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北京交通大学硕士学位论文 v x w o r k s 下组播协议的研究与实现 摘要 当 代社会已 经进入信息时 代，网 络技术在飞速地发展。 i n t e rn e t 上 涌现了 很多高带宽需求的多媒体应用， 如网络视频会议、 a o d / v o d等， 为了解决由此带来的网络带宽急剧消耗以及网络拥塞的问题，提出了 i p 组播技术。 i p 组播是利用t c p / i p 协议进行点对多点的通信。与单播传送方式 相比， 组播能够有效地利用带宽， 避免重复发送所造成的网络资源浪费， 减少主干网出 现拥塞的可能性。 随着网上多媒体业务的增多， 可以预见 i p 组播技术的应用将日 益普遍。 本文首先介绍了i p 组播技术的 基础知识， 分析比 较了目 前的几种组 播路由协议， 同时指出 研究p i m- s m协议的重要意义: 接着， 简要介绍 了v x w o r k s 嵌入式实时操作系统的 特点、 组成以 及它的集成开发环境 t o m a d o 。在第四章详细分析了p i m - s m组播协议，如显式加入模式、 共享树r p t 的建立、 源注册、 最短路径树s p t以 及r p t到s p t 切换等。 在第五章从核心层和用户层两方面描述了p i m - s m协议在v x w o r k s 系 统上的具体实 现，为了 面向 下一代网 络技术，这里重点分析了i p v 6组 播协议的实现，并给出了 测试结果。 最后，指出了i p v 6组播技术的几 个发展方向。 关键字: 组播 p i m - s m v x w o r k s i p v 6 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下 组 播 协 议的 研究 与 实 现 ab s t r a c t a s n o w a d a y s it c o m e s in t o t h e i n f o r m a t i o n a g e , t h a n e t w o r k t e c h n o l o g y i s d e v e l o p i n g a t f u l l s p e e d . l o t s o f n e w a p p l i c a t i o n s c o m e in t o b e i n g t h r o u g h t h e i n t e rn e t , m o s t o f w h i c h a r e m u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s r e q u i r e d o f h i g h b a n d w i d t h , s u c h as n e t w o r k v i d e o c o n f e r e n c e , a o d / v o d a n d s o o n . a l l o f t h e s e a p p l i c a t i o n s w i l l r e s u l t i n t h e m a tt e r s s u c h as t h e r a p i d l y c o n s u m e o f b a n d w i d t h a n d t h e c o n g e s t io n o f n e t w o r k . w e m a y p u t t h e i p mu l t ic a s t t e c h n o l o g y in to u s e , a n d i t c a n re s o l v e t h e p ro b l e m i p m u l t ic as t c o m m u n i c a t e s fr o m o n e p o i n t t o m u l t i - p o i n t s b y t c p / i p . c a m p a r e d w i t h t h e u n i c a s t , m u l t i c as t t e c h n o l o g y c a n m a k e u s e o f t h e b a n d w id t h e ff e c t i v e l y , a v o i d th e w a s t e o f t h e n e t w o r k r e s o u r c e c a u s e d 妙 s e n d i n g re p e a t e d l y a n d re d u c e t h e p o s s i b i l i ty o f t h e c o n g e s t i o n o c c u r r i n g o n t h e b a c k b o n e n e t w o r k . wi t h t h e i n c r e a s e o f m u l t i m e d i a s e r v i c e s t h r o u g h t h e i n t e rn e