（信号与信息处理专业论文）基于forces路由器的pimsm研究及实现.pdf

浙江工商大学硕十研究生学位论文 基于f o r c e s 路由器的p i m s m 研究及实现 摘要1 为了更好的满足下一代网络开放性的要求，国际互联网工程任务组( i e t f ) 路由领域的f o r c e s 工作组，提出了转发件( f e ) 与控制件( c e ) 物理上分离 的开放可编程路由器体系结构；i p 组播技术实现了i p 网络中点到多点的高效数 据传送，其能够有效地节约网络带宽、降低网络负载，在众多组播路由协议中， p i m s m 防议脱颖而出，成为广泛被支持的组播路由协议。 本文通过分析p i m s m 协议的工作原理以及p i m s m 的特点，提出了在基于 f o r c e s 架构的路由器下将p i m s m 协议功能进行分割的方法，同时为了使得 p 1 m s m 能正常完整运行，提出了基于f o r c e s 事件机制的p i m s m 状态维护方 法，在不违背协议规范整体要求的基础上，为了实现协议的高效运行，还对k a t 、 s p t b i t 、声明消息处理等事件的产生方法进行了改进。依据f o r c e sf e 模型，本 文还对与组播相关的两个l f b 进行了建模：p i m s ml f b 及通用组播转发l f b ， 其中通用组播转发l f b 完成组播数据包的拷贝及二层头封装等功能，该l f b 为 组播系统所必须；p i m s ml f b 完成p i m s m 组播路由管理及查找功能，是实现 p i m s m 协议时f e 中存在的l f b 。 在对上述问题研究分析的基础上，本文还提出了一个在f o r c e s 路由器上实 现p i m s m 的详细设计方案。最后，通过实验验证了这几个关键技术问题解决方 法及两个l f b 建模的正确性以及p i m s m 设计方案的有效性。 关键词：f o r c e s ，路由器，l f b ，p i m s m 。资助壤目：国家自然科学基金项目“转发件和控制件分离( f o r c e s ) n 络体系结构及关键技术研究” ( 6 0 5 7 3 1 1 6 ) ；国家自然科学基金项目“松散耦台型分布式路由器的若十关键技术研究” 6 0 6 0 3 0 7 2 ) ；浙江省 科技厅重点科研项目“基于开放可编程结构的新一代路由器的开发”( 2 0 0 5 c 2 1 0 1 3 ) ；浙江省教育厅高校科 研计划重点项目“基于f o r c e s 结构的分布式路由器的关键技术研究”( z 0 6 6 2 ) 。 浙江工商大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a l i o no fp i m - s m p r o t o c o lo nf o r c e sr o u t e r a b s t r a c t t ob e t t e rs a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fo p e n b i l i t yt on e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) ，f o r c e sw o r k i n gg r o u pi ni e t fr o u t i n ga r e a ，h a sp r o p o s e d a l l o p e n p r o g r a m m a b l er o u t e r sa r c h i t e c t u r ew i t ht h ep h y s i c a ls e p a r a t i o no ft h ef o r w a r d i n g e l e m e n t ( f e ) a n dt h ec o n t r o le l e m e n t ( c e ) i pm u l t i c a s tt e c l m i ei m p l e m e n t st h ed a t a t r a n s f e rf r o mo n ep o i n tt om u l t i - p o i n t ，w h i c hc a ns a v et h en e t w o r kb a n d w i d t ha n d d e c r e a s et r a f f i c p i m - s mi sam u l t i c a s tr o u t ep r o t o c o lw h i c hh a sb e e na p p l i e dw i d e l y am e t h o dt od i v i d ep i m - s mf u n c t i o n sh a sb e e np o tf o r w a r du n d e rt h ef o r c e s a r c h i t e c t u r e ，t h r o u g ha n a l i z i n gt h ep r i n c i p l