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(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)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(tǒng)的IP組播技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)情況,以地球站IP組播業(yè)務(wù)傳輸模型為基礎(chǔ),提出了多種衛(wèi)星通信中IP組播傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)模式,為后續(xù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)對IP組播技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的技術(shù)支撐。
衛(wèi)星通信;組播;組管理協(xié)議;密集模式;稀疏模式
近年來,隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。在IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中,很多是高帶寬的應(yīng)用,這就需要采用IP Multicast(組播、多播或多路廣播技術(shù))技術(shù)來解決帶寬的急劇消耗和網(wǎng)絡(luò)擁擠的問題。在我國已經(jīng)建成或正在建設(shè)的衛(wèi)星通信網(wǎng)中,IP業(yè)務(wù)都是采用點(diǎn)對點(diǎn)的單播或全網(wǎng)廣播。隨著衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面IP網(wǎng)絡(luò)的融合、接入,組播方式的作用日益突出,已成為衛(wèi)星通信正在研究的重要內(nèi)容之一。本文對IP組播作了綜合的介紹,結(jié)合筆者的研究,詳細(xì)描述了衛(wèi)星通信中IP組播的多種實(shí)現(xiàn)方式。
衛(wèi)星通信和傳統(tǒng)的地面IP有線網(wǎng)絡(luò)通信相比較,具有很多優(yōu)點(diǎn)。衛(wèi)星通信中可以應(yīng)用單播、廣播、組播傳輸IP網(wǎng)絡(luò)信息。使用單播(Unicast)傳輸時(shí),在發(fā)送者和接收者之間需要單獨(dú)的一對全雙工衛(wèi)星通信信道。如果有大量主機(jī)同時(shí)希望獲得數(shù)據(jù)包的同一份拷貝時(shí),則需要使用多路全雙工的衛(wèi)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(shí),只能在IP子網(wǎng)內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包,所有在子網(wǎng)內(nèi)部的主機(jī)都將收到這些數(shù)據(jù)包。廣播意味著網(wǎng)絡(luò)向子網(wǎng)主機(jī)都投遞一份數(shù)據(jù)包,不論這些主機(jī)是否樂于接收該數(shù)據(jù)包。廣播的使用范圍非常小,只在本地子網(wǎng)內(nèi)有效,因?yàn)槁酚善鲿怄i廣播通信,也就是廣播不能跨越不同的網(wǎng)段傳輸,現(xiàn)實(shí)中不跨越網(wǎng)段的傳輸模式應(yīng)用很少。
在目前流行的單向信息流量較大(業(yè)務(wù)信息)而反方向信息流量小(主要是路由協(xié)議和管理信息)的多種IP組播業(yè)務(wù)中,單播和廣播存在的缺陷根本不能實(shí)現(xiàn)這些需求,而組播則可以滿足需求。衛(wèi)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(wèi)星通信中典型的IP組播傳輸模型如圖1所示。關(guān)鍵設(shè)備寬帶調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)信息的調(diào)制和解調(diào)功能;IP加速器對空間傳輸鏈路上的IP報(bào)文進(jìn)行加速,提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量;保密機(jī)實(shí)現(xiàn)IP報(bào)文的加密和解密;路由器實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)在IP網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)互通。由于寬帶信道、IP加速器、IP加密機(jī)都工作在TCP/ IP協(xié)議族的物理層或數(shù)據(jù)鏈路層,在IP業(yè)務(wù)傳輸過程中只做比特流的透明傳輸或者簡單的差錯(cuò)控制,不具備IP報(bào)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(wèi)星組播發(fā)送站和接收站中接入不同的IP組播業(yè)務(wù)終端,通過路由器生成的多播路由表來尋路,實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的組播傳輸。各衛(wèi)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(diǎn)。
