（信号与信息处理专业论文）宽带网络上的ip组播技术研究.pdf

摘要 随着i n t e r n e t 的不断发展，i n t e m e t 上的诸如网络电视、远程教育、电视会议 和协同合作等大规模多点内容分发业务变得日益重要。这些宽带多媒体业务的有 效实施依赖于能有效支持多点通信的p 组播技术的支持。婵组播是一种思想上 简单有效但实现部署却比较复杂的技术，本文以支持宽带多媒体组播应用为目 标，就q o s 组播路由算法、组播路由在各种新型宽带网络中的实现部署等方面 展开了研究。本文的主要工作如下： 1 针对目前的q o s 组播路由算法复杂度高，开销大的现状，提出一种高效的 解决q o s 限制代价优化问题的分布式组播路由算法。本算法改进了贪心式算法在 求解q o s 组播路由算法时存在的优化效率低问题，并充分利用了网络中已存在 的单播路由协议，来提出了个简单有效的分布式实现结构。分析和仿真表明本 算法和以前的几种算法相比，具有时延限制紧时成功率高，代价优化、性能稳定 的特点，并且算法的实现也非常简单。算法的这些特点使其特别适合于 n t e r n e t 上对时延要求严格的实时应用。 2 针对许多q o s 组播路由算法不能有效支持动态组成员的现状，提出了一 种简单有效的基于受限广播搜索的分布式q o s 组播路由协议来支持动态成员组 播。其基本思想是采用q o s 限制的广播来搜索满足q o s 限制的加入路径，并采 用多种措施来优化成功率、消息开销和加入时延等性能指标。分析和仿真表明， 本防议和其它同类协议比具有消息开销少、成功率高、路径建立时延短和性能稳 定等优点。并将其和前一种算法相结合，提出一个可扩展的层次结构的坤组播 模型，可以应用于媒体流分发和分布式数据库系统。 3 深入分析了m p l s 组播的关键技术，分析和比较了几种m p l s 组播方案： 然后提出了一个实现m p l s 组播的优化方案，并着重分析了其在基于a t m 的 m p l s 网络中的实现问题。 4 提出了一个结合r s v p 协议在m p l s 中支持多层组播的方案，以便在 m p l s 网络中有效支持各种宽带多媒体业务。详细介绍了方案的实现结构和设计 细节，包括如何将应用层、网络层和数据链路层技术有机结合来支持口网上的 新业务等。 5 为了更加有效的支持i p 组播，将i g m p 窃听、i g m p 代理和生成树协议 北京邮 u 大学申请博：e 学位论文 谢惜埘络上的i p 组播技术研究 相结合，提出了一个高效的、适应多种网络环境的口组播方案，可以用来指导 实现一款高性能的支持口组播的以太网交换机，以支持核心以太网络上的礤组 播。 6 利用接入以太网的可管理特点，提出了一个基于网管和动态v l a n 的接 入以太网组播方案。与其它的以太网组播方案不同的是，本方案以我们自行设计 的宽带接入网关为中心，充分考虑了q o s 、管理、安全和计费等问题，可以用 于商业化的公共接入网络环境。本方案综合了数据链路层、网络层和应用层的需 求和特点，不仅考虑了网络建设问题，而且考虑内容提供问题，是一个商业化的 多媒体组播业务接入框架。 关键词：p 组播，组播路由，q o s 组播路由算法，m p l s 组播， i g m p 窃听，接入以太网组播， 资源预留，受限广播 北京雌电大学申请博士学位论文 i i 宽带网络上的i p 组播技术研究 a b s t r a c t t h ei n t e r a c th a sw i t n e s s e dap h e n o m e n a lg r o w t ht h a th a si nt u mu n l e a s h e dt h e d e v e l o p m e n t o fn e w e ra n dm o r es o p h i s t i c a t e d a p p l i c a t i o n ss u c ha sn e t w o r k t e l e v i s i o n ， d i s t a n c e l e a r n i n g ，t e l e c o n f e r e n c i n g , c o l l a b o r a t i v ew o r k s p a c e t h e d e s i g n ， d e v e l o p m e n t ，a n do p e r a t i o no f t h e s en e wb r o a d b a n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sr c l yo n t h ei pm u l t i c a s tt e c h n o l o g y ，w h i c he n a b l et h ee f f i c i e n td e l i v e r yo f p a c k e t st om u l t i p l e d e s t i n a t i o n s a l t h o u g ht h ec o n c e p to fm u l t i c a s t i n gs e e m sv e r ya t t r