ea n df e a t u r e so fp i m s m a tt h es a m e t i m e , t ol e tt h ep i m s mw o r kc o r r e c t l y , m e t h o dt om a i n t a i nt h es t a t e so f p i m s mh a s b e e np r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nf o r c e se v e n tm e c h a n i s m t oi m p r o v ep i m s m s w o r ke f f i c i e n c y , w ea l s om e n dt h ew a yt og e n e r a t et h ee v e n t s ，s u c ha s ：k a ts e t t i n g , s p t b i tu p d a t i n ga n da s s e r tp r o c e s s i n g t w ol f b sw h i c ha l ec o n c e r n e dw i t l lm u l t i c a s t h a v eb e e nm o d e l e da c c o r d i n gt h ef o r c e sf em o d e l t h a ya r ep i m s ml f ba n dt h e g e n e r a lm u l f i c a s tf o r w a r d i n gl f b ( g m f l f b ) 。t h eg m f l f bi m p l e m e n t sc o p y i n g a n dl 2c a p s u l a t i n gf u n c t i o n sf o rt h em u l t i c a s tp a c k e t s ，a n di tm u s te x i s i ti f t h es y s t e m s u p p o r t sm u l t i c a s tf o r w a r d i n g p i m s ml f bi m p l e m e n t sf u n c t i o n so f m u l t i c a s t r o u t em a n a g i n ga n ds e a r c h i n g , a n di tm u s te x i s i ti ft h es y s t e ms u p p o r t st h ep i m - s m p r o t o c 0 1 ad e t a i l e dd e s i g ns c h e m et oi m p l e m e n tt h ep i m - s mo nf o r c e sr o u t e rh a sb e e n r a i s e do nt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n g f i n a l l y , t h ec o r r e c t n e s so ft h e s o l u t i o n sf o rs o m ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m sa n dt h et w ol f b s ，t h ev a l i d i t yo ft h e d e s i g ns c h e m ea l lh a db e e nv e r i f i e db y t h ee x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：f o r c e s ，r o u t e r , p i m s m ，l f b 渐扛工商大学硕士研究生学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律和学术责任由本 人承担。 学位论文作者签名罗h 零修l 日期：j 净月必目 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解浙江工商大学有关保留、使用学位论文的规定：浙 江工商大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 虢前耋唬 日期：渺 年阴羽 导师签名：0 7 豸妙导师签名：匕巍弓n 浙江工商大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一节课题背景 一、f o r c e s 及f o r c e s 技术 开放可编程的体系结构是当今信息技术领域研究的重要内容之一，也是今后 技术发展的一个重要方向。开放可编程网络的概念是基于对下一代网络的开放 性、扩展性、可编程性的要求而提出的【l 】。按照开放可编程的基本思想，路由器、 交换机等网络通信节点的资源应是通过标准化接口开放可编程控制的。 