根據(jù)圖1進(jìn)行通信資源的規(guī)劃,建立好衛(wèi)星通信傳輸鏈路。根據(jù)圖2進(jìn)行IP地址的規(guī)劃。研究工作以音視頻業(yè)務(wù)組播為例(其他組播業(yè)務(wù)與之雷同),其傳輸方案為:音視頻信號通過IP編碼器接入衛(wèi)星組播發(fā)送站,以IP組播報(bào)文的形式途徑衛(wèi)星通信鏈路傳輸,衛(wèi)星組播接收站1和2同步接收組播報(bào)文,經(jīng)過IP解碼器還原出音頻信號。
3.1 通信資源規(guī)劃
配置衛(wèi)星組播發(fā)送站的衛(wèi)星通道1和2的寬帶調(diào)制解調(diào)器發(fā)送帶寬2Mb/s,接收帶寬8kb/s;配置衛(wèi)星組播接收站1和2的衛(wèi)星通道的寬帶調(diào)制解調(diào)器發(fā)送帶寬8kb/s,接收帶寬2Mb/s。建立衛(wèi)星發(fā)送站的衛(wèi)星通道1和衛(wèi)星接收站1衛(wèi)星通道的通信傳輸鏈路;建立衛(wèi)星發(fā)送站的衛(wèi)星通道2和衛(wèi)星接收站2衛(wèi)星通道的通信傳輸鏈路。
3.2 IP地址的規(guī)劃
(1)衛(wèi)星發(fā)送站。路由器A網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)口F0/0 IP地址為192.168.1.1/24,本地互聯(lián)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(rèn)網(wǎng)關(guān)為路由器A的FA0/1口IP地址。
(2)衛(wèi)星接收站1。路由器B網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)口F0/0 IP地址為192.168.1.2/24,本地互聯(lián)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(rèn)網(wǎng)關(guān)為路由器B的FA0/1口IP地址。
(3)衛(wèi)星接收站2。路由器C網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)口F0/0 IP地址為192.168.1.3/24,本地互聯(lián)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(rèn)網(wǎng)關(guān)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(jìn)行通信傳輸,組播套接字是組地址和端口號的組合序列,規(guī)劃衛(wèi)星地球站之間使用組播地址224.10.10.10,端口號2009進(jìn)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(wèi)星發(fā)送站或接收站各音視頻編碼/解碼器中配置組播套接字。
衛(wèi)星通信中IP組播可以通過多種方式來實(shí)現(xiàn),筆者根據(jù)實(shí)際的研究結(jié)果詳細(xì)介紹3種模式,包括動(dòng)態(tài)路由協(xié)議(RIP,OSPF,BGP)+PIM協(xié)議模式、RP(靜態(tài)、動(dòng)態(tài))模式和混合模式。
4.1 動(dòng)態(tài)路由協(xié)議+PIM協(xié)議模式
動(dòng)態(tài)路由協(xié)議是指運(yùn)行同一種路由協(xié)議的路由器之間動(dòng)態(tài)相互交互信息,形成路由表的過程,包括內(nèi)部路由協(xié)議(典型的有RIP,OSPF)和外部路由協(xié)議(典型的有BGP)。PIM使用PIM-SDM(SDM是SM和DM兩種方式的結(jié)合體),任何一種動(dòng)態(tài)路由協(xié)議配合PIM協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)組播。
4.1.1 RIP+PIM模式
路由器配置RIP動(dòng)態(tài)路由協(xié)議,組播發(fā)送端配置互聯(lián)網(wǎng)段和業(yè)務(wù)終端網(wǎng)段,組播接收端配置互聯(lián)網(wǎng)段,而業(yè)務(wù)終端網(wǎng)段可選配(可配置也可不配置),本實(shí)現(xiàn)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(dòng)態(tài)路由協(xié)議。組播發(fā)送端配置互聯(lián)網(wǎng)段和業(yè)務(wù)終端網(wǎng)段;組播接收端配置互聯(lián)網(wǎng)段,而業(yè)務(wù)終端網(wǎng)段可選配。本實(shí)現(xiàn)方式全部配置。將互聯(lián)網(wǎng)段劃分到域序號0中,IP終端網(wǎng)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(dòng)態(tài)路由。組播發(fā)送端互聯(lián)網(wǎng)段的鄰居需要配置,同時(shí)配置業(yè)務(wù)終端網(wǎng)段;組播接收端配置互聯(lián)網(wǎng)段的鄰居,而業(yè)務(wù)終端網(wǎng)段可選配。本實(shí)現(xiàn)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(yè)務(wù)信息先發(fā)送到帶RP功能的路由器,然后再根據(jù)策略發(fā)送到相應(yīng)的路由器。RP模式包括手工配置的靜態(tài)選定RP和自動(dòng)選擇的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)RP。動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)RP有包括Auto-RP和PIM V2 BSR兩種方式。
