基于PIM/IGMP協議的空管ADS-B數據傳輸優化方案

摘要：廣州ADS-B二級數據中心（以下簡稱廣州二級中心）主要負責中南地區ADS-B信號的融合及分發任務，目前廣州二級中心已開通向廣州空管自動化系統、南寧空管自動化系統、北京數據中心等外單位分發ADS-B數據的業務。隨著廣州二級中心分發業務的不斷增加，分發傳輸網絡承載的流量負擔也隨之增加。由于原先采用的數據轉發機制為二層組播轉發機制，數據在轉發時并未對不同業務的組播數據進行區分，這將導致大量無用數據被送上傳輸網絡進行傳輸，存在較大的運行風險，同時也造成了帶寬資源的浪費，因此原有的傳輸機制已不能適應業務發展的需求。文章深入研究了PIM/IGMP組播路由協議的原理，通過優化現有網絡架構并引入PIM /IGMP協議，實現了數據流量僅向特定客戶（即組播地址）轉發的需求，創新性地解決了ADS-B傳輸網無法按不同用戶進行數據轉發的問題。

關鍵詞：ADS-B數據傳輸;PIM協議;IGMP協議;網絡結構優化

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）16-0040-03

1 原ADS-B分發傳輸網絡存在的缺陷

ADS-B技術是我國重點推進的空管新技術之一，是新一代空中交通管理系統的重要組成部分，它具有數據更新快、定位精度高、部署周期短、建設成本低等優點，是促進運行安全、提升運行效率、保障航班正常的重要手段[1]，它能夠提高管制員和飛行員對運行態勢的感知能力，彌補雷達監視覆蓋不足，提高空域容量及安全效率。目前，廣州二級數據中心引接了中南地區9個數據站及廣州周邊5個地面站的ADS-B信號，系統可實現對ADS-B位置報告的精度指標預處理，航跡位置信息的平滑處理及多路航跡的融合處理，同時，廣州二級中心可針對不同的用戶需求，提供監視服務定制功能，即系統可通過應用不同的假目標判斷準則、不同的過濾準則（如地理過濾、精度和完好性過濾、更新周期，延時過濾等），為不同的用戶分發特定類型的ADS-B數據[2]。

在實際應用過程中，廣州ADS-B分發傳輸網絡以廣州二級數據中心分發服務器為數據源，采用組播方式向外轉發ADS-B數據。數據分發服務器的轉發網口與二級中心輸出交換機相連并經過二級中心輸出防火墻與運營商傳輸鏈路連接。廣州二級中心ADS-B分發網絡拓撲如圖1所示。二級中心輸出交換機及防火墻配置在二層互聯網絡上，通過同一個vlan子網將ADS-B數據送上專用傳輸鏈路，傳輸鏈路采用MPLS L2 VPN技術實現數據的二層透傳，在用戶端，ADS-B數據通過二層防火墻進入用戶系統。

該傳輸網絡的特點是系統結構比較簡單，可靠性強。在廣州二級數據中心及用戶系統的網絡設備上僅需配置成二層的互聯網絡即可完成數據的傳輸。但是由于不同用戶的ADS-B數據是在二層網絡上進行轉發的，二層交換機無法對不同用戶請求的數據進行區分，而是將所有數據統統進行轉發，因此，每個用戶接收到發給自己的ADS-B數據的同時，也會收到發往其他用戶的額外數據。當外部用戶數量較少時，該方式可很好地滿足數據傳輸需求，但是，隨著外送用戶數量的不斷增加，發送數據的總流量也在不斷增加，這不僅使傳輸網絡存在較大的運行風險，同時也造成了帶寬資源的浪費。

為了解決上述問題，本文將對組播協議進行深入分析，通過引入PIM/IGMP組播路由協議并優化網絡結構，最終實現不同業務數據的分流傳輸。

2 PIM/IGMP組播協議分析

組播協議包括用于主機注冊的組播組管理協議IGMP和用于組播選路轉發的組播路由協議PIM，PIM分為DM（Dense Mode）和SM（Spare Mode）兩種模式。DM模式主要用于大規模網絡的場景，SM模式適用于小型網絡[3]。因ADS-B傳輸網絡的組成員相對密集，網絡規模較小，因此應采用DM模式。組播協議在網絡中的運用如圖2所示。

IGMP協議用來在接收者主機和與其直接相鄰的組播路由器之間建立和維護組播組成員關系[4]，它的工作機制非常簡單，直接通知本地組播路由器主機想要接收特定組的組播流量，或主機不希望接收特定組的組播流量，所以組播路由器可根據已知的組播組成員存在與否決定是否轉發組播流量。

