衛(wèi)星幀中繼網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的組播傳輸方法

任 政，鄭宇翔，王玉強(qiáng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.06.010

中圖分類號(hào)：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A 文章編碼：1672-7274（2017）06-0032-04

衛(wèi)星幀中繼網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的組播傳輸方法

任 政，鄭宇翔，王玉強(qiáng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.06.010

中圖分類號(hào)：TN927文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A文章編碼：1672-7274（2017）06-0032-04

1 引言

雖然幀中繼技術(shù)具有上述種種局限性，但憑借其自身優(yōu)點(diǎn)仍在通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。幀中繼技術(shù)在保持了分組交換技術(shù)靈活性的同時(shí)，縮短了傳輸時(shí)延，提高了傳輸速度，而且組網(wǎng)簡單，可以與不同入網(wǎng)速率的用戶通信，一個(gè)端口可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)PVC的連接，同時(shí)易于加密，廣泛應(yīng)用于銀行、證券等金融及大型企業(yè)，政府部門總部與各地分支機(jī)構(gòu)的局域網(wǎng)之間的互連。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展概況

近年來隨著衛(wèi)星射頻技術(shù)、寬帶調(diào)制技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，VSAT通信系統(tǒng)的信噪比得到了很大提高，增強(qiáng)了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性，加大了傳輸帶寬，使得幀中繼技術(shù)在VSAT通信系統(tǒng)中得到充分的應(yīng)用。

2.1 VSAT通信系統(tǒng)介紹

VSAT通信系統(tǒng)主要可以通過載波分配方式和有無主站進(jìn)行區(qū)分，根據(jù)載波分配方式可以分為單路單載波方式和時(shí)分多址方式。其中，單路單載波（SCPC）體制具有組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，但其信道利用率較低，一般不超過30%；時(shí)分多址體制內(nèi)部多采用分組交換方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，用戶端站的吞吐量較低，并且這類系統(tǒng)通常在主站完成數(shù)據(jù)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(tǒng)中，系統(tǒng)主站負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)資源分配、系統(tǒng)各單元管理、監(jiān)測以及分組交換系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)包交換等功能。在無主站系統(tǒng)一般均采用SCPC方式工作，信道資源主要采用預(yù)分配模式，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上以星型為主。

2.2 幀中繼（Frame Relay）技術(shù)

幀中繼技術(shù)是在傳統(tǒng)的分組交換技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種“快速”分組交換技術(shù)，其與X.25的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）減少處理層數(shù)，按照OSI參考模型，X.25協(xié)議涉及物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，而幀中繼在物理層、鏈路層即可實(shí)現(xiàn)，從而減少了處理環(huán)節(jié)。

（2）簡化糾錯(cuò)機(jī)制，X.25協(xié)議需在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層做層層糾錯(cuò)處理，而幀中繼則不同，僅在節(jié)點(diǎn)對傳輸幀做檢錯(cuò)處理，一旦發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)即將該幀丟棄。

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

（4）降低協(xié)議開銷，在幀中繼協(xié)議中，標(biāo)準(zhǔn)幀的協(xié)議開銷僅為4字節(jié)。

（5）優(yōu)化資源配置，由于幀中繼技術(shù)在OSI參考模型的第二層實(shí)現(xiàn)，因此，通過對數(shù)據(jù)幀格式的定義可實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶業(yè)務(wù)特征確定的傳輸幀尺寸、優(yōu)先級(jí)以及處理方式等一系列控制，并根據(jù)用戶業(yè)務(wù)類型和要求對傳輸帶寬動(dòng)態(tài)分配，提高系統(tǒng)資源利用率和用戶綜合業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量。