a c t i v ef r o mt h e s u r f a c e ，i ti ss i g n i f i c a n t l ym o r e d i f f i c u l tt om a k ei tr e a l l yw o r kf o rt h ei n t e r n e ts e r v i c e p r o v i d e r s t h i st h e s i sm a k e s t h er e s e a r c hi nq o s m u l t i c a s t i n ga l g o r i t h m sa n de x p l o r e s st h ep r o b l e m se n c o u n t e r e dw h e ni pm u l t i c a s ts e r v i c ei sd e p l o y e di ns o m eb r o a d b a n d n e t w o r k ss u c h a s m u l t i p r o t o c o l l a b e l s w i t c h ( m p l s ) n e t w o r ka n d s w i t c h e d e t h e r n e tn e t w o r k a 1 lt h e s ee f f o r t sa i mt oe n a b l et h eb r o a d b a n dm u l t i m e d i am u l t i c a s t s e r v i c e t h ef o l l o w i n ga r ct h em a i nw o r kd o n eb yt h i st h e s i s 1 a ne f f i c i e n td i s t r i b u t e dm u l t i c a s tr o u t i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e dt h a tc a na l w a y s c o n s t r u c taq o s c o n s t r a i n e ds u b - o p t i m a lc o s tm u l t i c a s tt r e ei fs u c ham u l t i c a s tt r e e e x i s t s o u ra l g o r i t h ma v o i d sh i g hc o m p l e x i t ya n dl a r g eo v e r h e a d i t sm a i ni d e ai st o i m p r o v et h eo p t i m i z a t i o ne f f i c i e n c y o fu s i n gag r e e d ya l g o r i t h mt os o l v et h eq o s m u l t i c a s tp r o b l e m w ea l s ot a k ef u l la d v a n t a g eo ft h eu n i c a s tr o u t i n gp r o t o c o le x i s t e d i nt h en e t w o r kt oi m p l e m e n to u ra l g o r i t h m a sad i s t r i b u t e dm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 a n a l y s e sa n ds i m u l a t i o n sh a v e b e e nd o n et os h o wt h a to u ra l g o r i t h mh a sb e t t e r p e r f o r m a n c e t h a ns o m eo t h e re x i s t i n ga l g o r i t h m s ，e s p e c i a l l y u n d e rat i g h t q o s c o n s t r a i n t i nt e r m so fs u c c e s sr a t e ，t r e ec o s ta n ds t a b i l i t y t h ec h a r a c t e r sa b o v em a k e o k n a l g o r i t h m f i tw e l lt h eb r o a d - b a n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s i nt h ew i d ea r e a n e t w o r k sw h i c hh a v eas t r i c tq o sr e q u i r e m e n t 2 as i m p l eb u te f f e c t i v ed i s t r i b u t e dq o