PIM-DM假設網絡中的每個子網都存在至少一個對組播源感興趣的接收站點，因此組播數據包被擴散到網絡中的所有點，與此伴隨著相關資源的消耗。為了減少網絡資源的消耗，PIM-DM會對沒有組播數據轉發的分支進行剪枝（prune）操作，只保留包含接收者的分支。在PIM-DM模式下，數據包的轉發路徑是一棵“有源樹”，“有源樹”是以“組播源”為根、組播組成員為枝葉的一棵樹。有源樹使用的是從組播源到接收者的最短路徑，因此也稱為最短路徑數SPT[5]。在組播數據轉發過程中，路由器在接收到報文后，會把報文沿著遠離組播源的方向進行轉發，這個過程稱作RPF（逆向路徑轉發）。

PIM-DM使用擴散-剪切機制轉發數據。其擴散過程如下：當一臺路由器收到組播報文后，先執行RPF檢查，通過檢查后的報文向所有其他有PIM鄰居或有IGMP接收者的接口復制轉發，如果沒有其他鄰居或不再有IGMP接收者，則丟棄報文并不再繼續擴散。剪枝過程是當報文擴散到末端路由器后，由于其沒有PIM鄰居或沒有IGMP接收者，組播條目下游接口列表為空，路由器會向上游鄰居發送剪枝請求，上游鄰居收到請求后，會將對應的下游接口剪除，并繼續觸發路由器繼續向其上游發送剪枝。PIM-DM數據轉發過程包含以下幾個步驟：

1）擴散。路由器在完成組播數據的傳輸時，需要借助組播路由協議表來實現，組播路由協議表包含（S，G）條目及其生存時間，（S，G）條目也稱為“組播源組”，用來表示由組播源S發往組播組G的組播報文，其中的S代表特定組播源，G代表特定組播組。在PIM-DM協議運行時，其假設網絡上的所有主機都準備接收組播數據，當路由器接收到組播報文后，首先根據單播路由表進行RPF檢查。如果通過RPF檢查，則創建（S，G）條目，然后將數據向下游節點轉發[6]。PIM-DM組播域內的路由器上都會執行上述過程并創建（S，G）條目。

2）剪枝。當下游節點沒有組播組成員時，則路由器向上游節點發送剪枝消息，通知上游節點不用再轉發數據到該分支上，上游節點收到剪枝消息后，就將相應的接口從其組播轉發條目（S，G）對應的輸出列表中刪除[7]。PIM-DM組播域內的路由器經過剪枝過程后，就建立了組播源至接收者的SPT樹。

3 基于PIM/IGMP協議的傳輸方案

為使廣州ADS-B二級數據中心向外輸出的ADS-B信號能夠按用戶需求實現信號的按需分發，本文將PIM DM及IGMP協議應用于傳輸組網建設中。具體實現方式包括：1）在用戶端路由器開啟IGMP協議，通過IGMP協議管理客戶端主播組;2）在廣州二級數據中心至用戶端之間的各個路由器開啟PIM-DM協議，使其成為同一個PIM-DM組播域;3）在PIM-DM路由器上，配置組播源至路由器的單播路由（該單播路由可通過靜態路由協議或OSPF等動態路由協議獲得，此處通過配置靜態路由實現），使其滿足組播數據轉發的RPF檢驗。當客戶端存在特定組播地址請求的接收者時，PIM-DM組播域會持續向該客戶端發送該特定組播地址的ADS-B數據，而對于其他客戶端則不會轉發該數據，從而使不同客戶端按不同組播地址實現ADS-B數據的按需轉發。

本方案的關鍵在于廣州二級中心輸出防火墻能否正確識別不同組播組數據并將其分發至對應的下游通道上，因此，首先應設計合理的網絡架構，設計原則為：

1）數據源端與輸出交換機通過同網段VLAN進行直連;

2）路由器之間通過三層網絡進行互聯，互聯端口配置為同網段地址;

3）在輸出防火墻上，為每個下游端口配置不同的vlan，每個vlan配置不同的網段，并配置vlan端口的隔離。這里要注意，不能將不同用戶（即不同組播組客戶端）分配在同一個vlan下，因為IGMP協議是根據網段內存在的組播組成員來轉發組播數據的，若不同用戶位于同一個vlan下，則路由器會將不同用戶的需求數據都向該網段進行轉發，導致用戶端接收到非自身需求的多余數據;

