PIM SM組播方式在天氣雷達(dá)圖像實(shí)時(shí)顯示中的應(yīng)用

李 莉 ，袁 超，董 明

(1.山東省萊蕪市氣象局，山東 萊蕪 271100；2.山東省泰安市氣象局，山東 泰安 271000)

1 引言

山東省組播雷達(dá)技術(shù)最早在濱州市氣象局SC新一代多普勒雷達(dá)顯示系統(tǒng)中得以應(yīng)用[1]， 2009年5月，萊蕪市氣象局借鑒并應(yīng)用了該項(xiàng)成果，采用PIM DM組播方式，實(shí)現(xiàn)了濱州SC多普勒雷達(dá)圖像在萊蕪本地的實(shí)時(shí)顯示，同年10月，將泰山SC新一代多普勒天氣雷達(dá)加入到組播顯示中，為萊蕪的十一運(yùn)會(huì)、國(guó)際體育航空節(jié)和日常的防災(zāi)減災(zāi)氣象服務(wù)工作提供了優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

采用該項(xiàng)技術(shù)，濱州、泰山等采用組播技術(shù)的雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在本地網(wǎng)絡(luò)接收和顯示的同時(shí)，還通過(guò)山東省地面信息寬帶網(wǎng)絡(luò)將雷達(dá)數(shù)據(jù)包以盡力傳送(best-effort)的形式發(fā)送到萊蕪，從而仿佛是將雷達(dá)從駐地“搬”到了萊蕪，減少了人力和資金投入，取得物盡其用的效果。尤其是泰山雷達(dá)，由于地處萊蕪西部，海拔為1 537 m，其顯示距離和高度對(duì)于萊蕪進(jìn)行降水實(shí)時(shí)觀測(cè)是非常有利的，目前已成為預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和服務(wù)人員離不開的得力助手。

2016年2月，隨著省市寬帶網(wǎng)的升級(jí)，新的路由設(shè)備不再支持DM組播技術(shù)，為了使組播功能能夠繼續(xù)得以應(yīng)用，在山東省氣象局信息中心和廠商的支持幫助下，萊蕪市氣象局聯(lián)合泰安市氣象局進(jìn)行了組播方式的調(diào)整，將組播方式更改為SM方式，繼續(xù)在萊蕪的氣象防災(zāi)減災(zāi)工作中持續(xù)發(fā)揮作用。

2 IP組播及PIM組播

IP報(bào)文傳輸有單播、廣播和組播3種方式。單播通信是指信息源為每個(gè)需要信息的主機(jī)都發(fā)送一份獨(dú)立的報(bào)文；廣播通信是指信息源將信息發(fā)送給該網(wǎng)段中的所有主機(jī)，不管其是否需要該信息；而對(duì)于組播通信方式，實(shí)現(xiàn)的是“一對(duì)一組”的通信模式， IP報(bào)文從一個(gè)源發(fā)出，被轉(zhuǎn)發(fā)到一組特定的接收者。相較于傳統(tǒng)的單播和廣播，IP組播可以有效地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，所以被廣泛應(yīng)用于IPTV、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送和多媒體會(huì)議等網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中[2]。

PIM(Protocol Independent Multicast)組播被稱作協(xié)議無(wú)關(guān)組播，是IPV4組播協(xié)議的一種，直接利用單播路由表的路由信息進(jìn)行組播報(bào)文RPF(逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā))檢查，創(chuàng)建組播路由表項(xiàng)，轉(zhuǎn)發(fā)組播報(bào)文。因此，應(yīng)用PIM組播的前提是要保證網(wǎng)絡(luò)的單播路由互通。

針對(duì)接收者主機(jī)，PIM組播可分為ASM和SSM兩種服務(wù)模型，這兩種模型使用不同的組播組地址范圍予以區(qū)分。ASM模型僅針對(duì)組地址提供組播分發(fā)，接收者主機(jī)加入組播組以后可以接收到任意源發(fā)送到該組的數(shù)據(jù)。SSM模型中針對(duì)每一個(gè)(源，組)信息都會(huì)生成表項(xiàng)，接收者主機(jī)在加入組播組時(shí)，可以指定只接收哪些源的數(shù)據(jù)。

其中，ASM模型包括PIM-DM和PIM-SM兩種組播業(yè)務(wù)模式[3]。

2.1 PIM-DM

PIM-DM(Protocol Independent Multicast-Dense Mode)密集模式，其設(shè)計(jì)思想是假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的組成員分布非常稠密，每個(gè)網(wǎng)段都可能存在組成員。首先將組播數(shù)據(jù)報(bào)文擴(kuò)散到各個(gè)網(wǎng)段，然后再裁剪掉不存在組成員的網(wǎng)段。通過(guò)周期性的“擴(kuò)散—剪枝”，構(gòu)建并維護(hù)一棵連接組播源和組成員的單向無(wú)環(huán)SPT(Source Specific Shortest Path Tree 組播分發(fā)樹)。PIM-DM適用于組播成員分布較為密集的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，在組播成員分布相對(duì)較為稀疏的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中(Internet)，組播流量的周期性擴(kuò)散/剪枝將給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)較大的負(fù)擔(dān)。