sm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l b a s e do n c o n s t r a i n e d f l o o d i n gh a sb e e np r o p o s e d t os u p p o r td y n a m i cm e m b e r s h i p ，w h i c hi sa r e a u i r e m e n t so f b r o a d b a n dm u l t i m e d i as e r v i c el i k ei p - t v t h i sp r o t o c o ls e a r c h t h ej o i n p a t hm e e t i n g t h eq o sr e q u i r e m e n tb yq o sc o n s t r a i n e df l o o d i n go f j o i nr e q u e s t s a n d m a n vm e t h o d sh a v eb e e nt a k e nt oo p t i m i z et h es u c c e s sr a t e ，m e s s a g eo v e r h e a da n d 北京1 l | 1 f l u 大学申请博士学位论文 i i i 墅坚塑：生些堡望塑垫查婴塞 j o i nd e l a yd u r i n gt h es e a r c hp r o c e s s a n a l y s e sa n ds i m u l a t i o n sh a v eb e e nd o n et o s h o wt h a to u rs c h e m eh a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a ns o m eo t h e re x i s t i n gp r o t o c o l si n t e r m so f m e s s a g eo v e r h e a d ，s u c c e s sr a t e ，p a t hs e t - u pt i m ea n ds t a b i l i t y f u r t h e r m o r e ， as c a l a b l eh i e r a r c h i c a li pm u l t i c a s t i n gm o d e li s p r o p o s e db a s e do nt h i sp r o t o c o la n d t h em u l t i c a s tr o u t i n ga l g o r i t h m p r e s e n t e di nt h ep r e v i o u ss e c t i o n t h en e wm o d e lc a n b ea p p l i e dt om e d i a s t r e a m i n g s e r v i c ea n dd a t a b a s e r e p l i c a t i o na p p l i c a t i o n 3 f i r s t ，w ed e l v ei n t op r o b l e m sr e g a r d i n gi n t e g r a t i o no fi p m u l t i c a s ti nm p l s n e t w o r k sa n ds o m ep o s s i b l es o l u t i o n sa r ea n a l y z e d t h ed e p l o y m e n to fs o m en e w i p m u l t i c a s tm o d e l sj nm p l sn e t w o r k si sa l s od i s c u s s e d t h e na l le f f e c t i v es c h e m eo f i m p l e m e n t i n g p i m s m m u l t i c a s t i n g i na r mb a s e dm p l sn e t w o r k si s g i v e n 。 