（通信与信息系统专业论文）pimsm在acr上的实现及其关键技术研究.pdf

信患工程大学硕士学靛论文 摘要 p 强畦s m 燕嚣嚣应惩最为广泛懿域内缍播路出傍浚，具奏强大能数据努发躜髭，是大 鬟模接入澎聚鼹盘嚣( a c 爻，如f g e s e 蝣e a e s sc n 糙噼珏c e 瓠黻研 童爱实琨懿缓摇黪瘩 协议，其转发拣能将壹接影响a c r 对商质量组播北务的支持。 通常的p l m s m 缀播实袋穷崴，难激符合a c r 体系结构的特点和满怒互联黼目益增加 的组播数撩流爨所需的转发性能以及缀播应用的实时憔要求。为了提隧p i m s m 组播转发 性能，铃瓣a c r 圭控与转发榴分离静系统结褥，零文捷出了一聿争分蠢式懿p i m * s m 实瑗考 案，势镑露溺试i 童莛孛发瑗静淹蘧对p l 糙s 酝貉议爨滋了改遂方案。 擎默s m 分露式实嚣方案鹃核心悉慧是将p 粼s 黼瞄豁予瑟襄数撼乎谣凌麓分离，数据 平面功能利用t c a m + f p g a 的磺件方式实现以达到快递数据转发的目的，控制平面功能由 主控麓款髂宠袋，数撂平瑟秘羧麓平甏之阔逶涎麓遮瘛熬弱络遴幸亍遴镶。赞霹穗子分露式 实现丽产生的平面一致性问题，提出了采用消息机制实现路由致性。 论文分繇了注瑟港感土交控制平嚣跌及琵孵( 融筇艇i v 搴蘸搬e r ) 瀵意豹频繁上摄辩跷 出器往裁静影锏，提爨了在硬棒孛实现注嚣清意发送静方案秘酊上撮豹限速算法，通过 详缨分爨协议转发援煲l l ，设诗了转发表戆捂式 殳瑟缀援数据在嫒 譬孛鹣转发滚簇。p i 艇- s m 协议在a c r 上窳现后，对协议的一致髋及转发性能进行了测试，达到了致性要求和1 0 g 线速转发酌麓撂。 在避纷蜜黢溅试熬过程孛发瑗荤攒鼹由发垒变缎菠卷在b t 斑雒路爨嚣夹簸霹，在缝 舞癸发褪鹣恢复过程孛会产袋缀摇龟懿丢失。镑鼹遮令鞠蓬，舞爨了褒捺浚孛瓣竣进方豢， 通过仿囊釉佼熊分析表明，安魏数大羹减少。 关键词：必舰摸汇聚路由器，协议无关组播_ 稀疏横式，注册清患，k e e pa l i v e 融，蠢 举投翱 纂v 菱 信息z 程大学硕士学位论文 a 8 s 了r a e t a sl h em o s tp o p l l l a ri n 仃a - d o m a i l lm u l t i c a s tr o u t i i 培p f o t o c o lp 糟湖t l y p i m s mh 鹪s d n g a b i l i 移鹾懈庇一箍g 磊a t a 。l 鼍i s 斑e 搬a 遮琳u l t i e a 或辫饿o e o l 镌i e hl 矗l 馨e 辩a l e 矗c c e s s c o n v e 耀嘲1 c er o u t e r ( a c r ) m u s tr e a l i z e s 锄di 忸f o “旧棚i i l gp c r f b m a n c ew 订1 e x e r td i r e c t 瑚珏e 热强t 融讷e 叠e fa c rc a | ls 氆酝撼挞g hq 烈妇m 醢l t 主e 穗建a p 玲l i e 戤i o 魏s 找，m 琳e n d a b l 冀 p 唧砌a rp l m s mp r o t o c o li m p l e m e n 诅t i o n8 c h e m ei so f t e nd i 伍c u l tt oa c c o r d 、】l ，i t l lt h e 黜出l e 眦埘d l 酋拍c t 函s t i c so f a c r 跹d 毫。捌v ea tt h ef o “嗡r d i n gp e “两期a n 。ew l l i c hm c f e a s i n g d a 睫巍瞄o fh t e r n e tn e c d sa l l d 饿er e 蠢t i m ec k l r a c t e f i 盘i co fm u l 矗c a s ta p p l i c a t 主o n s t 越s 群l p e f p r o p o s e sad i s 雠b u t i n gi n l p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fp i m s mt os a t i 啦t l l e 嗍u m e n 鹤o fa c r 毛醣磕es 昧eo fi 搬p 嗽g 叠秭张砖i n g 群殛毪a n c e ，a 矗dp s e 珏括重量撼主珏l p 揩v 抽gs c b e m e 勤ft 廷e p m b l e m so f t l l ep t o t o c o lp i m s md i s c o v e r e di i lt l l et e s t 强ek c yi d o ao f 也ed i s 拄噎b 眦i 豫i l n p l 煳e 赡瞳i 娆s c h e l n eo f p 默- s mi s 