（通信与信息系统专业论文）基于ipv6的pim协议研究和实现（基于linux操作系统）.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 随着网络技术的飞速发展，尤其是近年来多媒体应用的出现，网络 带宽急剧消耗。为了更有效地利用带宽， 减少网络拥塞和延迟， 人们提 出了组播这种解决方案。 同时，网络规模和应用的飞速增长， 使i p v 6 技术的发展成为必然。 经过几年的研究与实践，2 0 0 2 年9 月，实验室正式启动国家 “ 8 6 3 ”重 点项目一一“ 高性能i p v 6 路由器协议栈软件”。路由器是i p网络的核 心设备， 本项目的主要目 标是面向下一代互联网的发展趋势与需求， 研 究高性能路由器i p v 6 协议实现技术，自主开发完成i p v 6 协议栈软件。 本论文就是构建在该项目的研究工作之上。 本文首先综述了i p组播技术产生的背景、 优势以及国内外组播技 术的研究现状，从而指出研究和实现组播路由协议的重要意义。随后， 深入探讨了组播技术的基础知识， 并对目 前存在的五种组播路由协议进 行了论述和比较。 进而，在详细论述了 p i m s m 的工作原理和关键技术的基础上， 系统地介绍在l i n u x 操作系统中用 p i m- s mv 2 来实现i p v 6组播技术的 过程，并在模拟i p v 6 环境对其结果进行了验证 最后，提出了当前i p组播技术存在问题， 的方向进行了展望。 并对i p 组播进一步研究 关键词:路由 器 组播 m il d p i m - s m 北京交通大学硕士学位论文 ab s t r a c t wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f i n t e r n e t t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y t h e a p p e a r a n c e o f m u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s i n r e c e n t y e a r s , n e t w o r k b a n d w i d t h i s d e p l e t e d s h a r p l y . i n o r d e r t o u s e n e t w o r k b a n d w i d t h m o r e e f f i c i e n t l y a n d d e c r e a s e n e t w o r k c o n g e s t i o n a n d d e l a y , m u l t i c a s t i s p r e s e n t a s a n e w s o l u t i o n . a n d t h e t r a d i t i o n a l i p v 4 c a n n o t s a t i s f y p e o p l e s r e q u i r e m e n t s f o r b i g g e r a d d r e s s s p a c e , b e t t e r q u a l i t y o f s e r v i c e , m o b i l it y , s e c u r i t y , a n d s o o n . t h e n e w i p v 6 p r o t o c o l i s i n e v i ta b l e . a f t e r s e v e r a l r e s e a r c h a n d p r a c t i c e , t h e n a t i o n h i g h t e c h r e s e s r c h a n d d e v e l o p m e n t ( 8 6 3 ) p r o g r a m m e ， 一“ t h e p r o t o c o l s u it e s o f t w a r e o f h i g h p e r f o r m a n c e o f i p v 6 r o u t e r w a s s t a r t e d u p i n o u r l a b o r a t o ry , s e p t e m b e r 2 0 0 2 . t h e g o a l i s r e s e a r c h i n g t h e r e a l i z a t i o n o f i p v 6 p r o t o c o l s u i t e i n h i g h p e r f o r m a n c e r o u t e r , a n d d e v e l o p i n g s o f t w a r e o f i p v 6 p r o t o c o l s u i t e i n d e p e n d e n t l y . t h i s