f u r t h e r m o r e ，t h e a r c h i t e c t u r eo fal a b e l s w i t c h i n gr o u t e r ( l s r ) s u p p o r t i n g i p m u l t i c a s ti sd e s i g n e db a s e d o nt h em e c h a n i s m p r e s e n t e da b o v e ，a n di t sp r i n c i p l e si s d e s c r i b e d 4 as c h e m eo f s u p p o r t i n gm u l i t l a y e rm u l t i c a s ti nm p l s n e t w o r k sw i t hr e s o u r c e r e s e r v a t i o n p r o t o c o l i s p r e s e n t e d t or u n m a n yk i n d s o fb r o a d b a n dm u l t i m e d i a m u l t i c a s ta p p l i c a t i o n se f f e c t i v e l yi nm p l sn e t w o r k s t h ed e t a i l sr e l a t e dt ot h ed e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n a r ed i s c u s s e d ，w h i c hi n c l u d e st h em e c h a n i s mo fi n t e g r a t i n g a p p l i c a t i o nl a y e r ，n e t w o r kl a y e r ，a n dd a t a - l i n kl a y e r st e c h n o l o g yt oe n a b l et h en e w s e r v i c ei ni pn e t w o r k 5 a st h ei n c r e a s eo fm u l t i m e d i as e r v i c e s ，i pm u l t i c a s ti nm o d e me t h e m e ti s r e q u i r e dt os u p p o r tb y am o r ee f f i c i e n tw a yt h a nb r o a d c a s t i n g a ne f f i c i e n ts c h e m eo f m a k i n gu s eo fs p a n n i n gt r e ep r o t o c o l ，i g m ps n o o p i n ga n dp r o x y i n gi sd e s i g n e dt o p e r f o r m i pm u l t i c a s ti n s w i t c h i n ge t h e m e t ，a n dt h e i t e mo fi m p l e m e n t a t i o ni s d e s c r i b e di nd e t a i l s ot h i sp a p e rm a yb ead i r e c t i o no fi m p l e m e n t i n ga ne t h e m e t s w i t c ht os u p p o r ti pm u l t i c a s tw i t hh i g hp e r f o r m a n c ei nc o r ee t h e m e t n e t w o r k s 6 t h ei s s u e so fm u l t i c a s t i n gi na c c e s sn e t w o r kb a s e do ne t h e m e th a v eb e e n d e l v e di n t of o r t h e f i r s tt i m e ，a n da m u l t i c a s t i n g s c h e m eb a s e do nn e t w o r k m a n a g e m e n ta n dd y n a m i c v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ( v l a n ) h a sb e e np r o p o s e da n d i s i m p l e m e n t e di n o u rb r o a d b a n da c c e s sg a t e w a y o u rs c h e m ei s c h a r a c t e r i z e db y s t r o n gs e c u r i t y ，h i g hs c a l a b i l i t y ，a n dl o w c o s t ，i nw h i c hm a n yk e yp r o b l e m ss u c ha s 北京吣i u 大学申请博士学位论文 【v 宽带网络上的i p 组播技术研究 q u a l i t yo fs e r v i c e s ，o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ，s e c u r i t ya n db i l l i n ga r ec o n s i d e r e d a n di tc a r lb eu s e dt op r o v i d ec o m m e r c i a lb r o a d