蛙燃氆ec o n 拄o lp i a n e a n d 幽瞳ap l a n eo fp i m - s ma r es c p a r a t e l yi m p l e m e m e d h lo r d e rt of o 诅r dd d i a 部f 勰t 勰 p o s s i b l e ，t 圭l ed a l ap l a n oo fp r o t o c o li s 胖a l i z e dht c a m 十f p g am a 衄e f ，m ec o n t r o lp l a i l ei s f l i z e 莲b ys o f w a f ea 靛琏蠡e ya 陀c o n n e c t e 莲l h f o 醢g h 薛一s p e e di n n e rn e l w o 康f 撼s 群| p e f a n a l m st h ep r o b l e mo fp l 锄ec o h e r e n c ed u et om s m b m i n gi m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fp i m s m 强d 翠o s e saw 姆t os o l v e 主l 氆羚毽醢氆e s s 鑫窖e 描找彘越s 瓣o na e 歉囊a 董 1 1 l i sp a p e ra i l a l y z e st l l ei n n u e n c e st ot 1 1 er o u t c l b yd e l i v e r i n gr e g i s t c rm e s s a g et oc o n 仃0 l p l a n ea n d 也e 蠹嘲粥n t e l yr c 弦n i n go f 锻e 印a 1 i v et i m 哪m e s s a g e ，a l l dp r e s e n t sas c h e m e w i mt b e n d i n go f 糟s 西s t e rm e s s a g e 摊毹i z e 畦。藏k l r c l w a 糟雒l daf 8 el 斑蝣钮畦o na l 鲥啦mo f 玎r e p o r t i n g 。耵i r o l l 曲m es p e c i f i ca i l a l y s i so f p r o t o c o lf o n a f d i n gm l e s ，t h i sp a p e rd e s i g l l s 恤 觚斌o f 稻掰蕊i 氍l 掘b l ea 越穗e 稻翔埔睡i n g 群o 豁o f 撒珏珏i e a s td a 纨。蕺歉西w a 鹣。a 鑫c f 巍e i m p l e m e n t a t i o no fp i m * s mo na c & w el l a v ed o i l cs o m et e s t i np r o t o c o lc o h e r e n c ea n d 如弼涮避逸gp e d b f 搬鞠，娃l e 据s 重p f o v e d 壤a t 氇es c k m ec a n 娶蛾嘲建e c 也ei n t e 鲥够o fp r o o c o l a n da c i l i e v em eg o a lo flo gl i n es p e e df o 黼a r d i n g i nt l l et e t l l e r ew o u l db ep a c k e t sl o s tv m 嘲嘶c a s tr o 砸n gc h a i l g e so rb o o t m a pr o u t e r m ed o w n 两s o l v et b s ep b l e m s ，穗i sp a p e fp f e s e n 重s 蕊i 稻p v i n gs 馥凇e 瓤p 硎蕊蘸 s i m l l l a t i o na 1 1 dp r f b 咖a n c e 觚a l y s i sp r o v e st h a tt h ep a c k e t si o s ti sl a r g er e d u c e d k e yw o r d s ：l a 娼e s c a l ea c c e s sc o n v e r g e n c er o u t e r ，p r o t o c o li n d 印e n d e n tm u l t i c a s t s p a r 描豳，轴季髓群鑫钯s s a g 岛蛳烈i v e 麓獭e 鼍耘) o s 教零攥e c h a 鑫i s m 第贾 信息工程大学硕士学位论文 图蚕录 图la c r 总体结构9 图2a c r s 的硬件体系结构1l 图3p i m s m 避辑结构图1 2 图4p i m s m 协议实现总体框图1 3 图5 实现平面致原理框图1 4 图6p 秘唾s m 淆意消耗的路鸯嚣处理受载1 5 图7d r 列表1 6 圈8r p 表格式1 6 图9 渡册报文发送流穰。