f o r c e s ( f o r w a r d i n ga n dc o n t r o le l e m e n ts e p a r a t i o n ) 2 1 是i e t f 路由领域的 一个工作组，专门研究开放可编程路由器体系结构和协议问题，是当前开放可编 程网络研究最受关注的研究组织之一。它的基本思想是：把路由器分成转发平面 ( 数据平面) 的f e ( f o r w a r d i n ge l e m e n t s ，转发单元) 和控制平面的c e ( c o n t r o l e l e m e n t s ，控制单元) ，并认为路由器可由多个( 可达几百个) f e 、c e 以及连接 他们的f o r c e s 协议构成；但从外部看，路由器还是网络的基本构件：网元 ( n e t w o r ke l e m e n t ) 。f o r c e s 工作组致力于确定一个框架和相关的协议来规范 c e 和f e 之间的信息交换，形成一个标准的机制使c e 和f e 成为物理上分离的 标准组件【3 1 。 f o r c e s 框架【4 】中详细定义了f o r c e s 的体系结构，其框图如图1 1 。 c e 与f e 间f p 参考点的f o r c e s 接口( f o r c e s 协议1 5 】运行于该参考点) 包 含两个部分：p l ( p r o t o c o ll a y e r ) 层和t m l ( t r a n s p o am a p p i n gl a y e r ) 层，其中 p l 层是f o r c e s 协议层，t m l 层为p l 层传输消息服务，其关注的是如何获得 传输的可靠性、拥塞控制、多播以及排序处理等问题。f o r c e s 工作组已经提交 了基于t c p i p 网络t m l 标准草案【6 】。 f o r c e s 协议工作于主从模式( 其中c e 为m a s t e r ，f e 为s l a v e ) ，c e 与f e 间的信息交换包含两种通道，其一为控制消息交互的控制通道，包含l f b 配置 信息、协商建立以及状态与事件通知等命令；其二为传输外部协议数据包的数据 浙江工商大学硕士研究生学位论文 f p ：c e - f e 接nf i ：f e - f e 接口 f t c e - c e 接f c ：c em a m g e r - c e 接口 f f i em a n a g e r - f e 接口 h ：c em a n a g * f e m a n a 蚪接口 f i f ：f e 外部接口 图1 1f o r c e s 结构模型 通道，如路由数据包等。如果t m l 层为以太网，则控制通道可采用t c p 传输， 而数据通道可采用u d p 或d c c p 传输【6 】。 f o r c e s 工作组还在f o r c e s 协议框架下提出了f o r c e sf e 模型【7 】，以反映 f e 的能力、状态以及对其进行的配置等操作。f e 模型包括三部分内容：每个独 立的l f b ( 逻辑功能块：l o g i c a lf u n c t i o n a lb l o c k ) 模型，l f b 间的拓扑结构， 与f e 整体相关的属性。f e 模型还定义了在f o r c e s 协议下c e 与f e 间基本的 信息交换单元。 有了标准的约束，c e 和f e 可作为独立的标准部件去开发，这样，设备开 发商可以专注于个别部件的设计与实现。有了协议规范，系统开发商可以将不同 厂商的部件有机地集成为完整的路由器。控制平面和转发平面的开发商可以更好 地进行技术创新而仍然保持良好的互操作性。 交换结构背板 ( a ) 路由器配置示例i ( b ) 路由器配置示例2 图1 - 2c e 和f e 组成路由器的配置示例 2 浙江工商大学硕士研究生学位论文 来自不同厂商的c e 和f e 可以在f o r c e s 框架下集成起来，图1 2 是配置成 路由器的示例。 c e 实现的功能包括：管理c e 及f e 的各种属性，对f e 中l f b 的间接管理， 如获取当前运行的l f b 的状态、对l f b 的各种配置操作等，c e 还实现各种其 它应用控制功能( 如各种路由协议、r s v p 及m p l s 信令等) ；f e 主要实现：路 由表的查找及数据包的转发，各种数据包处理l f b 的实现( 如：分类l f b 、d s c p l f b 等) ，对各种l f b 的直接管理，对其它控制功能的底层支持( 即实现相应控 制功能的l f b ，如：p i m s ml f b 等) 。 二、i p 组播技术 近几年来，随着网络技术的飞速发展，网络带宽的不断增加，许多新的多媒 体应用开始涌现，例如视频、音频会议，视频点播等等，我们会发现这些都涉及 一个共同的话题：i p 组播技术。随着骨干网带宽的增加，因特网视音频的广泛 应用成为可能。随着小区网络中视音频应用的不断丰富，以及种种依赖于组播 技术才能实现的应用的出现，越来越多的设备供应商在其产品中增加了对组播技 术的支持。i p 组播技术虽然已经出现了很长时间，但这还仅仅是i p 组播时代的 开始。