b a n dm u l t i m e d i as e r v i c e si np u b l i c a c c e s sn e t w o r kb a s e do ne t h e m e t k e y w o r d s ：i pm u l t i c a s t ，m u l t i c a s t r o u t i n g , q o s m u l t i c a s t r o u t i n g a l g o r i t h m ，m p l sm u l t i c a s t i n g ， i g m p s n o o p i n g ，m u l t i c a s t i na c c e s sn e t w o r k b a s e do he t h e m e t ，r e s o u r c er e s e r v a t i o n ，c o n s t r a i n e d f l o o d i n g 北京懈 b 大学申请博士学位论文 v 第一章绪论 1 1 研究背景 最早在d 网络中使用的传输方式是单播，在这种方式下，通信的双方采用 d i j k s t r a 提出的最短路算法或b e l l m a n - f o r d 算法f “g o r i t h “1 来建立点到点路由。用户 的数据沿着建立的点到点路由从一个终端发送到另个终端。这种工作方式对 些传统的应用服务，如电子自口件、w w w 服务和f r p 等具有非常好的工作性能。 但是随着网络技术的飞速发展，i n t e r n e t 的迅速普及，p 网络上承载的业务 类型越来越多，尤其是象会议电视、远程教学、远程医疗和网络电视等宽带多媒 体业务更是有着巨大的市场需求。这类业务的特征是在同一时间内会有多至成千 e 万的用户享受同- - n 务。在提供这些业务时，如果只依赖单传输模式，服务器 要把同一个数据包复制多次，就会有许多具有相同内容的数据流在网络中传输， 给服务器和网络都带来了极大的负载，不仅会影响传统的业务，其本身也不能扩 展到大规模应用。为此，产生了组播通信模式。 i p 组播的基本思想就是发送方只需对数据发送一次，由中间路由器节点将数 据包按需要复制成多份传送到不同目的地。这样即减轻了发送服务器的负担，又 防止了网络带宽的浪费，这是单播和广播等通信模式都无法达到的目标。坤组 播是传统口网络上一种增强的智能业务。因特网上p 组播的机制的实施使大规 模的宽带多媒体业务不再因为负载和带宽的限制而局限在传统的局域网范围之 内，而是扩展到整个i n t e m e t 上。2 0 0 3 年5 月，中国教育部高校防治“非典”科技 攻关视频会议依托中国教育和科研计算机网c e r n e t 成功地在全国8 个城市近 2 0 个单位同时举行。由于采用了坤组播技术，将能容纳的会议节点数目从原来 的几个提升到了1 0 0 多个。2 0 0 0 年5 月有1 5 0 万在线用户成功的收看了由美国 v i c t o r i a ss e c r e a t 提供的与电视节目同步播出的长达2 2 分钟的时装展示节目， 年多前，用户通过i n t e m e t 收看同类节目时，1 0 0 万用户中只有2 接八成功。 历经十余年，礤组播一直是研究的活跃领域，i e t f ( t h ei n t e m e te n g i n e e r i n g t a s k f o r c e l 和其它研究机构已经在这方面取得了一系列的研究成果，包括一些标 准化的算法和协议，有些已经被商业机构所采纳。但是，口组播技术在商 _ l k n 络上的真正普及仍然存在相当多的问题。m 组播业务的应用环境复杂，不同的 上层应用往往对口组播业务有不同的需求。当前的组播技术存在着以下几个 北京1 1 1 1 5 1 i 上火学申请博士学位论文 - i - 宽带网络上的i p 组插技术研究 主要问题： 一 q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) 保证问题。阻碍组播部署的一个重要的技术原因 就是对宽带多媒体业务等关键组播业务缺乏有效的q o s 支持。虽然这个 问题也存在于单播业务中，但组播业务中的这些问题更具有挑战性，至 今尚没有公认的较好的解决方案。这个问题包括q o s 组播路由问题、组 播拥塞控制问题和组播差错控制等问题。其中q o s 组播路由问题是其中 最为关键的一个问题，也是当前的研究热点。 一在各种新型网络上的实现部署问题。i p 组播技术提出至今已有十余年， 在l p 组播技术发展的同时，支持i p 的各种底层网络技术也得到了飞速 发展，如新型的交换式以太网络、支持多业务的m p l s ( m u l t i p l ep r o t o c o l l a b e ls w i t c h ) r f c 3 0 3 1 1 网络等都已成为重要的宽带l p 传输网络。那么， 这些新型的底层网络该如何支持l p 组播? 这一问题的解决对促进i p 组 播的发展有着无可比拟的重要意义。这些网络的网络节点本身大多具有 组播转发的能力，但不能为终端应用服务。