王碩　李占勇

民航空管信息業(yè)務(wù)IP化傳輸趨勢(shì)增強(qiáng)，MPLS VPN是民航ATM數(shù)據(jù)通信網(wǎng)為解決IPoA使用的主要技術(shù)，也是未來空管IP通信網(wǎng)中的主要業(yè)務(wù)應(yīng)用模式。在民航數(shù)據(jù)通信MPLS L3VPN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)組播將是雷達(dá)信息、場(chǎng)間監(jiān)視、視頻會(huì)議以及視頻監(jiān)控等民航業(yè)務(wù)信息廣播傳輸?shù)暮侠砀咝Ы鉀Q方案。本文通過民航ATM數(shù)據(jù)通信網(wǎng)組播VPN設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為民航業(yè)務(wù)組播和運(yùn)維奠定良好的基礎(chǔ)，也為民航業(yè)務(wù)發(fā)展提供可靠保障。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)通信 MPLS VPN IP

1 IP組播技術(shù)

組播（Multicast）技術(shù)指的是單個(gè)發(fā)送者對(duì)應(yīng)多個(gè)接收者的一種網(wǎng)絡(luò)通信。作為一種與單播（Unicast）和廣播（Broadcast）并列的通信方式，組播技術(shù)能夠有效地解決單點(diǎn)發(fā)送、多點(diǎn)接收的問題，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到多點(diǎn)的高效數(shù)據(jù)傳送，能夠節(jié)約大量網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

IP組播屬于端到端的服務(wù)，無論何種組播模型，組播機(jī)制都包括如下四個(gè)部分：

（1）尋址機(jī)制：借助組播地址實(shí)現(xiàn)信息從組播源發(fā)送到接收者；

（2）主機(jī)注冊(cè)：允許接收主機(jī)動(dòng)態(tài)加入和離開某組播組，實(shí)現(xiàn)對(duì)組播成員的管理；

（3）組播路由：構(gòu)建組播報(bào)文分發(fā)樹（即組播數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的樹型轉(zhuǎn)發(fā)路徑），并通過該分發(fā)樹將報(bào)文從組播源傳輸?shù)浇邮照撸?/p>

（4）組播應(yīng)用：組播源與接收者必須安裝支持視頻會(huì)議等組播應(yīng)用的軟件，TCP/IP協(xié)議棧必須支持組播信息的發(fā)送和接收。

1.1 組播路由協(xié)議

組播路由協(xié)議運(yùn)行在三層組播設(shè)備之間，用于建立和維護(hù)組播路由，并正確、高效地轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)包。組播路由建立了從一個(gè)數(shù)據(jù)源端到多個(gè)接收端的無環(huán)數(shù)據(jù)傳輸路徑，即組播分發(fā)樹。

組播分發(fā)樹有兩種：最短路徑樹（SPT）和共享路徑樹（RPT）。最短路徑樹是以組播源為根構(gòu)造的從根到所有接收者路徑都最短的分布樹，又稱為源樹。源樹的狀態(tài)條目使用符號(hào)（S，G）表示，其中S表示多播源的IP地址，G表示組播地址。（S，G）源樹是針對(duì)每一個(gè)源和組播組構(gòu)建的組播源和接收者之間的可用路徑，（S，G）是組播源至接收者的最短可用路徑。

共享樹與源樹的不同之處就在于樹根，共享樹的樹根位于網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)公共點(diǎn)。這個(gè)公共點(diǎn)被稱為集合點(diǎn)（rendezvous point，RP）。所有的接收者都將自己加入到RP上，同時(shí)，組播源也將“注冊(cè)”到RP上，并將流量發(fā)送給RP，由RP將流量發(fā)送給共享樹中相應(yīng)的組播數(shù)據(jù)接收者。共享樹的多播轉(zhuǎn)發(fā)條目用（*，G）表示，其中“*”通配符表示所有的源。與源樹相比，共享樹在路由選擇中可能不是最優(yōu)的，但每個(gè)路由器上需保存的狀態(tài)數(shù)更少。

