（通信与信息系统专业论文）metroe中ip组播控制技术的研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼u 。miin nn,i _ 曼曼曼曼毫曼蔓曼曼! 曼曼曼曼曼曼 摘要 组播是一种高效的数据传输方式。组播相对于传统的点对点的单播方式降低了对发 送者的压力并且节约了传输数据时需要的带宽，因此非常适合以组播方式开展多接收者 的点对多点或者多点对多点的业务。 以太网在局域网中得到广泛使用，随着其技术不断发展，以太网正在逐渐向城域网 延伸。城域以太网的高速率低成本，非常开展大流量的组播业务。但是传统的以太网i p 组播控制技术的转发方式是基于组m a c 地址，不能识别i p 组播源导致接收者容易受到 非法组播数据的影响；同时存在多个口地址映射成同一m a c 地址的问题，需要运营商 对i p 组播地址的分配做以限制，不利于城域以太网中i p 组播业务的开展。 在本文中，笔者首先对已有i p 组播控制技术分析，针对城域以太网的二层网络对口 组播控制技术进行研究。结合已有的三层交换机三层组播的转发方式和以太网组播控制 技术i g m ps n o o p i n g ，实现i p 组播在v l a n 内及跨v l a n 的识别源的口转发。这种二 层网络的p 组播精确转发技术结合能够识别源进行组播组管理的i g m p v 3 协议，加强城 域以太网对i p 组播的控制能力，有效的解决了传统以太网非法组播数据和转发不准确的 问题。另外针对城域以太网普遍采取的环形组网，对环网链路故障时i p 组播的控制进行 了研究，提出了在基于e i p s 协议的以太环网发生链路拓扑改变时二层组播控制技术的 处理方法，在不影响已有业务的基础上，减少收敛时间及链路震荡带来的组播流量震荡。 最后笔者对本文实现的i p 组播v l a n 内及跨v l a n 识别源的i p 转发进行测试及验 证。 关键词：组播；i g m ps n o o p i n g ；组播转发控制；以太环网组播 西南交通大学硕士研究生学位论文 第fi 页 a b s t r a c t m u l t i c a s ti sad a t at r a n s m i s s i o nw i t l l1 1 i g he f f i c i e n c y c o m p a r i n gt ou n i c a s t m u l t i c a s tc a n r e d u c es e r v e rl o a d sa n de n h a n c eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o no fn e t w o r k s oi ti ss u i t a b l ef o r p o i n t t o - m u l t i p o i n to rm u l t i p o i n t - t o m u l t i p o i n ta p p l i c a t i o n s e t h e r n e ti sw i d e l yu s e di nt h el a n w i md e v e l o p m e n to fe t h e m e tt e c h n o l o g y , e t h e m e t i sm i g r a t i n gf r o ml a nt om a ng r a d u a l l y b e c a u s eo fe t h e m e t sl o w c o s ta n dh i g h - s p e e d ， s e r v i c ep r o v i d e r sc a l ld e p l o ym u l t i c a s t - b a s e da p p l i c a t i o n s 谢t l ll l i g hf l o wr a t eo nm e t r o - e n e t w o r k b e c a u s eo ft h ef o r w a r d i n gm o d eb a s e do ng r o u pm a c a d d r e s s ，m u l t i c a s ts o u r c ec a n n o tb ec o n t r o l l e di nc o n v e n t i o n a ll a n ，w h i c hc a u s er e c i e v e ri n f l u e n c e db ym u l t i c a s td a t a f r o mi l l e g a lm u l t i c a s ts o b r c ee a s i l y i na d d i t i o n , i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fm u l t i p l ei p m u l t i c a s ta d d r e s sm a p p e di no n em a cm u l t i c a s ta d d r e s s ，m u l t i c a s ts e r v i c ep r o v i d e r sm u