基于组播 PIM-DM传输技术在气象网络中设计与实现

（ 叶晓文 1 杨宏伟 2 倪文亮 1）

（ 1 天水市气象局天水雷达站，甘肃 天水市 741000；

2. 张家川县气象局，甘肃 天水 741500）

摘要: 近几年，自然气象灾害频发给社会经济造成了严重危害。基层气象业务人员亟需及高效、直观、多元化掌握气象天气动态变化趋势。例如，在发生局地或大范围强降水时，业务人员若能及时了解本县局区域的雷达图像数据（回波强度，位置，类型）情况，气象部门则更能快速的向地方政府提供气象决策服务，同时也能为基层业务人员在实施人工降雨、防灾减灾等气象服务时提供更及时、准确的信息。本文详细阐述了我市气象网络基于组播数据路由技术应用过程，希望对气象网络工程的构建提供设计参考。

关键字：气象数据；组播路由；雷达图像

Design and implementation of network multicast routing technology in Meteorological Network

(Ye Xiaowen¹, Yang Hongwei², Ni Wenliang¹)

(1 Radar station of Tianshui Meteorological Bureau, Tianshui 741000, Gansu;

2 Meteorological Bureau of Zhangjiachuan county, Tianshui, Gansu 741500)

Absrtact: In recent years, natural meteorological disasters occur frequently, causing serious harm to social economy. Grass roots meteorological professionals urgently need to master the dynamic change trend of meteorological weather in an efficient, intuitive and persified manner. For example, in case of local or large-scale heavy rainfall, if the business personnel can timely understand the radar image data (echo intensity, location and type) of the county bureau area, the meteorological department can more quickly provide meteorological decision-making services to the local government, and also provide more timely and reliable information for the grass-roots business personnel in the implementation of meteorological services such as artificial rainfall, disaster prevention and reduction Accurate information. This paper describes the application process of multicast data routing technology in our Meteorological Network in detail, hoping to provide design reference for the construction of meteorological network engineering.

Keywords: meteorological data; Multicast Routing; radar image

引言：随着中国气象局组织的雷达统一标准技术升级，2020年天水市雷达完成了大修项目改造工作，雷达厂家改进了终端软件的多用户接收能力。雷达实显数据传输方式，改为了网络组播数据传输。与此同时，市局加快宽带综合传输网络建设，特别是加强基层台站的通信能力建设，已经建成覆盖市-县局的双运营商高速专用网络以及具备高可用性的计算数据服务中心。其中气象内网数据传输网络物理链路由电信MSTP与移动PTN线路构成，市局-县局电信MSTP线路带宽现已达到100M，高带宽的链路使得市-县两级业务具备了组播数据传输的能力。我局信息中心人员加快全市气象部门FTP服务器安装部署，实现了全市区域气象探测资料的高速连接，确保业务、服务等综合信息交流迅速安全、畅通无阻。

1. 网络总体规划：

1.1网络组播数据传输原则

各级部门对雷达数据监控业务要求雷达图像高清晰画质，监控业务对网络传输的要求非常高，一般需要建设网络数据传输专网，保证给各级用户提供一个专业的网络平台，确保实现各部门的主要业务需求，在设计网络时需要考虑高带宽接入IP SAN;在接收者主机和组播路由器之间通常采用组播组管理协议IGMP (Internet Group MembershipProtocol)，该协议定义了主机与路由器之间建立和维护组播成员关系的机制。IGMP目前包含三个版本，分别是v1、v2和v3，此次选择 IGMPv2,IGMPv2在旧版本基础上添加了组成员快速离开的机制。IGMP组播成员管理机制是针对第三层设计的，在第三层，市-县两级路由器可以对组播报文的转发进行控制，只要进行适当的端口配置和对TTL值的检测就可以了。但是在很多情况下，组播报文要不可避免地经过一些二层交换设备，尤其是在局域网环境里。如果不对二层设备进行相应的配墨，则组播报文就会转发给二层交换设备的所有接口，这显然会浪费大里的系统资源。此时，IGMP监听（IGMP Snooping)可以解决这个问题。

1.2网络组播数据规划目的

1.2.1掌握全市（市-县）网络链路拓扑结构，链路路由协议OSPF以及组播传输协议PIM的传输特征、及报文发送方式。市局与县局接收终端管理所需要的Internet组管理协议特征。

1.2.2确定市-县局接单位链路带宽要求分析，基层台站网络访问市局气象雷达数据所占带宽、源数据发送频次。并确定市局雷达站雷达组播数据源传送地址。

1.2.3结合市局网络拓扑实际情况，选择组播数据传输方式为密集模式 PIM-DM方式，组播数据发送时，确定各县局接收源数据的目的终端网段、终端数量。各县局组播规划IP地址如下表所示：

组播IP地址规划

表1

1.2.4在PIM-DM密集模式下，雷达数据源报文向核心路由器端口（10.169.98.254）转发至核心交换机S7500时，确定组播数据透传area0与area60时，PIM-DM中的route-table。

1.3技术路线：

1.3.1确定市局雷达数据组播源地址、市局组播数据传输方式为PIM-DM、市局至县局组播路由器端口均需开通multicast routingtable，其中注意市局-县局端为子接口方式。