PIM（Protocol Independent Multicast）是協(xié)議無關(guān)組播的簡(jiǎn)稱，它可以利用各類單播路由表為IP組播提供路由。組播路由與所采用的單播路由協(xié)議無關(guān)，只要能夠通過單播路由協(xié)議產(chǎn)生相應(yīng)的組播路由表項(xiàng)即可。根據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制的不同，PIM分為兩種模式：密集模式（PIM-DM）和稀疏模式（PIM-SM）。前者適用于組播組成員相對(duì)比較密集的小型網(wǎng)絡(luò)，后者適用于組播組成員分布相對(duì)分散、范圍較廣的大中型網(wǎng)絡(luò)的。

1.2 組播報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)

網(wǎng)絡(luò)中組播報(bào)文的傳輸須依靠單播路由表或者單獨(dú)提供給組播使用的路由表來指導(dǎo)轉(zhuǎn)發(fā)；PIM借助RPF（Reverse Path Forwarding）逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)組播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)組播報(bào)文到達(dá)本地設(shè)備時(shí)，首先對(duì)其進(jìn)行RPF檢查。若RPF檢查通過，則創(chuàng)建相應(yīng)組播路由表項(xiàng)，進(jìn)行組播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)；若RPF檢查失敗，則丟棄該報(bào)文。故此，RPF檢查機(jī)制是組播路由協(xié)議進(jìn)行組播轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)。

2 MPLS VPN技術(shù)

MPLS L3VPN是BGP（Border Gateway Protocol）邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議和MPLS（Multiprotocol Label Switching）多協(xié)議標(biāo)簽交換擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的VPN（Virtual Private Network）虛擬專用網(wǎng)解決方案，RFC2547對(duì)該規(guī)范進(jìn)行了描述。

在MPLS L3VPN架構(gòu)中，其主要包括了如下的組件：

（1）CE（Custom Edge）：用戶網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備，位于用戶站點(diǎn)（Site）中，有接口直接與服務(wù)提供商相連。

（2）PE（Provider Edge）：服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備，與用戶的CE直接相連。在MPLS網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)VPN的所有處理都發(fā)生在PE上。

（3）P（Provider Router）：服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)中的骨干路由器，不與CE直接相連。P設(shè)備具備基本MPLS轉(zhuǎn)發(fā)能力，僅根據(jù)外層標(biāo)簽對(duì)VPN報(bào)文進(jìn)行MPLS轉(zhuǎn)發(fā)，無須參與VPN用戶管理及相關(guān)表項(xiàng)的創(chuàng)建和維護(hù)。

（4）VRF（Virtual Routing Forwarding Table）：虛擬路由轉(zhuǎn)發(fā)表，它包含同一個(gè)站點(diǎn)相關(guān)的路由表、轉(zhuǎn)發(fā)表、接口（子接口）、路由實(shí)例和路由策略等。在PE設(shè)備上，屬于同一VPN的物理端口或邏輯端口對(duì)應(yīng)一個(gè)VRF。

（5）站點(diǎn)（Site）：VPN中的一個(gè)孤立網(wǎng)絡(luò)，站點(diǎn)通過單獨(dú)的物理端口或邏輯端口連接到PE上。VPN實(shí)際即是對(duì)站點(diǎn)集合的劃分，一個(gè)VPN對(duì)應(yīng)一個(gè)若干站點(diǎn)組成的集合。

3 組播VPN機(jī)制

組播VPN是基于MPLS L3VPN來實(shí)現(xiàn)組播傳輸?shù)募夹g(shù)。如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)承載著兩個(gè)相互獨(dú)立的組播業(yè)務(wù)：公網(wǎng)實(shí)例、VPN實(shí)例A。公共網(wǎng)絡(luò)邊緣PE組播設(shè)備支持多實(shí)例。各實(shí)例之間形成彼此隔離的平面，每個(gè)實(shí)例對(duì)應(yīng)一個(gè)平面。

以VPN實(shí)例A為例，組播VPN指：當(dāng)VPN A中的組播源向某組播組發(fā)送組播數(shù)據(jù)時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)中所有可能的接收者中，僅屬于VPN A（即Site 1、Site 3 或Site 5中）的組播組成員才能收到該組播源發(fā)來的組播數(shù)據(jù)。組播數(shù)據(jù)在各Site及公網(wǎng)中均以組播方式進(jìn)行傳輸。endprint