t , i t i s f o r e s e e a b l e t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f i p mu l t ic as t w i l l b e m o re p o p u l a r . i n t h i s p a p e r , t h e f o u n d a t i o n a l k n o w l e d g e o f i p m u l t ic as t t e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e d f i r s t . a n d w e c o m p a r e t h e c u r r e n t s e v e r a l m u lt ic a s t p r o t o c o l s , w i t h p o i n t i n g o u t t h e i m p o r t a n t s i g n i fi c a n c e o f re s e a r c h i n g t h e p i m - s m p r o t o c o l . t h e n w e s im p l y i n t ro d u c e t h e s p e c i a l t i e s a n d c o m p o n e n t s o f t h e v x w o r k s o s , a n d i t s i d e t o rn a d o . i n c h a p t e r 4 , 阮 p i m - s m p ro t o c o l i s a n a l y s e d i n d e t a i l , s u c h a s e x p l i c i t j o i n - m o d e , b u i l d i n g o f r p t , s o u r c e r e g i s t e r i n g , s p t a n d s w it c h i n g f r o m r p t t o s p t e t c . t h e re a l iz a t i o n o f p i m- s m p r o t o c o l o n v x w o r k s o s i s d e s c r i b e d a t l a r g e fr o m t h e t w o as p e c t s o f k e rn e l l a y e r a n d u s e r l a y e r in c h a p t e r s . g e a r e d t o t h e n e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k , w e p u t e m p h a s i s o n t h e r e a l i z a t i o n o f t h e i p v 6 mu l t i c as t p ro t o c o l , a n d t h e t e s t in g r e s u l t i s g iv e n . i n t h e e n d , w e p o i n t o u t t h e res e a r c h d i r e c t i o n s o f i p v 6 mu l t i c ast . k e y w o r d s : mu l t i c a s t p i m- s m v x wo r k s i p v 6 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的 研究与实现 y5 8 6 3 0 4 独 创 性 说 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的 研究成果。尽我 所知，除了 文中 特别加以 标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得北 京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签 名:日 期: 华 3. s 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅; 学校可以公 布论文的全部或部分内 容， 可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论 文。论文中所有创新和成果归北京交通大学电信学院i p网络实验室所 有。未经许可， 任何单位和个人不得拷贝。 版权所有，违者必究。 签 名:导师签 = 1 日期 : 宋 经作汗 勿 全 文么 布 导帅ill 念 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的研究与实现 第一章绪论 本章简单介绍了i p组播技术的研究背景和意义，以 及组播技术的 发展简史和国内外发展现状，最后指出了本论文所做的主要工作。 1 . 