幀中繼網(wǎng)中用戶帶寬的動(dòng)態(tài)分配主要通過對承諾速率（CBR）和突發(fā)速率（VBR）的定義實(shí)現(xiàn)：承諾速率定義了幀中繼通信網(wǎng)能夠可靠傳輸用戶數(shù)據(jù)的速率；突發(fā)速率則定義了用戶通過幀中繼網(wǎng)能夠傳輸數(shù)據(jù)的最大速率。通過對承諾速率和突發(fā)速率的定義，可以使用戶在幀中繼通信網(wǎng)重負(fù)載時(shí)能以承諾速率可靠傳輸數(shù)據(jù)，也能使用戶在網(wǎng)絡(luò)輕負(fù)載時(shí)以突發(fā)速率傳輸數(shù)據(jù)，因此可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的充分利用。

2.3 幀中繼VSAT通信系統(tǒng)（FR-VSAT）結(jié)構(gòu)

2.3.1 幀中繼VSAT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

幀中繼VSAT通信系統(tǒng)主要由衛(wèi)星通信單元和幀中繼協(xié)議處理單元兩部分組成。衛(wèi)星通信單元主要完成與衛(wèi)星通信有關(guān)的功能，其實(shí)現(xiàn)可由傳統(tǒng)的SCPC設(shè)備完成，幀中繼協(xié)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(tǒng)的組網(wǎng)工作方式

幀中繼VSAT系統(tǒng)的組網(wǎng)工作方式主要可以分為星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)兩種形式。本文介紹的組播傳輸方法基于星狀網(wǎng)組網(wǎng)方式，在星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的FRVSAT系統(tǒng)中，其主站到每個(gè)端站為一個(gè)下行大載波，通過幀中繼協(xié)議，在下行大載波里為每個(gè)端站劃分1條PVC，每條PVC可以通過唯一的DLCI來識(shí)別，小站通過各自的PVC接收來自主站的數(shù)據(jù)。每個(gè)端站的解調(diào)器接收頻率為主站下行大載波頻率，發(fā)射頻率為小站回傳上行小載波頻率，通過為每個(gè)端站分配1個(gè)單獨(dú)的上行小載波（1條PVC）將數(shù)據(jù)回傳到主站。

同SCPC系統(tǒng)組成的星狀網(wǎng)相比，幀中繼VSAT系統(tǒng)的主站僅發(fā)射一個(gè)載波，在具有一個(gè)中心點(diǎn)，N個(gè)外圍點(diǎn)的星狀結(jié)構(gòu)中，SCPC設(shè)備所需要的載波總數(shù)為2N個(gè)，采用幀中繼技術(shù)后，所需的載波數(shù)為N+1個(gè)，因此可有效降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及建設(shè)運(yùn)行的成本。

圖1 衛(wèi)星TDM-SCPC幀中繼網(wǎng)拓?fù)鋱D

在VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)中采用幀中繼技術(shù)可方便地實(shí)現(xiàn)單載波多址，并可根據(jù)需要靈活組網(wǎng)和改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)簡化了組網(wǎng)過程中的管理維護(hù)工作。同傳統(tǒng)的SCPC系統(tǒng)相比，在VSAT系統(tǒng)中采用幀中繼技術(shù)可顯著減少系統(tǒng)使用的衛(wèi)星頻帶資源，有利于降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

隨著TCP/IP通信協(xié)議的迅速普及，VSAT通信系統(tǒng)中用戶接口與衛(wèi)星鏈路已呈現(xiàn)出不可阻擋的IP化發(fā)展趨勢，VSAT通信系統(tǒng)已支持基于IP的業(yè)務(wù)應(yīng)用，如網(wǎng)絡(luò)電話業(yè)務(wù)、視頻會(huì)議業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)電視業(yè)務(wù)等。

圖2 SCPC通信系統(tǒng)與幀中繼通信系統(tǒng)比較

3 組播技術(shù)介紹

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播、遠(yuǎn)程教學(xué)等多媒體傳輸?shù)膽?yīng)用越來越多。這些應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了高要求，對某些應(yīng)用而言，點(diǎn)對點(diǎn)交換信息不管對網(wǎng)絡(luò)還是信息發(fā)送者，都是一種負(fù)擔(dān)，代價(jià)昂貴。組播技術(shù)作為一種有效的點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸解決方案顯示出其特有的優(yōu)勢，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某些用戶需要特定信息時(shí)，組播信息發(fā)送者（即組播源）通過向多個(gè)接收方傳送單信息流方式，可以減少網(wǎng)絡(luò)通信流量，隨著流媒體傳輸技術(shù)的發(fā)展，越來越多的機(jī)構(gòu)開始采用組播技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上傳送流媒體格式的音頻和視頻。

