■ 王鵬 王春芳

EUMETCast組播傳輸采用源特定組播（SSM）方式和IGMPv3協(xié)議，通過互聯(lián)網(wǎng)路由器的定向路由傳輸，并在接收端本地路由器上進(jìn)行組播分發(fā)。用戶通過EUMETCast門戶網(wǎng)站訂閱所需數(shù)據(jù)后，即可通過EUMETCast組播方式實(shí)時(shí)接收。

全球綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)（GEOSS）是建立一個(gè)綜合、協(xié)調(diào)、持續(xù)的分布式系統(tǒng)，目標(biāo)是將為建立一個(gè)滿足用戶需求的全球綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)提供一個(gè)具有整體概念和組織結(jié)構(gòu)的框架。全球觀測(cè)資料廣播系統(tǒng)（GEONETCast）是GEOSS中的重要分系統(tǒng)之一，滿足向全球用戶分發(fā)核心數(shù)據(jù)的需要。GEONETCast是基于衛(wèi)星通信的全球數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)，分發(fā)數(shù)據(jù)內(nèi)容包括氣象、水利、氣候、農(nóng)業(yè)、能源、自然災(zāi)害、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域。

GEONETCast覆蓋全球范圍的分發(fā)服務(wù)由EUMETCast、CMACast和GEONETCast Americas三個(gè)衛(wèi)星廣播通信系統(tǒng)構(gòu)成，分別屬于歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織（EUMETSAT）、中國(guó)氣象局（CMA）和美國(guó)海洋和大氣管理局（NOAA）。

CMACast是中國(guó)氣象局基于DVB－S2標(biāo)準(zhǔn)的新一代衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)，使用亞衛(wèi)4號(hào)一個(gè)完整的C波段器對(duì)中國(guó)及亞太地區(qū)進(jìn)行氣象資料、衛(wèi)星遙感資料及流媒體節(jié)目的廣播，可以為亞太地區(qū)發(fā)展中國(guó)家提供及時(shí)、有效的數(shù)據(jù)廣播服務(wù)，能夠?qū)崟r(shí)提供包括EUMETSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)。

CMACast是GEONETCast的重要組成部分。根據(jù)CMA、EUMETSAT和NOAA簽署的GEONETCast的雙邊合作協(xié)議，EUMETCast、GEONETCast Americas和CMACast作為GEONETCast的三個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中心，除完成本身的數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)外，還將通過地面線路交換廣播資料，并通過各自的衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行廣播，以實(shí)現(xiàn)GEOSS數(shù)據(jù)的全球共享。

CMACast與EUMETCast的數(shù)據(jù)交換鏈路，包括世界氣象組織（WMO）全球通信系統(tǒng)（GTS）和Internet兩種線路。隨著交換數(shù)據(jù)量的與日俱增，GTS線路已經(jīng)無法滿足海量衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換的要求。為此，通過Internet線路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換就變得更加重要。

EUMETCast是EUMETSAT向全球用戶分發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的通信系統(tǒng)，不僅能夠通過衛(wèi)星鏈路進(jìn)行廣播，也支持通過Internet向注冊(cè)用戶進(jìn)行組播傳輸。中國(guó)氣象局通過Internet和EUMETCast組播方式實(shí)時(shí)接收EUMETCast數(shù)據(jù)，之后通過CMACast系統(tǒng)進(jìn)行廣播。

1　EUMETCast組播通信

1.1　IP組播技術(shù)

IP（網(wǎng)際協(xié)議，internet protocol）組播（multicast）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)單點(diǎn)向多點(diǎn)的高效率傳輸，如圖 1。能夠?qū)螖?shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)流同時(shí)向多個(gè)目標(biāo)地址分發(fā)，無需增加發(fā)送端的負(fù)擔(dān)。與單播（unicast）相比，組播能夠?qū)崿F(xiàn)“發(fā)送一次、多點(diǎn)接收”的效果，能夠有效降低數(shù)據(jù)源的帶寬消耗。組播技術(shù)已經(jīng)在流媒體分發(fā)、企業(yè)內(nèi)信息分發(fā)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