1 背景与意义 随着网络技术的飞 速发展， 在i n t e rn e t 上涌现了许多高带宽需求的 多媒体应用， 例如视频点播 ( v o w、 交互式电 视会议系统、 远程教育、 远程医疗、交互式3 d游戏、网络图书馆等业务。这些业务都具有数据 量大、 时延敏感性强、 持续时间长的 特点， 同时具有点对多点的业务特 性， 而面对相对匾乏的骨干网带宽资源， 传统基于点到点的单播传输己 无法满足这些应用的需求， 采用i p组播 ( i p mu l t ic a s t ) 技术可以很好 地解决该问题。 i p 组播技术具有独特的优越性， 即在组播网络中， 即使 用户数量成倍增长， 主干带宽不需要随之增加。 这个优点使它成为当前 网络技术中的研究热点之一。 组播是一种允许一个或多个发送者( 组播源) 发送单一的数据包到 多 个接收者的网 络技术。 组播源把数据包发送到 特定组播组， 而只有作 为该组播组成员的 主机才能接收到数据包。 组播技术能在很大程度上节 省网络带宽资源， 因为无论有多少个目 标地址， 在整个网络的 任何一条 链路上只传送单一的数据包。 对于这些多媒体应用， 组播技术相对于单播技术有着得天独厚的优 势。图1 - 1 为单播和组播两种传输方式的数据传递过程。 一 1 一 北京交通大学硕士学位论文 v x w o r k s 下组播协议的 研究与实现 接收主机a 接收主机b 接收主机c a .单播方式实现 接收主机a b . 组播方式实现 图1 - 1 数据包传送方式 一 从图卜 1 不同的 数据传送方式可以 看出: 单播 ( u n i c a s t 传翰: 在发送者和每一个接收者之间需要单独的数 据信道。 如果一台主机同时给很少量的接收者传输数据， 一般没有什么 问题; 但如果网络中 有大t接收主机存在， 这将给发送者带来沉重的负 担，会导致延迟长以 及网络拥塞。 组播 ( m u l t i c a s t ) 传输:当发送主机 ( 组 播源)向多个主机 ( 一个 组) 发送数据时， 不必和每台目 标主机都建立一个连接， 只需将数据发 送到一个特定的组播组， 所有加入该组的主机均可接收到这份数据， 并 且只有该组播组的成员才能接收到数据包。 这样对发送者而言， 数据只 需发送一次就可以送至所有接收者， 大大减轻了网络的负载和发送者的 负担， 提高了数据传送效率， 减少了主干网出 现拥塞的可能性。 组播组 一2 一 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的研究与实现 中的主机可以在同一个物理网络， 也可以来自 不同的物理网络 ( 需要网 络中路由器均支持组播) . 随着多媒体应用的不断发展， i p 组播技术越来越显示了 其重要性， 己受到国内外业界的广泛关注。目 前， i p v 4 组播技术己 经基本成熟， 而 i p v 6 组播尚处于标准化的阶段，因此，面向下一代网络，研究i p v 6 组 播技术具有十分重要的意义。 我们北京交通大学 i p网络实验室在不断 完善自 主开发的i p v 4 / v 6 路由 器的 过程中， 也意识到支持组播的重要性。 本论文便是针对这个研究课题展开，主要是基于 v x w o r k s 嵌入式实时 操作系统，研究并实现了i p v 4 / v 6 组播路由协议。 1 . 2 1 . 2 . 1 国内外发展现状 国外发展现状 1 9 8 8 年s t e p h e n d e e r i n g 提出 了 将 组 播的 功能 机制 增加到数 据网i p 层的组播实现体系结构， 这种体系结构称为i p 组播。 i e t f r f c 1 1 1 2 对 i p 组播业务提供的 方式和形式进行了 描述和定义， 被看成是i p 组播的 标准业务模型的定义. 一 1 9 9 2 年i p 组播实骏网m b o n e 建立， 运行d v m r p ( d i s t a n c e - v e c t o r m u lt ic a s t r o u t in g p r o t o c o l ) 协 议。 i p 组 播的 协 议 标 准 和 部署 方 法在m b o n e 中进行研究实验。随着mb o n e 规模的增加，其他域内多播协议相继提 出， 包括 m o s p f ( m u l t i c a s t e x t e n s i o n s t o o s p f ) , p i m - d m ( p r o t o c o l i n d e p e n d e n t mu lt ic as t - d e n s e mo d e ) , c b t ( c o r e b a s e d t r e e s ) , p i m- s m ( p r o t o c o l i n d e p e n d e n t m u lt ic as t - s p a r s e m o d e ) 等。 