s t l i m i tt h ea s s i g n a t i o no fi pm u l t i c a s ta d d r e s s t h i sw i l lc a u s em u l t i c a s ts e r v i c ed e p l o y e dm o r e d i f f i c u l t yo nm e t r o en e t w o r k i nt h i sp a p e r , ia n a l y z ea n ds t u d yi pm u l t i c a s tc o n t r o lt e c h n o l o g yo nl 2m e t r o - en e t w o r k b yc o m b i n i n gl 3m u l t i c a s tf o r w a r d i n gm o d eo fe t h e m e tl 3s w i t c ha n di g m ps n o o p i n gw h i c h i st h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fmm u l t i c a s to nl 2n e t w o r k ，ii m p l e m e mi pf o r w a r d i n gw i t h c a p a b i l i t yo fs o u r c e - a w a r ew i t h i nv l a n o rc r o s sv l a nf o ri pm u l t i c a s to nl 2n e t w o r k w i t h u s i n gt h ei g m p v 3p r o t o c o lw h i c hc a nm a n a g eg r o u pw i t l lm u l t i c a s ts o u r c e t h ei pf o r w a r d i n g t e c h n o l o g yo nl 2n e t w o r kf o ri pm u l t i c a s td a t ac a ns t r e n g t h e nt h ec o n t r o lo f i pm u l t i c a s to n m e t r o en e t w o r ka n ds o l v et h ep r o b l e mt h a tu s e rr e c e i v e si l l e g a lm u l t i c a s td a t aa n di m p r e c i s e f o r w a r d i n go ne t h e r n e tl 2n e t w o r k f o rt h ee t h e r n e tr i n go fm e t r o en e t w o r k ，t h ec o n t r o l t e c h n o l o g yo fi pm u l t i c a s tw h e nl i n kt o p o l o g yc h a n g eo nt h er i n gi ss t u d i e d am e t h o do fl 2 m u l t i c a s tm a n a g e m e n tf o rl i n kt o p o l o g yc h a n g eo ne t h e m e tr i n gi sp r o p o s e dt or e d u c et h e t i m eo fn e t w o r kc o n v e r g e n c ea n dm u l t i c a s td a t as t r e a mb l o c kw i t h o u ta f f e c t i n gt h ee x i s t i n g b u s i n e s s a tl a s t , it e s ta n dv e r i f yt h ef u n c t i o no fi pf o r w a r d i n g 埘t hc a p a b i l i t yo fs o u r c e a w a r ef o r i pm u l t i c a s td a t aw i t h i nv l a na n dc r o s s - v l a nw h i c hii m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：i pm u l t i c a s t ；i g m ps n o o p i n g ；m u l t i c a s tf o r w a r d i n gc o n t r o l ；e t h e r n e tr i n g m u l t i c a s t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 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 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密i - 1 ，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打c ，) 学位论文作者签名牡指导老师签名：乡乏乏吾焦乏 日期：伊ps 、胡 日期：矽陬了、彰 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、基于三层交换机交换芯片的三层组播转发逻辑，实现能够在二层网络中识别源 的i p 转发的i g m ps n o o p i n g 功能，提出一种根据i g m p v 3 的组记录形成转发表的算法。 