关键是如何利用j p 组播技术 来管理节点本身的组播转发能力，以便在整个网络中提供基于i p 的组播 业务，从而使网络节点本身的组播能力真正为用户所用，以提升网络效 益。 组管理控制问题。对组成员的接入控制缺乏有效的措施，组播源的发送 控制也不容易实现，组播流量分布也不容以得到监测，这些问题都容易 导致组播业务容易遭受攻击，或被窃取和滥用，甚至造成整个网络的拥 塞，从而影响其它业务。组管理控制问题是大多数网络运营者不愿意部 署组播的一个非常重要的原因。 和具体应用相关的问题。组播应用的运行机制一般都比较复杂，出现了 一些典型的和组播应用相关的问题：如有的应用需要各成员同步或其它 公平目标，而各成员的网络状况和终端处理能力往往各不相同，这给实 现成员之嚼的公平性带来了困难。另外，不同的应用的可靠性也有需求 不同，如数据库复制分发需要严格的差错控制，而多媒体播放只需要部 分差错控制，但要求具有实时性。所有的这些问题导致无法采用一个统 一的机制来满足各种组播应用的需求，这就增加了开发组播应用的难度。 北京b 大学申请博= e 学位论文 宽带网络上的i p 组播技术研究 虽然在上述各方面都已经有许多研究工作在进行，也取得了一定的成果，但 实现复杂，不能扩展到支持大规模组播应用是阻碍已有的解决方案在i n t e r n e t 上广泛部署的主要原因之一。基于邛组播应用的复杂性和艰巨性，在对口组播 技术进行深入研究之前，必须先弄清楚如下两个问题：( 1 ) n 底什么样的业务最 需要殚组播的支持? ( 2 ) 网络层需要在多大程度上提供对组搔的支持? 基于对 i p 组播技术的发展分析，本文作者认为，目前最需要组播支持的业务是大规 模宽带多媒体业务：其它各种小规模的多点分发业务通过单播或者一些其它的多 点分发模型来进行反而会更加有效。p 组播需要增加网络层的智能，但网络层 的任何业务都不能过于复杂，本文作者认为网络层只需要提供对p 组播的路由 管理功能，其它的如拥塞控制和差错控制、成员的异构性问题都可以在传输应用 层来解决。 1 2 论文研究目标和创新点 针对上述问题，本文以支持宽带多媒体组播应用为目标，就q o s 组播路由 算法、组播路由在各种新型宽带网络中的实现等方面展开了研究。和许多其它同 类的研究工作相比，本文的研究工作更加致力于效率的提高、可扩展性和可实现 等方面，因为正是这些因素阻碍了组播技术的发展。本文的主要工作和创新点有： 1 针对目前的q o s 组播路由算法复杂度高，开销大的现状，提出一种高效的 解决q o s 限制代价优化问题的分布式组播路由算法。本算法改进了贪心式算法在 求解q o s 组播路由算法时存在的优化效率低问题，并充分利用了网络中己存在 的单播路由协议，来提出了一个简单有效的分布式实现结构。算法的主要思想是 在广播搜索的基础上加入各种有效的限制搜索措施，并充分考虑q o s 需求和防 止循环问题。分析和仿真表明本算法和以前的几种算法相比，具有时延限制紧时 成功率高，代价优化、性能稳定的特点，并且算法的实现也非常简单。算法的这 些特点使其特别适合于i n t e r n e t 上对时延要求严格的实时应用。 2 针对许多q o s 组播路由算法不能有效支持动态组成员的现状，提出了一 种简单有效的基于受限广播搜索的分布式q o s 组播路由协议来支持动态成员组 播。其基本思想是采用q o s 限制的广播来搜索满足q o s 限制的加入路径，并采 用多种措施来优化成功率、消息开销和加入时延等性能指标。分析和仿真表明， 本协议和其它同类协议比具有消息开销少、成功率高、路径建立时延短和性能稳 北京邮乜火学申请博士学位论文 一一一一查堂堕垒占堕堡垒垫垫查堡窒 定等优点。并将其和前一种算法相结合，提出一个可扩展的层次结构的i p 组播 模型，可以应用于媒体流分发和分布式数据库系统。 3 深入分析了m p l s 组播的关键技术，分析和比较了几种m p l s 组播方案； 然后提出了一个实现m p l s 组播的优化方案，并着重分析了其在基于a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e r m o d e ) 1 3 6 1 的m p l s 网络中的实现问题。 4 提出了一个结合r s v p 协议【8 8 ”9 】在m p l s 中支持多层组播【8 1 的方案， 以便在m p l s 网络中有效支持各种宽带多媒体业务。详细介绍了方案的实现结 构和设计细节，包括如何将应用层、网络层和数据链路层技术有机结合来支持球 网上的新业务等。 5 为了更加有效的支持p 组播，将i g m p 窃听【1 0 m 9s n 0 0 9 1 、i g m p 代理【1 g ”9 “。1 和生成树协议相结合，提出了一个高效的、适应多种网络环境的口组播方 案，可以用来指导实现一款高性能的支持口组播的以太网交换机，以支持核心 以太网络上的口组播。 6 利用接入以太网的可管理特点，提出了一个基于网管和动态v l a n 的接 入以太网组播方案。与其它的以太网组播方案不同的是，本方案以我们自行设计 的宽带接入网关为中心，充分考虑了q o s 、管理、安全和计费等问题，可以用 于商业化的公共接入网络环境。本方案综合了数据链路层、网络层和应用层的需 求和特点，不仅考虑了网络建设问题，而且考虑内容提供问题，是一个商业化的 多媒体组播业务接入框架。 