1 9 9 7 年， 规模持续增加时， 一层拓扑结构显出 不可扩展、 不稳定等 缺点， 需采用分层的拓扑结构， 这需要域间组播协议支持，当前的协议 -3 - 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的研究与实现 有:m b g p ( m u l t i p r o t o c o l e x t e n s i o n s t o b g p 4 ) / m s d p ( m u lt i c a s t s o u r c e d i s c o v e ry p r o t o c o l ) ，和 b g m p ( b o r d e r g a t e w a y m u l t i c a s t p r o t o c o l ) / m a s c ( m u lt ic a s t a d d r e s s - s e t c l a im ) . m b g p 用于 在自 治 域间 交 换 组 播 路由信息， 组播信源发现协议m s d p 用于不同域的r p 之间交换活跃的 组播信源信息。 ma s c实现域间组播地址的分配，而b g mp负责完成 域间组播分布树的构建。 1 9 9 7 年以后，分层结构网络域间组播路由的标准化成为i p组播研 究的主要领域， 域间路由 协议体系的部署实验开始在i n t e m e t 2 的两个骨 千网( v b n s , a b il e n e ) 中进行1 18 1 ， 从1 9 9 9 年中开始采用mb g p / m s d p 和p i m- s m协议体系实现域间组播路由。 目 前，i p 组播技术己得到软硬件厂商的广泛支持。美国c i s c o 公司 的c a t a l y s t 系 列路由 器， j u n ip e r 的m 1 6 0 骨干路由 器， a v i c i 的t s r 交 换路由 器以 及n o rt e l n e t w o r k的p a s s p o rt路由 器均已 支持d v m r p , p i m- s m, p i m- d m等组播路由协议，并且都支持i g mp组管理协议， 而c i s c o 除此之外还支持c i s c o 专有的组管理协议 ( c g mp ) o 而且， 随着i p组播技术在多 媒体领域的广泛应用， 许多 著名的视 频平台都支持组播。 r e a l n e t w o r k s 公司是世界上领先的网 络流式音视频 解决方案的提供者， 提供从服务器端到客户端的 所有产品， 它的视频服 务平台 的服务 器端 r e a l s e r v e r 己 经支 持组 播. 微软的 视频服务 平台 w i n d o w m e d i a 服务器端组 件也支持组播。 这些说明i p 组播技术的应用 环境己基本具备。 着眼于组播技术广阔的应用前景，许多服务提供商，如意大利的 f a s t w e b 、香港的香港宽带 ( h k b n ) ，已 开始采用组播技术向商业用户 提供视频会议和其他视频流服务，并向 家庭用户提供运营商级的h . 3 2 3 电 话服务、 电视和视频点播服务。 在实践中， 组播方式下每个电 视频道 -4- 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的研究与实现 的节目 可同时向3 万个用户传送， 而不会引 起网络流量的激增。 如果采 用单播模式，所需的网络带宽将是难以想象的。 同时，为了 适应下一代i p 网 络标准 i p v 6 ， 基于i m 的组播技 术的研究也己经提上了日 程。 2 0 0 1 年7 月， i m 组播测试网络( m6 b o n e ) 建成，运行p i m - s m组播路由 协议。 m6 b o n e 提供了很好的组播网络测 试环境，可以测试和开发与 i m组播技术相关的软件和设备，同时为 感兴趣的站点提供 i m组播连接。目前全球已有很多站点连接到 m6 b o n e上，由于只有很少的设备能够运行 i m组播路由协议，因此 m6 b o n e 是一个虚拟覆盖网络，需要配置i m i n i m 和i m i n i p v 4 隧 道来连接m6 b o n e 路由器。 现在能够支持】 p v 6 组播的路由器包括k a m e 协议栈的f r e e b s d系统，w i n d 和c i s c o b e t a 等( 19 1 1 . 2 . 2 国内发展现状 在国内，随着宽带的发展，多媒体业务需求的日 益增长刺激了 i p 组播技术的普及和发展，成为新一代网络不可缺少的关键技术之一。 当前国内许多通信设备制造商也已生产出支持 e p组播路由协议的 网 络 设 备， 如 华 为 公 司 的q u id w a y 系 列 路 由 交 换 机 、 中 兴 公司z x r 1 0 核 心 路由 器、 迈 普 通 信的m y p o w e r 路由 交 换 机等。 国内的各大运营商如中国电信、 中国联通、 中国网通、 中国移动等 也都开始了宽带网络上的组播技术试验。2 0 0 3年底，中国网通集团属 下的 河南省通信公司 宜布成功完成该项技术试验， 这预计着宽带运营模 式的即将改变以 及宽带运营商成本的降 低. 同时， 在各大高校也都竟相开始了关于 i p组播技术的 研究。1 9 9 9 年8月一2 0 0 0 年 1 2月，清华大学网络中心参加国家8 6 3 -3 1 7 主题重 一 5 一 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的研究与实现 大课题 “ 基于高速i p网的多媒体远程教育示范系统” ，负责研制基于 组播视频会议技术的多点实时授课系统。 