IP组播技术在卫星通信系统的应用

杨 飞，陈 涛，李晴飞，包少彬

（南京熊猫电子股份有限公司，南京 210002）

IP组播技术在卫星通信系统的应用

杨 飞，陈 涛，李晴飞，包少彬

（南京熊猫电子股份有限公司，南京 210002）

本文分析了传统的IP组播技术应用于卫星通信系统情况，以地球站IP组播业务传输模型为基础，提出了多种卫星通信中IP组播传输的实现模式，为后续卫星通信系统对IP组播技术的应用提供了良好的技术支撑。

卫星通信；组播；组管理协议；密集模式；稀疏模式

1 引言

近年来，随着通信技术的不断发展，IP网络业务在卫星通信领域应用越来越广泛。在IP网络业务中，很多是高带宽的应用,这就需要采用IP Multicast（组播、多播或多路广播技术）技术来解决带宽的急剧消耗和网络拥挤的问题。在我国已经建成或正在建设的卫星通信网中，IP业务都是采用点对点的单播或全网广播。随着卫星通信网和地面IP网络的融合、接入，组播方式的作用日益突出，已成为卫星通信正在研究的重要内容之一。本文对IP组播作了综合的介绍，结合笔者的研究，详细描述了卫星通信中IP组播的多种实现方式。

2 基于卫星通信系统的IP组播模型

卫星通信和传统的地面IP有线网络通信相比较，具有很多优点。卫星通信中可以应用单播、广播、组播传输IP网络信息。使用单播（Unicast）传输时，在发送者和接收者之间需要单独的一对全双工卫星通信信道。如果有大量主机同时希望获得数据包的同一份拷贝时，则需要使用多路全双工的卫星通信信道来完成，这就需要增加硬件和带宽等珍贵的资源。使用广播（Broadcast）传输时，只能在IP子网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。广播意味着网络向子网主机都投递一份数据包，不论这些主机是否乐于接收该数据包。广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，因为路由器会封锁广播通信，也就是广播不能跨越不同的网段传输，现实中不跨越网段的传输模式应用很少。

在目前流行的单向信息流量较大（业务信息）而反方向信息流量小（主要是路由协议和管理信息）的多种IP组播业务中，单播和广播存在的缺陷根本不能实现这些需求，而组播则可以满足需求。卫星通信信道为全双工的通道，对于信息量大的方向，可以使用高带宽、高速率的资源，而信息量小的方向使用低带宽、低速率的资源。

卫星通信中典型的IP组播传输模型如图1所示。关键设备宽带调制解调器实现信息的调制和解调功能；IP加速器对空间传输链路上的IP报文进行加速，提高了网络吞吐量；保密机实现IP报文的加密和解密；路由器实现不同网络在IP网络层的互联互通。由于宽带信道、IP加速器、IP加密机都工作在TCP/ IP协议族的物理层或数据链路层，在IP业务传输过程中只做比特流的透明传输或者简单的差错控制，不具备IP报文的具体寻路工作，因此，可以将图1的模型简化为图2的模型。

在卫星组播发送站和接收站中接入不同的IP组播业务终端，通过路由器生成的多播路由表来寻路，实现多种业务的组播传输。各卫星地球站使用支持组播功能的路由器（以Cisco 2801系列为例）作为接入点。

3 卫星通信中IP组播的规划

根据图1进行通信资源的规划，建立好卫星通信传输链路。根据图2进行IP地址的规划。研究工作以音视频业务组播为例（其他组播业务与之雷同），其传输方案为：音视频信号通过IP编码器接入卫星组播发送站，以IP组播报文的形式途径卫星通信链路传输，卫星组播接收站1和2同步接收组播报文，经过IP解码器还原出音频信号。

3.1 通信资源规划

配置卫星组播发送站的卫星通道1和2的宽带调制解调器发送带宽2Mb/s，接收带宽8kb/s；配置卫星组播接收站1和2的卫星通道的宽带调制解调器发送带宽8kb/s，接收带宽2Mb/s。建立卫星发送站的卫星通道1和卫星接收站1卫星通道的通信传输链路；建立卫星发送站的卫星通道2和卫星接收站2卫星通道的通信传输链路。

3.2 IP地址的规划

（1）卫星发送站。路由器A网络互联口F0/0 IP地址为192.168.1.1/24，本地互联口FA0/1的IP地址为192.168.11.1/24。音视频编码器IP地址为192.168.11.2/24，默认网关为路由器A的FA0/1口IP地址。

（2）卫星接收站1。路由器B网络互联口F0/0 IP地址为192.168.1.2/24，本地互联口FA0/1的IP地址为192.168.21.1/24。音视频编码器IP地址为192.168.21.2/24，默认网关为路由器B的FA0/1口IP地址。

（3）卫星接收站2。路由器C网络互联口F0/0 IP地址为192.168.1.3/24，本地互联口FA0/1的IP地址为192.168.31.1/24。音视频编码器IP地址为192.168.31.2/24，默认网关为路由器C的FA0/1口IP地址。

（4）组播套接字。组播需要用组播套接字进行通信传输，组播套接字是组地址和端口号的组合序列，规划卫星地球站之间使用组播地址224.10.10.10，端口号2009进行IP组播传输（可以使用任意的合法组播地址和端口号），在卫星发送站或接收站各音视频编码/解码器中配置组播套接字。