2 、以识别源的i p 转发的i g m ps n o o p i n g 为基础，实现在二层网络中能够跨v l a n 识别源的i p 转发的组播v l a n 功能，并提出种根据v l a n 内的组播转发表生成组 播v l a n 转发表的算法。 3 、对本文实现的i g m ps n o o p i n g 和组播v l a n 功能进行单元测试，验证其有效性。 4 、对已有i p 组播技术分析研究，基于实现的i g m ps n o o p i n g 及组播v l a n 功能 提出一种在城域以太网中有效控制i p 组播的方案。同时提出一种基于e i p s 协议的以 太环网上链路拓扑变化时，i p 组播的处理方案。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 日期2 夕i , v 了、- 4 7汐 3 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景 第1 章绪论 网络数据通信方式有三种，分别是单播( u n i c a s t ) ，广播( b r o a d c a s t ) 和组播( m u l t i c a s t 也称多播或群播) 。单播方式是点对点的通信方式，发送者会为每个接收者发送一份数据， 在多个接收者需要相同数据的应用环境下，发送者有将面临很大的处理压力，并且针对 每个接收者发送的数据在网络中传输都占用带宽。广播将数据无条件的扩散到所有分支 路径，由终端决定接收或丢弃，是一种点到所有点的通信方式，由于其严重占用网络带 宽，因此通常仅在子网下的二层网络中使用。组播是一种点到多点或者多点到多点的通 信方式，组播的特点是在网络将不同接收者的相同数据以同一个组( g r o u p ) 的形式传输， 只在网络末端将数据的复制分发至组成员，在减轻了发送者的压力同时又节省了网络带 宽。组播尤其适合用于大流量多接收者的视频直播业务。 以太网( e t h e m e t ) 是在局域网广泛采用的技术，随着m e f ( m e t r oe t h e m e tf o r u m 城域以太网论坛) 等组织的不断推进，以太网技术不断的发展，渐渐满足城域网的电信 级要求。城域以太网( m e t r o e ) 对于传统的基于语音设计的s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a l h i e r a r c h y 同步数字体系) 城域网具有高速率低成本的特点，非常适合开展大流量的i p ( i n t e m e tp r o t o c o l 互联网协议) 组播业务。 由于在组播模型中，任何主机都可以向某个组发送数据，组播存在接收者接收到非 法组播数据的问题。这就必须对i p 组播的转发进行有效的控制。传统的i p 组播业务的 控制及管理是通过针对三层网络设计的i p 组播协议完成的。在城域以太网的二层网络 中，需要通过监听i g m p ( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l 因特网组播组管理协议) 报文的i g m ps n o o p i n g 来完成对i p 组播流量的控制。 组播在网络中以组的形式传送，在网络的末端通过i g m p 协议确定组播组成员，最 终将组播数据转发给组成员。因此i g m p 协议是对组播有效控制的关键。在i g m p v 3 协 议中，支持对组播源的指定接收或过滤，这样使得在网络边缘确定组成员时，能够源地 址和组地址标志一个组播组。通过i g m p v 3 指定源或过滤源的加入，可以有效的阻止非 法组播源的组播数据。 通常i g m ps n o o p i n g 的数据转发控制基于组m a c 地址，无法对非法源进行区分。 非法发送者向网络发送非法组播数据时，交换机不可避免的将非法源的数据转发给该组 的用户，不仅严重浪费了用户带宽，更严重的是干扰用户其他业务的正常开展。不仅如 此，i p v 4 组播口和m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r o l 介质访问控制) 地址之间的多对一映射， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 - - ii ii i iiii i i 曼曼曼曼曼! 曼蔓曼曼曼曼曼曼舅曼曼! 曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼 使得不同的组播组之间可能相互干扰。组播业务提供商必须考虑此问题，使得组播业务 不容易部署。