2 0 0 1 年1 月， 基于隧道技术， 依托c e r n e t高 速主干网， 成功地进行了 有清华大学、复旦大学、东 南大学和华南理工大学4 个学校共同参加的系统演示， 是我国首例在国 内主千网上基于组播的视频会议实验。2 0 0 2 年2 月，在c e r n e t主干 网上首次开通我国广域网组播服务。 以上实例表明， i p v 4组播技术已 经趋于成熟;同时，i m 协议和 组播技术也成为了目 前热门的研究领域， 相应的协议和标准还在不断的 制定、 讨论和变化中， 这些需要大家积极地参与研究、 开发和实践。 我 们北京交通大学i p 网络实验室是国内业界在i m 技术研究上起步较早 的单位之一。 在2 0 0 0 年6 月在国内 首家推出了具有自 主知识产权的i m 路由 器，目 前已 将技 术转 让 给企 业， 进行 产业 化。 在i m 网 络的 研发 方面，我们积累了丰富的经验，形成了一套具有自己 特色的先进技术。 目 前， 我们己经在自 主研发的i m 路由 器上成功地实现了i p v 4 / v 6 组播 路由 协议， 并且能同 时支持f r e e b s d和v x w o r k s 两个操作系统， 此项 科研成果在国内具有领先愈义。 - 1 . 3 论文的主要工作 本论文所做的主要工 作可归纳为以 下几个方面: 1 .综述了i p 组播技术产生的背景和其独特的 优势，国内 外发展现状， 以 及研究该课题的 重要意 义; 2 .介绍up组播技术的基础知识， 如组播地址、 组播分布树和组管理协 议等，并针对目 前存在的几种组播路由 协议进行分析比 较， 指出我 们研究p i m- s m协议的原因及意义; 一石 一 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的研究与实现 3 .介绍v x w o r k s 嵌入式实时操作系统的特点、 组成， 在通信领域的应 用前景，以及它目 前对组播路由协议的支持情况; 4 .详细描述了p i m - s m协议的工作机制，如共享树的构建、源注册、 到s p t树的切换、r p 发现等: 5 .讲述了i m p i m- s m组播路由协议在v x wo r k s 操作系统上的具体 实现，并进行了测试，列出了测试结果; 6 .总结和展望，讨论了i m 组播下一步的发展方向。 一 ， 一 北京交通大学硕士学位论文 下组播协议的研究与实现 第二章 i p 组播技术基础 本章介绍了i p 组播技术的基础知识， 包括i p v 4 / v 6 组播地址、 组管 理协议、 组播分发树等基本概念， 并分析比 较了 当 前存在的几种组播协 议， 指出其各自的 优缺点， 并叙述了我们选择p i m - s m协议作为研究对 象的原因及意义。 2 . 1 i p组播地址 组播是一种优化利用带宽的路由技术，允许 i p数据流从一个源或 多个源发送到多个目 的地 ( 一个组播组) . i p 组播地址用于标识一个i p 组播组，即 代表属于该组播组的 所有 主机， 而不是某个单独的主机， 因此组播地址只能作为目 的地址， 而不 能出现在某个数据报的源地址字段， 也不能出现在源路由或源路由记录 选项中. 下面分别对i p a和i m 组播地址进行介绍。 2 . 1 . 1 i p v 4 组播地址 组播通信必须依赖于i p 组播地址， 在i p v 4 中 它是一个d类ep地 址， 范围从2 2 4 .0 .0 .0 到2 3 9 .2 5 5 .2 5 5 .2 5 5 ， 格式如图2 - 1 所示， 并被划分 为局部链接组播地址、 预留组播地址和管理权限 组播地址三类。其中， 局部链接组播地址范围在 2 2 4 .0 .0 .02 2 4 .0 .0 .2 5 5 ， 这是为路由 协议和其 它用途保留的地址， 路由 器并不转发属于此范围的i p包， 其中 有名的 是2 2 4 .0 .0 . 1 和2 2 4 .0 .0 .2 ， 前者标识子网中的 所有主机，同 一个子网中 具有组播功能的主机都是这个组的成员， 后者是一个子网上所有路由器 -8 - 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的研究与实现 的地址;预留组播地址范围在 2 2 4 .0 . 1 .0 - - 2 3 8 .2 5 5 .2 5 5 .2 5 5 ，作为用户组 播地址，可用于全球范围 ( 如 i n t e r n e t ) ;管理权限组播地址范围是 2 3 9 .0 .0 .0 - 2 3 9 .2 5 5 . 2 5 5 .2 5 5 ，可供组织内部使用，类似于私有 i p地址， 不能用于i n t e rn e t ，可限制组播的范围。 2 8位组播地址i d 价瓜 图2 - 1 d类地址格式 i p a 的组播地址在链路层要转换成物理地址。 对一个单播的网络地 址， 通过a r p 协议可以获取与i p 地址对应的物理地址。 但在组播方式 下a r p协议无法完成类似功能，必须得用其它的方法获取物理地址。 