2.2 PIM-SM

相對(duì)于PIM-DM的“推(Push)模式”，PIM-SM使用“拉(Pull)模式”轉(zhuǎn)發(fā)組播報(bào)文。PIM-SM假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的組成員分布非常稀疏，幾乎所有網(wǎng)段均不存在組成員，直到某網(wǎng)段出現(xiàn)組成員時(shí)，才構(gòu)建組播路由，向該網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)。一般應(yīng)用于組播組成員規(guī)模相對(duì)較大、相對(duì)稀疏的網(wǎng)絡(luò)。它的實(shí)現(xiàn)方法是：在網(wǎng)絡(luò)中維護(hù)一臺(tái)重要的PIM路由器：匯聚點(diǎn)RP(Rendezvous Point)，可以為隨時(shí)出現(xiàn)的組成員或組播源服務(wù)。RP可以靜態(tài)指定也可動(dòng)態(tài)選舉。靜態(tài)指定是指由管理員在每臺(tái)PIM-SM路由器上進(jìn)行配置，使得每臺(tái)路由器獲知RP的位置。動(dòng)態(tài)選舉是指通過(guò)專用協(xié)議在若干臺(tái)C-RP(Candidate-RP)中選舉產(chǎn)生。管理員需要開啟選舉協(xié)議并配置若干臺(tái)PIM-SM路由器成為C-RP。

華為給出了RP配置方式建議：

中小型網(wǎng)絡(luò)建議選擇靜態(tài)RP方式，對(duì)設(shè)備要求低，也比較穩(wěn)定。采用靜態(tài)RP方式要確保域內(nèi)所有路由器(包括RP本身)的RP信息以及服務(wù)的組播組范圍全網(wǎng)一致。

大型網(wǎng)絡(luò)可以采用動(dòng)態(tài)RP方式，可靠性高，可維護(hù)性強(qiáng)。如果網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)組播源，且分布密集，建議選擇與組播源比較近的核心設(shè)備作為C-RP；如果網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)用戶，且分布密集，建議選擇與用戶比較近的核心設(shè)備作為C-RP。

這里我們采用了靜態(tài)指定RP的方法，選擇了泰山ar2240作為RP。

2.3 配合PIM組播協(xié)議協(xié)同工作的其他協(xié)議

除了PIM組播協(xié)議，IPV4中的組播協(xié)議成員還有組播組管理協(xié)議IGMP(InternetGroup Management Protocol)、IGMP SNOOPING (Internet Group Management Protocol Snooping)協(xié)議來(lái)共同配合完成組播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)和復(fù)制。

IGMP協(xié)議應(yīng)用在用戶主機(jī)與組播交換機(jī)之間，主要用于實(shí)現(xiàn)將用戶主機(jī)接入組播網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在主機(jī)側(cè)完成組播組成員的動(dòng)態(tài)加入與離開，在交換機(jī)側(cè)完成組成員關(guān)系的維護(hù)與管理，同時(shí)支持與上層組播路由協(xié)議的信息交互。IGMP Snooping是IPv4的二層組播協(xié)議，使能IGMP Snooping功能后，二層設(shè)備會(huì)偵聽主機(jī)和路由器之間交互的IGMP報(bào)文，建立和維護(hù)二層組播轉(zhuǎn)發(fā)表，從而指導(dǎo)組播數(shù)據(jù)幀在數(shù)據(jù)鏈路層按需轉(zhuǎn)發(fā)。

3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)IP組播傳輸，組播源和接收者以及兩者之間的下層網(wǎng)絡(luò)和軟件都必須支持組播，而且所有介于組播源和接收者之間的路由器、集線器、交換機(jī)、TCP/IP棧、防火墻均需支持同一種組播協(xié)議，即PIM-DM和PIM-SM不能同時(shí)配置。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 省—市網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Provincial—city network strucfure map

4 實(shí)現(xiàn)方法

當(dāng)我們將從組播源到組播接收計(jì)算機(jī)間的所有3層和2層交換設(shè)備完成組播配置后，在任意想接收組播信息的計(jì)算機(jī)上安裝組播雷達(dá)顯示軟件，運(yùn)行該軟件并選擇需要接收信息的雷達(dá)站點(diǎn)，就可以實(shí)時(shí)接收雷達(dá)圖像顯示。在雷達(dá)組播顯示軟件的安裝過(guò)程中需要注意要按照軟件的默認(rèn)安裝目錄進(jìn)行安裝，不要更改軟件安裝目錄，否則會(huì)導(dǎo)致軟件不能正常運(yùn)行。

