IP组播技术在卫星通信中的应用和分析

王小康

中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081

IP组播技术在卫星通信中的应用和分析

王小康

中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081

针对目前卫星转发器资源日益紧张的现状提出在卫星通信网中采用IP组播技术进行缓解的一种方法。首先对IP组播技术的各种协议进行了简要的分析和论述，其次根据实际的系统应用分别搭建了平面IP组信号播传输测试系统和卫星IP组播信号传输测试系统，并对上述两个系统进行了测试和评估，最后对卫星通信网中IP组播技术的应用提出了进一步的改进要求。

IP组播；卫星通信；TCP/IP协议

IP multicast；satellite communica；tio nTCP/IP protocol

引言

近几年国内自然灾害频发，有时在救灾现场和指挥调度中心之间只能通过卫星通信传输电话或者视频信号。采用传统的“IP单播方式”，即点对点方式传输多路视频信号将会占用大量的卫星资源，而采用“IP组播技术”则可以通过地面网络进行组播信号复制,大量减少占用卫星转发器资源，因此“IP组播技术”正逐步成为卫星应急通信系统的新选择。图1是两种传输方式对卫星转发器占用情况的对比图。

图1 单播方式和组播方式对比示意图

1.IP组播技术

IP组播技术用于网络中一个设备向网络中多个指定设备进行数据传输，主要用于视频、伴音等多媒体的传输。由于采用一对多的传输方式，因此在信息传输时，网络干线中只需传输一路数据流，到分支时再进行复制，传到不同的分支，可以节省大量的网络带宽，同时，发送端也可以仅启动一个发送进程，就能完成对多个目的的发送，节省发送设备的资源。由于组播技术的这些优点，目前，已在IP网络中获得广泛应用，也获得了绝大多数网络设备生产厂商的支持。

IP组播主要由以下三类协议组成：

①客户端——路由器协议

客户端——路由器协议主要用于网络中终端设备与路由设备间的信息交互，通过该协议，网络中的终端设备可以向其相连的路由设备提出接收组播信息的请求，同时路由设备也可以定时查询终端设备的组播要求，以保持提供组播服务。目前使用最为广泛的客户端——路由器协议为IGMP，IGMP为一国际标准协议，绝大多数厂商的网络设备均支持这一协议，它现在已发展到了第三个版本，即IGMP V 3，但受到广泛支持的仍为版本2，即IGMP V2。

② 组播交换协议

组播交换协议主要用于客户端和二层设备（交换机）间的通信，通过该协议，交换机可以了解当前与其相连的客户端组播信息转发需求，从而使交换机只向特定的端口进行组播流的转发，节省网络带宽和交换机资源。目前使用较多的组播交换协议有IGMP Snooping和CGMP，IGMP Snooping为国际标准协议，受到大多数厂商的支持，但运行时，对交换机资源占用比较大，CGMP为Cisco公司的私有协议，多数厂商不支持，但运行时，对交换机资源占用较小。

③ 组播路由协议

组播路由协议主要用于网络中三层设备间的路由信息交互，通过组播路由协议，网络中的三层设备可以维护一个组播流传输的路径，并根据情况，随时进行修剪。组播路由协议主要有D V M R P、M O S P F和P I M，其中DVMRP和MOSPF两种协议需要依靠特定的单播路由协议来运行，目前，已基本不使用，而PIM协议可以独立于单播路由协议来运行，目前使用较广泛。

2.组播特性分析

传统的IP通信是在一个源IP主机和一个目标IP主机之间(单播),或者一个源IP主机和网络中所有的IP主机之间(广播)进行的。如果要将信息发送给网络中的多个而非所有IP主机，只有采用广播方式，或由源IP主机分别向网络中的多个目标IP主机单播发送IP包。广播方式不仅会将信息发送给不需要的IP主机而浪费带宽，也可能由于路由回环引起一场严重的广播风暴；单播方式由于IP包的重复发送而白白浪费掉大量带宽，也增加了服务器的负载。可以说传统的IP通信技术不能有效地解决单点发送多点接收的问题。组播是指信源将信息发向所有网络节点的某个确定子集的点到多点的通信形式。IP组播是指在IP网络中以数据包传送的形式发送到所有网络节点的某个确定子集，这个子集称为组播组。IP组播的基本思想是源IP主机只发送一份数据，一个或多个接收者可接收相同数据的拷贝。即允许源IP主机向网上所有IP主机的一部分(子集)发送IP分组，只有该子集内的主机(目标主机)可以接收该分组，而网络中其他IP主机不能收到该分组。这种逻辑上的子集(目标主机)就是组播组，用D类IP地址(224.0.0.0～239，255.255.255)来标志。

IP组播技术有效地解决了单点发送多点接收、多点发送多点接收的问题，实现了IP网络中点到多点的高效数据传送、能够有效地节约网络带宽、降低网络负载。IP组播技术在实时数据传送、网络电视IPTV、多媒体会议、数据拷贝、游戏和仿真等诸多方面都有广泛的应用。