在 r f c 1 1 1 2文档中提出了以太网中完成这个转换的方法，即将以太网 地址的前 2 4 位固定为0 1 :0 0 : 5 11 ，这几位是重要的标志位:紧接着的一 位固定为0 ， 其它2 3 位用i p a组播地址中的低2 3 位来填充。 例如， 组 播地址为2 2 4 .0 .0 . 5 ，其以 太网物理地址为0 1 : 0 0 : 5 11 :0 0 :0 0 :0 5 0 在映射过程中， i p 组播地址中 有5 位不参与替换， 所以 映射并不具 有唯一性。 因此， 在主机上实 现时， 不仅要在第二层对以 太网地址进行 检查，也要在第三层检查组播i p地址， 来判断数据包是否指定到一个 主机当前己 加入的组。 2 . 1 . 2 i n 组播地址 i p v 6 的组播地址在r f c 2 3 7 3 i m 地址结构中被定义。 i p v 6 地址空 间为 1 2 8 位， 其中1 / 2 5 6 的地址空间分配给组播地址。 i p v 6 组播地址与 单播地址的区别在于高位字节的 值，如果第一个字节的值是o x f f 则表 一，一 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的 研究与实现 明该地址是一个组播地址.组播地址不能用于源地址。 i p v 6的组播地址结构如图2 - 2 所示: 图2 - 2 i p v 6 组播地址结构 前缀:f f 字段标识该地址是组播地址。 标识段 ( f l a g s ) : 为4 个标志的集合o o o t 。 高3 位被保留， 且必须 初始化为0 。 第4 位t 二 0 时表示一个永久分配的组播地址， 由i a n a ， 分 配;t=1 时，表示为非永久分配的组播地址，这种地址作为一个临时 的组播地址. 范围 段 ( s c o p e ) : 4 比 特， 用 来限 制 组 播 组的 范围 ， 其中。 、 f 两 个值保留不作定义。 表2 - 1 列出了 几个已 定义的组播范围 值。 i p v 6 路由 器不会向s c o p e 字段 所标识的范围 外 转发组 播包， 例如 对于 组播地址 1 i 0 2 : : 1 ， 该组播包仅存在于 链路本地区 域。 表 2 - 1 字段值 1258e 组播范围节点本地链路本地站点本地组织本地全球 组 标识 符( g ro u p i d ) : 1 1 2 比 特， 用 于 标识 一 个组 播 组. 根 据 组 播 地址是临时的或是永久的以及不同的地址范围， 同一个组播标识符可以 表示不同的组播组。 永久组播地址用指定的赋予特殊含义的组标识符， 组中的成员既依赖于组标识符， 又依赖于范围， 如fl 0 2 : :d 代表本地链路 范围内的所有p i m路由器群组。 将i p v 6 组播地址映射到以 太网ma c地址的方法是:取出i p v 6 组 ， 国际互联网 号码分配管理 机构 ( i n t e rn e t a s s i g n e d n u m ber a u t h o r i ty ) 一 巨 0 - 北京交通大学硕士学位论文v x wu r l c s 下组播协议的研究与实现 播地址的低3 2比特作为组播ma c地址的低3 2 位，ma c地址的高1 6 位规定为。 x 3 3 3 3 . 这样， 小于或等于3 2 比 特的g ro u p i d将会产生唯一 的ma c地址 14 1 i p v 6组播地址中还有一类特殊的地址，即请求节点组播地址 ( s o l i c it e d - n o d e m u l t i c a s t a d d r e s s ) .请求节点地址的前缀为 f f 0 2 :0 : 0 :0 : 0 : 1 : f f 0 0 : :1 1 0 4 . 然后取单播或任播地址的低 2 4比 特作为它 的后2 4 位。 例如与i p v 6 地址f e 8 0 : :2 5 : b a f f :f e 1 9 : d 2 b 3 相对应的请求 节点组播地址是f f 0 2 : : 1 : f f 1 9 : d 2 b 3 。 对一个请求节点的组播地址来说， 其所有组成员的单播 i p v 6地址仅在最高位有区别。该地址用于邻居发 现等l c mp v 6 消息中， 由于请求节点组播可将不同的聚类网络前缀映射 到同一个被请求的节点地址，因此可减少必须加入的组播地址的数目。 2 .2 组管理协议 当主机运行的某个进程加入到一个组播组中时， 主机向子网中的所 有 组 播 路由 器 发 送 组 成 员 报告 悄 息 ， 告 诉 路由 器 凡 是 发 送 到 这 个 组 播 组 的组播报文都必须发送到本地的子网中， 这样主 机的进程就可以 接收到 该组播报文. 同 时， 子网中的组播路由 器还要定期向 子网中所有主机发 送组成员查询消息， 查询是否有组成员存在于该子网中。 上述的功能都是通过组管理协议来实现的，对于 i p a 组播，由 i n t e rn e t 组管理协议(m p 实现: 对于i p v 6 组播，由组播监听发现协议 m l d来实现. 下面分 别介绍这两个协议。 2 .2 . 1 i g mp 协议 i g mp 消息封装在i p 报文中， 其i p 协议号为2 . i g m p 消息都会用 一 1 1 一 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下 组播协议的 研究 与实 现 t t l 值为1 进行传送， 所以 该消息只存在于本地网 络上， 而不会被路由 器转发到其他子网上。 