p a p e r i s c o n s t r u c t e d o n t h i s p r o j e c t a t t h e b e g i n n i n g o f t h i s p a p e r , t h e a r i s e n b a c k g r o u n d , p r e d o m i n a n c e o f i p v 6 m u l t ic a s t t e c h n o l o g y a r e f u l l y d i s c u s s e d . b a s e d o n a n a l y z i n g t h e m u l t i c a s t r e s e a r c h s t a t u s i n i n t e rna l a n d i n t e r n a t i o n a l , i t c l a r i f i e s t h e s i g n i f i c a n c e o f s t u d y i n g a n d i m p l e m e n t i n g t h e i p v 6 m u l t i c a s t r o u t e p r o t o c o l s . s u b s e q u e n t l y , i n t r o d u c e s t h e b a s i c k n o w l e d g e o f i p v 6 m u l t i c a s t , a n d a n a l y z e s a n d c o m p a r e s t h e a d v a n t a g e s a n d s h o r t c o m i n g s o f t h e f i v e c u r r e n t m u l t i c a s t r o u t i n g p r o t o c o l s . a f t e r t h e p e r f o r m i n g p r i n c i p l e s a n d k e y t e c h n i q u e o f p i m- s m a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l , p u t s t h e e m p h a s i s o n s y s t e m i c e x p l a i n i n g t h e im p l e m e n t i n g o f i p v 6 m u l t i c a s t u s i n g p i m- s m v 2 i n l i n u x o s . a n d t h e s y s t e m s t e s t r e s u l t s i n a s im u l a t e c i r c u m s t a n c e a r e g iv e n . f i n a l l y p r e s e n c e p r o b l e m s o f t h i s t e c h n i q u e a r e a n a l y z e d , a n d s o m e s u g g e s t i o n s o n d e v e l o p p r o s p e c t s o f i p m u l t i c a s t a r e g i v e n . f u t u r e i m p l e m e n t e r s o f n e w t r a n s f o r m s w i l l g e t f a v o u r a b l e h i n t s t h r o u g h t h i s p a p e r . k e y w o r d s : r o u t e r mu l t i c a s t ml d p i m- s m 北京交通大学硕士学位论文 独 创 性 说 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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 方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己 在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签 名:日 期: 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北方交通大学有关保留、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方交通大学 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 名扛 旦 圣翼，导师签日期: 夕 - 4 , s , s 产外和 仆 几 冬 翻 ; 价华 北京交通人学硕士学位论文 第一章 绪论 本章在系统综述了i p v 6 组播技术产生的背景、优势以及发展趋势 的基础上，介绍了国内外组播技术的研究现状;并指出研究和实现组 播路由协议的重要意义，最后总结了本论文的主要工作。 