随着与组播相关的技术不断进步和完善( 如与组播相关的协议研究、对组 播业务的管理、组播安全的研究等等) ，可以肯定m 组播将会得到更加广泛的应 用，它将是从w w w 技术推广以来出现的最激动人心的网络技术之一。 i p 组播是指在口网络中将数据包以尽力传送( b e s t - e f f o r t ) 的形式发送到网 络中的某个确定节点子集，这个子集称为组播组( m u l t i c a s tg r o u p ) 邛】。i p 组播 的基本思想是，源主机只发送一份数据，这份数据中的目的地址为组播组地址； 组播组中的所有接收者都可接收到同样的数据拷贝，并且只有组播组内的主机 ( 目标主机) 可以接收该数据，网络中其它主机不能收到。组播组用d 类i p 地 址( 2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ) 来标识。 目前致力于组播研究的国际研究组织很多，其中i e t f 下属的组播工作组【9 】 有：i d m r f i n t e r - d o m a i nm u l t i c a s tr o u t i n g ) 、p i m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t ) 、 m s e c ( m u l t i c a s ts e c u r i t y ) 、r m t ( r e l i a b l em u l t i e a s tt r a n s p o r t ) 、m a g m a ( m u l t i e a s t & a n y c a s tg r o u pm e m b e r s h i p ) 和s s m ( s o u r c e s p e c i f i cm u l t i e a s t ) 。i d m rt 作组致 3 浙江工商大学硕士研究生学位论文 力于完成域间的组播路由( 该工作组现己废除，大部分工作移交到了m a g m a 工作组) ；p i m t l 0 j 工作组主要研究域内组播路由；m s e c i 1 7 作组主要研究组播 安全方面的内容，保证只有合法成员才可以得到组通信内容，合法的组成员可以 进行源认证和内容认证、抵抗拒绝服务攻击、组密钥管理和组策略管理：r m t t l 2 1 工作组负责可靠组播传输的标准化工作；m a g m a ”1 7 作组研究组播和任播 ( a n y c a s t ) 机制，其中涉及组播成员的认证、访问控制等等，这一点与m s e c 工作组的工作类似；s s m t l 4 工作组负责定义特定信源组播机制。这些工作组的 分工不是十分明确，比如负责组播安全的m s e c 通常需要与具体实现安全的 i p s e e 等工作组交融，与诸如p i m 、r m t 、i d r m 、m a g m a 工作组进行联系。 总体上，根据这些工作组的分工可以将组播的研究领域大致分成：组播路由、安 全组播、可靠组播和特定源组播。 由于i p 组播技术是一项很实用的技术，除了上述一些国际组织外还有众多 的厂商和i n t e r n e t 业务提供商参与推动这项技术的发展。他们还成立了一个论坛 型的组织“i p 组搔倡议组织( i p m l ：i pm u l t i e a s ti n i t i a t i v e ) ”。成员包括差不多所 有全球主要的网络设备厂商、不少电信运营公司和i s p ，如c i s c o 、朗讯、3 c o m 、 i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、h p 、阿尔卡特、a t & t 、s p r i n t 等几十家。他们共同致 力于p 组播协议标准的开发、应用、推广、项目实施和互通。 在m 组播通信中需要完成两个方面的基本工作：组播成员如何加入组播， 如何将组播信息路由到每个接收者。这样就产生了两类基本协议：组管理协议和 组播路由协议。 i g m p ( i n t e r n e t g r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 1 5 1 用于主机与边缘组播路由器 之问。主机使用i g m p 消息通知本地的边缘组播路由器它想加入的组，即通知相 应组的组播地址。组播路由器通过i g m p 协议来维护一个组播成员列表，并且 定期发送“成员询问”消息来探寻表中的各个成员是否仍然存在。在i g m p v 2 及i g m p v 3 中，增加了退出通知这一功能。 ，一旦组播路由器知道了所在域存在组播成员，就可以通过组播路由协议来决 定是否加入到相应组通信中，即是否进入组播的转发树中。此时需要组播路由协 议，它运行于组播路由器之间，负责构建转发树和路由组播包。按照组播路由协 议使用的范围可以分为域内组播路由协议和域间组播路由协议。