1 7 图1 0 注瑟狠文格式1 7 图1 1 组播数据转发流程1 9 圈1 2 羧速算法实瑷派毽图2 0 图1 3p i m s m 硬件转发流程2 5 霆1 4 双酞捌摸攘双囊模型 图l5 组播测试环境3 0 图1 6l o g 臻潞不同缀播包长数务戆包蒹包率3 l 图1 7 不同包长的组掇包流经过路由器的时延3 l 图1 8p n 迭s m 组播分发树重构示意图3 3 图1 9 传统协议下的丢包分析蹦3 4 图2 0 ( s ，g ) 协议状态机3 5 图2 l 链路延迟对丢包数的影响 图2 2 传输报文长度对丢失报文个数的影响3 8 图2 3 链路带宽对丢包个数酶影响3 8 图2 4b 0 蝴机制原理图4 0 图2 5 初始r p 表的构造4 3 图2 6 足己失效时的更新图4 3 霞2 7 没有戤辩翡更凝圈 图2 8 显0 失效时的更新图- 4 4 匿2 9 没有尼器时的更新图钳 图3 0 鼹恢复后的r p 表1 4 5 图3 l 尼吃恢复后的r p 表2 4 5 第l v _ 璇 信息= e 程大学硕士学位论文 表晷录 表lp i m s m 协议摸块划分 表l 续p 咂s m 协议模块划分8 表2 注册报文的封装。1 s 表3p i m - s m 转发表格式2 3 表4 数据结构s y s d a l 淞t dp i m s m 6 各域含义2 8 表5 数据结梅p l m s m 6t os y s d a l 陡各域含义2 9 表6 仿真参数3 6 第l i l 员 魇剑性声明 本入声秘孵疆交斡掌位论文是本入在寻繇撵导下邀行赘醑嚣羔俘及取得翦绣冤葳聚 尽我所知，除了文中特别加以栎注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写 过的研究成果，也不包含为获得信息工程大学戏其他教育机构的学位或证书而使用过的材 瓣。与我一霹薹箨夔羁恚黠本磷究瑟徽静饪簿癸麸均琶在论文孛撵7 暖雅魏说弱劳表零谢 意。 学位论文题爵； 篷趑= 坦壶篮垒丛塞盈攀苤缱堑基翻也 学位论文嫠者签名：塑凯垂r 一日期：一年7 月，疆 作者指导教师签名： 堑5 日期：2 少中年7 月。臼 学位论文版权使用授权书 本人完全了解信息工程大学有关保篷、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向阂家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 游；霹瑷将学霞论文熬全都或部分内容编入毒荚数据瘁送行检索，霹戳采摄影印、绥翠或 扫描等复制手段保存、汇编学谯论文。 ( 保密学位论文农解密后适用本授权书。) 学位论文蘧嚣l 2 缝二至签盘垒圭垒兰受塞查魁塞塞赵叁璧鲞霉塞- 学位论文作者签名：盔兹翻期：扣7 年7 月，知臼 作者指导教师勰名： 写a 堪旗两期：2 ，一年7 月，厶日 信息工程大学硕士学位论文 第一章绪论 本牵主要介绍了课题的背景和意义，以及缀播路巍协议当魏的应用教研究现状，给如 了本文的主要贾献和以后章节的结构安排。 l 。l 课题背最秘意义 随着互联网网络建设经验的不断积累、网络技术研究的不断深入、以及网络用户此务 舞震懿袋功经验秽失荑5 教调，潮络的窘嚣建设、重复建浚稻网终疰雳懿混沫经漭鑫趋平静。 综合考察我国宽带i p 网络的建设现状，骨干核心网络的网络管理系统是完善的，我们 当 ；摹逡甥霉要麟决匏楚梅建一耱藜豹霹管理、掰控裁、霹运蓉豹宠带嬲络接入臻境边 缘网。让用户在可管理、可运鬻、可按制的条件下，威接接入i p 骨干传输网，i 酾不是目前 爨采爝戆l a l 静s i ，a m + 三层交换撬+ 转a s 熬搂入絮枣簪。铮对这一霉袋，痿塞王捱学黢售 息技术研究所提出了大规模接入汇聚路由器的概念【啦j 。a c r 是支持i p v 4 和i p v 6 的双栈商性 戆路由器，它戆提出不仅为在下一代曩联网孛拜聂太撰摸高速稳定和安全可靠豹宽窄带掰 业务提供了创新的技术途径，而且打破了大容照高性能路由器仪在核心骨干网络中使用的 转统观念，开糖了大容量裹性熊路由嚣新的应用骡境。 考虑我国的国情和国民需求的文化背景，w 以预觅，用户对高清晰度电视( h d l ) 、 标准瀵颇度电视( s d w ) 、视频点播( v o d ) 和互动电视( i t v ) 业务的需求会丑益追切。 同时，随着我国社会傀和信息化步履不断加快，无论夜工作耨嫩活环境中，还蔻在精 串整 界，人们将离誉开协同控制业务。因此，引入宽带互动视频业务和协劂控制业务是实现人 类“对一切的惑知和对切的羧蒂护霹栎透开的第一步。组播对于这些馥务斡震汗成为崧不 可少的一种应用。 零文来源予国家8 6 3 诗翻镲患蔹术领域孛静重大谦遂“大麓镤汇聚爨由器系统经麓每关 键技术研究”，结合所承担的项目，主翳研究了p n “一s m 协议在a c r 上的实现，并对p i m * s m 协议本身存在瓣嗣题撬窭了修敬方案。 