1 . 1研究背景 1 . 1 . 1传统i p 的局限及i m 的提出 i p 协议作为i n t e rn e t/ i n t r a n e t 的网络层协议. 其简单性和强大的h _ 联 性为 i n t e r n e t的普及发展做出了重要贡献。目 前广泛应用的 i p v 4为 t c p / i p 族和i n t e r n e t 提供基本通信机制，由 此可见i p v 4 的确是非常出 色的设计。 然而，随着i n t e rne t 用户的指数增长、 各种新型服务的不断 涌入使得现在基于1 p v 4的网络逐渐显示出如f 不足:地址空间匿乏; 路由选择效率不高;安全性和移动性差;服务质量缺乏保证等。 为了解决i p v 4 存在的不足， 早在1 9 9 2 年，人们就开始讨论制订下 一 代互联网 络协议o p n g ) . 1 9 9 5年， i e t f ( 因 特网工程任务组) 采用 s i p p ( 简单因 特网 协议 ) 作为i p n g 的 制订基础。 i p n g 被i a n a ( 因 特网 编 号管 理局 ) 正式赋 予版 本号6 ， 即i p v 6 . 1 9 %年， i p v 6 的 基本 协 议规范 发表，并于1 9 9 8 年发表了修订版。i p v 6 作为新一 代的网络互联协议， 其先进性和灵活性得到了越来越多的认可。 各大网络厂商已 经开始进行i p v 4 向i p v 6 的 演进工作。 法国i n r i a , h 本k a m e 、 美国n r l 等研究 机构， i b m , s u n m i c r o s y s t e m s , t r u m p e t , h i t a c h i 等公司， 分别研制开发了不同平台上的i p v 6 系统软件和应用软 件; c i s c o , b a y 等路由 器厂商己 经开发出了 面向i p v 6 网 络的路由 器产 1 9 9 6 年， 一个以研究i p v 6 为目标的虚拟实验网络， 国际i p v 6 试验 床 6 b o n e建立，欧洲、美洲、亚洲的许多国家和组织都已经加入了 6 b o n e . 1 9 9 8 年底， 面向实用的全球性i p v 6 研究和教育网 ( 6 r e n ) 开 始 启 动。 这期 间以s t a r t a p 为 依 托的6 t a p ( i p v 6 t r a n s it a c c e s s p o in t ) 得以实施，建立了以a t m交换机为中心的i p v 6 洲际网络。 2 0 0 0 年， i e t f 确定i p v 6 进入实用阶段，并指定6 b o n e 作为对商用 i m 地址申 请者进行评估的平台。 北京交通大学硕十学位论文 2 . 1 . 2组播技术的产生和发展 当代社会己经进入信息时代，网络技术庄飞速地发展。在i n t e r n e t 上产生了 许多新的应用，其中不少是高带宽的多媒体应用，例如网络 视频会议、网络音频/ 视频广播、 a o d no d . 股市行情发布、多媒体远 程教育、远程会诊等。这就带来了带宽的急剧消耗和网络拥挤问题。 为了缓解网络瓶颈，业内提出了以下四种主要解决方案: .增加网络带宽; .应用q o s 机制，控制不同业务的带宽使用; 今服务器的分散与集群，以改变网络流量结构， 减轻主干网的瓶 颈; 今采用l p 组播技术，有效地解决网络的拥塞; 其中，i p 组播技术由于它所具有的独特优越胜 在组播网络中， 即使用户数量成倍增加，主干网络带宽不需要随之增加，因而成为当 前网络技术中的研究热点之一。 由于它的优越性， i e t f 在制订i m 协议时保留了组播， 而取消了 广播; 在i p v 4 中， 组播只是作为一个功能的扩展而不是i p v 4 必须的功 能，因此i p v 4 节点不要求一定要支持组播。 然而在i p v 6 的标准中， 要 求所有的设备都必须支持组播。 r o u t e , 图1 - 1 单播与组播通信的区别 北京交通大学硕十学位论文 图 1 - 1是在一对多通信时利用单播与组播出现的不同情况从中可 以看出: 单播 ( u n i c a s t )传输:点到点的单播通信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。但如果有大量主机希望获得数据包的同 一份拷贝时会引发许多问题。首先，发送数据的源主机必须对侮个请 求都作出响应，这使得负担过于沉重的主机的响应大大延长;其次， 发送同样数据的多次重复拷贝浪费了网络带宽，易造成网络拥塞;另 外，对路由器和交换机的性能也提出了更高的要求，为保证一定的服 务质量需增加不必要的硬件和带宽。 