因此为了更好的在城域以太网中开展组播业务，必须增强以太网中组播转 发者的转发准确性，以此提高对i p 组播控制能力。 传统局域以太网往往采取树形组网，对网络性能要求不高，使用s t p ( s p a n n i n gt r e e p r o t o c o l 生成树协议) 技术控制环路及故障时的拓扑收敛，在链路震荡时会有长达数秒 的收敛时间。城域网对于业务的稳定性有着很高的要求，并且城域以太网上的环形组网 与以太网的树形组网有很大不同，城域以太网的e i p s ( e t h e m e ti n t e l l i g e n tp r o t e c t i o n s w i t c h i n g 以太网智能保护倒换) 等技术能够将收敛时间控制在5 0 m s ，具备了开展i p 组 播业务的条件。同时作为二层网络中的组播协议i g m ps n o o p i n g 需要进一步改进，加快 从故障恢复正常转发的速度，以适应城域以太网开展组播应用的实际需要。 1 2 本课题的研究意义 城域以太网可以划分为三个层次的网络，核心网络，汇聚网络和接入网络。核心网 络是三层网络，其中的高端路由器的性能强并且i p 组播控制技术成熟，能够在核心网络 中对组播源的进行有效控制。本文将针对城域以太网的汇聚网络及接入网络进行i p 组播 控制技术研究。 城域以太网中的开展组播必须要解决接收者接收到非法组播数据的问题。在城域 以太网中的组播转发者即交换设备对i p 组播的转发控制是解决这些问题的最关键部分。 二层网络中对礤组播的控制都是通过交换设备的i g m ps n o o p i n g 技术来完成的。 r f c 4 5 4 1 制定了i g m ps n o o p i n g 的协议及数据的建议转发规则。中国科学院软件研究所 得王军博士等人于文献【5 l 】中提出了基于v l a n 的i g m ps n o o p i n g 的基本思想。华中科 技大学的杜旭博士等人在文献 5 2 】中进一步的给出了基于l i n u x 的i g m ps n o o p i n g 协议的 实现方案。北京邮电大学的谭敏强博士等人在文献 1 5 】中又阐述了基于s t p 的交换式以 太网i g m ps n o o p i n g 与i g m pp r o x y i n g 的方案。电子科技大学的陈晓英在其硕士学位论 文【4 5 】中基于实际项目对i g m ps n o o p i n g 进行了设计和实现。这些i g m ps n o o p i n g 的研究 实现均以传统的m a c 转发方式为基础完成的，因此仍然存在无法精确转发的缺陷。 笔者通过利用三层交换机中为三层组播提供的转发方式，重新实现i g m ps n o o p i n g ， 完成口组播在二层网络中识别源的i p 转发，并以此为基础，进一步实现二层网络中跨 v l a n 的识别源的口转发的组播v l a n 技术，通过这两种二层网络的精确转发技术同 识别源的i g m p v 3 协议配合，形成二层网络中的i p 组播控制技术，使以太网对i p 组播 的控制能力大为增强，有效的防止了非法组播数据对组播业务的干扰，更好的支撑城域 以太网i p 组播业务的开展。针对基于e i p s 协议的以太环网，提出在链路拓扑变化时的 i p 组播的处理方案，保证了环网组播的健壮性的同时更加完善了城域以太网中的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 组播控制技术。 1 3 本文的结构 本文首先以传统i p 组播面临的问题及解决方法为切入，通过分析城域以太网与传统 i p 组播网络的不同，对城域以太网i p 组播面临的问题进行了分析，针对这些问题对城 域以太网i p 组播精确技术进行研究，提出一种城域以太网中口组播精确控制方案。接 着对i p 组播控制方案中的最为关键的技术，v l a n 内及跨v l a n 的i p 组播精确转发技 术在以太交换机中实现，总结实现的转发表算法。并对其基本功能进行测试验证。最后 对本文的研究做一总结。 本文的结构是： 第一章绪论部分阐述本文研究背景及意义。 第二章介绍了一下i p 组播及城域以太网相关背景技术。 第三章对首先对已有i p 组播控制技术进行了分析，针对城域以太网中i p 组播面临 的一些问题，对城域以太网的i p 组播控制技术进行研究，提出一种城域以太网中有效控 制i p 组播的方案。同时针对城域以太网的环形组网环境，对网络拓扑变化时i p 组播的 健壮性进行了研究，针对以太环网提出i p 组播在环网拓扑改变时的协议及数据的控制方 案。 第四章基于现有的交换机i p 组播转发基础，实现精确转发的i g m ps n o o p i n g ，并对 其模块划分，主要数据结构组织，关键算法做出详细说明。根据前面实现的i g m p s n o o p i n g 进一步实现能够跨v l a n 识别源的i p 转发i p 组播数据的组播v l a n 功能，对 其数据结构组织及关键算法做出详细描述。 第五章对实现的精确转发的i g m ps n o o p i n g 及组播v l a n 进行测试及验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章ip 组播与城域以太网 2 1ip 组播协议概述 组播业务一般是基于i p 组播开展的。