其中域内组播路 4 浙江工商大学硕士研究生学位论文 由协议包括d v m r p ( d i s t a n c ev e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l ：距离向量组播 路由协议) 【1 6 1 、m o s p f ( m u l t i c a s to p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ：最短路径优先组播) 【埘、p i l v i s m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t - s p a r s em o d e ：稀疏模式协议无关组 播) 【1 0 】1 1 8 】【1 9 】【2 0 】、p i m d m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t - d e n s em o d e ：密集模 式协议无关组播) 1 0 l 【2 1 1 和c b t ( c o r eb a s e dt r e e s ：有核树) 【2 2 增；域间组播路 由协议包括m b g p ( m u t i c a s tb o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l ：组播边缘网关协议) 】、 p i m s m v 3 等。 为了将组播数据传送到所有的组成员，组播路由器之问需要建立和维护组播 转发树。因此如按照构建转发树方法的不同又可以将组播路由协议分成有源树和 共享树协议。有源树协议需要为同一个组播会话中的每个组播源构建一个最短路 径组播生成树；而共享树协议需要在网络中选取某一点作为公共的根节点，然后 再构建一棵生成树，各个组播会话的组播数据均沿着一个公共的转发树发送。显 然，有源树协议的构造、维护代价比较大，但是传输过程中每个组播源都可以获 得自己最佳的传输路径。 p i m s l v l d m 域内之m d v 。m 。阡r p l c b t ( 域问之麓胼 l 洲s m 订 黼 t p 隰i m - s 嵩m 邮 图1 3 组播路由协议的划分 d v m r p 是第一个在m b o n e ( 组播试验床) 上得到普遍使用的组播路由 协议，它是一个洪泛剪枝协议。d v m r p 在r i p 协议的基础上扩展了组播功能。 与r 1 p 协议不同的是，r i p 计算路由器到目的地的最佳下一跳，而d v m r p 根据 路由器到源方向的上一跳的信息来构建转发树。d v m r p 协议首先通过发送探测 消息来发现邻居，然后通过路由交换来进行路由选择和确定上下游依赖关系。 p i m - d m 使用“扩散与剪枝”机制来建立和维护转发树。路由器周期性地 发送h e l l o 消息，以发现相邻的p i m 路由器，并且负责在多路访问网络中选举指 定路由器，然后根据单播路由表的信息来确定上下游依赖关系。p i m d m 与 5 树 树 源 享 有 共 厂l 路议播协 组由 厂1 路议播协组由 浙江工商大学硕士研究生学位论文 d v m r p 十分类似，均属于密集模式，总是假定在子网上有接收者，当组播源第 一次发送组播报文时，使用t r p b 算法沿着源的组播转发树向下转发组播数据 包。 p i m s m 适应于稀疏模式的网络模型，与密集模式不同，其总是假定在子网 中都没有组播信息的接收者，缺省不向网络中转发组播信息，除非有一个显示的 加入机制来专门申请，否则组播信息不会被传送到接收站点。p i m s m 不但支持 域内组播路由，p i m s m v 3 版本还支持域问组播路由。 m o s p f 是o s p f 协议的一个扩展，它通过o s p f 路由表来获得网络拓扑。 m o s p f 路由器除了进行组播路由选择外，还要进行正常的o s p f 单播路由选择。 像o s p f 一样，m o s p f 也是使用层次路由，包括区内组播路由、区间组播路由、 自治系统间组播路由。 一种流行的组播体系结构是基于i g m p 、d v m r p 、p i m s m 、m o s p f 、和 m b g p 这些协议构建的。 第二节国内外研究现状 一、f o r c e s 及f o r c e s 路由器 i e t ff o r c e s 工作组已经完成了f o r c e s 需求( r f 0 3 6 5 4 ) 和f o r c e s 框架 ( r f c 3 7 4 6 ) 的制定。当前的工作重点是制定f o r c e sf e 模型和f o r c e s 协议。 f o r c e s 协议草案在2 0 0 4 年初才由g r m p ( g e n e r a lr o u t e rm a n a g e m e n tp r o t o c o l ， 通用路由管理协议) 、f a c t ( f o r w a r d i n ga n d c o n t r o l e l e m e n t p r o t o c 0 1 ) 和n e t l i n k 2 ( n e t l i n k 2a sf o r c e sp r o t o c 0 1 ) 三个候选协议合并产生。