组播 ( m u l t ic a s t ) 传输:为了 解决上述问 题，组播通信应运而生， 组播是利用t c p / i p 协议进行一点对多点的通信， 利用这种通信方式可 以把 一 些有同样数据要求的主机集合成一个群，称为一个组播组，由 发送方向该组的组播地址发送一个数据，路由器可以根据组播组的i p 地址自 动地把数据拷贝后发送给接收方。这样，无论有多少个组播报 文接收者，整个网络中任何一条链路只传送单一的报文，大大节省了 带宽。组播组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 ( 只要有组播路由器的支持) 。 由 此可 见，组播提高了数据传送效率，有效地利用了带宽，避免 了重复发送造成的网络资源的浪费， 减少了主千网出现拥塞的可能性。 同时它也避免了单播和广播中可能出现的广播风暴问题。 1 . 2 i m 组播技术简史和国内 外现状 2 0 世纪8 0 年代中 期， 斯坦福大学的 博士生s . e . d e e r i n g 发表h o s t g r o u p : a m u l t i c a s t e x t e n s i o n t o t h e i n t e r n e t p r o t o c o l ( r f c 0 9 6 6 ) 和h o s t e x t e n s i o n s f o r i p m u l t ic a s t i n g ( r f c 0 9 8 8 ) 两篇 论文。 他总结出: o s p f 的链路状态机制完全能被扩展用来支持组播， 一r i p的基本机制能被 用来作为一种新的距离向量的组播路由协议的基础。” 这些论断提出了 i p 组播的可能性。 1 9 8 8 年， d . w a l tz m a n , c . p o r tr i d g e , s . e . d e e r i n g 发表 题为 距离向 量组播路由 协议的文章 ( r f c 1 0 7 5 ) ，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， 它是 组播路由协议的首次实践。 1 9 9 1 年1 2 月， s . e . d e e r i n g 发表了 他的博士论文 数据报互连网 络中的组播路由 ( r f c 1 1 1 2 ) 对i p 组播的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。它奠定了组 北京交通大学硕士学位论文 播网络体系结构和路由协议的基础。该文也成为 i n t e r n e t 组管理协议 ( i g m p )的原型。 1 9 9 2 年i p 组播实 验网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 l t i c a s t r o u t i n 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，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 m u l t i c a s t - d e n s e m o 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 l t i c a s 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，需要分层的拓扑结构，由域间多播协议支持，当前的协议有: 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 l t 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 ) / ma s c( mu l t ic a s t a d d r e s s - s e t c l a i m ) . 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 r n e t 2 的 两个 骨干网( v b n s , a b i l e n e ) 中进行， 从1 9 9 9 年中开始采用m b g p / ms d p 和p i m- s m协议体系实现域间组播路由。 1 9 9 9 年1 0 月， c i s c o . a t c i s c o 的路由 器不仅支持d v m r p , p i m路由 北京交通大学硕 : 学位论文 协议、i n t e r n e t 组管理协议 ( i g mp ) ，而且支持 c i s c o专有的 c i s c o组 管理协议 ( c g m p ) ， 再如微软的wi n d o w s 9 5 支持i p 组播和i g m p v 1 . 而wi n d o w s 9 8 还支持i g mp v 2 。 对于不支持i p 组播传输的中间路由 器 采用i p 隧道( t u n n e l i n g ) 技术作为过渡方案。 这些说明i p 组播技术的 应用环境己基本具备。 鉴于组播技术良 好的表现和广阔的应用前景，许多服务提供商也 都在跃跃欲试。