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ig m p 的仿真研究及其功能扩展 摘要 随着信息技术和互联网技术的迅猛发展，网络多媒体技术已经逐 步成为大家关注的热点问题。网络多媒体技术广泛应用于各个领域的 同时，对现有的网络结构提出了新的挑战。其自身对于吞吐量和网络 时延的要求使得单播和广播都无法承担流媒体传输的任务。而i p 多 播是一种一对多或多对多的数据传输方式，以非常少量的带宽占用满 足大规模客户端的接收需求，从而以非常有效的方式完成多媒体信息 的网内传播，因而成为网络多媒体应用中的关键技术。 另一方面，信息网络，尤其是大型通信网络的结构都比较复杂， 再加上现今各种类型网络的逐渐融合、业务种类的日益增加、新的网 络技术的不断涌现，所有这些都使得网络仿真成为网络规划、测试、 应用研究的一种重要方法。n s 2 是现在使用比较广泛的专业网络仿 真软件，它是主要针对l i n u x 平台( 其工作平台还可以是w i n d o w s ， u n i x ，m a c i n t o s h ) 的免费、开源的软件模拟平台。它集成了多种网络 协议，业务类型，路由排队管理机制和路由算法。而且因为其可扩展 性强、速度和效率方面的明显优势，研究人员可以很容易地使用它进 行网络技术的开发。 论文首先全面介绍了i p 多播相关技术，然后在对n s 2 网络仿真 软件的架构和工作机制有深刻理解的基础上，对其原有多播实现机制 进行了深入的分析，指出了其组管理方面的不足，即n s 2 中并没有 因特网组管理协议i g m p 的实现( 据考察，其他同类网络仿真软件也 均没有实现) 。论文针对这一不足在n s 2 原有多播机制的基础上实现 了i e t f 的i g m p v 3 协议扩展。另外，由于在传统的多播组管理技术 中，任何主机都可以通过i g m p 协议告知加入组播组并接收到组播数 据，这就使得网络通信质量存在一定不可控性。因此本课题在扩展的 多播机制的基础上进一步对多播树的流量、延时、丢包以及剩余资源 等性能进行了测量研究，提出并初步实现了面向q o s 的组管理机制。 论文基于n s 2 所作的组管理协议扩展和面向q o s 的组管理机制的研 究成果将会在网络仿真，尤其是组播网络仿真中有重要科研价值。 关键词i p 多播n s 2i g m p 面向q o s 网络性能测量组管理 s i m u l a t i o n b a s e dr e s e a r c h o ni g m p a n di t se n h a n c e m e n t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o na n di n t e r n e tt e c h n o l o g i e s ， t h em u l t i m e d i an e t w o r kt e c h n o l o g yh a sb e e nb e c o m i n gt h eh o tt o p i ct h a t d r a w sp e o p l e s g r e a ta t t e n t i o n n o w a d a y s ，t h e m u l t i m e d i an e t w o r k t e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d s h o w e v e r ，i ta l s op o s e sa r e a l c h a l l e n g et ot h ee x i s t i n gn e t w o r ks t r u c t u r e s i n c et h et r a n s m i s s i o no f s t r e a m i n gm e d i ah a sh i g hd e m a n d so v e rt h et h r o u g h p u ta n dd e l a yo ft h e n e t w o r k ，t h eu n i c a s ta n db r o a d c a s tc a nn e v e rs u p p o r ti t i pm u l t i c a s ti sa d a t at r a n s m i s s i o nm e t h o dt h a tu s e dt od e l i v e rd a t af r o mo n eo rm o r e s o u r e st om a n yo t h e ri n t e r e s t e dr e c i p i e n t s t h em u l t i c a s td a t ac a na n s w e r t h ed e m a n d so fg r e a ta m o u n to fc l i e n t sw i t h v e r y l