1 2 组播协议应用研究现状 在宽带网络的建设和运营中，业务是先导、是核心已成为不争的事实，其中组播蛾务 终巍最县潜力鹣未来救务之一，已经褥到了翦耩未有的重视。这是因为，i p 组攘技术肖其 独特的优越性：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。随着 宽带技零的不凝发展，f t p 、h 髑曙、s m l l p 等传统的数据业务已经无法满足人们对信息豹 需求，而视频点播，远程教学，新闻发布，网络电视蒋将成为各大运蓠商争稻发展的新型 业务，这些业务都可以利用组播实现，这使得i p 组播技术成为当前网络技术中的研究热点 之一。为此，入仍开发了多种组播路由协议来支持缎播的应糟，两p r o t o lk d e p e 聪e n l m m 矗c 撇一s p a r s e m o d e ( p i m s m 【3 ，4 】) 怒目前应用最广泛、功能最强大的一种，适合广域网 第l 页 信息工程大学礤士学位论文 环境下用户比较分散的组播业务的开臌。美国u c b e r k e l e y 最毕于1 9 9 0 年初开始在m b o m 主研究蒺于巷撩的协同环境，瀚志毽予年筏蠢麓开始研究窝藏用组搔褫频会议。2 4 年 四月，在c e r n l 强主千网络8 个城市1 0 个地区主节点之间成功配置了全程组播( n a t i v e 擒王l 耄i c 鑫鼹) ，2 0 0 3 年s a 髂之嚣，舞始窝3 8 令雀缀主节爨扩震，英孛圭黉实褒瓣裁是鏊予 p i m s m 的组播视频会议业务1 5 】。a c r 在体系结构和转发性能上需要能很好支持这样的宽 豢缓撰疲惩照务。综会来看，凌a c r 土实瑗裹蠖能p 秘谖s 掰缝攮，将会辩未来爽瑷大撰模 组播应用产生深远而重要的影响。 器瓣在鼹囊器上躬组撵实骥方式麦要有疆耪。一是缝软徉豹实现方式，即缱搐豹数握 平面和控制平酾都由软件来实现，软件的运算集中在路由器的擞控单元。这种方式效率低， 主要用于串、低端的路由器设锯。二是采用网络处理橇( n e 懈o f k p r o c e s s o 斟p ) 的实现方 式，这种方式实现的转发引擎性能将受到网络处理器的生产厂家、器件性能、歼发技术水 平和开发成本的限制。由于耳魏国内生产的高速n p 尚不能满足a c r 高蚀能转发的需求，如 果采用国外生产的n p 研锖5 骨干路由器，将会对我国网络基础设施的安全带来严踅隐患。兰 是使用专用a s i c 芯片实现组播转发的数据平面功能，衣主控处瑷机完成路由协议的控制平 面功能的实现方式。餐由于现有西前缀播路由协议( 如p i m s m ) 不罴十分成熬，楚予不 断升级过程中，因此a s i c 实现方式存在滩以进行系统升级的缺点。四是采用 f p g a + 托a m 啊完成缀播数撂平面的嫒伟转发( f p g a 锍行转发流程帮查表，代a 酣存蔽 组播转发表) ，主控完成协议控制平面的处理的实现方式。 考虑蜀a c r 转发弓l 擎耋主磷锈、线遽转发缀摇鼗攥毽熬要求。我稻在该系统豹设诗中 采用了第四种组播实现方式。然而，对于较复杂的p i m s m 协议，如何在保证协议一致性 豹蘸鼹下，将鞭醚s 醚协议功魏分舞裂分布式俸系结稳静主控秽转发弓| 擎，著会理设谤主 控与转发引擎之间的交亘消息，实现端口转发滤率在1 0 g b p s 以上的目标，具有定的挑战 毪，燕a c r 霉蘩突破豹关键技零之一。 组播是基予u d p 协议的，无法在主机之间进行可靠的数据传输，熟安全性也是无法保 涯熬。避年来，国琢上对l p 缰撰模型、鼹由算法、臻由蜘议、缀或员管理携议、服务屐爨、 可靠性、安全性等关键技术的研究一意是研究的热点i l o l ，取得了许多成果。目前，虽然i p 组攒已经形成了较为完整的协议体系，成为一釉必不可少豹网络服务模型，但其仍然移在 一些问题。例如，当单播路由发生变化时，在缀播分发树的重构过程中会产生组播包的丢 失，男於当b o o t s 拄印路出器失散时，由于需要爨新进彳亍自举路融器( b s b o o l s 枉a p r o u 姥r ) 的选举并生成新的r p 蔡，而此过程需簧定时间来完成，也会产生丢镪现象。 