其中，實(shí)現(xiàn)組播VPN所需具備的網(wǎng)絡(luò)條件如下：

（1）在每個(gè)Site內(nèi)支持基于VPN實(shí)例的組播。

（2）在公共網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持基于公網(wǎng)實(shí)例的組播。

（3）PE 設(shè)備支持多實(shí)例組播，即支持基于VPN實(shí)例和公網(wǎng)實(shí)例的組播，并支持支持公網(wǎng)實(shí)例與VPN實(shí)例之間的信息交互和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

為了滿足以上條件，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）最終形成制定了以MD（Multicast Domain）組播域方案來實(shí)現(xiàn)組播VPN的標(biāo)準(zhǔn)。

MD方案的基本思想是：在骨干網(wǎng)中為每個(gè)VPN維護(hù)一棵稱為Share-MDT的組播轉(zhuǎn)發(fā)樹。來自VPN中任一Site的組播報(bào)文都會(huì)沿著Share-MDT被轉(zhuǎn)發(fā)給屬于該MD的所有PE。MD是一個(gè)集合，它由一些相互間可以收發(fā)組播數(shù)據(jù)的VRF組成。其中，支持組播業(yè)務(wù)的VRF為MVRF，它同時(shí)維護(hù)單播和組播路由轉(zhuǎn)發(fā)表。PE收到組播報(bào)文后，如果其MVRF內(nèi)有該組播組的接收者，則繼續(xù)向CE轉(zhuǎn)發(fā)；否則將其丟棄。

不同的MVRF加入到同一個(gè)MD中，通過MD內(nèi)自動(dòng)建立的PE間的組播隧道（MT）將這些MVRF連接在一起，實(shí)現(xiàn)了不同Site之間的組播業(yè)務(wù)互通。每個(gè)MD會(huì)被分配一個(gè)獨(dú)立的組播地址，稱為Share-Group。當(dāng)兩個(gè)MVRF之間通信時(shí)，用戶報(bào)文以GRE方式被封裝在骨干報(bào)文里通過MT進(jìn)行傳輸，骨干報(bào)文的源地址為PE用來建立BGP連接所使用的接口IP地址，目的地址為Share-Group。

4 民航數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中組播VPN的實(shí)現(xiàn)

在民航數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)組播VPN主要需完成骨干網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)備工作以及組播VPN設(shè)計(jì)與實(shí)施等工作。

4.1 組播VPN的規(guī)劃設(shè)計(jì)

民航ATM數(shù)據(jù)網(wǎng)華東地區(qū)ATM交換機(jī)上的RPM-PR板卡提供了MPLS VPN業(yè)務(wù)，目前部署的MPLS VPN業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇樾切谓Y(jié)構(gòu)，即由區(qū)域一級(jí)節(jié)點(diǎn)9槽RPM板卡作為P設(shè)備和路由反射器，而其他節(jié)點(diǎn)均為PE設(shè)備。華東地區(qū)ATM網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)承載著兩個(gè)相互獨(dú)立的組播業(yè)務(wù)：ATM數(shù)據(jù)網(wǎng)公網(wǎng)組播實(shí)例和名為YJCJ2的用戶私網(wǎng)組播實(shí)例。

VPN組播實(shí)例是通過在P和PE設(shè)備上部署實(shí)現(xiàn)的，網(wǎng)絡(luò)中，作為P和PE的RPM板卡上運(yùn)行著公網(wǎng)組播實(shí)例，而作為PE的RPM板卡同時(shí)又運(yùn)行著用戶私網(wǎng)組播實(shí)例。公網(wǎng)的組播實(shí)例是在所有RPM板卡上開啟組播應(yīng)用。上海虹橋和浦東機(jī)場(chǎng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的10槽RPM板卡負(fù)責(zé)接入用戶的VPN組播業(yè)務(wù)，所以需在這兩臺(tái)設(shè)備上部署MPLS VPN應(yīng)用，并在這兩個(gè)用戶站點(diǎn)相應(yīng)的VRF實(shí)例中開啟組播應(yīng)用。在本案例中，VPN用戶接入側(cè)要求使用的是PIM密集模式，而民航數(shù)據(jù)網(wǎng)MPLS VPN公網(wǎng)則使用的是PIM稀松模式。

在MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)中不同用戶的VPN站點(diǎn)都是彼此邏輯獨(dú)立的，并且VPN用戶數(shù)據(jù)封裝MPLS標(biāo)簽后通過公網(wǎng)的PE和P設(shè)備進(jìn)行傳輸。對(duì)于VPN組播來說，數(shù)據(jù)的傳輸模式也是類似的。PE設(shè)備通過將該VPN實(shí)例中的用戶VPN組播數(shù)據(jù)報(bào)文封裝成公網(wǎng)所能“識(shí)別”的公網(wǎng)組播數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行組播轉(zhuǎn)發(fā)。這種將私網(wǎng)組播報(bào)文封裝成公網(wǎng)組播報(bào)文的過程就叫做構(gòu)造組播隧道（MT）。在PE上，每個(gè)VPN用戶的組播數(shù)據(jù)是通過不同的MTI（Multicast Tunnel Interfac）組播隧接口在公網(wǎng)構(gòu)造組播隧道，參見圖2。

由于公網(wǎng)、VPN網(wǎng)以及用戶接入側(cè)各組播部署中都采用PIM協(xié)議啟用了組播應(yīng)用，MPLS VPN中組播應(yīng)用包含如下的PIM鄰居關(guān)系：

（1）PE-P鄰居關(guān)系：指PE上公網(wǎng)實(shí)例接口與鏈路對(duì)端P上的接口之間所建立的PIM鄰居關(guān)系。

（2）PE-PE鄰居關(guān)系：指PE上的VPN實(shí)力通過MTI收到遠(yuǎn)端PE上的VPN實(shí)例發(fā)來的PIM Hello報(bào)文后建立的鄰居關(guān)系。

（3）PE-CE鄰居關(guān)系：指PE上綁定VPN實(shí)例的接口與鏈路對(duì)端CE上的接口之間建立的PIM鄰居關(guān)系。

部署公網(wǎng)組播實(shí)例需在華東地區(qū)所有相關(guān)RPM板卡開啟組播服務(wù)，考慮到密集模式對(duì)RPM設(shè)備和骨干網(wǎng)資源的開銷，在民航ATM數(shù)據(jù)網(wǎng)中使用了PIM稀松模式。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，選取上海虹橋9槽RPM板卡作為RP。

4.2 組播VPN的實(shí)施運(yùn)行

在MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)中的P和PE設(shè)備上部署PIM協(xié)議，這些設(shè)備之間會(huì)形成PE-P鄰居關(guān)系，從而使得公網(wǎng)支持組播功能，并形成公網(wǎng)的組播分發(fā)樹。本案例中使用PIM稀松模式，即在虹橋和浦東機(jī)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的9、10槽RPM板卡的配置底層IGP路由協(xié)議的接口上部署PIM稀松模式，這樣就構(gòu)造了公網(wǎng)的PIM共享樹。

在傳輸用戶私網(wǎng)組播報(bào)文的PE上部署基于VRF實(shí)例的組播，一個(gè)VPN實(shí)例唯一制定一個(gè)Share-Group地址。同一個(gè)VPN組播域內(nèi)的PE之間形成PE-PE鄰居，并形成該組播域的共享組播分發(fā)樹（Share-MDT）。在本例中就是在虹橋和浦東機(jī)場(chǎng)的10槽YJCJ2 VRF實(shí)例中部署相應(yīng)的default MDT地址239.255.0.5。

用戶CE設(shè)備和PE連接CE的相應(yīng)接口啟用組播，本例中使用PIM密集模式。這樣就形成了PE-CE鄰居關(guān)系。本例中是在虹橋和浦東機(jī)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)VPN業(yè)務(wù)端口配置PIM密集模式。

當(dāng)用戶有組播報(bào)文需要傳輸?shù)臅r(shí)候，就將組播報(bào)文發(fā)送給PE的VRF實(shí)例，PE設(shè)備收到報(bào)文后識(shí)別組播數(shù)據(jù)所屬的VRF實(shí)例。用戶私網(wǎng)的數(shù)據(jù)報(bào)文對(duì)于公網(wǎng)是透明的，不論數(shù)據(jù)歸屬或類別，PE都統(tǒng)一將其封裝為公網(wǎng)組播數(shù)據(jù)報(bào)文，并以Share-Group作為其所屬的公網(wǎng)組播組。一個(gè)Share-Group唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)MD，并利用公網(wǎng)資源唯一創(chuàng)建一棵Share-MDT進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在該VPN中所有私網(wǎng)組播報(bào)文，都通過此Share-MDT進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如圖3所示，可以看到華東地區(qū)公網(wǎng)上的Share-MDT創(chuàng)建的過程。endprint