4）對于客戶端采用二層網絡進行互聯的端口，可在輸出防火墻的對應端口上，配置靜態IGMP，實現端口的組播業務綁定。

以ADS-B二級中心向廣州歐洲貓、萊斯自動化系統數據分發需求為例，進行網絡拓撲圖的設計，具體網絡拓撲如圖3所示，在廣州二級中心輸出交換機、二級中心輸出防火墻、歐洲貓路由器的互聯端口上開啟PIM-DM協議，使其加入同一個組播域中。對于歐洲貓自動化系統，其采用三層網絡與二級中心輸出防火墻互聯，因此在歐洲貓路由器上配置PIM-DM協議并開啟IGMP協議;對于萊斯自動化系統，其采用二層網絡與二級中心輸出防火墻互聯，因此，需在二級中心輸出防火墻的互聯端口配置靜態IGMP，將組播IP與端口綁定。

4 運行效果分析

在實際運行環境中對上述方案進行測試，歐洲貓和萊斯系統分別為廣州終端區主、備自動化系統，ADS-B數據源為二級中心測試平臺，中間傳輸干線采用OSN及MPLS VPN承載，按上節方案中的配置內容對路由器運行參數進行配置。

本例中共有兩個客戶端，分別是萊斯系統和歐洲貓系統。在萊斯系統端，服務器請求的組播地址為239.1.1.138，在歐洲貓系統端，服務器請求的組播地址為239.1.1.131。此時，ADS-B數據分發服務器開始向二級中心輸出交換機發送IP地址為：239.1.1.138和239.1.1.131的組播報文，二級中心輸出交換機收到報文后，根據靜態路由先執行RPF檢查，檢查通過后，將報文繼續向下游接口擴散。經過擴散后，所有組播數據均流向PIM DM域中的各個分支。隨后，路由器會對流量進行剪枝：在二級中心輸出防火墻上，下游接口有兩個，分別是連接萊斯系統的G3/0/1（配置為VLAN3）接口和連接歐洲貓系統的G1/0/4（配置為VLAN4）接口。在G3/0/1上沒有PIM鄰居，但有239.1.1.138的組播接收者，因此路由器會將239.1.1.138的組播數據會向該端口轉發，在G1/0/4接口上，下一跳為歐洲貓路由器，該路由器上有239.1.1.131的組播接收者，因此239.1.1.131的組播數據會流到該分支上。二級中心防火墻組播數據轉發情況如圖4所示。由圖4可知，在二級中心輸出防火墻上，對于數據源為166.2.4.113，目的地址為239.1.1.131的組播數據，防火墻將其轉發至vlan4對應的端口上，即轉發給了歐洲貓系統;對于數據源為166.2.4.113，目的地址為239.1.1.138的組播數據，防火墻將其轉發至vlan3對應的端口上，即轉發給了萊斯系統。

根據以上分析可知，基于PIM/IGMP協議的網絡優化方案能實現ADS-B組播數據的按需分發需求，經過數據分流后，客戶端僅接收到自己請求的數據而不會收到其他不感興趣的數據，同時，傳輸鏈路上承載的流量負荷也得到有效的降低，實際運行效果符合預期要求。

5 結束語

廣州ADS-B二級數據中心承擔著向廣州自動化系統及外局站轉發ADS-B數據的任務，隨著ADS-B數據應用需求的不斷增長，ADS-B傳輸網絡的負載也不斷增加，原先二層網絡轉發架構已無法滿足大量ADS-B組播數據的轉發需求。本文提出了采用三層組播路由代替原有的二層轉發網絡，通過搭建合理的網絡架構并配置PIM-DM及IGMP組播協議，最終實現了ADS-B分發數據的按需轉發能力，極大地提高了傳輸網絡的安全性及傳輸效率，減少了帶寬資源的浪費。該方案已在實際運行環境中進行測試，測試結果表明該方案能很好地滿足現場安全生產要求。

參考文獻：

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[3] 胡逾峰.組播技術及其在上海寬帶網絡中的應用研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[4] 李國慶.面向高性能寬帶信息網絡IPTV業務的組播技術研究[D].廣州：華南理工大學，2011.

[5] 豆丁網.華為18-組播協議操作[EB/OL].[2021-10-25].http：//www.docin.com/p-54264070.html.

[6] 荊婷婷.基于組播技術的局域網IPTV優化與仿真[D].阜新：遼寧工程技術大學，2007.

[7] 尚建貞.獨立組播協議PIM分析[J].軟件導刊，2010，9（9）：26-28.

【通聯編輯：謝媛媛】