5 PIM SM方式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置要點(diǎn)和配置方法

PIM DM方式的配置方法在文獻(xiàn)[1]中做了詳細(xì)的闡述，在此不再贅述。

在應(yīng)用SM組播方式前，需要進(jìn)入從組播源到接收者所經(jīng)過(guò)的所有3層設(shè)備的各個(gè)接口(包括串口、以太網(wǎng)口、用戶接口如vlan接口)使用“undo pim dm”命令將DM組播協(xié)議刪除。

5.1 PIM SM方式配置要點(diǎn)

①全網(wǎng)使能組播功能。

②在允許組播通過(guò)的接口上使能PIM-SM組播路由協(xié)議。

③用戶網(wǎng)關(guān)接口使能IGMP。

④選取配置組播流量匯聚點(diǎn)RP 。

5.2 PIM SM方式具體配置步驟

5.2.1 在從組播源到接收者之間經(jīng)過(guò)的所有3層設(shè)備的允許組播通過(guò)的接口上使能組播功能和PIM SM組播路由協(xié)議，在允許通過(guò)的用戶接口上開啟IGMP協(xié)議。通路上的3層設(shè)備包括泰山AR2240、泰安市局主備核心交換機(jī)、負(fù)載均衡交換機(jī)、主備路由器，省局主備路由器、萊蕪市局主備路由器、負(fù)載均衡交換機(jī)、核心交換機(jī)。

5.2.2 路由器配置(以華為路由器ne40為例)

①進(jìn)入系統(tǒng)視圖 > system-view

②使能組播路由功能 [ ] multicast routing-enable

③進(jìn)入以太網(wǎng)接口 [ ] interface G0/0/1

④使能PIM SM [ ] pim sm

在所有接設(shè)備的以太網(wǎng)口或串口都要執(zhí)行第③④步操作。

5.2.3 3層交換機(jī)配置(以華為s9703為例)

①進(jìn)入系統(tǒng)視圖 > system-view

②使能組播路由功能 [ ] multicast routing-enable

③進(jìn)入VLAN 接口 [ ] interface vlan n #n為設(shè)備上需開通組播的vlan號(hào)，

④使能PIM SM [ ]pim sm

⑤使能IGMP [ ] igmp enable

在所有經(jīng)過(guò)的交換機(jī)上允許組播通過(guò)的用戶接口上均要執(zhí)行第④步和第⑤步操作。用戶主機(jī)側(cè)需同時(shí)配置PIM-SM和IGMP時(shí)，必須先使能PIM-SM，再使能IGMP。

5.2.4 在所有3層設(shè)備上配置靜態(tài)rp

[ sys] pim

[ ] static-rp ar2240接口地址

[ ] commit

[ ] quit

完成后輸入commit可以使配置立即生效。

5.2.5 2層交換機(jī)配置

[ ] igmp snooping enable

有些二層交換機(jī)，只具有通過(guò)web頁(yè)面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置的功能，如華為的s1728GWR-4P，則可以通過(guò)web頁(yè)面的如下界面進(jìn)行配置：

圖2 二層交換機(jī)網(wǎng)頁(yè)版配置界面Fig.2 Two Layer switch web page configuration interface

6 小結(jié)

①配置PIM 組播前首先需要要保證單播路由互通。

②配置PIM組播要求從組播源至接收點(diǎn)的設(shè)備使用同一種組播協(xié)議(組播模式)，軟件也需要同時(shí)支持組播協(xié)議，而且對(duì)于同一設(shè)備的同一實(shí)例，PIM-DM和PIM-SM不能同時(shí)配置。

③應(yīng)用PIM-SM模式需要指定RP。

④用戶主機(jī)側(cè)需同時(shí)配置PIM-SM和IGMP時(shí)，必須先使能PIM-SM，再使能IGMP。

⑤PIM-SM能夠以比PIM-DM更精確的方式建立SPT轉(zhuǎn)發(fā)樹，按需創(chuàng)建組播路由，對(duì)于像這種只有少量組播組成員的運(yùn)行模式更為適宜。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一些功能在平常工作中并不常用，如果我們能夠了解業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)功能的結(jié)合點(diǎn)，充分挖掘和利用這些功能，就能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)效益的利益最大化。

[1] 鄭寶枝,張鵬,王金東,等.基于組播技術(shù)的新一代天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)共享網(wǎng)絡(luò)[J].氣象科技，2010,38(3): 353-356.

[2] 廣播電視網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用案例之PIM-SSM技術(shù).[2012-08-01][2017-09-13].http://www.h3c.com.cn/MiniSite/Technology_Circle/Technology_Column/ICG/ICG_Technology/201208/750857_97665_0.htm.