意大利的 f a s t we b 、香港的香港宽带 ( h k b n ) .瑞典 的b r e d b a n d s b o l a g e t ( b 2 ) 就是 其中 的 佼 佼者。 f a s tw e b 是意 大利 最大 的宽带通信服务公司，也是最早在意大利推出集成化i p服务的公司。 f a s twe b 采用组播技术，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，向商业用户提供视频会议和其它视频流服务。 对于普通的互联网浏览、 v o i p 和视频点播，f a s t we b 也采用单播技术， 而当提供实时电视节目时，则切换到组播方式。在组播方式下，每个 电视频道的节目 可同时向3 万个用户传送， 不会引起网络流量的激增。 在单播模式下，网络上如果一下子容纳 3万个单播数据流，所需的网 络带宽是难以想象的。 1 . 2 . 2国内 组播技术研究现状 国内的各大运营商中国电信、中国联通、中国网通、中国移动等 都在宽带网络上进行组播试验0 2 0 0 3 年1 2 月4日， 中国网通集团属下 的河南省通信公司宣布取得在宽带网络上进行组播试验的成功，无疑 给组播的实用化提供了 很好的借鉴。 国内己经有大量通信设备制造商的设备支持组播路由协议，如华 为公司的q u i d w a y 系列路由 交换机、 中兴公司z x r 1 0 核心路由 器、 神 州数码网络的路由交换机、 烽火f r e e l i n k d s l a m系统、 迈普通信的路 由交换机等。 同时， 各大高校也都竞相开始了 关于i p v 4 / v 6 组播技术的研究。 1 9 9 9 年9 月，东南大学与清华大学、华南理工大学合作承担国家“ 8 6 3 计划 通信技术主题“ 九五” 第 2期研究课题:ip v 6示范网络的建设及其关键 技术的研究。 该项目 成果涉及到i p v 6 组播技术的实现和应用， 将m b o n e 中 著i p v 6 的 环境下， 并自 行开发了 支持i p v 6 的 组 播服务 器m c a s t m p 3 . 该工具组播m p 3 格式的 音频文件， 实现了 在i p v 6 示范网络上传输组播 多媒体数据流的 要求， 而且充分注意了 协议无关性，可以 支持i p v 6 和 i p v 4 双协议，为开发与协议无关的网络通信软件进行了有益的尝试。 我们北京交通大学i p 网络实验室是国内业界在i p v 6 技术研究上起 步较早的单位之一，尤其是在路由技术上，早在九十年代末就自主研 北京交通大学硕士学位论文 制了i p v 4路山器，在此基础上开始 i p v 6路由技术的研究，并于 2 0 0 0 年 下 半年在国内 首家推出了具有自 主知识产权的i p v 6 路由器。目 前， 我们己 经能够在路由器上支持多个操作系统中运行的 l p v 4 / v 6组播路 由协议;功能和性能上进一步完善并将其产业化，将作为我们下一步 研究的主要目标。 1 . 3主要工作及论文结构 由于l i n u x内核不支持 i p v 6 组播，所以至今还没有在 l i n u x 操作 系统上实现 i p v 6 组播的先例。 本论文试图在l i n u x 操作系统中实现基于i p v 6的p i m协议方面作 些开创性的工作。 为此不仅借助面向对象的思想使用c语言设计实现 了 p i m- s mv 2模块化、可扩展的框架结构，而且为了能够支持 i p v 6 组播技术的目的而对l i n u x - 2 .4 .2 0内核进行修改和添加。 本论文的主要工作包括如下几方面; . 综述了i p组播技术的产生背景，优势，和国内外的研究现状，从 而阐明了该课题的重要意义; . 研究了i p v 6组播技术的基础知识，包括 i p通用路由原理，i p v 6 组播地址分配、 地址映射， 组播分布属和组播转发等概念， 和组播 监听协议 ( ml d ) 。 并对目 前存在的五种组播路由协议进行了论述 和比较，分析实现p i m- s m的原因和意义; . 详细论述了p i m s m的工作原理和关键技术; 今 基于上述知识，在l i n u x 操作系统实现了基于i p v 6的组播路由协 议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 l t i c a s t-s p a r s e m o d e ) : . 搭建网络环境对系统进行了测试，并通过对抓到的数据包的分析， 验证p i m i 一 作的正确性; . 分析了当前i p 组播存在的问题，和以后的发展的方向。 论文的主要结构为: 第一章绪论综述选题背景及意义; 第二章i p v 6 组播技术基础概述i p v 6 组播的基础知识; 第三 章p i m - s m v 2 协议工 作原理 详细介绍了p i m es s m v 2 实 现的关键技术; 第四章基于 i p v 6的p i m协议的实现 设计整个软件体系结 构，划分功能模块，阐述各功能模块设计方案，数据流程; 第五章 第六章 测试与验证; 总结和展望。 