o wb a n d w i d t h o c c u p a t i o n a s ar e s u l t ，i pm u l t i c a s tc a n t r a n s p o r t m u l t i m e d i ad a t a e f f e c t i v e l ya n d i sb e c o m i n gt h ek e yt e c h n o l o g yi nm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n f i e l d a tt h eo t h e r h a n d ，t h en e t w o r k ，e s p e c i a l l y t h e l a r g e - s c a l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka l w a y sh a sav e r yc o m p l e xs t r u c t u r e a l lt h e i n t e g r a t i o no fd i f f e r e n tn e t w o r k s ，t h ei n c r e a s i n go ft h ec l a s s e so f s e r v i c e a n dt h ee m e r g i n go fn e wn e t w o r kt e c h n o l o g i e sm a k en e t w o r ks i m u l a t i o n b e c o m eai m p o r t a n tm e t h o di nn e t w o r kd e s i g n ，t e s t i n ga n da p p l i c a t i o n r e s e a r c h n s - 2i saw i d eu s e dp r o f e s s i o n a ls o f t w a r ef o rn e t w o r k s i m u l a t i o n i t s f r e e ，o p e n s o u r c e a n dm a i n l y a p p l i e d u n d e rl i n u x o p e r a t i o ns y s t e m ( i tc a na l s ow o r k su n d e rw i n d o w s ，u n i x ，m a c i n t o s h o s ) s i n c em a n y n e t w o r k p r o t o c o l s ，c l a s s e s o f s e r v i c e ，q u e u i n g m a n a g e m e n tm e t h o d sa n dr o u t i n ga l g o r i t h m sh a v eb e e nr e a l i z e di nn s 2 a n dt h ea d v a n t a g e si ns c a l a b i l i t y , r a p i d i t ya n de f f i c i e n c y , t h er e s e a r c h e r s c a nt a k eo u tn e t w o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n te a s i l yu s i n gn s 2 i nt h i st h e s i s ，w ef i r s th a v eag l o b a lo v e r v i e wo ft h ei pm u l t i c a s t r e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，a n dt h e nm a d ead e e pa n a l y s i sa b o u tt h ee x i s t i n g m u l t i c a s tr e a l i z a t i o nm e t h o di nn s 一2b a s e do nag o o du n d e r s t a n d i n go f i t sf r a m e w o r ka n dw o r km e c h a n i s m w ep o i n to u tt h es h o r t a g e so ft h e e x i s t i n gm u l t i c a s tm e c h a n i s m ，s p e c i f i c a l l y , t h e r ei sj u s tas i m p l eg r o u p m a n a g e m e n tm e t h o di nn s 一2a n