现f o r c e s 协议为第8 版本的草案，f o r c e sf e 模型为第7 版本的草案，这两个草案即将成为正式的 r f c 文档。 虽然f o r c e si 作小组目前的研究进展较快，但由于研究时间较短，需克服 较多的技术难关。f o r c e sf e 模型及f o r c e s 协议还在不断完善及更新之中，对 f e 模型中的l f b 的研究及规范也在进行中，所以还没有出现专门介绍其实现相 6 浙江工商大学硕士研究生学位论文 关的文献，市面上也没有商用的f o r c e s 路由器或f o r c e s 路由器的组成部件f e 及c e ( 包括硬件及软件) 。 本课题组一方面关注和参与f o r c e s 协议的制定，一方面开发基于f o r c e s 体系结构的路由器模型( 原型机) ，所做工作都处于f o r c e s 研究的前列。 二、p i m s m 协议 随着技术的进步和市场的选择，在众多组播路由协议中p i m - s m 协议脱颖而 出，成为广泛被支持的组播协议。该协议的“显示加入”特性只会向需要组播报 文的网络传播报文，同时组播源到接收者的网络延迟小，正是这两点因素使之成 为域内组播协议的首选。占有市场份额最大的c i s c o 仅支持p i m s m 和 p i m d m l 2 4 1 ，而p i m d m 由于其带有“广播”的特点，不适合大型网络，因此 c i s c o 也推荐使用该协议作为域内组播协议。 现在的p i m s m v 3 版还支持域闻组播路由，所以其应用将更加广泛。 由于p i m 。s m 协议在这几年得到了广泛应用和支持，p i m s m 协议规范本身 也从i e t f 实验性协议发展成为互联网标准跟踪类协议，其主要发展过程如下： 1 9 9 7 年6 月，p i m s m 成为互联网实验类协议( p i m - s m v l ：r f c 2 1 1 7 ) ； 夺1 9 9 8 年6 月，p i m 工作组提交了新的p i m s m 互联网实验类协议 ( p i m s m v 2 ：r f c 2 3 6 2 ) ： 夺2 0 0 6 年3 月，p i m s m 草案发展到版本2 的第1 2 次修改稿； 夺2 0 0 6 年8 月，p i m s m 协议标准需求分析出台( r f c 4 6 0 2 ) 1 2 0 】； 2 0 0 6 年8 月，i e t f 正式将p i m 工作组提交的p i m - s m v 3 批准为互联网 标准跟踪类协议( p i m - s m v 3 ：r f c 4 6 0 1 ) 。 在p i m - s m 协议本身发展的期间，与其相关的技术也在不断地进步，如 b i d i r - p i m ( 双向共享树p i m ) 2 s j 、p i mb s r 机制【2 6 1 、p i m s mm i b 2 刀等等，这 些研究成果在i e t f 的p 1 m 工作组中分别以r f c 或草案的形式出现。 因为c i s c o 是p i m s m 协议规范的作者之一，所以他们在该项技术上走在前 列，p i m s m 在其l o s ( i n t e r a c to p e r a t i n gs y s t c m ) 上已得到了应用；除了c i s c o 外，x o r p 开发小纠2 8 1 也紧跟着p i m 工作组的步伐，实现了p i m s m v 3 协议； 还有其它的个别组织也在实现p i m s m v 3 上做了一些实验性工作。 7 浙江工商大学硕士研究生学位论文 虽然这些公司或组织实现或基本实现了p i m s m 协议，但在国内外还未有研 究团体在f o r c e s 架构路由器下实现p i m s m v 3 ，也就曾未提出在这种结构路由 器下实现该协议时所面临的问题及解决方法，以及一套完整的实现方案。 第三节本文的研究内容 本论文研究的重点是基于f o r c e s 路由器的p i m s m 组播转发及相关问题。 由于组播路由协议不同于单播路由协议，其内部维护的许多状态信息及定时 器都与在当前共享树或最短路径树上转发的组播数据包有关，所以他们在 f o r c e s 路由器中实现时必须分清分别在c e 及f e 中完成的内容。本文通过分析 p i m s m 协议的工作原理以及p i m s m 的特点，提出了在基于f o r c e s 架构的路 由器下将p i m s m 协议功能进行分割的方法，为了使得p i m s m 能正常完整运 行，提出了基于f o r c e s 事件机制的p i m s m 状态维护，在不违背协议规范整体 要求的基础上，为了实现协议的高效运行，还对k a t 、s p t b i t 、声明消息的处理 方法进行了改进。 依据f e 模型，本文对与组播相关的两个l f b 模型进行了建模：p i m s ml f b 及通用组播转发l f b ，其中通用组播转发l f b 为组播系统所必须，即如果当前 的f o r c e s 路由器支持组播，那么该l f b 必须存在，主要完成组播数据包的拷贝 及二层头封装等功能；而p i m s ml f b 是实现p i m s m 协议时f e 中必须存在的 l f b ，主要完成p i m s m 组播路由管理及查找功能，如果当前系统采用的不是 p i m s m ，而是另外一种组播路由协议，如m o s p f ，那么p i m s ml f b 不应存 在，取而代之的应该是m o s p fl f b 。 