北京交通大学硕十学位论文 第二章 i m 组播技术基础 本章主要介绍了i m组播技术的基础知识，包括 i p通用路由原 理，i m组播地址分配、地址映射，组播分布属和组播转发等概念， 并对组播监听协议 ( ml d )进行了分析，最后对目前存在的五种组播 路由 选择协议进行了分析和比较，从而得出 p i m- s m 是目 前广域网中 最适用的组播路山协议。为下一章详细介绍研究 p i m- s m 的关键技术 打下基础。 2 . 1 i p 路由原理 i p网络是一种以 “ 存储转发”的方式工作的分组交换网，网络上 所有的信息都是以i p数据包的形式被发送、传输和接收处理的。每个 数据包里填充了正确的源地址和目的地址， 便可以在网络中进行传输， 网络中有专门的通信设备负责将其传送到指定的目的地。这种发生在 网络层中的把数据包从发起者穿过网络传递到目的地的行为就被称作 “ 路由 ” 。 而负 责完 成路由 功能的 设备就叫“ 路由 器 ( r o u t e r ) . 因此，路由包含两个基本的动作:选路和转发。选路就是选出到 达目 的地的最佳路径;转发就是根据选出的路径把接收的分组交给输 出接口 送到路径上的下一个路由器或目的地。 路由器犹如网络间的“ 桥 梁” ，能为不同类型的物理网络提供连接。为把数据包正确传递到目的 地，每个路由器都建有一张路由 表，该表保存着到目的地的最佳路由， 当i p数据包到达路由 器时，路由器通过目的地址最长匹配原则从路由 表中选择最佳的路径对数据包进行转发。为了减小路由表的规模，并 不为网络中每个可达地址保存一个路由条目， 而是保存到子网的路由。 组播路由和单播路由的基本原理是相同的，有些组播路由协议单 独维护一个组播路由表 ( 如 d v mr p ) ，而有些组播路由 协议需要依赖 于单播路由表进行组播包的转发 ( 如p i m ) . 2 . 2 i m 协议简介 i m作为i p协议的新版本，其根本日的是继承和取代 i p v 4 . i p v 6 相对 i p v 4而言 具有极大扩展的地址空间和更加结构化的路由层次。 i m 的报头简化了基本报头的结构，并增加了可选的扩展报头。 1 5 1 其中i p v 6 的基本报头由6 4 位的报头和 2 个 1 2 8 位的i p v 6 信源地 北京交通大学硕 t 学位论文 址和信宿地址组成。报头总长4 0 字节，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 i m 报头结构 版本字段长度为4 位，在 i p v 6 数据报中，该字段的值为6 0 通信流类型 ( tr a f fi c c l a s s e s )字段的长度为8 位。该字段的使用可 用于信源和/ 或转发路由器标识和区分不同i p v 6 数据报的类别或优先 级。 该字段中全部或部分数据位的结构和语义尚未在r f c中正式定义。 该字段的默认值是全0 0 i m报头中 2 0比特的数据流标号字段用于源节点标识那些需要 i m 路由 器特殊处理的数据报的序列， 比如非缺省质量的服务或者“ 实 时”服务。 该字段目 前尚处于试验阶段，不支持数据流标号字段功能 的主机和路由器应在初始化数据报的时候将此字段设为零，传输数据 报的时候保持不变，接收数据报的时候忽略。 有效负载长度字段长度为1 6 位， 它以字节为单位记录i m 数据报 负载， 即除去i m 报头自身的长度以外的分组的长度。 因此， 一个i p v 6 数据报p j 以容纳6 5 5 3 5 字节的数据。 下一个报头字段是一个 8 位字段，它指出了i p v 6 报头后所跟的头 字段的协议类型。它使用与i p v 4 协议字段相同的 值， 下一个报头字段 可以是用来指出高层是t c p还是u d p ，但它也可以 用来指明i m 的 扩展报头。 跳数极限是 8位字段，对应 i p v 4的生存时间 ( ttl )字段，不同 之处是i p v 4 的t t l是数据报的最大存活时间，但实际很难精确计算。 而i p v 6 将该值解释成数据报在被丢弃之前可以 进行的最大跳数， 每当 一个节点对数据报进行一次转发之后， 该字段减i 。 如果该字段的值达 到0 ，数据报就被丢弃。 源i p 地址和目 的1 p 地址均为1 2 8 位， 指明了数据报的发送方地址 和接收方 地址。同时，如果在扩展报头中出现路由 包头， 源i p 地址可 能不是最终接受站。 i p v b 报头不包含任何选项字段 这样就不需要报头长度字段。 ， 取而代之的是在报头后附加扩展报 去掉报头校验和字段可以减小处理 报头的开销 。由于 i m 规定主机使用路径 m t u发现 ( p a th m t u 北京交通大学硕士学位论文 d i s c o v e ry ) 的 过 程来了 解网 络最大可接受的 分 段大小， 所以 标志和分段 偏移量字段就不再需要。而i p v 4 中的服务类型字段在应用程序中很少 使用，在i m中另外提供了对 q o s 的处理，所以也被去处。 i m对 i p v 4中存在的数据报长度、生存时间和协议类型等字段都 做了修改。