d 类i p 地址被指定为i p 组播地址，即最高四 个b i t 为1 1 1 0 的i p 地址，范围是2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。其中2 2 4 0 0 0 2 4 是保留 组播组，用于一些协议的组播。p 组播协议用来对口组播进行控制和管理。i p 组播协 议可以分为路由器之间交互使用的组播路由协议和主机与路由器之间交互使用的i g m p 协议。在以太局域网中，交换机通过i g m ps n o o p i n g 完成对p 组播的控制。 2 1 1ig m p 协议 i g m p 协议应用在组播网络末端的路由器和主机中，完成组播组成员的管理。i g m p 是i e t f ( t h ei n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e 互联网工程任务组) 组织推出的一系列r f c ( r e q u e s tf o rc o m m e n t s 请求评议) 标准。到目前为止i g m p 协议有三个版本。 2 1 1 。1ig m p v l 协议 s t e v ed e e r i n g 在r f c l l l 2 1 1 提出了i p 组播模型及i g m p 协议。i g m p 协议用来在网 络末端动态的确定组播组的成员。i g m p 报文由i g m p 查询( q u e r y ) 和i g m p 成员报告 ( r e p o r t ) 两类报文组成。同时i g m p 协议模型由路由器及主机构成。路由器负责向主 机发送i g m p 查询，主机负责向路由器发送i g m p 报告。 i g m p 路由器端协议 i g m p 查询 路由器 么1 弋7 主机 i g m p 主机端协议 i g m p 报告 图2 1i g m p v l 协议模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 i g m p 报告中携带了主机希望加入的组播组口地址。路由器根据收到的i g m p 报告， 以此确定该接口( 本文出现的“接口 是指路由器的物理接口，“端口 是指交换机的物 理接口) 存在此组播组的成员，来自此组播组的数据将会转发到该接口。同时路由器还 会在该接口维护组记录，针对组播组设置老化定时器，当老化定时器到期，删除接口上 的组记录，认为该接口上没有此组播组的成员了，停止向该接口转发该组播组数据。 为了确定是否有活动的组成员，路由器还负责周期性的对主机发送i g m p 查询，主 机则响应该查询向路由器发送i g m p 报告。i g m p 协议的查询响应机制，保证路由器的 接口如果存在组播组成员，其组记录老化定时器能够得到及时更新。 因此i g m p 报告的产生有两种方式，一种是主机的接收需求发生了变化，主动的向 上游路由器发送i g m p 报告；另外一种是主机响应上游路由器的i g m p 查询而发送i g m p 报告。 如果路由器的接口下通过交换机连接了相同组播组的多个成员，在响应路由器的 i g m p 查询时，会产生大量的重复的i g m p 报告。路由器仅需要其中一份即可确定该接 口为转发接口，因此为了降低路由器的处理压力，产生了i g m p 报告抑制机制。主机需 要监听i g m p 报告，在收到相同组播组的i g m p 报告时，不再发送相同的报告。 如果主机不想接收某个组，它就不再向上游发送该组的成员报告，在收到上游的查 询时，也不响应该组的报告。等到老化定时器到期，组播数据就不会再转发只该接口。 i g m p v l 离开某个组播组是采取自然老化的方式，因此会有很长的延时。 2 1 1 2lg m p v 2 协议 r f c 2 2 3 6 【2 j 中定义了i g m p 的第二个版本。i g m p v 2 针对其在应用中的一些缺陷进行 了完善，增加了主动离开和查询者选举机制。 主动离开机制将i g m p 报告分成了加入( j o i n ) 和离开( 1 e a v e ) 两种类型。i g m p v l 的离开机制会有比较长的离开延迟。为了缩短成员离开组的时间，i g m p v 2 引入了主动 离开的机制。增加了i g m p 离开报文和i g m p 指定组查询报文这两种新的i g m p 报文。 主机如果不希望接收到某个组，就向上游发送该组的离开报文，上游收到离开报文后， 会马上将该组播组的老化定时器降低到很短的时间，同时向主机发送i g m p 指定该组的 查询，目的是确认是否该接口已经没有该组的其他接收者了。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 查询者接收者a接收者b 图2 2 主动离开机制示意图 如果还有其他接收者，那么这个接收者应该响应这个查询，发送关于该组的成员报 告，使上游刷新该组播组的定时器。如果是最后一个接收者离开了，上游在老化定时器 到期前没有收到成员报告，那么定时器到期，会将该组的记录删除，之后这个组播组的 数据也不会再转发到该接口。这种主动离开的机制，大大缩短了离开的时间。 查询者选举机制是通过路由器处理收到的i g m p 查询实现的。