一般來講，每一種應(yīng)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(biāo)傳送數(shù)據(jù)，雖然實(shí)現(xiàn)方式比較簡單，但當(dāng)多個(gè)客戶需要同樣的數(shù)據(jù)時(shí)，相同信息需要傳輸多次，造成擁塞和網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)；廣播方式中，數(shù)據(jù)在整個(gè)IP子網(wǎng)范圍內(nèi)廣播傳送，在子網(wǎng)內(nèi)部所有的主機(jī)用戶不論是否需要都必須接收，可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源和主機(jī)資源的浪費(fèi)，同時(shí)廣播一般通過廣播地址進(jìn)行傳送，難以實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)上的路由，顯然傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送方式已經(jīng)不能適應(yīng)應(yīng)用發(fā)展的需求。

為滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅藗円M(jìn)IP組播的概念，作為網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)之間通信的一種模式，不論組成員數(shù)量多少，IP組播數(shù)據(jù)源只向那些需要數(shù)據(jù)包的主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，在共享的鏈路上，相同的信息只需要一個(gè)組播流，從而能夠很好地控制流量，減少主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。組播技術(shù)基于“組”這樣一個(gè)概念，配置組播涉及三個(gè)協(xié)議：Internet組管理協(xié)議（IGMP）、思科組管理協(xié)議（CGMP）、組播路由協(xié)議（PIM）。

（1）因特網(wǎng)組管理協(xié)議。組播路由通過IGMP協(xié)議判斷在與自己連接的任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，是否存在組播組的任何成員。IGMP協(xié)議工作主要分為兩個(gè)階段，第一階段：建立組成員，當(dāng)主機(jī)加入一個(gè)新的組播組時(shí)，它把一個(gè)IGMP報(bào)文發(fā)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(gè)報(bào)文后，向互聯(lián)網(wǎng)上的其它組播路由器傳播這個(gè)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(wǎng)上的主機(jī)，以便確定當(dāng)前各個(gè)組中有哪些主機(jī)。如果經(jīng)過若干輪詢后，某個(gè)組始終沒有成員，直連路由器就認(rèn)為該組中不再有網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，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(xié)議。CGMP協(xié)議用于管理參與組播的主機(jī)。每當(dāng)有主機(jī)加入或離開某個(gè)組時(shí)，路由器就會(huì)把該主機(jī)的消息類型（加入或離開）以CGMP消息告知交換機(jī)，交換機(jī)根據(jù)這些信息就可以建立起組播轉(zhuǎn)發(fā)表。

（3）組播路由協(xié)議。組播路由協(xié)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(jù)組播組成員在網(wǎng)絡(luò)中的分布情況，可以把組播路由協(xié)議分為密集模式協(xié)議和稀疏模式協(xié)議兩種類型。

密集模式（Dense-Mode，DM）假設(shè)組播組的成員密集分布在網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)子網(wǎng)至少含有一個(gè)成員。密集模式組播路由協(xié)議依靠洪泛法（Flooding）把信息傳遞給每個(gè)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(wǎng)絡(luò)中。這種模式下用戶數(shù)量不一定很少，但分布范圍較廣。稀疏模式在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建一些虛擬的數(shù)據(jù)交換地點(diǎn)作為匯聚點(diǎn)RP，RP負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)域與接收者之間的通信。