dw i t h o u tt h er e a l i z a t i o no fi 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 o l ( a c c o r d i n gt oo u ri n v e s t i g a t i o n ，i th a sn e v e r b e e nr e a l i z e di nt h em u l t i c a s tm e c h a n i s mo ft h en e t w o r ks i m u l a t i o n s o f t w a r e so ft h i sl i k e ) i nr e s p o n s et ot h i sl a c k ，w eh a v em a d eap r o t o c o l e x p a n d i n gi n t h eo r i g i n a lm u l t i c a s tm e c h a n i s mo fn s 一2a c c o r d i n gt o i e t f si g m p v 3 b e s i d e s ，i nt h et r a d i t i o n a li pm u l t i c a s tg r o u p m a n a g e m e n t ，w h e r ea n yh o s tc a nj o i nam u l t i c a s tg r o u pa n do b t a i nt h e m u l t i c a s td a t ab ys e n d i n ga ni g m pa c c e s sa p p l i c a t i o n ，w h i c hb r i n go u t u n c o n t r o l l a b i l i t yp r o b l e mt ot h ec o m m u n i c a t i o n sq u a l i t yo fs e r v i c e s o w em a d eaf u r t h e rr e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ( s u c ha s p a y l o a d ，d e l a y , l o s s r a t ea n dt h er e m a i n e db a n d w i d t hr e s o u r c e s ) b a s e do n t h ee x p e n d e dm u l t i c a s tm e c h a n i s m ，p u tf o r w a r da n dr e a l i z e dan e w q o s - o r i e n t e d g r o u pm a n a g e m e n t m e c h a n i s m p r e l i m i n a r i l y t h e r e a l i z a t i o no fi g m p v 3 e x p a n d i n g a n dt h eq o s o r i e n t e d g r o u p m a n a g e m e n tm e c h a n i s mi nn s 一2w i l lh a v eg r e a tr e s e a r c hv a l u ei nt h e f u t u r en e t w o r ks i m u l a t i o n ，e s p e c i a l l yt h em u l t i c a s tn e t w o r ks i m u l a t i o n k e yw o r d si pm u l t i c a s tn s 一2i g m pq o s o r i e n t e d p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n tg r o u pm a n a g e m e n t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 2 互i 之缳： 日期： 勉4 上l 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家森关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存i 汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：丝扯沮l 一 日期：一翔年玉监一 北京邮电人学硕上毕业论文i g m p 的仿真研究及其功能扩展 1 1 研究背景与课题意义 第一章引言 随着信息技术和互联网技术的迅猛发展，网络多媒体技术已经与人们的生 活、工作密不可分，成为大家关注的热点问题。