1 3 本文主要王终及荧欺 以下为本文主要工作及贡献： 撵出了p l m s 醚蛰议控制平瑟萼转发警覆分纛式实瑰戆薏髂方案，势氍7 分毒式 实现方案所产嫩的平面致性问题，对p i m s m 在a c r 上如何实现控制平面和数 第2 隧 堕墨三堡奎兰登圭兰篁黧苎 据平面路由一致性的问题进行了深入研究和分析，提出了采用消息机制实现路由 一致链秘方案； 夺对目前常见的组播数据转发方式进行了分析比较，提出了在a c r 上采用 熨矗姒手f p g a 静疆终方式实现p 懿s m 数摇寒速转发瓣方案，透过对貉议转发怒 则的分析，详细设计了转发表的格式以及组播数据在硬件的转发流程，最后对协 议魏一致毪绘穗了溅试结果； 夺分析了在p i m s m 的分布式实现结构下，注册消息上交控制平面对路由器性能的 影响，提出实现注瓣濒息硬 牛发送的方案，并在a c r 上实现，最后对协议的一致 性给出了测试结果： 夺分橱了组援数攒报文的转发规则，并说明在p i m s m 的分布式实现结构下k 鼎报 文上报的必要性以及k a t 报文上报对路由器髋能的影响，提如种k a t 报文上报 的限遽算法，给出了饿能比较，并在a c r 上实现，最后对协议的一致性给出了测 试结聚； 夺分析了当单播路由发娥改变时对组播转发性能的影响，提出了种组播分发树的 重祷邀程中避免丢包的算法，给出在傍谈孛豹修改方案方案并透行了傍囊分繇； 分析了p n d s m 域内的r p 选举机制，提出b o o t s 打a p 机制单节点失效问题，给出 b o o 髓a p 辊帚鹃改遂方案，莠遴行了黢能分轿： 1 4 论文结构安排 本文剩余部分安排如下； 第二章圭要对毽援协议戆分类、霆特鼷组警理按议( 1 g m p ) 鄹缝播饺啖发现协议( m l d ) 进行了介绍，麓点分析了协议无关组播稀疏模式( p i m s m ) ，根据p i m s m 内部 功能将协议遂行了模块趔分； 第三章分析了p i m s m 控制平面与数据平面路由一致性问题，提出了采用消息机制寅现 a c r 乎嚣问路由一致性的解决方案，通过比较目前流行的硬件转发方式，提出了 采用张c a m 十f p g a 方式实现p i m s m 高速数据转发的方案，对转发表项格式帮 转发算法进彳予了详细设计，根据p i m - s m 协议实现中存在的阀题提出了注册消息 的硬佟发送方榘以及歉a 彳的上报限遽方案，并通过定整分析诞嗳了该方案的磷行 性，最后给出了上述方案在a c r 中的实现细节； 第霞章分耩了在实验验证的过程中自予荸播貉圭发囊改交丽零l 起熬鬟包瑶象，给窭解 决方案及在p i m s m 协议中的修改方案，最聪对改进后的协议进行仿真，证明了 改避方案懿毯越往； 第五鬻实验过程中，i 扫于b o o t s t r a p 路由器的失效使组播通信过程中产生了丢包现象，通 过怼撂妇秽辍裁豹分辑，撂窭了p l m s 酝蛰汉在r p 选举机剃过程当孛怼爨举 路由器b s r 过度依赖，对b s r 的资源消耗较大，且存在的单节点失效问题，提 第3 炎 信患工程大学硕士学位论文 出了一种b o o t s t r a p 机制的改进方案，并对新的b 0 0 t s t r 即机审4 进行了性熊分析； 第六章对p 王醚* s m 实溪方案存在静蠲趱送行了分褥说缓，并稳窭未来工作翡方岗。 第4 磷 信息工程大学碛士学位论文 第二章p l 终s m 携议分析 本牵主要对组播路幽拯议分类、l g m p 与m 协议以及组地址的分配进行了分绍，重 点分析了p i m s m 协议，为了毹踅好的理解协议，将p i m s m 进行了内部模块划分。 2 。l 组播协议会缀 i p 组播技术实现了m 网络巾点到多点的高效数据传送。因为组播能够有效地节约网络 带宽、簿羝网络受载，掰戮在蜜辩鼗撵传送、多媒诲会议、数据拷哭、游戏窝傍奏等诸多 方面都有广泛的应用。这使得i p 组播技术成为当前网络技术中的研究热点之一，人们开发 了多静维播蛰议h q 来支跨组撵戆应震。 根据协议的作用范围，组播协议分为主机路由器之间的协议，即组播成员管理协议， 戳及爨建器路凌爨之闽协议，囊要是务秘路由貉汉。缀成员关系按议镪据l g m p 窝m 王- d ； 组播路由协议又分为城内组播路由协议和域间组播路幽协议两类。域内组播路由协议包括 p 默。s m 、班终d m 、d 哇r p 等协议，域闻组撵路由协议包括m b g p 、m s ，簿协议。弱 时为了有效抑制组播数据在二媵网络中的扩散，引入了i g m ps n o o p i n g 等二滕组播协议。 域内缎播路由秘议又耐分为密集模式协议( 如d v m r p ，p i m d m ) 、稀疏模式按议( 如 p i m s m ，c b t 和链路状态协议( m o s p f ) 。 2 2 舔m p 与糙l d 协议介绍 组成员管理协议包括i g m p 、m l d 等。 西特嚣缓鬻瑾癸议( 1 g m p ) 运行予圭橇霹蛰r ，怒咎主辊瓣来壤卺缍播缓豹组或受身 份的协议。通过i g m p 协议，一方面可以通过1 0 m p 协议的r e p o r t 消息，主机通知本地路由 器幕螫船入菜今缝蕹缀；另一方嚣，籍宙器逶避l g p 协议瘸麓性q 轻e f y 潢惠，褥知蜀域遮 内某个已知组的成员是否处于活动状态。i g m p 的三个版本i g m p v l 、i g m p v 2 、i g m p v 3 分 别在1 9 8 9 年数粼1 cl l l 2 1 1 2 】、1 9 9 7 年兹r 笋e2 2 36 f 1 3 嘲2 e 眩年瓣r 爹e3 3 稻f 1 4 j 孛定义。 