4 衛(wèi)星幀中繼網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下組播傳輸方法

4.1 傳統(tǒng)幀中繼網(wǎng)組播傳輸方法

圖3 傳統(tǒng)幀中繼網(wǎng)的組播傳輸方法

圖4 衛(wèi)星幀中繼網(wǎng)的組播傳輸方法

如果主站路由器的幀中繼接口需要轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分別復(fù)制到小站1，小站2，小站3路由器的PVC上。傳統(tǒng)幀中繼網(wǎng)的組播傳輸方法存在的問題：在衛(wèi)星下行鏈路中，組播數(shù)據(jù)需要傳輸N份相同的數(shù)據(jù)，將會(huì)極大浪費(fèi)寶貴有限的衛(wèi)星帶寬資源。用戶的實(shí)際需求是：充分利用衛(wèi)星下行載波的廣播特性，每個(gè)小站都可以接收到衛(wèi)星下行載波的數(shù)據(jù)，為了節(jié)省衛(wèi)星帶寬資源，只傳輸一份組播數(shù)據(jù)。為了滿足客戶的實(shí)際需求，提出了衛(wèi)星幀中繼網(wǎng)的組播傳輸方法。

4.2 衛(wèi)星幀中繼網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下組播傳輸方法

（1）主站組播數(shù)據(jù)的組播隧道配置。通過“添加組播信道”命令添加一個(gè)組播隧道，組播隧道的參數(shù)包括：組播地址、轉(zhuǎn)發(fā)的FR接口和DLCI號(hào)、組播數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。

圖5 組播幀中繼幀結(jié)構(gòu)圖

（2）主站組播數(shù)據(jù)的接收。主站eth0和組播源在同一局域網(wǎng)，網(wǎng)卡eth0接收到組播數(shù)據(jù)包。在網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)中將組播數(shù)據(jù)包截獲，在頭部添加轉(zhuǎn)發(fā)的FR接口和DLCI號(hào)標(biāo)示信息后，放入組播包接收的RING緩存區(qū)中。

（3）主站組播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。定時(shí)輪詢接收組播包的RING緩存區(qū)，如果有組播包，根據(jù)頭部轉(zhuǎn)發(fā)的FR接口和DLCI號(hào)標(biāo)示信息，封裝成幀中繼幀，將組播報(bào)通過轉(zhuǎn)發(fā)的FR接口（V35接口）發(fā)送到衛(wèi)星下行鏈路。

圖6 衛(wèi)星幀中繼網(wǎng)組播數(shù)據(jù)操作步驟

（4）小站組播數(shù)據(jù)的接收。每個(gè)小站在接收幀中繼幀時(shí)，通過DLCI號(hào)，識(shí)別出封裝成幀中繼幀的組播數(shù)據(jù)包。如果當(dāng)前幀是組播包，將解封裝，放入組播包發(fā)送的RING緩存區(qū)中。

（5）小站組播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。定時(shí)輪詢發(fā)送組播包的RING緩存區(qū)，如果有組播包，就將組播包通過以太網(wǎng)口eth0發(fā)送到局域網(wǎng)。

4.3 衛(wèi)星幀中繼通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)SCPC通信系統(tǒng)組播方法比較

圖7 幀中繼通信系統(tǒng)與SCPC通信系統(tǒng)組播使用帶寬比較

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

（2）組播包可以徹底穿透廣域網(wǎng)進(jìn)行傳輸，不需要主機(jī)對組播協(xié)議提供支持。

5 結(jié)束語

以上提出了一種衛(wèi)星幀中繼網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的組播傳輸方法。針對衛(wèi)星幀中繼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將衛(wèi)星下行鏈路的廣播傳輸特性與組播技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，避免了組播數(shù)據(jù)的重復(fù)性傳輸，提高了衛(wèi)星帶寬的使用效率，提升了多用戶通信系統(tǒng)的組播體驗(yàn)效果。

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

[2] 趙為春．幀中繼技術(shù)在VSAT系統(tǒng)中的應(yīng)用．2000年中國衛(wèi)星在因特網(wǎng)中的應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)，2007

A Multicast Transmission Method under VSAT Frame Relay Network Environment

Ren Zheng, Zheng Yuxiang, Wang Yuqiang