在对上述问题的研究分析基础上，本文还提出了一个在f o r c e s 路由器上实 现p i m s m 的详细设计方案。该方案中c e 由p c 机来承担，相关软件在l i n u x 中运行，f e 为i n t di x d p 2 8 5 1 开发平台1 2 外。 浙江工商大学硕士研究生学位论文 第四节本文创新点及主要贡献 由于f o r c e s 技术及原型机的开发本身在国内外都处于研究阶段，所以基于 其做的许多工作都具有一定的创新性，就本文所涉及到的有如下几点： 首先，提出了解决p i m s m 在f o r c e s 路由器中实现时面临的几个关键技术 问题的方法，如f o r c e s 协议功能分割，基于事件通信机制的p i m s m 特殊状态 维护，k a t 、s p t b i t 的事件产生的特殊处理及r p f 检测声明失败处理等。 其次，本文对f e 中两个与组播相关的l f b ( p i m s ml f b 及通用组播转发 l f b ) 进行了建模，对它们进行了详细的论述和定义，为f o r c e sf e 模型的完善 做出了一定的贡献。 最后，本文还给出了一个在f o r c e s 路由器中实现p i m s m 协议及组播转发 的详细方案，并加以实践论证，为f o r c e s 路由器的组播开发提供了一个实例性 的参考。 第五节本文组织结构 本文的组织结构如下： 第一章为绪论，主要介绍本课题的研究背景及研究现状：f o r c e s 及i p 组播 技术的发展。同时概要介绍了本文的研究内容，以及所作的贡献。 第二章简单介绍了p i m s m 的一些基本概念及工作原理。 第三章介绍在f o r c e s 路由器中实现p l m s m 协议时，如何对其在c e 及f e 中进行功能分割，即c e 及f e 在其实现时所承担角色的划分；同时叙述了基于 f o r c e s 事件机制的p i m s m 特殊状态维护及关键处理问题。 第四章为对f e 中p i m s ml f b 及通用组播转发l f b 的建模，详细叙述了 对这两个l f b 的抽象规范。 第五章提出了一种在f o r c e s 路由器中实现p i m s m 协议的详细方案。 第六章为验证测试，包括对两个l f b 加载、配置测试，以验证它们的有效 性，同时还对在f o r c e s 路由器中实现p i m - s m 的前述方案的有效性进行了测试。 第七章为对现有工作的总结及展望。 9 浙江工商大学硕士研究生学位论文 第二章p i m s m 工作原理 p 1 m - s m 主要用于大型网络和域间组播的路由协议，其稀疏模式的设计思想 和运行机制是这一应用的主要基础。p i m - s m 直接根据单播路由表或m b g p 创 建组播路由表( m r i b ) ，m r i b 的主要功能是决定p 1 m 加入剪枝消息的发送方向。 组播数据沿着加入消息的反向路径流动。稀疏模式采用一个简单明了的加入结 构，并在一个组播组存在期间，维持一棵以汇聚点为树根的共享树，组播数据包 通过这棵共享树转发，或通过后来切换过去的源路径树( 又称最短路径树) 转发。 像其他的组播协议一样，p i m s m 基于r f c l l l 2 ( h o s te x t e n s i o n sf o ri p m u l t i c a s t i n g ) 【硎中的服务模型，发送者和接收者事先不必知道对方是否存在。 一、基本概念 第一节p i m s m 概述 夺汇聚点( r e n d e z v o u sp o i n t ，r _ p ) ：是指被配置为一个组播组的共享树的 根节点。从接收者来的加入消息被送往r p ，从发送者来的数据也被发 送到r p ，这可以使接收者能知道谁是发送者，并接收此组播组的数据。 令自举路由器( b o o t s t r a pr o u t e r ，b s r ) ：它用来收集并分发候选r p 集合， 实现动态自举机制，每个p i m s m 域都动态选举出一个b s r 。 夺r p 集合：r p 集是r p 地址的集合，它由b s r 收集，并分发到b s r 所 在的p i m 域内的所有p i m 路由器。 夺指定路由器( d e s i g n a t e dr o u t e r ，d r ) ：在以太网这样的共享介质局域 网中可能连接多个p i m s m 路由器。如果局域网内有直接相连的主机， 那么这些路由器中只有一个用来作为这些主机组播的转发者，它就是 d r 。d r 在每一个多访问网络的接口中只选举一个。d r 代表直接与之 相连的组播信息接收者和组播源建立组播路由项并发送相应的加入，剪 枝消息和注册消息。 l o 浙江工商大学硕士研究生学位论文 夺中间路由器( i n t e r m e d i a t er o u t e r ，i r ) ：在一个p i m s m 域内，在对某个 组播组进行转发时，既不是d r 也不是r p 的路由器。 