4.2.1 靜態(tài)選定RP。
靜態(tài)RP需要在所有的路由器上進(jìn)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(fā)送方路由器配置為靜態(tài)RP。
4.2.2 動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)RP
相對于靜態(tài)選定RP模式,動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)RP模式配置更加簡便。只需要在組播發(fā)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(fā)現(xiàn)RP。動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)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(dòng)態(tài)影射代理MA(Mapping Agents)。C-RP會利用管理組地址發(fā)送一個(gè)自己是RP的通告,MA監(jiān)聽判決,然后向所有的路由器發(fā)送RP的地址。
(2)PIM V2 BSR。PIM V2 BSR是PIM自帶的一種RP選舉機(jī)制。在域內(nèi)BSR選定后,向所有設(shè)備發(fā)送自己是BSR的通告,RP向BSR發(fā)送注冊信息,BSR將此信息發(fā)送給所有的路由器,所有路由器都使用這些信息,根據(jù)自己的算法計(jì)算出誰是RP。
4.2.3 混合模式
對于以上兩種應(yīng)用模式,使用的都是域內(nèi)PIM組播路由協(xié)議。而在域間則是使用組播源發(fā)現(xiàn)協(xié)議(MSDP)。MSDP通過各PIM域的RP之間建立MSDP對等關(guān)系,使它們能在域間轉(zhuǎn)發(fā)信源有效信息。共享組播信息源。此時(shí)既需要在本域內(nèi)路由器各個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口配置PIM協(xié)議,又需要在域之間配置MSDP協(xié)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(xié)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(wèi)星通信中實(shí)現(xiàn)IP組播傳輸。在三種模式中,采用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議和PIM協(xié)議實(shí)現(xiàn)IP組播的模式應(yīng)用最為廣泛。因?yàn)樵谛l(wèi)星通信中,需要配置動(dòng)態(tài)路由協(xié)議來實(shí)現(xiàn)不同物理網(wǎng)絡(luò)IP單播業(yè)務(wù)的傳輸。因此只需要增加相應(yīng)的PIM配置就可以實(shí)現(xiàn)IP組播業(yè)務(wù)的傳輸。而且組播業(yè)務(wù)和單播業(yè)務(wù)不會互相影響,它們可以同時(shí)進(jìn)行傳輸。
4.2.4 后序
在完成上述的研究后,筆者還進(jìn)行了下列研究:
⊙ 多個(gè)音視頻組播同時(shí)發(fā)送和接收。
⊙ 多個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)組播同時(shí)發(fā)送和接收。
⊙ 單個(gè)音視頻組播和單個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)組播同時(shí)混合發(fā)送和接收。
⊙ 多個(gè)音視頻組播和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)組播同時(shí)混合發(fā)送和接收。
這些研究都取得了成功,對今后組播業(yè)務(wù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域中的應(yīng)用具有相當(dāng)大的參考價(jià)值。
本文提出了基于衛(wèi)星通信的IP組播模型,并給出了該模型下實(shí)現(xiàn)組播的條件、組播的地址分配、Internet組管理協(xié)議、組播轉(zhuǎn)發(fā)、組播路由協(xié)議,該模型在衛(wèi)星通信系統(tǒng)下能較好地實(shí)現(xiàn)IP業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通。隨著衛(wèi)星通信網(wǎng)與地面有線IP網(wǎng)絡(luò)的逐漸融合,本文所提的IP組播模型將在衛(wèi)星通信領(lǐng)域中的應(yīng)用得越來越廣泛,具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和推廣型。
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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(xiàn)標(biāo)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。