IP組播技術(shù)采用組播組（multicast group）的方式管理。需要接收某個(gè)組播數(shù)據(jù)源的接收端，加入該組播組以后，即可接收到組播數(shù)據(jù)流。按照IPv4地址分配規(guī)則，（非局域網(wǎng)的）全局組播通信的組地址網(wǎng)段為224.0.1.0至238.255.255.255。每個(gè)組播組占用組播網(wǎng)段的一個(gè)子網(wǎng)作為組播通道。

圖1　互聯(lián)網(wǎng)IP組播傳輸示意圖

互聯(lián)網(wǎng)IP組播技術(shù)，主要是由路由器實(shí)現(xiàn)組播轉(zhuǎn)發(fā)和組播分發(fā)（圖1）。通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸組播數(shù)據(jù)，由路由器自動(dòng)協(xié)商計(jì)算出組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由（組播分發(fā)樹），在向主機(jī)分發(fā)前采用IGMP（網(wǎng)路群組管理協(xié)議，internet group management protocol）協(xié)議和MAC（介質(zhì)訪問控制，media access control）組播（2層）協(xié)議進(jìn)行分發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)路由器基于IGMP協(xié)議管理組播組成員（接收端）。IGMP協(xié)議的基本原理是，組播接收端（主機(jī)）向路由器發(fā)送IGMP加入組的請(qǐng)求包；路由器會(huì)定時(shí)向成員主機(jī)發(fā)送狀態(tài)查詢包，如果主機(jī)有應(yīng)答則保持成員資格，否則移除成員資格。

互聯(lián)網(wǎng)IP組播數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，通常采用“協(xié)議無關(guān)組播（PIM）”技術(shù)。路由器將組播數(shù)據(jù)包通過單播路由協(xié)議、根據(jù)計(jì)算出的組播分發(fā)樹進(jìn)行路由。在路由器向主機(jī)分發(fā)時(shí)，根據(jù)組成員資格進(jìn)行分發(fā)。路由器間PIM轉(zhuǎn)發(fā)方式包括“推送”（dense mode）、“拉取”（sparse mode）、“推拉雙向”3種方式。

由于互聯(lián)網(wǎng)IP組播傳輸，很可能需要跨越兩個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商（ISP），因此在ISP之間采用跨域組播路由協(xié)議，滿足ISP之間轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)對(duì)組播數(shù)據(jù)的路由控制。其中，指定信源組播（SSM）模型采用IGMPv3協(xié)議，根據(jù)接收端（主機(jī)）“訂閱”（加入組播組）的情況，進(jìn)行更優(yōu)化和準(zhǔn)確的路由轉(zhuǎn)發(fā)和組播分發(fā)。按照IPv4地址分配規(guī)則，SSM的組地址網(wǎng)段為232.0.0.0/8。

IP組播使用UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議，user datagram protocol）協(xié)議進(jìn)行傳輸，因此可能會(huì)出現(xiàn)丟包、無序等問題，影響了文件傳輸?shù)目煽啃浴P組播可以采用“實(shí)用通用組播（PGM）”技術(shù)改善UDP協(xié)議帶來的可靠性問題，但也無法完全保障100%可靠。

1.2　EUMETCast組播通信

EUMETCast組播通信采用“拉模式協(xié)議無關(guān)組播”（PIM-SM）技術(shù)以及SSM模型和IGMPv3協(xié)議。組播網(wǎng)段為232.223.222.0/24。

在歐洲地域內(nèi)，EUMETCast通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商GéANT提供互聯(lián)網(wǎng)IP組播通信支撐。中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心通過中國(guó)科學(xué)技術(shù)網(wǎng)（CSTNET）實(shí)現(xiàn)中國(guó)區(qū)域內(nèi)EUMETCast組播通信鏈路，實(shí)時(shí)接收EUMETCast組播數(shù)據(jù)流。