目前网络多媒体技术已广泛应用 于各个领域。例如，多媒体信息检索与查询，多媒体会议与协同工作，视频点播 等等。同时，网络多媒体对现有的网络结构提出了新的挑战。其自身对于吞吐量 和网络时延的要求使得单播和广播都无法承担流媒体传输的任务。而与单播和广 播不同的口多播是一种一对多或多对多的数据传输方式。多播数据以非常少量 的带宽占用满足大规模客户端的接收需求，从而以非常有效的方式完成多媒体信 息的网内传播。因而，多播成为网络多媒体应用中的关键技术【。 而另一方面，信息网络，尤其是大型的通信网络，规模和结构都比较复杂庞 大，而且现今各种类型的网络正逐渐走向融合、其业务种类日益增加、新的网络 技术也不断涌现，这一切使得人们不可能有机会去观摩、学习、调试庞大网络群 体中的各个节点设备。面对这个问题，世界上一大部分网络产品开发商和网络运 营商包括c i s c o 、华为、各国电信运营商等在应对不断升级的新产品、新协议、 新业务对网络的影响问题时，往往采用仿真的方法来解决网络规划、测试、应用 等难题。网络仿真作为一种新的网络规划和设计技术，以其特有的方法为网络的 规划设计提供客观、可靠的定量依据，构建接近真实的网络环境和业务，能大大 缩短网络建设周期，测试网络产品指标性能，提高网络开发决策的科学性1 2 l 。 网络仿真技术是一种通过建立网络链路和设备的统计模型，并模拟网络上 的流量传输，从而获取网络设计或优化时所需要的网络性能参数的仿真技术。由 于仿真不是基于数学计算，而是基于统计模型，因此，统计复用的随机性被精确 地再现。所以网络仿真技术具有高可信度、高预测能力、使用范围广、应用成本 低等特点。通常使用比较广泛的专业网络仿真软件主要是o p n e t 和n s ，其中 n s 主要是针对l i n u x 平台( 其工作平台还可以是w i n d o w s ，u n i x ，m a c i n t o s h ) 的 免费、源代码公开的软件模拟平台。而且发展到今天，它所包含的模块已经非常 丰富，几乎涉及到了网络技术的所有方面。它集成了多种网络协议，业务类型， 路由排队管理机制，路由算法。而且因为其可扩展性强、速度和效率优势明显的 特点，研究人员使用它可以很容易的进行网络技术的开发。所以，n s 已经成为 目前学术界广泛使用的一种网络模拟软件。在每年国内外发表的有关网络技术的 学术论文中，利用n s 给出模拟结果的文章最多，通过这种方法得出的研究结果 北京邮电大学硕士毕业论文i g i i p 的仿真研究及其功能扩展 也是被学术界所普遍认可的。此外，n s 也可作为一种辅助教学的工具，已被广 泛应用在了网络技术的教学方面。因此，目前在学术界和教育界，有大量的人正 在使用或试图使用n s 。 本选题在全面把握口多播技术和深刻理解n s 2 构架、工作机制的基础上， 对其原有多播实现机制进行了深入分析，指出了其组管理方面的不足，即在多播 组管理方面n s 2 只提供了简单的组管理办法，而并没有实现因特网组管理协议 i g m p 的相关标准。而且据考察，即使在同类网络仿真软件的组播机制中也没有 i g m p 组管理协议功能的实现。论文针对这一不足在n s 2 原有多播机制的基础 上实现了i e t f 的i g m p v 3 协议扩展。另外，由于在传统的多播组管理技术中， 任何主机都可以通过i g m p 协议告知加入组播组并接收到组播数据，这就使得网 络通信质量存在一定不可控性。因此本课题在扩展的多播机制的基础上进一步对 多播树的流量、延时、丢包以及剩余资源等性能进行了测量研究，提出并初步实 现了面向o o s 的组管理机制。论文所作的组管理协议扩展和面向o o s 的组管理 机制的研究成果将会在网络仿真，尤其是组播网络仿真中有重要科研价值。 1 2 研究成果与论文的结构安排 论文首先对m 多播机制及相关技术进行了全面深入的介绍，包括组播路由 技术、组管理机制和组播网络的构成等；在深刻理解n s 2 网络仿真平台的架构、 功能、工作机制等内容的基础上，深入分析了n s 2 平台现有的多播实现机制， 指出了其在组管理方面的不足，仿真实现了i e t f 协议标准i g m p v 3 ，并实施了 详细的验证。在扩展多播机制的基础上，论文还进一步研究了多播环境中通信性 能参数的计量与统计方法，提出并初步实现了面向o o s 的组管理机制。这种基 于o o s 的组管理机制对传统的i g m p 组管理机制是一种有益的补充，一定程度 上保证了网络资源使用的有效性。 论文的研究成果如下： ( 1 ) 对于口多播相关技术的全面总结； ( 2 ) 对于n s 2 中原有多播机制的深入分析； ( 3 ) 在上面基础上，提出了对于n s 2 现有多播机制进行i g m p v 3 协议功能 扩展的具体实现方案，并加以了实施和验证； ( 4 ) 在上面扩展多播机制的基础上，提出并实现了面向o o s 的组管理机制。 