i g m p 协 议 有 三 个 版 本 : ig m p v l ( r f c 1 1 1 2 ) , i g m p v i ( r f c 2 2 3 6 ) , i g mp v 3 ( r f c 3 3 7 6 ) ，其中目 前通用的是】 g m p v 2 . 1 . i gmp v l i g m p v i 中只定义了 两种消息类型: 组成员询问 和主机成员 报告。 当某主机想要接收某个组括组的数据时，它向本地的组播路由器发送 “ 主机成员报告” 消息， 并告知欲接收的组播地址. 组播路由器收到“ 主 机成员报告” 消息后把该主 机加入指定的主机组， 并 在设定的周期内 定 期向组播地址 2 2 4 .0 .0 . 1发 送 “ 主机成负询问” 消息;主机如果还想继 续接收组播数据，福发送i g m p成员报告消息来应答查询。 2 . i gmp v 2 i g mp v 2 在i g m p v l 的基础上增加了 组成员快速离开的机制。 它的 报文格式如图2 - 3 所示， 与i g m p v i 不同 的是将版本字段和消息类型字 段 禅 合， 并 将 未 使 用 字 段 用 作“ 最 大 响 应 时 间” 字 段 。 i s 场 i g m p a型i最大晌应时间校验和 黝址_-一 引 图2 - 3 .i g m p v 2 报文格式 1 ) i g m p v 2 报文的 类型字段定 义了四 种消息 类型: . 组成员查询，值为0 x 1 1 . i g mp v i成员报告，值为0 x 1 2 . i g mp v 2成员报告，值为0 x 1 6 . 离开主机组，值为0 x 1 7 在组成员查询中，i g m p v 2 新增了 特定组查询，即允许路由 器只查 一 1 2- 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的研究与实现 询某一个特定组而不是所有的组。 这是为找出某个组中是否还留有成员 的 优化办法， 不要求所有的组发出响 应报告。 特定组查询和普通查询的 区别在于普通查询组播到所有主机组地址 ( 2 2 4 .0 .0 . 1 ) ，而特定组查询 只组播到特定组的组播地址。 i g mp v 2向前兼容i g mp v l 协议，可以接收处理 i g mp v l 的成员报 告消息报文。 如果某主机想退出， 它可以主动向 路由器发送“ 离开主机组” 消息， 而不必像i g m p v 1 中那样只能被动退出; 这样， 能够把组成员离开延迟 从几分钟减少到几秒钟。 组播路由器收到离开组消息后， 查询器发送特 定组查询消息来确定是否所有组成员都已 离开。 2 ) 最大响应时间字段 最大的响应时间字段仅在组成员查询中有效。 它规定了发送一个响 应报文的最大允许时间 ( 其单位为1 / 1 0 秒) 。允许查询路由 器为它的查 询报文指定准确的查询间隔响应时间。 i g m p v 2 主机在随机选择它们的 响 应 时 间 值 时 以 此 作 为 上 限 ， 这 样 在 查 询 响 应 时 间 间 隔 时 有 助 于 控 制 突 发响应。 3 ) 校验和字段 校验和字段是i g m p 消息长度 ( i p 包的整个有效负载)的1 6 位检 测。该域设为0 ， 在计算校验字时将该域包在一起进行计算.当 传送包 的时候， 必须计算该校验字并插入到该域中去。 当接收包的时候， 该校 验字必须在处理该包之前进行检验。 4 )组地址 在成员查询消息中，发送一个普通的查询时组地址域应设为0 ，当 发送一个特定组查询时， 则应设置为正在查询的组地址。 在成员报告或 离开组的消息中，组的地址域保留了要报告或要离开的地址。 一 皿 3 一 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的研究与实现 3 . i gmp v 3 i g mp v 3在 i g mp v l / v 2的基础上增加t “ 源过滤” s f m ( s o u r c e - f i l t e r e d m u l t i c a s t ) 组播功能。 在i g m p v l / v 2 中， 主机只根据 组地址来决定加入某个组，并接收任何一个源所发给该组地址的数据。 具有源过滤组播功能( s f m) 的主机使用i g mp v 3 来通告该主机所希望 加入的组播组， 同时还通告该主机所希望接收的组播源的地址或不期望 接收的某些组播源的地址。 这样主机就可以有选择性接收来自 某个特定 组播源的数据包，而不是被动接收该组中所有组播源的数据包。 i g m p v 3 的 这 一 特 性， 可以 实 现 源 特定 组 播s s m ( s o u r c e - s p e c if ic m u l ti c a s t ) 技 术 。 i a n a 组 织 在 任 意 源 组 播a s m ( a n y s o u r c e m u lt ic a s t ) 的组播地址空间中，指定2 3 2 / 8 范围( 即2 3 2 .0 .0 .0 到2 3 2 .2 5 5 .2 5 5 .2 5 5 ) 的i p地址为 “ 指定发送源组播s s m”的组播地址空间，此地址为保留 地址，供指定发送源的应用程序和协议所使用。 