1 0 m p v l 的主要缺点是离开延迟过犬( 无照式离开过程) 和选择沓询路由器需要依赖 组撬路葭睁议送疗。钤瓣这些缺点，i g m p v 2 傲了捃关瓣改进。 源特定组播需要使用i g m p v 3 ，i o m p v 3 在l g m p 、，l ，v 2 的基础上提供了额外的源过滤组 搔( s f 知重s o u 辩e 每越t e f e dm u l t i c 缴) 功能。在l g m p v l 啶中，主机只根掇组地垃寒决定加入 某个缎并接收任何一个源通过r p 发给该组地址的渡务量。具有s f m 功能的主机使用 i g m p v 3 来通告该主机希望加入的组播组，同时还可以通告该圭机希望接收来嬲哪个( 贱) 组播源的流量。主机发出的r e p o f t 消息w 附带一个包括梦f j 表( 1 n c l u s i o n “s t ) 或一个排除瓢 表( e x c l l l s i o n “s t ) ，前者说明了该主枫所期望接收的缎播源的地址，丽后者说明了该主机 不希黧接收的缀播源的地址。 为了成功实旌s s m 组播业务，除了要求网络端到端地支持网络组播s s m 模式外，同时 第5 员 信息工程大学硕士学位论文 还要求网络和应用支持i g m p v 3 协议栈，即要求网络中所选用的路由器、交换机、d s l 接入 设备帮主祝或瘸户端设备( 魏p e 等) 簧都支持l g 硪3 功能，瓣蓠w 臻移0 w s 瓣已经支持 i g m p v 3 ，同时某些u l 小x 操作系统还支持升级到i g m p v 3 。i g m p 是i p v 4 环境下支持组播必 不虿痧鹣游滚，嚣蘸大部分豹潮终设务耱主爹l i 帮支持l g 瓣v l 零霹 g 醒p v 2 。最廷，c l s c o 和 j l j n 球e r 等厂商的产品已经开始支持i g m p v 3 和p i m s s m 。 在运行蛰v 6 夔霹终曩，薮豹组管理携议m 毛器【1 习( 醒莲蛀e 8 鼹妇鞠嚣d i s e o v e 珂，缀搔 侦听发现) 协议取代了原来的猩i p v 4 网络中使用的i g m p 协议。目前m l d 协议有两个版本， 分别是v l 积v 2 。m t d v 2 与l g m 轴3 豹功能基本秘冈。 2 3 组地址管理与分配 i u 2 9 0 8 f l s l 说明了舻v 4 的缀施琏范隧和缀播鲍缝分配结构，r f c 2 3 7 5 f 霹说明了i p v 6 的 组地址范围。 2 4p i m s m 协议分析 p 鬏娃一s m 怒羹藏应掰最广泛、珐戆蓑强太懿秘域内组撵鼹由秘议，是路囊厂亵囊簧 支持的组播路由协议之一。p i m s m 称为协议凭关组播稀疏模式协议。它保留了由接收者 发超熬攘入模黧逶过褒整个广域嬲里建立分发辑寒进簿多点黪数摄抟送。p l m s m 之掰以 被称为“协议无关”，罴由于它w 以使用任何的单播路由信息来进行分发树构建所需的路由 选择，这些单攒搏议诸如：鼹巍信患掺议( 刚p ) 襄开牧最短路径优先惦议( o s 鞭) 簿。 稀疏模式意味潜组播组成员稀疏地分布在一个臣大的区域中。稀疏模式也可以用于局域网 环境，但它靠】农广域嘲中更有效率。p l m s m 支持以下秘标i l l 】； 保留了舻多点传送服务模型。在该模型中，源主机只需要将戗放到第跳路由器 上，聪不需要经何信令。接收生机给路出器发信令，以便加入到接收该数据的多 点传送组中。 保持主机模型不变。p l m s m 怒一个路由器到路由器的协议，遮意味着燕机不需要 升级，只是需鬟在网络中配置支持p l m s m 的籍由器。 支持共享树和肖源树。对于共享树，p n 讧- s m 使用名为汇聚点( r p ) 的路由器， 作为熬攀穗静檄。所寄源主橇都将它稍静多熹传送逶穰发送给鬏p ，r 将依次将这 些包转发给组播组的所有成员。对于有源树来说，每个源主机都有一个独立的树。 获荸撵鼹壶表审，可戬凳錾存溪耱是最短路径褥。p l m s 酝霹骧馒雳箕串一穆类型 的树，或者同时使用两者。 保持了鼹任意特定豹肇撵路由揍议豹独立蛙。锼雳软状态提铡，墩逶嶷不叛变纯 的网络环境和多点传送组。软状态意思是，如果没有刷新，那么，路凼器的状态 鬈要是矮甥夔，磬在段露阕菇失效。 p i m s m 协议也是最为复杂的路由协议之一，为了能更好的理解p i m - s m 协议，根据对 势议疼郏功黪鹣分拆，将p l m s m 协议划分为以下几个模块” 4 】： 第6 赁 信息王程大学硕士窜像论文 表lp i m s m 协议模块划分 模块编 横块名称功能简述 号 p l m s m 中，擞摆按西_ 迸簿缀播数撂的转袭，接口上豹邻 藩和蕴藏爱状杰凌定了数攒莛否转发，p m 焉赫为每个接 口维护一个p l m 邻据表，潦过彝所霄接日周期性地发送 l 黪囊镰藩窝霞懿选举 h e l l o 消崽柬斑备爵己的存在。路由嚣对搂霜上邻屠状态 的变化作出相威的处理，根据邻居的i p 地址决定本网段 翡d r 。 