EUMETCast組播組包括公告通道（AC）和數(shù)據(jù)通道（DC）。當(dāng)客戶端軟件啟動(dòng)后，向AC通道發(fā)送加入組播組的信號(hào)，經(jīng)路由器處理后，即可開始接收公告組播數(shù)據(jù)，接收完成后向AC通道發(fā)送退出信號(hào)即可關(guān)閉數(shù)據(jù)接收。同理，客戶端軟件通過加入和離開DC通道信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通道的打開和關(guān)閉。

2　EUMETCast組播接收端

EUMETCast組播接收端包括：接收端服務(wù)器、接收客戶端應(yīng)用軟件、接收密鑰（EKU）。接收端服務(wù)器采用Intel x64架構(gòu)Linux系統(tǒng)，通過USB（通用串行總線，universal serial bus）接口連接EKU模塊，由接收客戶端軟件實(shí)時(shí)接收EUMETCast組播數(shù)據(jù)流并生成數(shù)據(jù)文件。EUMETCast播發(fā)的數(shù)據(jù)，都是加密數(shù)據(jù)，需要解密后才能形成數(shù)據(jù)文件。EKU模塊與接收賬號(hào)密碼對(duì)應(yīng)，用于數(shù)據(jù)解碼。接收客戶端應(yīng)用軟件從網(wǎng)卡接收組播數(shù)據(jù)后進(jìn)行解密處理，并生成數(shù)據(jù)文件?？蛻舳塑浖?dòng)后自動(dòng)打開AC通道，并在每次接收數(shù)據(jù)時(shí)打開DC通道，接收完成后關(guān)閉。接收過程中，客戶端軟件將接收到的數(shù)據(jù)包收集并在磁盤上緩存，完整接收一個(gè)文件后，整合輸出為數(shù)據(jù)文件。EUMETCast組播接收客戶端不具備失敗重傳功能，因此當(dāng)數(shù)據(jù)包接收不完整時(shí)，客戶端軟件將刪除相關(guān)數(shù)據(jù)文件，造成數(shù)據(jù)文件缺失。

中國(guó)氣象局配置的EUMETCast組播接收路由器，接入中國(guó)科學(xué)技術(shù)網(wǎng)的為EUMETCast組播傳輸配置的Internet組播網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)接收端服務(wù)器進(jìn)行組播分發(fā)。在接收服務(wù)器無需進(jìn)行配置。

EUMETCast組播傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，根據(jù)注冊(cè)賬號(hào)在EUMETCast門戶網(wǎng)站上訂閱并通過授權(quán)的資料目錄進(jìn)行接收。中國(guó)氣象局根據(jù)雙邊協(xié)議在EUMETCast門戶網(wǎng)站上訂閱，經(jīng)過EUMETSAT授權(quán)后，在接收端實(shí)時(shí)接收并生成文件。之后，數(shù)據(jù)文件通過文件傳輸協(xié)議進(jìn)入中國(guó)氣象局通信系統(tǒng)，并經(jīng)過CMACast進(jìn)行廣播。

3　EUMETCast組播傳輸試驗(yàn)

為了評(píng)估EUMETCast至CMACast的互聯(lián)網(wǎng)組播傳輸?shù)男Ч?，?guó)家氣象信息中心和EUMETSAT展開了EUMETCast組播傳輸試驗(yàn)。國(guó)家氣象信息中心在業(yè)務(wù)用互聯(lián)網(wǎng)區(qū)部署了EUMETCast組播接收端。雙方聯(lián)系各自網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商完成了EUMETCast組播數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)調(diào)整。組播傳輸獨(dú)占了備份網(wǎng)絡(luò)線路，以免與業(yè)務(wù)用線路相互干擾。

截至2017年初，已完成EUMETCast組播數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收全流程的搭建，并正確“落地”生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件，每日接收數(shù)據(jù)量約為85 GB。根據(jù)對(duì)2017年10月29日—11月16日接收情況的統(tǒng)計(jì)，對(duì)比通過GTS線路（FTP協(xié)議）接收的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件，組播接收數(shù)據(jù)文件完整無缺失，組播接收方式的傳輸時(shí)效比GTS方式有明顯提高：平均提高約2分45秒，最高提高33分16秒。