命令行配置示例：

multicast routing

interface Vlan-interface2

description TO_TS_DX_MSR5660-2/1/0

ip address 10.169.96.254 255.255.255.252

ospf cost 1

ospf network-type p2p

igmp enable

pim dm

1.3.2 PIM-DM组播路由协议对没有雷达组播数据转发的端口进行剪枝操作，只保留包含接收者的分支。为了使剪掉的有组播数据转发需求的网段能够重新接收组播数据流，应将对剪枝进行周期性地恢复成转发状态。

1.3.3确定县局接收组播数据的目的IP网段，县局核心交换机S5500与楼层交换机之间组播成员的管理方式 。在全市组播路由器映射表中，使用 dis pim-dm route table对数据流去向进行跟踪。

跟踪结果如下面代码示：

(10.169.98.152, 234.5.6.7)

Protocol: pim-dm, Flag: ACT

UpTime: 3d:00h

Upstream interface: GigabitEthernet2/1/0

Upstream neighbor: 10.169.96.254

RPF prime neighbor: 10.169.96.254

Downstream interface(s) information:

Total number of downstreams: 1

1: GigabitEthernet2/1/2.5

Protocol: pim-dm, UpTime: 2d:22h, Expires: -

1.4 PIM的拓扑结构

在规划市-县级网络结构中，市-县核心交换机作为汇聚层，路由器作为核心层,全市气象数据传输的网络主线路为电信MSTP专线。但在气象内网的 IP 通信有广播、组播和单播 3 种方式。广播是指源信息发送给该网段中的所有主机，而不管接收端是否需要该信息。单播是指信息源一对一地把信息单独发送到每个需要信息的主机。在交换机的二层网络框架下，一个节点发送的数据包会被网域中的每一个终端接收。组播的特点是单点发送，多点接收。源数据流发送至多台目的终端时，只需要对一个 IP 组播地址发送数据包，经过交换机二、三层间的组播地址转换形成一点到多点的数据传输，恰好解决了单播和广播的问题。组播之所以避免了大量带宽资源的浪费，是采用了一种反向路径数据转发（RPF）的机制。节点路由器根据数据源 IP 地址查找路由表，只接收路由表中反向路径最优的数据包，如果不是最优则丢弃，确定 RPF 接口后，再把 IP 数据形成的网络包数据向下转发，以此确保接收并分发的数据是唯一来自服务器端的源数据。本次新规划的PIM-DM网络路径示意图如图1所示：

图 1

2.方案模拟测试结果

2.1性能测试分析：

2.1.1性能测试需要借助 H3C的Ensp测试软件，按照拓扑图1进行网络结构建模，利用WireShark软件,对路由设备设置的PIM-DM策略端口进行数据抓包,数据抓包结果如图2所示:

图

图2

2.1.2 在Ensp软件中安装VLC播放器插件，VLC多媒体播放器(支持众多音频与视频解码器及文件格式，并支持DVD、VCD影音光盘及各类流式协议。它也能作为unicast或 multicast的流式服务器在IPv4或 IPv6的高速网络连接下使用。本次用视频数据模拟雷达源数据，组播视频源数据为128M大小的视频，终端接收视频数据，并用VLC播放器进行源数据与目的终端接收数据进行播放。效果如图3所示：

图3

测试系统中某台终端设备接收源数据时，路由器端口所占带宽（实验中用字节数表示），终端设备接收数据的时延。实验通过多次测试取平均值的方式，测试结果如表2所示：

性能测试结果
测试内容	参数结果
源数据大小	128M
Router接收端口	1318byte
市级 Router发送时延	127ms
县级Router接收时延	109ms

表2

2.2性能分析：

2.2.1 组播技术也叫多播， 多点广播或群播。在市-县路由器上对端口运用组播路由技术，将对该接口收到的源数据包进行检查，根据气象数据业务合理划分，实现了流量分担策略。通过端口数据抓包分析，在表二中可以清楚的看见PIM-DM的在县级设备分节点与市级中心节点实现了延时低，一般100ms-150ms。

2.2.2 组播技术使得气象数据在电信MSTP网络传输稳定。在该网络项目系统中要求网络业务平台能够做到覆盖范围广，接入形式多样。采用组播传输方式:大量减少对承载业务的网络系统带宽浪费及IPC/编码器、数据服务器的性能压力，尽可能多的提供并发数据流。避免网络专线申请利用，降低了网络成本。

2.2.3通过本次实验，可以发现网络组播技术可以很好的满足视频监控业务模型需求，可以高质量的为各级用户提供传输解决方案。可以通过实验模型延伸发通过IGMP成员管理技术支持授权用户在网内任何位置实时观看任何一个监控点图像，能支持多人同时观看某一监控点或多个监控点，且延时小。视频数据的集中或者分布式存储，网络能够满足部分节点的高流量冲击，

3.结语：

本文简单介绍了组播的发展、分析了组播网络的体系结构、算法和协议，讨论了组播技术的应用，总结了组播技术的难点，希望通过本文能使读者对组播技术有总体的了解。本次运用组播数据技术将雷达实显软件进行改造，用于接收雷达数据的实显软件安装于各县区局业务平台。极大程度方便了业务人员高效使用雷达数据用于防灾减灾预警，使得雷达数据上传和县区局同步监测成为现实。雷达源数据通过PIM-DM方式进行了多点组播，分布式同步使用，传输时效从以前的数据产品生成6分钟缩短至秒级。加强了基层气象灾害预警服务能力建设，提升基层气象灾害防御和应对能力，筑牢防灾减灾第一道防线。同时该技术也可以在市、县两级为地方单位提供气象业务服务时推广使用。

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单位名称：天水市气象局

邮寄地址：甘肃省天水市秦州区岷山路64号（天水市气象局）

联系电话：18919386282

邮政编码：741000

联系人：叶晓文