在一个i g m p 域内， 源地址最小的查询发送者才能成为查询者。查询发送者在收到比自身i p 地址小的 i g m p 查询时，应将自身状态置为非查询者。确保了在i g m p 域中，仅有一个查询器处 于查询者的角色进行查询。 i g m p v 2 协议的离开机制和查询者选举机制更适合组播业务开展的需求，同时由于 出现的较早，因此是目前使用最广泛的i g m p 协议。 2 1 1 3l g m p v 3 协议 r f c 3 3 7 6 t m 是i g m p 协议的第三个版本。i g m p v 3 在i g m p v 2 基础上引入了组播源 过滤概念。i g m pv 3 提出两种组过滤模式：i n c l u d e ( 包含模式) 和e x c l u d e ( 排除 模式) ，并且使用组播源列表来描述这两种模式。 在主机端的i g m p v 3 协议中，主机端记录的组播接收状态由 组口地址，过滤模式， 源列表，组成。过滤模式是i n c l u d e 模式时，源列表中的源是主机期望接收的源，这些 源。e x c l u d e 模式时源列表内的源是主机不想接收的组播源。主机端i g m p v 3 协议还 负责当组播接收状态变化及响应路由器的i g m p 查询时，生成i g m p v 3 报告发送给上游 路由器。 ， i g m p v 3 的成员报告可由若干个组记录组成，组记录主要记录了组记录类型，组地 址和若干源地址。组记录共有六种类型，反应了当前组记录状态，组记录过滤模式和组 记录源列表变化。i g m p v 3 的成员报告可以同时携带多个组记录，在一定程度上减少了 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 网络中协议报文的数量。同时i g m p v 3 还出现了针对用户离开某个源的组播组而产生的 指定源组查询，它同指定组查询作用类似，不过是针对组播源的。 路由器端基于收到的i g m p 报告维护i g m p v 3 组记录。i g m p v 3 组记录由( 组播地 址，组定时器，过滤模式，源记录) 的形式组织，其中源记录是( 源地址，源定时器) 的形式。 当组记录处于i n c l u d e 模式下，组定时器值为零，源记录中的源都是的是需要转 发的源，且只有源记录中记录的源需要转发。源记录的源定时器值大于零时转发该源， 当源定时器到期( 等于零) 时，停止转发该源，并删除该源记录。当该组记录没有源记 录时，删除该组记录。i n c l u d e 模式下，只转发源记录中的源的组播数据。 当组记录处于e x c l u d e 模式下，组定时器值大于零。源记录中如果源定时器大于 零则转发该源。如果源定时器等于零，则不转发该源，但是同i n c l u d e 模式不同的是， e x c l u d e 模式不删除源定时器为零的源记录。因此e x c l u d e 模式中的源记录按照其 定时器值是否不为零又可分为a 集合和b 集合，其中a 集合是不确定是否是需要过滤 的，行为还是转发这部分组播源，b 集合中是明确禁止转发的组播源。e x c l u d e 模式 下，除了b 集合中的源，其他源的组播数据都需要转发。 表2 1i n c l u d e 模式和e x c l u d e 的源转发规则 过滤模式源定时器大于零源定时器等于零其他源 i n c l u d e 转发不转发，删除源记录不转发 e x c l u d e 转发不转发转发 主机和路由器通过i g m pv 3 协议完成只接收指定源或者屏蔽指定源组播的功能。最 终在组播网络的末端完成对非法组播数据的过滤。 2 1 2lp 组播路由协议 i p 组播路由协议，有组播域内的p i m 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 协议无关组播稀疏模式) ，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 协议无 关组播密集模式) ，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 距离矢量组播路 由协议) 等和组播域间的m b g p ( m u s c a tb o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l 组播边界网关协议) ， m s d p ( m u l t i c a s ts o u r c ed i s c o v e r yp r o t o c o l 组播源发现协议) 等。目前在城域网中使用 的是p i m s m 协议。 2 1 2 1p lm s m 协议 p i m 协议可以借助任何单播路由协议来完成组播分发树的确定。p i m s m 以拉的方 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 式开展组播，假设所有子网都没有接收者，路由器根据主机的请求通过加入消息将组播 流量拉下来。p i m s m 协议节约了大量带宽，因此更适合组播业务。 在p i m s m 协议中，口组播是依据( 木，g ) 或者( s ，g ) 来转发，( 牛，g ) 意味着 仅按照组播组i p 地址转发，( s ，g ) 需要同时根据源i p 地址和组播组i p 地址来转发。 