虹橋節(jié)點(diǎn)10槽RPM向9槽RPM（RP節(jié)點(diǎn)）發(fā)起加入消息，以Share-Group地址作為組播組地址，在公網(wǎng)沿途的設(shè)備上分別創(chuàng)建（*，239.255.0.5）表項(xiàng)。同時(shí)虹橋浦東機(jī)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)也發(fā)起類似的加入過程，最終在MD中形成一棵以虹橋節(jié)點(diǎn)9槽RPM為根，以虹橋、浦東機(jī)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)10槽RPM為葉的共享樹（RPT）。隨后，虹橋和浦東機(jī)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)10槽RPM的公網(wǎng)實(shí)例向公網(wǎng)RP發(fā)起注冊(cè)，并以自身BGP的router-id地址作為組播源地址、Share-Group地址作為組播組地址，在公網(wǎng)的沿途設(shè)備上分別創(chuàng)建（20.51.5.6，239.255.0.5）和（20.51.5.3，239.255.0.5）表項(xiàng)，形成連接PE和RP的最短路徑樹（SPT）。在PIM-SM網(wǎng)絡(luò)中，由（*，239.255.0.5）和這兩棵相互獨(dú)立的SPT共同組成了Share-MDT。虹橋節(jié)點(diǎn)PE的私網(wǎng)組播報(bào)文在進(jìn)入公網(wǎng)后，均沿該Share-MDT向浦東機(jī)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)PE轉(zhuǎn)發(fā)。

圖4是私網(wǎng)組播報(bào)文在公網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)的過程。當(dāng)浦東機(jī)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的YJCJ2 VPN 用戶CE設(shè)備加入到虹橋節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)源所在的組播組，此時(shí)由于這兩個(gè)站點(diǎn)部署為PIM-DM模式，虹橋節(jié)點(diǎn)組播設(shè)備會(huì)立刻將數(shù)據(jù)推送到虹橋節(jié)點(diǎn)10槽RPM的YJCJ2 VRF實(shí)例中，并通過該VPN構(gòu)建的Share-MDT在公網(wǎng)上以（20.51.5.6，239.255.0.5）構(gòu)建的SPT進(jìn)行公網(wǎng)組播報(bào)文傳輸。當(dāng)公網(wǎng)組播報(bào)文被浦東機(jī)場(chǎng)10槽PE設(shè)備收到后會(huì)將其解封裝成原始的私網(wǎng)組播報(bào)文，并轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的接收CE，最終完成用戶私網(wǎng)組播數(shù)據(jù)在MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。

5 總結(jié)

民航空管信息業(yè)務(wù)IP化傳輸趨勢(shì)增強(qiáng)，MPLS VPN是民航ATM數(shù)據(jù)通信網(wǎng)為解決IPoA使用的主要技術(shù)，也是未來空管IP通信網(wǎng)中的主要業(yè)務(wù)應(yīng)用模式。在民航數(shù)據(jù)通信MPLS L3VPN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)組播將是雷達(dá)信息、場(chǎng)間監(jiān)視、視頻會(huì)議以及視頻監(jiān)控等民航業(yè)務(wù)信息廣播傳輸?shù)暮侠砀咝Ы鉀Q方案。通過本次民航ATM數(shù)據(jù)通信網(wǎng)組播VPN設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為民航業(yè)務(wù)組播和運(yùn)維奠定良好的基礎(chǔ)，也為民航業(yè)務(wù)發(fā)展提供可靠保障。

參考文獻(xiàn)

[1]Beau Williamson著，顧金星，張擁軍，南親良等譯[J].IP多播網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)開發(fā)（第1卷）Developing IP Multicast Networks Volume I，2005.

[2]佩皮賈克，蓋查德.MPLS和VPN體系結(jié)構(gòu)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

作者單位

北京天航信民航通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展有限公司 北京市 100000endprint