PIM SM组播方式在天气雷达图像实时显示中的应用

李 莉 ，袁 超，董 明

(1.山东省莱芜市气象局，山东 莱芜 271100；2.山东省泰安市气象局，山东 泰安 271000)

1 引言

山东省组播雷达技术最早在滨州市气象局SC新一代多普勒雷达显示系统中得以应用[1]， 2009年5月，莱芜市气象局借鉴并应用了该项成果，采用PIM DM组播方式，实现了滨州SC多普勒雷达图像在莱芜本地的实时显示，同年10月，将泰山SC新一代多普勒天气雷达加入到组播显示中，为莱芜的十一运会、国际体育航空节和日常的防灾减灾气象服务工作提供了优质服务。

采用该项技术，滨州、泰山等采用组播技术的雷达实时数据在本地网络接收和显示的同时，还通过山东省地面信息宽带网络将雷达数据包以尽力传送(best-effort)的形式发送到莱芜，从而仿佛是将雷达从驻地“搬”到了莱芜，减少了人力和资金投入，取得物尽其用的效果。尤其是泰山雷达，由于地处莱芜西部，海拔为1 537 m，其显示距离和高度对于莱芜进行降水实时观测是非常有利的，目前已成为预报业务和服务人员离不开的得力助手。

2016年2月，随着省市宽带网的升级，新的路由设备不再支持DM组播技术，为了使组播功能能够继续得以应用，在山东省气象局信息中心和厂商的支持帮助下，莱芜市气象局联合泰安市气象局进行了组播方式的调整，将组播方式更改为SM方式，继续在莱芜的气象防灾减灾工作中持续发挥作用。

2 IP组播及PIM组播

IP报文传输有单播、广播和组播3种方式。单播通信是指信息源为每个需要信息的主机都发送一份独立的报文；广播通信是指信息源将信息发送给该网段中的所有主机，不管其是否需要该信息；而对于组播通信方式，实现的是“一对一组”的通信模式， IP报文从一个源发出，被转发到一组特定的接收者。相较于传统的单播和广播，IP组播可以有效地节约网络带宽、降低网络负载，所以被广泛应用于IPTV、实时数据传送和多媒体会议等网络业务中[2]。

PIM(Protocol Independent Multicast)组播被称作协议无关组播，是IPV4组播协议的一种，直接利用单播路由表的路由信息进行组播报文RPF(逆向路径转发)检查，创建组播路由表项，转发组播报文。因此，应用PIM组播的前提是要保证网络的单播路由互通。

针对接收者主机，PIM组播可分为ASM和SSM两种服务模型，这两种模型使用不同的组播组地址范围予以区分。ASM模型仅针对组地址提供组播分发，接收者主机加入组播组以后可以接收到任意源发送到该组的数据。SSM模型中针对每一个(源，组)信息都会生成表项，接收者主机在加入组播组时，可以指定只接收哪些源的数据。

其中，ASM模型包括PIM-DM和PIM-SM两种组播业务模式[3]。

2.1 PIM-DM

PIM-DM(Protocol Independent Multicast-Dense Mode)密集模式，其设计思想是假设网络中的组成员分布非常稠密，每个网段都可能存在组成员。首先将组播数据报文扩散到各个网段，然后再裁剪掉不存在组成员的网段。通过周期性的“扩散—剪枝”，构建并维护一棵连接组播源和组成员的单向无环SPT(Source Specific Shortest Path Tree 组播分发树)。PIM-DM适用于组播成员分布较为密集的园区网络，在组播成员分布相对较为稀疏的大规模网络中(Internet)，组播流量的周期性扩散/剪枝将给网络带来较大的负担。

2.2 PIM-SM

相对于PIM-DM的“推(Push)模式”，PIM-SM使用“拉(Pull)模式”转发组播报文。PIM-SM假设网络中的组成员分布非常稀疏，几乎所有网段均不存在组成员，直到某网段出现组成员时，才构建组播路由，向该网段转发组播数据。一般应用于组播组成员规模相对较大、相对稀疏的网络。它的实现方法是：在网络中维护一台重要的PIM路由器：汇聚点RP(Rendezvous Point)，可以为随时出现的组成员或组播源服务。RP可以静态指定也可动态选举。静态指定是指由管理员在每台PIM-SM路由器上进行配置，使得每台路由器获知RP的位置。动态选举是指通过专用协议在若干台C-RP(Candidate-RP)中选举产生。管理员需要开启选举协议并配置若干台PIM-SM路由器成为C-RP。

华为给出了RP配置方式建议：

中小型网络建议选择静态RP方式，对设备要求低，也比较稳定。采用静态RP方式要确保域内所有路由器(包括RP本身)的RP信息以及服务的组播组范围全网一致。

大型网络可以采用动态RP方式，可靠性高，可维护性强。如果网络中存在多个组播源，且分布密集，建议选择与组播源比较近的核心设备作为C-RP；如果网络中存在多个用户，且分布密集，建议选择与用户比较近的核心设备作为C-RP。