3.组播技术在卫星系统应用实例

3.1 前提条件

实现IP组播数据传输，要求组播源和接收者以及两者之间的下层网络都必须支持组播。这包括以下几方面：①主机的TCP/IP实现支持发送和接收IP组播；②主机的网络接口支持组播；③有一套用于加入、离开、查询的组管理协议，即IGMP（v1,v2）；④有一套IP地址分配策略，并能将第三层IP组播地址映射到第二层MAC地址；⑤支持IP组播的应用软件；6）所有介于组播源和接收者之间的路由器、集线器、交换机、TCP/IP栈、防火墙均需支持组播。

在组播通信中，需要两种地址：一个IP组播地址和一个Ethernet组播地址。其中，IP组播地址标志一个组播组。由于所有IP数据包都封装在Ethernet帧中，所以还需要一个组播Ethernet地址。为使组播正常工作，主机应能同时接收单播和组播数据，这意味着主机需要多个IP和Ethernet地址。

图2 系统平面测试框图

3.2 平面测试系统

为了验证IP组播数据传输的可靠性，选择了一些技术比较成熟的设备搭建一个平面测试系统进行测试。测试系统框图如图2所示。

在平面联试阶段，需要达到的效果是这样的：①组播源以IP组播方式分别向两个组成员发送1路图像和伴音信号，两个组成员应该收到各自的图像和伴音信号，图像无马赛克，伴音清晰可懂；②两个组成员分别向组播源发送1路图像和伴音信号，组播源的图像解码器可以自由选择收看任意一路图像和伴音信号，图像无马赛克，伴音清晰可懂；③组成员3的解码器可以选择收看组成员2收到的图像和伴音信号或者组播源发送给微波传输站的图像和伴音信号，图像无马赛克，伴音清晰可懂。

整个系统的信号流程如图2所示。①组播源发出两路音视频信号，经过图像变码器变成IP组播数据进入交换机，然后到路由器，经过路由选择到达各自的宽带调制解调器；②宽带调制解调器把IP信号转变成L频段模拟信号，组成员的宽带调制解调器把L频段模拟信号还原成IP信号送给路由器，然后到交换机。交换机根据IP信号里面包含的目的组播地址进行组播信号复制和传输到图像解码器。③组成员1、组成员2到组播源的信号流程基本与上面类似。

3.3 测试效果评估

在平面测试中，网络的IP丢包率≤1 %，图像没有马赛克，声音清晰可懂。完全满足设计要求。但是由于没有采用卫星信道模拟器，卫星时延及突发干扰对系统的影响还需要进一步做试验进行测试。

3.4 IP组播在卫星通信的应用实例

IP组播卫星通信试验系统框图如图3所示，由一个组播源和2个组成员组成。

系统测试的最终效果是成员2可以选择接收组成员收到的组播数据或者组播源传输的组播数据。卫星信道载噪比6.0dB，信道容量1600 Kbit/S，网络的IP丢包率≤1%，图像基本没有马赛克，声音清晰可懂。

组播源也可以接收组成员1发送的组播数据，图像基本没有马赛克，声音清晰可懂。进行动中通IP组播数据传输试验，组成员1在时速80公里（高速公路）的情况下与组播源互相传输IP组播数据（音视频信号），除天线遮挡或者路面颠簸的情况以外，两个站收到的图像信号无马赛克，声音清晰可懂。

图3系统上星试验框图

从上面的测试结果来看，在卫星通信系统采用IP组播技术可以满足设计要求。

4.如何解决存在的问题

4.1 二层交换机问题

各厂家二层交换机工作性能差别很大，尤其在多个组播流合路时，组播流相互影响更为突出，甚至一个交换机不能向另一个交换机转发组播流，反过来应用没有问题。对于性能较好二层交换机，在应用上也应划分虚拟局域网（V L A N），统一与其连接设备端口速率（建议不要设置为自动方式）、双工方式，对特殊业务组播流还应设置：i p igmp snooping vlanX Mroute interface才能保证组播流持续传输，集线器不要用于多个组播流合路传输。

4.2 路由器配置问题

路由器种类很多，软件版本各异。因此被选择路由器一定支持Ip multicast routing。配置端口时采用IP PIM dense-mode；IP IGMP join-group multicast IP address。

协议无关组播协议－密集模式(P I MDense-Mode)适用于发送者和接收者非常接近，且只有一小部分发送者和大量的接收者、组播流量大、组播流是持续的；协议无关组播协议——分散模式（PIM-Sparse-Mode）适用于网络中接收者的人数很稀疏或者组播流被广域网分割开、一个组里接收者很少、发送者和接收者被广域网分开、组播流量断断续续。根据用户协议，可以在路由器端口上，限制用户组播流带宽在双方协议中规定的带宽内，确保卫星IP封装机工作稳定。如在端口上设置入向保证速率2 Mbit/ s，正常每秒突发字节125 KB，最大每秒突发字节312.5 KB，超过部分丢弃。在端口中写入rate-limit input 2000000 125000 312 500 conform-action transmit exceedaction drop。

5.结束语

IP组播技术与卫星通信系统技术结合具有美好前景与市场效益，必将成为人们工作和生活中不可缺少的高速宽带网络技术之一，同时促进社会科学技术、文化、经济、军事发展。但是此技术应用也面临着一些需要改进的问题，如组播网络的监控、组播成员的身份认证、组播流冲突与QoS保证等。

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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