1 。3 论文结构 本文的内容安排如下，全文分为6 章： 第一章介绍了口组播技术的起源、发展和存在的问题，阐述了论文的研究 目标和创新点，并且概述了整个论文的框架。 第二毒对d 组播技术进行了综述。介绍了p 组播模型，口组播路由的原 理，并从i p 组播应用的总体出发，介绍了p 组播中的各种关键技术的发展现状。 第三章主要研究了可扩展的q o s 组播路由算法问题。在4 1 节先对q o s 组播 路由算法进行综述，分析现状和问题；然后分别在4 2 节和4 3 节提出了两种适 合于不同场合的有效的q o s 组播路由算法。在4 4 节，我们把这两种算法结合 在一起提出了一个可扩展的层次口组播路由模型a 北京“电大学申请博士学位论文 宽带网络上的i p 组播技术研究 第四章主磐是分析和解决m p l s 上的坤组播问题。4 2 节深入分析了m p l s 缀搔瓣关镶技术，4 ，3 节分孝厅秘毙较了a 耪m p l s 缝淫方案，然嚣在4 。碡节提爨 了一个在基于a t m 的m p l s 网络中实现p i m - s m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n t m l i t i e a s t s p a r s em o d e ) 【p 戳一s 蚓缰撵静方案。农4 5 节摄岛了蘩l 霜r s v p 在基予 a t m 的m p l s 网络中支持多层组播的方案。 第五章集中讨论交抉式强太丽上静强组槽闻题。筲先麓要分析交换式以太 网技术，然后对交换式以太网上的母组播问题进行分析。在5 ，3 节分析比较了 目前的稠关工作，然后提出了核心以太网上的i p 组播方案( 5 4 节) 和接入以太湖 上的搿缝援方褰洛5 节) 。 第六章对所作的工作进行了简要的总结，井对未来的研究作了展望。 此京都也入学串诸博：b 举畿论文 童笪堕! ! ：! 堕! 塑塑垫查婴壅 第二章i p 组播 本章从i p 组播应用的总体出发，介绍了i p 组播中的各种关键技术的发展现 状。 2 1 基本l p 组播模型 组播是一种点对多点的通信模式，数据包由网络分发，而不是通过终端复制 来分发( 图2 1 ) 。i p 组播定义了一个高效分发数据的模型： 图2 1 组播数据分发 一定义了一个组地址( i p v 4d 类地址2 2 4 0 0 0 - 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ) 表示一 个组，即代表多个参与者之间的一个会话( s e s s i o n ) 。 - 任何主机可以在任何时候利用信令告诉路由器它希望加入( 或退出) 哪 一个组。 -发送者使用组地址发送数据，无需知道任何有关组成员的信息。发送者 可以不是该组成员。 网络内路由器利用组播路由协议建立一棵从发送者分支出去的组播分发 树，它延伸到所有的、其中至少有一个组成员的网络中。利用这个分发 树，路由器把那些寻址到组播组的i p 分组转发到具有组成员的网络中。 这是一种按需转发数据的模式，它比广播或者多单播更加有效。 i p 组播最不同于单播的地方在于： 1 1有多于两个的成员参与会话，成员会动态加入或离开会话，各成员的 需求也不尽相同。成员的这种动态性( d y n a m i s m i nt h er e c e i v e rs e t ) 和异构性( r e c e i v e r h e t e r o g e n e i t y ) 导致组播应用的实现要比单播复杂 得多。图2 2 给出了一个基本口组播模型的协议栈。 2 1组地址分配问题。组地址是一个逻辑的地址，对应着应用会话，目前 缺乏有效的地址分配机制。而单播口地址对应着实际的物理网络位 置，有严格的分配机制。1 个口组播地址实际上是一群单播口地址 北京邮i il 火学申请博：匕学位论文 6 的集合。 口 【o h c p r e e a b m a a a s d p r t p ， t a n a d n s ：手m u l t i c a s t g l o 尸s a pjr t c p ：鼻 t c p ，u d p2 u d p l 竺匿i竺 j o s p f r j p 辫 引m m p i m - d m 。r pl r i p 0 8 p f 图2 2i p 组描协议栈和单插协议栈 需要i p 组播的业务大多也同时需要q o s 保证。组播业务的q o s 要求除了 和荦播类似的带宽、时延和丢失率之外，还有属于树约束一类的问题，如接收者 时延变化差异，异构q o s 等。同单播一样，组播业务的端到端q o s 保证需要不 同层的协议一起配合解决。在传输应用层需要组播拥塞控制和组播差错控制；在 网络层需要q o s 组播路由配合基于差异化服务 d s 和预约服务 i s 的资源管理， 在链路层需要各种链路调度技术。下面介绍理组播和q o s 相关的一些关键技术。 2 2i p 组播路由 i p 组播中最基本的协议是负责主机和网络之间的信令的i n t e r n e t 组管理 协议i g m p ( r f c 2 2 3 6 、 i g m p v 3 ) 和组播路由协议。