在p i m s m 中，通常所有组g 的组播数据都是通过r p ( r e n d e z v o u sp o i n t 汇聚点) 路由 器按照( 木，g ) 转发，如果r p 路由器的使用带宽超过一定的阈值后，组播转发路径可 以由以r p 为根的共享树切换到以组播源为根的有源树。有源树时接收者同组播源建立 的最短路径树，按照( s ，g ) 转发。 不仅路由器通过这种( 木，g ) 和( s ，g ) 的转发完成i p 组播的转发，某些交换机 也可以在三层网络中运行组播路由协议完成基于( 幸，1 3 ) 和( s ，g ) 的i p 组播转发。 这种交换机为了支持完整i p 协议，在硬件上支持了报文的口转发，再通过软件上实现 上层协议使得交换机可以实现像路由器一样转发i p 报文，具有这种硬件功能的交换机也 称之为三层交换机。 2 1 2 2 指定源组播 s s m ( s o u r c e s p e c i f i cm u l t i c a s t ) ，指定源组播。在p i m s m 协议中，通常情况组播 数据的转发是依靠在r p 上，所有源的组播都汇聚到r p ，r p 再将组播数据转发到接收 者。这种只以组地址为转发依据而不识别源的转发模式成为a s m ( a n ys o u r c em u l t i c a s t 任何源组播) 模式。在a s m 模式下，无法对组播源有效区分，接收者可能会收到来自 其他源的不需要的组播数据，增大了接收者的处理压力并且浪费了带宽。指定源组播为 了解决这个问题而产生。 指定源组播使用二元组的( s ，g ) 表示一个组播关系，并以之为组播的转发依据。 主机者向边缘路由器发送基于( s ，g ) 的加入，边缘路由器则向组播源方向的组播路由 器发送组播路由协议的( s ，g ) 加入，最终边缘路由器同组播源问建立一条可以绕过 r p 的最短路径。指定源组播使接收者同源之间建立一条可以不依赖r p 的以按照( s ，g ) 转发的组播分发树。协议规定的使用s s m 转发模式的组播组范围是2 3 2 0 0 0 至 2 3 2 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。 路由器只允许主机以i g m p ( s ，g ) 加入处于s s m 范围的组，因此需要在组播网 络边缘支持i g m p v 3 协议中的i n c l u d e 模式，以完成指定源的加入。当下游是i g m p v l 或i g m p v 2 加入到s s m 范围的组播组时，路由器不进行处理。为了避免下游使用i g m p v l 或i g m p v 2 因此不能接收到组播数据，使s s m 兼容下游的i g m p v l 和i g m p v 2 主机， 产生了路由器的s s m m a p p i n g 技术。该技术可以在路由器设置指定的源列表，将下游的 i g m p ( ，g ) 加入转换为i n c l u d e 源列表的加入来继续进行协议的处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 i i mi iii 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇! ! ! 曼蔓 2 1 3ig m ps n o o pin g 在二层网络中，二层交换机( 是指原始的按照二层的m a c 地址转发报文的交换机) 对i p 组播的默认转发行为是转发到广播域内的所有端口，这造成了组播报文在二层网络 的扩散，对网络带宽造成了很大的浪费，因此需要在二层网络中对组播进行控制管理。 一些厂家推出的针对二层网络的私有组播组管理协议，例如c i s c o 的c g m p ( c i s c o g r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l 思科组管理协议) 、华为的h g m p ( h u a w e ig r o u pm a n a g e m e n t p r o t o c o l 华为组管理协议) 等。但这些私有协议和其他厂家不能兼容因此不通用。目前 通用的是i g m ps n o o p i n g 技术，1 g m ps n o o p i n g 技术要求二层交换机应具有第三层意识， 能够在报文中提取出i g m p 协议报文，因此能够支持i g m ps n o o p i n g 的具有三层意识的 交换机也称二层半交换机。 i g m ps n o o p i n g f 报告a报告b 弋。7弋7 主机a主机b主机c 图2 3i g m ps n o o p i n g 不意图 i g m ps n o o p i n g 的作用是，在二层网络中将妒组播转发给该组成员，避免组播数据 在二层网络中的扩散。i g m ps n o o p i n g 的主要工作原理是通过监听下游主机向上游路由 器发送的i g m p 成员报告，记录组播组m a c 地址和端口，下发到硬件上设置专门用于 转发组播数据的组播转发表。硬件组播转发表即以组播m a c 地址为关键字记录了转发 端口的表项，在支持v l a n 的交换机中还包括v l a ni d 作为关键字。