由于i m 报头长度固定，数据报长度被改成了有效负载长 度。i m不在使用选项，而是引入了扩展报头的概念，所以协议字段 被改名为下一个报头字段。i p v 4的生存时间字段山于在实际使用时很 难精确计算，所以大多数路由器就只是简单的在每次中继时将生存时 间减 1 , i m 中这种做法被正式采用， 因此该字段也就改名为跳数极限。 i m 中的数据流标号和通信流类型字段是新加入的， 主要是为了提 供对实时通信的要求。 2 . 3 i m 组播地址 由于组播技术的优越性， i e t f 在制订i p v 6 协议时保留了组播， 而 取消了广播;并且为了更好地使用和管理组播应用，i p v 6对组播作了 进一步的增强，主要表现在组播地址。 2 . 3 . 1 i m 组播地址 组播地址用于标识一个组播组，即代表属于该组播组的任意多个 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。 r f c 1 8 8 4 规定的标准语法推荐把i m 地址的1 2 8 位 ( 1 6 个字节) 划分为8 个1 6 位的无符号整数， 每个整数用四个十六进制位表示; 这 些数之间用冒号分开，如: 3 f f e : 0 4 0 0 : 1 2 3 4 : 2 0 0 0 : f e ad: b a9 8 : 7 6 1 2 : 3 4 1 8 。 可见i p v 6 地址有2 1 2 8 个， 其中1 / 2 5 6 的 地址空间分配给组播地址。 i m 的 组播 地址 在r f c 2 3 7 3 i p v 6 地址结 构中 被定义 is . i p v 6 的 组 播地址与单播地址的区别在于地址的高位字节的值，如果第一个字节 的值是o x f f则表明该地址是一个组播地址。 工 p v 6 的组播地址结构如图2 - 2 所示: 8 6 i t s 1 1 1 1 1 1 1 1 4 b i t s r a g s 图 4 b i t s s c o p e 1 1 2 b i t s g r o u p i d 2 - 2 i p v 6 组播地址结构图 北京交通大学硕士学位论文 组播地址的域描述如下: 前缀:i m组播地址由前缀1 1 1 1 1 1 1 1 来标识。一个i m 地址可 以很简单的归类为组播，因为组播总是以f f 开头。 f l a g s : 是4 个 标志的 集合o o o t 。 其中高3 位 保留， 其值必须为。 。 t =0 时标志永久分配的组播地址; t = 1 时表示非永久分配的组播地址; 永久地址是指那些著名的组播地址， 由i a n a定义并注册， 如f f 0 2 : : 1 0 即使使用某一永久地址的组成员个数是 0 ，也不能用该地址定义别的 组。非永久分配组播地址可在应用发起时临时分配，是动态的只有 在组成员个数不为0 时它才存在。 s c o p e : 指示了 组播流量在i p v 6 网络中 传输的区域。 除了 组播路由 协议提供的信息，路由器使用组播区域来决定是否转发组播流。 表2 - 1 为一些已 经定义的区域值。 表2 - 1 i p v 6 组播地址格式中的区 域值 区域值1 菌 琢 下贾点 本 地 1 链 路 本地 站点 本 地 组 织本 地 全 球 例如，组播地址是 f fl d 2 : : 2的组播流具有一个链路本地区域.一 个i p v 6 路由器不会将流量转发到本地链路之外。 g r o u p i d : g r o u p i d域标 识了 一 个 组 播 组， 它在 给定的 区 域 范围 内是独一无二的。它可以是永久地址，也可以是非永久地址，永久地 址已经定义的如1 表示节点， 2 表示路由器， 9 表示r i p路由器，永久 分配的组播地址是独立于区域的。 请求节点 地址 ( s o l i c i t e d - n o d e a d d r e s s ) 是i p v 6 特有的 组播地址， 其形式为f f 0 2 : :1 : f f x x : x x x x 。取单播或任意播地址的低2 4比 特，再加上前缀f f 0 2 : : 1 : f f o o : 0 / 1 0 4 。这样就生成了这个范围内的 一个组播地址。 例如与 p v 6 地址f e 8 0 : : 2 a a : f f : f e 2 8 : 9 c 5 a相 对应的请求节点组播地址是f f 0 2 : : 1 : f f 2 8 : 9 c 5 a 。 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 i 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。 从 工 p v 6的组播地址格式定义，可见其相对于 工 p v 4所具有的优越 性; ( 1 ) 具有足够的地址空间。工 p v 4 所定义的地址空间只相当于 1 6 个 a 类地址，对于全球的组播应用来说是远远不够的。而 i p v 6的地址空 间从理论上来说，可以达到2 1 2 0 个。 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 范围字段的应用。 