4 卫星通信中IP组播的实现

卫星通信中IP组播可以通过多种方式来实现，笔者根据实际的研究结果详细介绍3种模式，包括动态路由协议（RIP，OSPF，BGP）+PIM协议模式、RP（静态、动态）模式和混合模式。

4.1 动态路由协议+PIM协议模式

动态路由协议是指运行同一种路由协议的路由器之间动态相互交互信息，形成路由表的过程，包括内部路由协议（典型的有RIP，OSPF）和外部路由协议（典型的有BGP）。PIM使用PIM-SDM（SDM是SM和DM两种方式的结合体），任何一种动态路由协议配合PIM协议可以实现组播。

4.1.1 RIP+PIM模式

路由器配置RIP动态路由协议，组播发送端配置互联网段和业务终端网段，组播接收端配置互联网段，而业务终端网段可选配（可配置也可不配置），本实现方式全部配置，路由器各接口配置PIM模式。

4.1.2 OSPF+PIM模式

路由器配置OSPF动态路由协议。组播发送端配置互联网段和业务终端网段；组播接收端配置互联网段，而业务终端网段可选配。本实现方式全部配置。将互联网段划分到域序号0中，IP终端网段分别划分到域序号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动态路由。组播发送端互联网段的邻居需要配置，同时配置业务终端网段；组播接收端配置互联网段的邻居，而业务终端网段可选配。本实现方式全部配置。将路由器A，B，C分别划分到域100，200，300中，路由器各接口配置PIM模式。

4.2 RP模式

所有的组播业务信息先发送到带RP功能的路由器，然后再根据策略发送到相应的路由器。RP模式包括手工配置的静态选定RP和自动选择的动态发现RP。动态发现RP有包括Auto-RP和PIM V2 BSR两种方式。

4.2.1 静态选定RP。

静态RP需要在所有的路由器上进行配置。所有的路由器配置的RP必须是一致的，是同一台路由器。通常将组播发送方路由器配置为静态RP。

4.2.2 动态发现RP

相对于静态选定RP模式，动态发现RP模式配置更加简便。只需要在组播发送方路由器上全局配置，组接收路由器不需要作任何的全局配置，双方通过信息传递发现RP。动态发现RP又分为Auto-RP和PIM V2 BSR两种方式。

（1）Auto-RP方式。Auto-RP是Cisco的私有解决方案。需要配置候选RP（C-RP,candidate-rp）和动态影射代理MA（Mapping Agents）。C-RP会利用管理组地址发送一个自己是RP的通告，MA监听判决，然后向所有的路由器发送RP的地址。

（2）PIM V2 BSR。PIM V2 BSR是PIM自带的一种RP选举机制。在域内BSR选定后，向所有设备发送自己是BSR的通告，RP向BSR发送注册信息，BSR将此信息发送给所有的路由器，所有路由器都使用这些信息，根据自己的算法计算出谁是RP。

4.2.3 混合模式

对于以上两种应用模式，使用的都是域内PIM组播路由协议。而在域间则是使用组播源发现协议（MSDP）。MSDP通过各PIM域的RP之间建立MSDP对等关系，使它们能在域间转发信源有效信息。共享组播信息源。此时既需要在本域内路由器各个网络接口配置PIM协议，又需要在域之间配置MSDP协议。

将路由器A，B，C分别划分到域100，200，300中。首先配置BGP路由协议。

通过不同的配置方法，上面所描述的三种模式都可以在卫星通信中实现IP组播传输。在三种模式中，采用动态路由协议和PIM协议实现IP组播的模式应用最为广泛。因为在卫星通信中，需要配置动态路由协议来实现不同物理网络IP单播业务的传输。因此只需要增加相应的PIM配置就可以实现IP组播业务的传输。而且组播业务和单播业务不会互相影响，它们可以同时进行传输。

4.2.4 后序

在完成上述的研究后，笔者还进行了下列研究：

⊙ 多个音视频组播同时发送和接收。

⊙ 多个网络数据组播同时发送和接收。

⊙ 单个音视频组播和单个网络数据组播同时混合发送和接收。

⊙ 多个音视频组播和多个网络数据组播同时混合发送和接收。

这些研究都取得了成功，对今后组播业务在卫星通信领域中的应用具有相当大的参考价值。

5 结束语

本文提出了基于卫星通信的IP组播模型，并给出了该模型下实现组播的条件、组播的地址分配、Internet组管理协议、组播转发、组播路由协议，该模型在卫星通信系统下能较好地实现IP业务的互联互通。随着卫星通信网与地面有线IP网络的逐渐融合，本文所提的IP组播模型将在卫星通信领域中的应用得越来越广泛，具有较强的应用性和推广型。

[1] 魏大新，李育龙．Cisco网络技术教程．北京：机械工业出版社，2007

[2] 黄传河．网络规划设计师教程．北京：清华大学出版社，2009

[3] Jeff Doyle,Jennifer Carrol．Routing TCP/IP．北京：人民邮电出版社，2008

[4] Randy Zhang,Micah Bartell．BGP Design and Implementation．北京：人民邮电出版社，2008

[5] 周贤伟，杨军．IP组播与安全．北京：国防工业出版社，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文献标示码：A

1672-7274（2015）06-0038-04

杨 飞，博士，南京熊猫电子股份有限公司工程师。陈 涛，本科，南京熊猫电子股份有限公司工程师。李晴飞，硕士，南京熊猫电子股份有限公司工程师。包少彬，本科，南京熊猫电子股份有限公司工程师。