当组播报文进入 交换机中，首先由硬件判断其是组播协议( i g m p ) 报文还是数据报文，如果是i g m p 报文则上交c p u 进行处理，如果是数据报文则根据v l a n 和目的m a c 地址查找转发 端口进行组播数据的转发。i g m ps n o o p i n g 除根据i g m p 报告建立转发关系对数据控制 外，为了对实际应用更好的支持，一般还具备查询器，立即离开，端口下的协议控制功 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 能。 i g m ps n o o p i n g 的典型使用环境是，组播路由器通过交换机与多个主机相连，交换 机中运行i g m ps n o o p i n g 通过监听主机发给路由器的i g m p 报告，建立基于v l a n 和组 地址和转发端口的表项，一旦有组播进入该v l a n ，即按照转发表项的出口进行组播的 转发，这样就保证组播只发送给接收者，而非接收者不能收到组播数据。i g m ps n o o p i n g 实际上完成了组播转发功能，但是对于协议交互，i g m ps n o o p i n g 是透明的，路由器的 i g m p 查询会被转发至v l a n 的所有端口，所有的i g m p 报告也会被转发至上游的路由 器。 i g m pp r o x y i n g 在i g m ps n o o p i n g 的基础上增加对协议报文管理的功能，减少网络中 的i g m p 协议报文数量。它向下( 对主机) 完成i g m ps n o o p i n g 的组播路由器的查询器 功能，同时向上( 对路由器) 完成了主机的报告功能。 i g m pp r o x y i n g 交换机 主机 查询者 ttt 查询报告查询报告查询报告 一 上 l上j 主机 主机主机 图2 4i g m pp r o x y i n g 示意图 i g m ps n o o p m g 对协议报文透传，而i g m pp r o x y i n g 完全分隔了上游路由器和下游主 机，使上游和下游只能通过i g m pp r o x y i n g 来交互，由于i g m pp r o x y i n g 会综合下游的 信息回答上游的i g m p 查询，因此减少了网络中i g m p 报文的数量，减轻了上游设备的 处理压力。 2 2 城域以太网中lp 组播简介 目前电信城域网的主流传输技术同步数字体系( s d h ) ，是于2 0 年前提出的以传输 语音为代表的电路型业务为对象而设计的传送技术体制。由于其是为了传送语音而不是 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 数据设计的，在大流量视频业务需求日益增强的今天，其传送数据的能力已经不能适应 网络需求。由于提高其能力的代价巨大，各方面已经开始寻找新型的城域嘲替代者。 以太网是在局域网广泛采用的技术，有着广泛的用户群体，因此其技术受到需求牵 引发展十分迅速，接口速率从原来的1 0 b a s e - t 的1 0 m b p s 到f e 的1 0 0 m b p s 再到g e 的1 0 0 0 m b p s 和1 0 g e 的1 0 g b p s ，目前有公司已经研制出了1 0 0 g b p s 的以太接口。城域 网需要承载不同的业务，有些业务如语音业务对于故障保护有很高的要求。同时一些新 兴的i p 应用，如i p t v 等对于网络性能也有比较高的要求。将以太网技术从局域网延伸 至城域网需要以太网技术需要进一步完善，以便达到城域网的“电信级”的要求。随着 以太网技术在m e f 不断推进下的发展，以太网进入城域网的一些瓶颈，管理型，切换 速度，q o s ( q u a 硅t y o f s e r v i c e 服务质量) 等方面已经被新出现的一些以太网技术解决。 这使得具有电信级特性的高速率低成本的城域以太网非常适合以组播方式开展业务，尤 其是大流量的视频直播业务。 2 21 城域以太网网络模型 图2 5 城域以太婀阿络示意图 如图2 - 5 ，城域| 三i 太网可以划分为三个层次的网络，核心网络汇聚网络和接入网络。 核心网络中由高性能的业务路由器组成，负责本地业务和与广域网连接。汇聚层则由高 性能的汇聚交换机组成环形网络。在接八层中，若干按入交换机和一个汇聚交换机组成 接入环，接入交换机通过d s l a m ( d i g i t a ls u b s c r i b c r l i n e a c c e s s m u l d d l e x e r 数字用户线 路接 复用器) 与用户相连，用户可以通过d s l a m 来区分不同的业务。在本论文中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 汇聚交换机和接入交换机都采用三层交换机，两者的区别是转发速率和c p u 处理能力上 的差距。 二层网络协议相对三层网络简单，而且交换机往往采用控制平面和数据平面分离的 设计，在控制平面上由c p u 进行协议报文的处理，在数据平面由专用的硬件交换矩阵即 硬件转发表完成用户数据报文的转发。其这种针对报文的不同功能采取不同处理方式的 设计在一定程度上减轻了c p u 的负担