组播地址不同于单播地址， 它不专属于某一 个主机或应用。除了少数为协议实现而预留的地址外，其他地址都是 根据需求动态地分布给组播应用的用户。这样会出现一个组播地址同 时被多个组播应用所使用的情况，这就需要保证它们之间传播的范围 不会重叠。t p v 4虽然使用了t t l ( 报文存活时间) 来控制组播报文传送 的范围，但是 t t l不够精确，还是会存在不同应用间报文范围重叠的 情况。而i p v 6 在地址格式中规定了范围字段，这样就可以很方便地划 分组播域，根据组播域来控制组播应用的传播范围。 每个组播域有自己的组播地址空间，该地址空ili l 的组播报文只在 本组播域中转发，域的边界路由器不向域外转发该地址空间的组播报 文。这样可以划分范围从小到大、依次包含的多层次组播域，即多个 处于相同层次的范围较小的组播域组成一个更高层次的范围较大的组 播域。不同层次的组播域的组播地址空间不相互重叠，相同层次的组 播域可以有相同的组播地址空间。其优点在于用户可以根据自己的要 求选择使用适当组播域的组播地址，使组播报文在期望范围内转发， 以 保证 组播应用的 有序运行 5 2 . 3 . 2 i p v 6 组播地址到数据链路层地址的映射 当前由i p v 6 组播地址映射到以太网m a c 地址的方法是，m a c 组播 地址的高1 6 位规定为0 x 3 3 3 3 ， 取i p v 6 组播地址的低3 2 比特， 并用它 来创建m a c 组播地址。小于或等于3 2比 特的g r o u p i d 将会产生唯一 的m a c 地址。 根据i p v 6 的组播地址结构可知， 可能有2 ， 个组1 0 . 然而由 于i p v 6 组播地址映射到以 太网 组播m a c 地址的 方式， r f c 2 3 7 3 推荐从工 p v 6 组 播地址的低3 2 比特分配g r o u p i d ，将余下的组 i d比特设置为0 ;通 过只使用低端的3 2比特，每个g r o u p i d映射到一个唯一的网络接口 组播m a c 地址。 2 . 4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 机传递，但在组播模型中，组播源向某一组地址传递数据包，而这一 地址却代表一 个主机组，则指定路由 器需要构造一个连接所有组播组 成员的树。根据这个树，路由器得出转发分组的一条唯一的路径。这 个树就称为组播分布树。由于成员可以动态的加入和退出，组播分布 树也必须动态更新。 北京交通大学硕 卜 学位论文 组播分布树有三种基本类型:泛洪法、有源树、共享树。 2 . 4 . 1洪泛法 ( f l o o d i n g ) 泛洪法 ( fl o o d i n g ) 是最简单的向 前传送组播路由 算法，并不构造 所谓的分布树。其基本原理如下:当组播路由器收到发往某个组播地 址的数据包后，首先判断是否是首次收到该数据包，如果是首次收到， 那么将其转发到所有接口上，以确保其最终能到达所有接收者;如果 不是首次收到，则抛弃该数据包。 洪泛法的实现关键是“ 首次收到” 的检测。 这需要维护一个最近通过 的数据包列表，但无需维护路由表。它适合于对组播需求比较高的场 合， 并且能做到即使传输出现错误，只要还存在一条到接收者的链路， 则所有接收者都能接收到组播数据包。然而，洪泛法不适合用于 i n t e r n e t ，因为它不考虑链路状态，并产生大量的拷贝数据包。此外， 对于高速网络而言， “ 首次收到” 列表将会很长，占用相当大的内存; 尽 管它能保证不对相同的数据包进行二次转发，但不能保证对相同数据 包只接收一次。 2 . 4 . 2有源树 有源分布树 ( s o u r c e d i s t r i b u t i o n t r e e ) ，是组播分布树最简单的形 式，有源树的根是组播信息流的源主机，有源树的分支形成了通过网 络到达接收站点的组播转发树。因为有源树以最短的路径贯穿网络， 所以 通常也称为最短路径树 ( s h o r t e s t p a t h t r e e : s p t ) 。 可以 使用 ( s , g )来表示有源树。其中s 是指源i p 地址，而g是组播组的地址。此 表示方法暗示对发送到各个组的各个单独的源都存在着一个独立的 s p t ，而且 每个 s p t都能准确地描述所发生的情况。如果组中有多个 组播源，则必须为每个组播源构造一棵组播树。 由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。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。 北京交通大学硕十 学位论文 2 . 4 . 3共享树 共享分布树 ( s h a r e d d i s t r i b u t i o n t r e e ) ，也称为r p 树 ( r p t ) 。它 的构造方法是以网络中的某一个指定的路由器为根节点，该路由器称 为汇聚点或中心点( r e n d e z v o u s p o