在后文中，我们将详细介绍本文的调研成果与各项技术的实现细节，文章的 结构安排如下： 第一章：引言，介绍了课题的研究背景和研究成果； 第二章：口多播技术研究综述，介绍了口多播相关的关键技术； 2 北京邮电大学硕七毕业论文 i g m p 的仿真研究及其功能扩展 第三章： 第四章： 第五章： 第六章： 第七章： 因特网组管理协议i g m p ，详细介绍了其中的组管理工作机制； n s 2 及其现有多播机制分析； 基于n s 2 的多播机制扩展，包括实现和验证； 面向q o s 组管理机制的实现； 总结与展望。 3 北京邮电大学硕士毕业论文i g l t p 的仿真研究及其功能扩展 第二章i p 多播技术研究综述 腰多播也称多址广播或组播技术，是一种允许一台或多台主机( 多播源) 发送单一数据包到多台主机的t c p 口网络技术。多播作为一点对多点的通信， 是节省网络带宽的有效方法之一。在网络音频视频广播的应用中，当需要将一 个节点的信号传送到多个节点时，无论是采用重复点对点通信方式，还是采用广 播方式，都会严重浪费网络带宽，只有多播才是最好的选择。多播能使一个或多 个多播源只把数据包发送给特定的多播组，而只有加入该多播组的主机才能接收 到数据包。目前，口多播技术被广泛应用在网络音频视频广播、a o d v o d 、网 络视频会议、多媒体远程教育、“p u s h 技术和虚拟现实游戏等方面。 2 1 ip 多播技术基础 2 1 p 多播地址和多播组 i p 多播通信必须依赖于p 多播地址，在i p v 4 中它是一个d 类m 地址，其 中最高的4 位为1 1 1 0 ，剩余的2 8 位作为组播组的地址标识。一个组播地址用于 标识一个组播组。有效的组播地址范围从2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，并被划 分为预留组播地址、用户组播地址和本地管理组播地址三类【引。 其中，预留组播地址范围在2 2 4 0 0 0 2 2 4 0 0 2 5 5 ，这是为实现坤单播和多 播选路机制的协议预留的，不管发给其中任意一个组的数据报内ip 首部的tt l 值如何变化，多播路由器都不会把它转发出本地网络。2 2 4 0 0 0 未用，2 2 4 0 0 1 称为全系统组渊ls y s t e m sg r o u p ) ，分配给本网络上所有支持组播的系统( 包括 主机和路由器) 组成的组播组。2 2 4 0 0 2 称为全路由器组( a l lr o u t e r sg r o u p ) ， 分配给本网络上所有组播路由器组成的组播组。2 2 4 0 0 4 组支持在实现d v m r p 的多播路由器之间的通信。本地多播组范围内的其他组被类似地指派给其他路由 选择协议1 4 j 。 用户组播地址为2 2 4 0 1 0 - - 2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，可用于全球范围( 如i n t e r a c t ) 。 本地管理组播地址为2 3 9 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，类似于私有口地址，不能 用于i n t e m e t ，可限制多播范围1 5 l 。例如2 3 9 1 9 2 0 0 - 2 3 9 2 5 1 2 5 5 2 5 5 的组播地址 作用域被限制在同一个组织机构内，而2 3 9 2 5 2 0 0 - 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 的组播地址 作用域被限制在同一个网点内部。 组播地址只能做为目的地址，不能作为源地址，也不能出现在源选路和记录 路由选项中。 用同一个口多播组地址接收多播数据包的所有主机构成了一个主机组，也 4 北京邮电大学硕上毕业论文i g m p 的仿真研究及其功能扩展 称为多播组。一个多播组的成员是随时变动的，一台主机可以随时加入或离开多 播组，多播组成员的数目和所在的地理位置也不受限制，一台主机也可以属于几 个多播组。此外，不属于某一个多播组的主机也可以向该多播组发送数据包。 主机在运输层发送和接收多播分组。尽管多播程序并不知道具体是哪个传输 协议发送和接收多播数据报，但唯一支持多播的i n t e r n e t 传输协议是u d p 4 1 。 2 1 2 组播作用域 很多应用环境处于安全和管理考虑，通常需要限制组播通信的传播范围。组 播范围( s c o p e ) 是指组成员所在的范围，如一个网络或一个机构。组播分组的传播 也有一个作用域，指的是组播分组转发时所经过的所有网络的集合。所以有两种 方式来限制组播作用域。 一种是利用口分组的生存时间字段来控制分组传播范围，路由器在转 发分组时减少1 1 r l 值，直到1 r l 减为0 时丢弃；另一种是管理手段，利用口 组播地址空间中的作用域受限的地址【3 1 。 2 2 i p 多播路由及其协议 2 2 1 ip 组播传递树 路由器根据组播地址向所有本组内主机传送组播数据，称为组播选路。组播 选路最基本的方法是建立组播传递树( d e l i v e r y t r e e ) ，以并行的方式到达不同的接 受者，且只在分叉处进行数据复制。