b s r 戆选举释鬏p 蕊瓣维护涉及到器触雄港患夔发送释 2嚣s r 懿选举帮骥静维护接骏、e r 羚a d v s 瀵悬麴发送帮援救、转s 赡惑彝黏集豹 超对。 p l m s m 任势在多种情况下鬻要发送j o i n 伊1 e 消息：d r 收到了l g 挣撮农、貉由器收到下游潞由嚣豹影p 满意、r p 事 向s 盱的切换、r p 加入某个源的s p t ( 由注册消息引起) 、 缓技，夔棱掰蝴弛绻尊) 满意熬粥嗾颈鹩趱瓣等等。除热乏羚，为了维护j 舻表戆鼗态， 3 怒壤路由箍还需饕瘸麓性遣彝蒸上游搂煮发送鑫纛兹船表。 鞭m s m 任务在第一次被激活薅启动j 舻发送佟妲，由定时 器驱动。p 粼强务在收到伸消息瑟，鬟新自已的m r r ， 必要时触发新的j ，p 消息的发送。 姿一个茨送方野熬蠲一个缀避蛙发送数据掇文嚣聿，一嚣娥 它豹t 必缓将簿参数据撵交转发给髓虫r p 逡分发秘转 发。发送方鹣蕊t 耨每个掇文封装剜一个注薅溃惠串，搿 u n i c a s t 方式发瓣r p 。r p 拆封每个涟珊消息，将被封装的 数据报文向r p 树的下游结点转发；如果该发送方的数据 率超过一定壤，r p 需要尧该发送方建嵌一个转发( s g ) 4 波珊和注册停此的处理项，向发送方发潮o i f i ( s ，g ) 消息，加入从s 到r p 的s p t ： 露鲑蠹激发邀注瓣停止瀵爨。熬牧戮注蓊捧史溃惠爱， 箨建赞装发送蠢豹数据摄文。舞莱袋p 在收弱糯靛注翡酒 息对已经在s 的s p r 上，剐巍郎商d r 发送注册停止消息。 每个源斡d 建为s 心) 表项维护一个注掰掷皋寇辩器，该定 时器由注册停此消息启动，若定时器超时，d r 继续使用 注爨溺悫发送s 鹩数据摄文。 在多路诱闫狐n 巾，嗣一秘段上可瓣滚接多个劳彳亍的p f m 薅由器；一黢债瑰下，蠹该鞫段黪涨受责秘该嚣爱转爱 5赢s 释瀵息靛簸毽 鳃播琶，讴在蒹黪情况下，瞧可敬囊爵井的路盘箍转发避 播包。 第7 蚕 信息工程大学硕士学位论文 表l 续p l m s m 协议摸块划分 i u p t 向s p t 的切换工作由定时器驱动，周期性地调用定时 嚣处理螭数，检粪内核中多点转发袭( m 霓) 的状态，如 6 豁强囱s 胛静切换 栗某个源的数据率超出了绘定的值，剿启动向s 盯的切换 过程。只有拥有本地接收方的d r 和r p 才能进行切换。 当疆鑫嚣接彀弱7 缍搓数攒包班螽，进行最长珏配，我巅 7 转发鳙播数据毹 组播转艇项，按定的规则进行转发。 当单撂鼹出发生变化酵，路穗转发项躲上游邻矮可能会发 生变化，为了检测这种变化，当单播路由发生变化，需簧 8 转发树的维护 做相应的处理；莱个路由袭项超时膊，要将它从m 盯中 鬻除。 p 1 m s m 霈要维护许多计时器，以便在定时器超时时触发 9p i m s m 中的计时器 糖痉豹动传。 p i m s m 内部子模块之间荚系较为复杂，详见文献1 2 0 】，本文不再赘述。 2 5 本章小缭 零拳主要对组捶协议的分类进行了分绍，蓬点分携了p 黝，s m 捺议，根据p l m s 秘执议 的内部功能对其进行了模块划分。 第8 贾 信息工程大学礤士学位论文 第三章p l 氧基s 酝协议在a c r 上麓实现秘验证 髂建羧缴接天鼹出器，a c 赃体系结梅翻转发褴能上露癸能缀烂支持遮襻齄宽嫠缀 舞痊蘑鼗务。综会来嚣，在a e 袋路由爨主实凌离穗裁辩m ，s 酝维撵，将会霹泰来实瑷丈撩 模组播应爝产嫩深远掰重要的影响。本章主要王作将集中于p l m s m 猩a c r 上的实现以疑 实现方案的关键问题研究和分析。 3 1 a c r 系镳结构 a c 襄凑a e 装交换妻爨 、a e r ，p 酬垂s e n 雠 ( a e r ，孙栅) 、矗e 襄羚鞋e n $ e 撇 负责a c r 繁9 夏 信息王程大掌硕士学位论文 系统中的设备管理。a c 融p o m l 是a c r 大规模汇聚接入门户，通过与b o s s 系统信息交艇， 完成用户羧入铁证、鼗务参数粼嚣、统计信惑上季鼗三疆动髓。a c r - d 撤鬻是a e r 用户玲撼 址管理的服务器。e m d 是扩展瘸分复鼹单元，党成上下行数据的台鼹每分发、以及用户她 务控裁功熊。黼驯黾远装接霪擎笼，挺谈f e 焉户接秘安壤露声接a 与控制。蠡予瓢囝褰掰u 分剐为远鬣捌瑶民区辊房帮溺户楼道的远端设备，练食考虑可魏静接入方式扩腰，将e 氛 窝怒u 统称为滋溃模块黼。 3 2p i m 。s m 分布式实现结构 p 蹦- s m 褥议运行予a c 鼬8 之上，逶常采蕉筑教锌或者幂| l 鼷a s 站、瀚等硬髂方式实现。 魏簌黪实瑷方式零委予串繇灞鼹癌器，在转发瞧麓上难戳满是a c r 懿簧袋；a s 瓣方式懋疆 更薪、开缴溺期长不适合在研发阶段采用；丽n p 方式撼然开发效率高德技术成熬度低，也 并不适合a c r 体系结构的特点。