議的基本原理是，組播接收端（主機）向路由器發送IGMP加入組的請求包；路由器會定時向成員主機發送狀態查詢包，如果主機有應答則保持成員資格，否則移除成員資格。

互聯網IP組播數據包的轉發，通常采用“協議無關組播（PIM）”技術。路由器將組播數據包通過單播路由協議、根據計算出的組播分發樹進行路由。在路由器向主機分發時，根據組成員資格進行分發。路由器間PIM轉發方式包括“推送”（dense mode）、“拉取”（sparse mode）、“推拉雙向”3種方式。

由于互聯網IP組播傳輸，很可能需要跨越兩個以上的網絡服務提供商（ISP），因此在ISP之間采用跨域組播路由協議，滿足ISP之間轉發時對組播數據的路由控制。其中，指定信源組播（SSM）模型采用IGMPv3協議，根據接收端（主機）“訂閱”（加入組播組）的情況，進行更優化和準確的路由轉發和組播分發。按照IPv4地址分配規則，SSM的組地址網段為232.0.0.0/8。

IP組播使用UDP（用戶數據包協議，user datagram protocol）協議進行傳輸，因此可能會出現丟包、無序等問題，影響了文件傳輸的可靠性。IP組播可以采用“實用通用組播（PGM）”技術改善UDP協議帶來的可靠性問題，但也無法完全保障100%可靠。

1.2　EUMETCast組播通信

EUMETCast組播通信采用“拉模式協議無關組播”（PIM-SM）技術以及SSM模型和IGMPv3協議。組播網段為232.223.222.0/24。

在歐洲地域內，EUMETCast通過網絡運營商GéANT提供互聯網IP組播通信支撐。中國氣象局國家氣象信息中心通過中國科學技術網（CSTNET）實現中國區域內EUMETCast組播通信鏈路，實時接收EUMETCast組播數據流。

EUMETCast組播組包括公告通道（AC）和數據通道（DC）。當客戶端軟件啟動后，向AC通道發送加入組播組的信號，經路由器處理后，即可開始接收公告組播數據，接收完成后向AC通道發送退出信號即可關閉數據接收。同理，客戶端軟件通過加入和離開DC通道信號，實現數據通道的打開和關閉。

2　EUMETCast組播接收端

EUMETCast組播接收端包括：接收端服務器、接收客戶端應用軟件、接收密鑰（EKU）。接收端服務器采用Intel x64架構Linux系統，通過USB（通用串行總線，universal serial bus）接口連接EKU模塊，由接收客戶端軟件實時接收EUMETCast組播數據流并生成數據文件。EUMETCast播發的數據，都是加密數據，需要解密后才能形成數據文件。EKU模塊與接收賬號密碼對應，用于數據解碼。接收客戶端應用軟件從網卡接收組播數據后進行解密處理，并生成數據文件。客戶端軟件啟動后自動打開AC通道，并在每次接收數據時打開DC通道，接收完成后關閉。接收過程中，客戶端軟件將接收到的數據包收集并在磁盤上緩存，完整接收一個文件后，整合輸出為數據文件。EUMETCast組播接收客戶端不具備失敗重傳功能，因此當數據包接收不完整時，客戶端軟件將刪除相關數據文件，造成數據文件缺失。

中國氣象局配置的EUMETCast組播接收路由器，接入中國科學技術網的為EUMETCast組播傳輸配置的Internet組播網絡，并對接收端服務器進行組播分發。在接收服務器無需進行配置。

EUMETCast組播傳輸的數據，根據注冊賬號在EUMETCast門戶網站上訂閱并通過授權的資料目錄進行接收。中國氣象局根據雙邊協議在EUMETCast門戶網站上訂閱，經過EUMETSAT授權后，在接收端實時接收并生成文件。之后，數據文件通過文件傳輸協議進入中國氣象局通信系統，并經過CMACast進行廣播。

3　EUMETCast組播傳輸試驗

為了評估EUMETCast至CMACast的互聯網組播傳輸的效果，國家氣象信息中心和EUMETSAT展開了EUMETCast組播傳輸試驗。國家氣象信息中心在業務用互聯網區部署了EUMETCast組播接收端。雙方聯系各自網絡運營商完成了EUMETCast組播數據傳輸的網絡調整。組播傳輸獨占了備份網絡線路，以免與業務用線路相互干擾。

截至2017年初，已完成EUMETCast組播數據實時接收全流程的搭建，并正確“落地”生成實時數據文件，每日接收數據量約為85 GB。根據對2017年10月29日—11月16日接收情況的統計，對比通過GTS線路（FTP協議）接收的實時數據文件，組播接收數據文件完整無缺失，組播接收方式的傳輸時效比GTS方式有明顯提高：平均提高約2分45秒，最高提高33分16秒。