论文第五章对i g m p 协议 进行了详细介绍，下面对组播路由算法和协议进行介绍。 2 2 1 组播路由原理 在基本m 组播模型中，组播路由是接收方驱动的，正如 b e a u s 的作者所说 “i p 组播路由选择是颠倒的”，即它更关注的是信息来自何方，而不是流向何 方，这是职组播路由的一种基本思想。口组播路由不仅依赖于网络的拓扑结构 还依赖于组成员的分布，以下因素使得组播路由比单播路由复杂： ( 1 ) 成员的 动态变化和异构性，( 2 ) 组播转发需要路由器检查多个目的地址，进行转发决 策h 寸，为了避免分组的不必要复制，组播路由器使用数据报的源地址和目的地址。 组播包在网络中经过的路径形成了一棵组播分发树，组播路由的实质就是组播分 北京b 人学申i i | f 博b 学位论文 壅堂璺坚圭竺堡塑楚垫查婴塑 发树的生成和维护过程。组播路由器生成和维护组播树主要谢2 个过程：( 1 ) 拓挣发现( t o p o l o g yd i s c o v e r y ) ， 2 ) 了勰鳃戏爨关系( l e a m i 鑫gg r o u p m e m b e r s h i p ) 。 籀努发璐：要影藏缀撬褥，缓搔鼯密器磐矮怼瓣络菸棼旃繇了黪，不潜豹缝 播路由协议通过不同的机制达到此目的：有的协议内建象单播一样的路由选择 表；有的协议晕| j 用路癌器磊肖的路盘寝，螽革撵路崮协议的滔由表；还有的协议 本身就是对成单播路由协议的扩展， 了解组成员关系：组播转发时，路由器迸必须了解各接口是否有缀成员可达。 不周的缓撵鼹自踟议通过不瓣的极割达到此爨黪：鸯的组播路由协议采魇扩教与 剪枝( f l o o da n dp r u n e ) 机制来让路幽器记隹成员关燎；有的协议有特定的成员 逶告滚怠；蠢鲍协议涮震显式熬入撰篷。 2 2 2 组播分发树与组播转发 组播分发树( m u l t i c a s td i s t r i b u t i o nt r e e ) 有两种基本类型：商源树s p t ( s h o r t e s t p m h t r e e ) 秘共享撼( s h a r e d t r e e ) 。在有源楗上，踌圭器邋过为每个数据源维 护( 源地址s 掘地址g ) 状态来从源分发数掭给所有接收者。有源树的特点燧时 延短，僵路囊器需要保存戆状态多。在共事樾上，爨裹爨维妒每个缝( ，缓夔煞蛙 g ) 状态，数据从一个指定的树根节点( r p ) 流向所有接收节点。共事树的特点 是袋滔显式鸯秘入模墅，转发状态乡， 基源裂撩投者豹辩廷壤翔，数疆流集中。共 享树可以分为单向和双向两种。在双向共享树中，组播信息流可以经过也可以不 经过共享橱发送到所有的接收站点。荦向共攀祷只允许信息飘共享掰的被发送至日 接收媾点。为此，缀攘信息的源必缀采取一烂手段使根先得至q 信息。 缀播分发树的形成有数据驱动和需求驱动两种模式。所谓数据驱动就是采用 扩敷与剪鼓舞法，繁一个缠攘分组拔r p fr - 援到艨窍路由嚣压再剪棱没煮成员 可达的路由器。与数据驱动相对应的是需求驱动模式。为了谶免进彳亍广播，赢到 菜个潞径上蠢主瓿鸯籍入缀援经，方漤该爨镘转发数豢摄。 为了避免分组的煎复转发，组播转发一般采用逆向路径转发r p f ( r e v e r s e d p m h f o r w a r d i n g ) 梳铡( 萄2 3 ) ，其算法如下：当一个组撬分缀弱这耱由器稳一个 接口时，如果这个接口是本路由器用于向组掇包发邀者发送单播分缎的接口，那 么把这个分缀转发到所有其它的接翻上。否剿，丢弃该分组。r p f 算法有效的前 北京都电太学率请博士学位论交 宽带网络上鹪i p 组播技术研究 提是链路的对称性( s y m m e 仃y ) 。 s 黔) 国判s 【r p ) 确最斑龉t 往碉定组祷节点只转发i i f 来昀组 组播节点的输入端口i i f播数据包 銎2 0 逆彝踌经转麓r 豫 2 2 3 组播路由算法 组播路出就是掖据阿络拓扑、两络状态来构造一鬏优化目标函数静组播树； 对于q o s 组播路由，就是进一步加入了限制祭传。优化目标瞬数是指按照某葺申 形式使组播树代价最小；而限制条件可分为两类：链路限制( 如带宽需求) 和树 限制。楗曝刽又可进一步分为嚣类：多曩组合隈剑( 虹源到蹰蠢接收者鸵端到蠛 时延限制) 和辩目差舅界限( 如接收者之间的时延抖动) 。文献 w a i l g b i n s 根 据傀纯臣派霹瓣裁条 串对簿有路交淹甏遴嚣了蕊缝，劳指出是番 p 一竞金。缱溪 的约束条件下目标优化的q o s 路由问题一般都是n p - 宪全，即在多项式时间内 不可解，所以这方嚣的算法大多是癌发崴匏( h e 证s t i c ) ，潞蠹计算是集中式静。 w a n g b m s 1 根据算法能解决哪一类问题对目前所提出的算法进行了分类，主 要有最短路径树( s e s t p a m t r y ) 、最小二叉树( m i n s p a n n i n g t r e e ) 、 艇特纳楗( s t d 魏留t r e e ) 和约窳斯特绒挝( c o n s 鼬e d s t e i n e r t r e e ) 等。盾两种 是n _ p 一完全的，目前大多数邋方面的箨法集中在代价翱时