为此，本文提出了一种针对a c r 的p l m s m 分布式实现方 案，将p m s m 控制平蕊和数糕平面分离，控制警蕊程a c r 的囊控上测嗣软锌方式实现， 丽数据乎掰利用t c a m 蜓甲o a 黪方式纛a c r 的转发予寨统上实现。该方案很好鲍符会了 a c r 熬体系结稳魏黪煮，并炙臻h 枣遗数蘩转笈【孔。 3 2 - la c 鼬s 体系结构 1 a c r - s 硬件体系结构 a c 黜s 的硬件体系结构如躜2 所示f 2 忿2 3 1 ，它的赫本构成为；线路按翻、转发处理、输 出处理、交换雅梅帮妻控，箕袋轰要斡特点是转发岛控麓耱分离。线鼹按口是数据包避班 兹霪链舔鹣羧辩，安静凌麓圭簧楚霹熬爨毽遂簿数攘疆潞垂豹嚣装辫魏装；襞发整理嚣煮 转发表审糍找猕入雹秘懿逮斌从两决定蟊静端落 称为路由鸯我) ；输斑处理蹙将撰文穰 据目的端羽将其发送到线路接蹦；交换结构用于谶接转发和输出，实现数据包冉勺转发。生 接是黯港器静羧毹中心，c p u 耨存储器就在主羧缀审。圭控投受责整个鼹出嚣的管理稀控 制，i p 鼹由协议在主接扳上运静。主控板直接接收来自瞬管中心的指令，菇下发到各接暖 叛撬行捂令，鬻簿各羧褥援撼运行靛态嚣缓计数攥佟送饕主控援，蠡主蔽凝遴嚣鍪要瓣建 理，需要时发绘瞬管中心。弼络管理受配置的静态跨国以及通过运行潞由协议生成静动态 路峦囊童羧檄繁毽，势下发劐器转发叛，壤各转发缀霹】| ；盂独立蘧进符数据包静转发工终。 第豫炎 信息工程大学硕士学位论文 强2 a c r s 豹硬件体系续构 考虑到1 0 g 线速转发组播包、转发引擎完全自主研发以及易于系统升级的需求，在 a c r - s 硬箨体系结均下，p m 。s m 携议豹实现将采用f p l 3 a + 1 陀a m 完成组播数键平蘧鸵查 表处理和硬件转发( t c a m 存放组播转发表，f p g a 执行查表处理和转发流程) ，主控宪成 协议按捌平蘧处理的方式。对于p i m s m 铷议收到的p l m - s m 控制消息( 如h e l l o ，b o o 括嘲， j o i n 胁猢e ，r e 西s t a 8 s c r t 等) 和p i m s m 与其它协议交互的控制消息( 如i g m p 等) ，线路 接口在收到这釉控制镪后，路幽器根据协议号譬段判断为协议包，直接通过板级软件送主 控处瑷即可；然而，与其它较简单的缀播路由协议( 如p i m d m ) 不同，p l m * s m 在执行数 据平僦转发操作时，可能会根据协议掇制平面提供的某些状态信息，触发协议控制平两的 耜应动作，魏爨置k a 鞭s ，g ) 、u p d a t es p l 强i t ( s ，gi 玲、发送a s s e f t 潞意等1 2 鼯”。为达到快 速转发的目的，需将必要的组播树状态信息集( t i b ，t r e ei n f o 肭撕o nb a s c ) 与转发过程相 关静状态和状态函数静结栗下发到转发弓l 擎，戳霞转发雩l 擎壹按确定凄绥目蠢袭o 蠡i s t 黪稷 据相关状态进行条件判断；当某些条件成立时，转发引擎将触发必须反映到控制平面的相 关魂佟，需要蠢转发零| 擎筠造p l 麓s 酝数据驱动控键港怒( d d 鹣琢琏鑫黼v c nm 姻鼹g e ) 遥 时上报主控，以便主控完成相应的动作。 2 。| l 髓s 醚镑 芰攘块与其毽模块熬接翳 第l l 簧 信息工程大学硕士学位论文 l 网管软件子系统 j e 路由邻屠和b s r 的透举和j o i n ，p r u n e注册和注a s s e 酊r p r 向 d r 的选举 r p 集的维护消息处理册停止 消息处理 s p t 转换 冀g 组播路由衷维护 l lh 掣定ij 消息收，发 rf1r r1 广l 蒙燮l i 燮譬一娑1 路鸯表管理 i ，p ，一p 协议橇l 子系统 餮3 p | 蜒一s m 逻辑缝秘黧 p i m s m 协议模块岛网管软件子系统、路由表管理子系统、t c p i p 协议栈之间的逻辑 关系鞠鬻3 所示。网管较律子系统逶蓬余令孬按疆c 臻( c ( 髓撤 斌l i 黼l 搬彘) 耪s n 凇 m m ( s i n l p l en v o r km a i l a g e m e mp r o t o c o l ，m a l l a g e m e n ti n f 0 洲a t i o nb a s e ) 接口两种方式对 l 醛s m 路舂给议送行管理 魏据配嚣秘运霉状态查谗涎类) ；p | 氛重- s 醚模块囊鼹 萋表繁理 子系统提供当前的组播路由表( 供组播路由表表项的下发和更新) ；当单播路由发生变化 跨，黪建表警壤子系绞遴知班娣s 醚掺议模块，供p l 终s 疆数出调整上游邻屠等捐应动搀； p i m s m 的消息收发予模块通过与t p i p 协议栈的接阴收发靛制报文戏数据撒文，完成 p 秘唾s m 控暴l 拨文、数据擐文的处理以及p 戳- s m 与 g m p 的交曩。 3 2 2p m i - s m 分布式实现的系统结构 p 辩娃s m 分布式系统实魂豹基本琢翔是：掰m s 醚务毒交