2 . 2 . 2 ml d协议 m l d( 组播监听发现协议) 采用i c mp v 6 的报文格式， 一 是i c mp v 6 协议的一个子集，其 i p v 6数据包中的下一个头标字段值是 5 8 。目 前 ml d协议有两个版本: ml d v l 和ml d v 2 。 所有的ml d消息使用链路 本地地址作为i m 源地址发送，跳数限制为1 . 并且在i m 逐跳选项 的 扩展首部中 包含一个路由 器通告选项。 1 . ml dv i ml d v 1 协议是从i g mp v 2 协议中派生出来的， 专门用于i m 组播 群组的管理。 其主要功能为: i m 路由 器利用m l d协议发现直接相连 的链路上是否有组播组成员，以及相邻的路由器正在监听哪些组播地 - 1 4 - 北京交通大学硕士学位论文 v x w o r k s 下组 播协议的 研究与实 现 址。 i p v 6 路由 器上运行的组播路由 协议根据这些信息， 发送给正确的接收者。 m消息格式如图2 - 4 所示。 . 0 7 1 5 保证组播报文能 类 型 编码 最大响应时延 校验和 保留 图2 - 4 mi a消息格式 1 )类型 m 】 刀消息有三种类型: 令 组播监听查询，类型值为1 3 0 包含两个子类型，即 a ) 一般组查询 b ) 特定 组 查 询 的组成员 . 组播监听报告， . 组播监听完成， 2 )编码 用于查询直连链路中嘟个组有活跃的组成员 甩于查询直连链路中某个特定组是否存在活跃 类型 值为1 3 1 类型值为1 3 2 发送方将其初始化为0 ; 在接收端将忽略该值。 3 )校验和 校验和是整个 】 c mp v 6报文的一个 1 6位字的补数和，是标准的 i c mp v 6 校验和。校验和的计算起始于i c m p v 6 的类型字段， 再加上一 个】 p v 6 的 伪首部， 在伪首部中 下一首部字段值为5 8 。 为了 计算校验和， 校验和字段被设置为0 . 一 u - 北京交通大学硕士学位论文 v x w o r k s 下组播协议的研究与实现 4 )最大响应时延 该字段与i g m p v 2 的相应字段类似。 只在查询消息中有效， 字段值 规定了发送响应报告的最大允许时间间隔， 单位为毫秒。 5 )组播地址 在查询消息中， 若为普通查询该字段置为0 ;若为特定组查询，该 字段为某个 i m 组播组地址。在成员报告和成员离开消息中，该字段 为特定的组播组地址，分别为希望加入的组和准备离开的组地址。 2 . ml d v 2 协议 m l d v 2 从i g m p v 3 中 发展过来， 具有i g m p v 3 所有的 源过滤功能， 能够支持i m 的特定源组播s s m。 在i p v 6 地址空间中， 将具有f f 3 x : 和f f 2 x : : 前缀的组播地址分给s s m， 前者作为“ 暂时性” 地址使用， 而 后者作为 “ 永久性”地址使用。 组播分布树 在单播模型中， 数据包通过网络沿着单一路径从源主机向目 标主机 : 但在组播模型中， 组播源向某一个组地址传递数据包， 这个地址 ，递 3豁 ，石卜 代表了一个主机组， 为了能向所有接收者传递数据， 一般采用组播分布 树描述i p 组播在网 络中 传输的路径。 不同的i p 组播路由 协议使用不同 的技术来构造这些组播分布树。 这个分布树连接了该组播组中的所有主 机， i p 组播流量都是 通过组播分布树从发送源传输到接收者的。 组播分布树有两 个基本类型:有源树和共享树。 有源树也称为基于信源的树， 以组播源作为有源树的根， 有源树的 分支形成通过网络到达接收主机的分布树。 穿网络， 所以 也常称为最短路径树 ( s p t : 因为有源树以最短的路径贯 s h o r te s t p a t h t r e e ) .如果组 - 1 6 - 北京交通大学硕士学位论文v x w o r k s 下组播协议的研究与实 现 中 有多个组播源， 则必须为每个组播源构造一棵组播树。 通常用 ( 5 ， g )来描述s p t 树，其中s 表示组播源主机地址，g表示组播组地址。 函于不同组播源发出的数据包被分散到各自 分离的组播树上， 因此 采用 s p t有利于网络中数据流量的均衡。同时，因为从组播源到每个 接收者的路径最短，所以端到端 ( e n d - t o - e n d )的时延性能较好，有利 于流量大、时延性能要求较高的实时媒体应用。然而，s p t的缺点是: 要为每个组播源构造各自 的分布树，当数据流量不大时，构造 s p t的 开销相对较大。 共享树也称r p树 ( r p t ) ， 是指为每个组播组选定一个共用根， 这 个根被称为汇合点 或核心 ( r p : r e n d e z v o u s p o in t ) ，以r p 为根建立的组 播树。 共享树又可分为单向 共享树和双向共享树。 单向 共享树指组播数 据流必须经过共享树从根发 送到组播接收者; 双向 共享树指组播数据流 可以不经过共享树到达接收者，并允许组播信息在两个方向流动。 使用共享树时， 组播源不是直接向网 络中发送组播信.