这里我们采用了静态指定RP的方法，选择了泰山ar2240作为RP。

2.3 配合PIM组播协议协同工作的其他协议

除了PIM组播协议，IPV4中的组播协议成员还有组播组管理协议IGMP(InternetGroup Management Protocol)、IGMP SNOOPING (Internet Group Management Protocol Snooping)协议来共同配合完成组播报文的转发和复制。

IGMP协议应用在用户主机与组播交换机之间，主要用于实现将用户主机接入组播网络时，在主机侧完成组播组成员的动态加入与离开，在交换机侧完成组成员关系的维护与管理，同时支持与上层组播路由协议的信息交互。IGMP Snooping是IPv4的二层组播协议，使能IGMP Snooping功能后，二层设备会侦听主机和路由器之间交互的IGMP报文，建立和维护二层组播转发表，从而指导组播数据帧在数据链路层按需转发。

3 网络结构图

实现IP组播传输，组播源和接收者以及两者之间的下层网络和软件都必须支持组播，而且所有介于组播源和接收者之间的路由器、集线器、交换机、TCP/IP栈、防火墙均需支持同一种组播协议，即PIM-DM和PIM-SM不能同时配置。网络结构图如图1所示。

图1 省—市网络结构图Fig.1 Provincial—city network strucfure map

4 实现方法

当我们将从组播源到组播接收计算机间的所有3层和2层交换设备完成组播配置后，在任意想接收组播信息的计算机上安装组播雷达显示软件，运行该软件并选择需要接收信息的雷达站点，就可以实时接收雷达图像显示。在雷达组播显示软件的安装过程中需要注意要按照软件的默认安装目录进行安装，不要更改软件安装目录，否则会导致软件不能正常运行。

5 PIM SM方式的网络设备配置要点和配置方法

PIM DM方式的配置方法在文献[1]中做了详细的阐述，在此不再赘述。

在应用SM组播方式前，需要进入从组播源到接收者所经过的所有3层设备的各个接口(包括串口、以太网口、用户接口如vlan接口)使用“undo pim dm”命令将DM组播协议删除。

5.1 PIM SM方式配置要点

①全网使能组播功能。

②在允许组播通过的接口上使能PIM-SM组播路由协议。

③用户网关接口使能IGMP。

④选取配置组播流量汇聚点RP 。

5.2 PIM SM方式具体配置步骤

5.2.1 在从组播源到接收者之间经过的所有3层设备的允许组播通过的接口上使能组播功能和PIM SM组播路由协议，在允许通过的用户接口上开启IGMP协议。通路上的3层设备包括泰山AR2240、泰安市局主备核心交换机、负载均衡交换机、主备路由器，省局主备路由器、莱芜市局主备路由器、负载均衡交换机、核心交换机。

5.2.2 路由器配置(以华为路由器ne40为例)

①进入系统视图 > system-view

②使能组播路由功能 [ ] multicast routing-enable

③进入以太网接口 [ ] interface G0/0/1

④使能PIM SM [ ] pim sm

在所有接设备的以太网口或串口都要执行第③④步操作。

5.2.3 3层交换机配置(以华为s9703为例)

①进入系统视图 > system-view

②使能组播路由功能 [ ] multicast routing-enable

③进入VLAN 接口 [ ] interface vlan n #n为设备上需开通组播的vlan号，

④使能PIM SM [ ]pim sm

⑤使能IGMP [ ] igmp enable

在所有经过的交换机上允许组播通过的用户接口上均要执行第④步和第⑤步操作。用户主机侧需同时配置PIM-SM和IGMP时，必须先使能PIM-SM，再使能IGMP。

5.2.4 在所有3层设备上配置静态rp

[ sys] pim

[ ] static-rp ar2240接口地址

[ ] commit

[ ] quit

完成后输入commit可以使配置立即生效。

5.2.5 2层交换机配置

[ ] igmp snooping enable

有些二层交换机，只具有通过web页面进行网络配置的功能，如华为的s1728GWR-4P，则可以通过web页面的如下界面进行配置：

图2 二层交换机网页版配置界面Fig.2 Two Layer switch web page configuration interface

6 小结

①配置PIM 组播前首先需要要保证单播路由互通。

②配置PIM组播要求从组播源至接收点的设备使用同一种组播协议(组播模式)，软件也需要同时支持组播协议，而且对于同一设备的同一实例，PIM-DM和PIM-SM不能同时配置。

③应用PIM-SM模式需要指定RP。

④用户主机侧需同时配置PIM-SM和IGMP时，必须先使能PIM-SM，再使能IGMP。

⑤PIM-SM能够以比PIM-DM更精确的方式建立SPT转发树，按需创建组播路由，对于像这种只有少量组播组成员的运行模式更为适宜。

网络设备的一些功能在平常工作中并不常用，如果我们能够了解业务需求和网络功能的结合点，充分挖掘和利用这些功能，就能实现网络效益的利益最大化。

[1] 郑宝枝,张鹏,王金东,等.基于组播技术的新一代天气雷达实时共享网络[J].气象科技，2010,38(3): 353-356.

[2] 广播电视网络应用案例之PIM-SSM技术.[2012-08-01][2017-09-13].http://www.h3c.com.cn/MiniSite/Technology_Circle/Technology_Column/ICG/ICG_Technology/201208/750857_97665_0.htm.