夺p 1 m 组播边界路由器( p i m m u l t i c a s t b o r d e r r o u t e r ，p m b r ) ：将一个p i m 域与其它组播域相连的路由器，主要是用于域间组播的互操作和互通。 夺组播路由信息库( m u l t i c a s tr o u t i n gi n f o r m a t i o nb a s e ，m r i b ) ：是一张组 播拓扑表，也是从单播路由表中演化来的。在p i m s m 中，m r i b 是用 来决定加入修剪消息的传送方向的。m r i b 的第二个作用是提供路径度 量值，这些值则用于断言消息( a s s c a ) 的处理和发送。 夺r p f 邻居( r p fn e i g h b o r ) ：r p f 即逆向路径转发。路由器相对于某一 个i p 地址的r p f 邻居是指m r i b 中指示的对应于r p f 接口的那个接口 的i p 地址。在p i m s m 的组播组中，r p f 邻居是声明状态不变的情况 下那个组的加入消息发送的方向。 夺树信息库( t r e ei n f o r m a t i o i lb a s e ，t i b ) ：是p i m 路由器接收处理加入， 剪枝消息、断言消息和i g m p 消息所形成的状态集。它需要存储此路由 器上的所有组播分布树的状态。 夺组播转发信息库( m u l t i e a s tf o r w a r d i n gi n f o r m a t i o nb a s e ，m f i b ) ：t i b 保存的是路由器中需要转发组播包的所有状态。尽管它定义了组播包的 转发规则，但是实际上用t i b 来转发包的效率是相当低的。事实上真正 的实现方法通常是由t i b 的转发状态建立一个m f i b ，与具体实现有关。 夺上游( u p s t r e a m ) ：即朝着树根的方向，树根是源或者r p 。 夺下游( d o w n s t r e a m ) ：背离树根的方向。 二、消息类型 p i m - - s m 中共有7 种类型的消息： 夺p i m 存活消息( h e l l o ) ：在p i m 邻居间周期地发送，用于建立删除p i m 路由器的邻接关系。 夺加入，剪枝消息( j o i n p r u n e ) ：用于对组播路径树的分支进行加入剪枝操 作，此消息需要周期发送来维持组播路径树的状态，同时它也可以被下 浙江工商大学硕士研究生学位论文 游组成员关系的改变而触发。也就是说它既有周期更新，又存在触发更 新。 夺注册消息( r e g i s t e r ) ：数据源首次发送的组播数据包需要封装在注册消 息内发送给此组对应的r p 。 注册停止消息( r e g i s t e r - s t o p ) ：当源到r p 的组播路径建立起来之后， 不再需要组播数据封装在注册消息中时，r p 就向组播源发送注册停止 消息来阻止注册消息的发送。 夺声明消息( a s s e r t ) ：在多路访问网络上同时连接着多个同一个组g 的 p i m 上游路由器，声明消息就是用来解决在这种情况下究竟选择哪个来 作为转发者。 夺自举消息( b o o t s t r a p ) ：是自举路由器周期向外扩散并逐跳转发的当前 候选r p 集的消息。 夺候选r p 广告消息( c a n d i d a t e r p a d v e r t i s e m e n t ) ：该消息被周期向b s r 发送，通知b s r 自己被配置成候选r p 。 树信息库状态及组播路由表 树信息库状态( t i b ) 是由周期性或者是触发的控制消息来给出或改变的。 t i b 状态共有四种类型： ( s ，g ) ：是一种指定数据源和组播组的状态( 表项) 。它可以是由数据包的到 来，收到相应的加入剪枝消息或者对断言消息的处理而触发生成的。这个表项 的s p t b i t 的值又把此项分为两个小类，若s p t b i t 置位，则表示从共享树中剪除 相对此源的转发状态，即此源的数据不再沿共享树发送，否则，这个状态就代表 以源为根的最短路径树( s p t ) ，匹配源和组的数据按路由器中的这个状态进行分 发。 ( ，g ) ：相对组g 的共享树状态。在确定某组的r p 之后，并且组g 有成员 加入时，这棵由r p 到组成员的最短路径树也就建立起来了。 ( + ，+ ，r e ) ：任何源或是任何组，对应相同的r _ p 的一种状态。它保持在一个 域的p m b r 到r p 的路径中，主要是为了方便域问组播数据的转发。 2 浙江工商大学硕士研究生学位论文 ( s ，g r p d ：维护某个特定组在r p 树上在特定源信息的状态。如：当源接收 到最短路径树信息时，它将裁剪掉共享树，这种状态即为( s ，c r p 0 状态。 通常组播路由表来源于t i b ，真正在数据包转发中需查找的组播路由表有： ( s ，g ) 、( ，g ) 、( + ，+ ，r p ) 。组播路由表同单播路由表有一些相似之处，但也有许多 自己的