目前，组播传递树的树形结构主要有两种： 有源树s b t ( s o u r c eb a s e dt r e e ) 和共享树s t ( s h a r e dt r e e ) 引。 有源树s b t 中以最短路径树s p t ( s h o r t e s tp a t ht r e e ) 为代表，如图2 1 所示。 s i t 以源为根节点，在源与目标节点间提供最小的延迟，而不考虑链路的开销。 它适用于通信量大、时延要求高的实时应用。当接收端分布较稀疏且数据流量较 小时，为每个源建立一棵s 玎的开销则相对较大，而且在每个路由器中需要存 储大量的信息，可扩展性不高。共享树s t 又可分为斯坦纳最小树s m t ( s t e i n e r m i n i m a lt r e e ) 和中心树，为每个组提供一个中心点，以这个点建立一棵树，由这 个组的成员共享。数据报首先被传送到中心点，再由中心点向其它组成员转发。 这种结构适用于数据通信量小、时延要求不高的情况。其中，s m t 和s i t 相反， 它不考虑延迟，目标是使链路开销最小。中心树则是由中心到所有组成员的最短 路径合并而成的树，以核心基础树c b t ( c o r eb a s e dt r e e ) y 撇t 们，在图2 2 所示 的c b t 中，源s 1 和s 2 共享红色箭头标出的多播通路，c b t 算法的具体实现将 在后面详细讨论。 5 北京邮电大学硕七毕业论文i g m p 的仿真研究及其功能扩展 网络连接 一多播路由 ，一 单播路由 ss o u r c e rr o u t e r tt e r m i n a l 图2 - 1 最短路径树s p t图2 - 2 核心基础树c b t 2 2 2 多播选路基本算法介绍 针对上面介绍的两种组播树类型，组播选路有两类基本算法：前者为每一个 组播组的每一个源建立一个有源树，此类算法通称为“广播修剪( b r o a d c a s ta n d p r u n e ) 算法，包含了反向路径转发r p f ( r e v e r s ep a t hf o r w a r d i n g ) 及其派生的 r p b ( r e v e r s ep a t hb r o a d c a s t ) 和r p m ( r e v e r s ep a t hm u l t i c a s t ) 等一系列算法；后者试图为 同一个组播组的所有源节点建立一个共享的传递树，以降低路由表开销，此类算 法主要包含核心基础树c b t ( c o r eb a s e dt f c e ) 算法1 3 l 。 2 - 2 2 1 逆向路径转发算法r p f 图2 - 3 逆向路径转发算法 逆向路径转发r p f 是多播路由协议中多播数据转发过程的基础，该算法假 定路由器维护了一个常规的单播路由表，可了解去往个目的节点的最短路径。其 工作机制是当多播信息通过有源树时，多播路由器检查到达的多播数据包的多播 源地址，以确定该多播数据包所经过的接口是否在有源树的分支上，即判断是否 沿着源到目的节点的最短路径到达。如果在，则r p f 检查成功，多播数据包被 复制转发；如果r p f 检查失败，则丢弃该多播数据包。显然，若每个路由器都 6 北京邮电火学硕上毕业论文i g g p 的仿真研究及其功能扩展 有正确的常规路由表，r p f 就可保证组播路由器只转发那些从最短通路上到来的 组播分组，可保证组播转发通路上不会出现环科3 1 ，如图2 3 所示。 但r p f 并非一种实用的组播选路算法，因为它没有考虑组播组成员在 i n t e r n e t 中的位置。组播分组会被传播到那些既没有组成员又不通向任何群成员 的网络中，造成带宽浪费。为此r p f 有几种改进的算法，如r p b ，r p m ，t r p b 等，这里不再详细介绍。 2 2 2 2 核心基础树算法c b t 核心基础树算法c b t 把互联网分为若干个区域( r e g i o n ) ，每个区域内部指定 一个路由器作为核心路 揣( c o r er o u t e r ) 。建立核心路由器的目的是为了在本区 域内为每一个组播组建立一个共享树。初始状态下，共享树只包含一个根节点， 当某主机想要加入某个多播组时，通过i g m p 通知本地路由器，再由本地路由器 向核心路由器发送显式的加入信息。这样传递树不断动态扩展分支到整个区域中 所有具有组成员的网络中。因为同一组播组内的所有发送源共享同一个组播传递 树，这棵树又称为特定组转发树( g r o u p s p e c i f i cd e l i e v e r yt r e e ) 。 任何发送源在向该组播组发送数据时，只需要将所有组播分组以单播 u n i c a s t 的方式发送到核心路由器，再由核心路由器以多播m u l t i c a s t 的方式注入 到共享树中，最后到达各个组成员，如图2 2 所示。 c b t 算法的优势在于其良好的扩展性和节省带宽，缺陷在于核心路由器上 的数据流过于集中，而且传递树不是最优的。 2 2 3 i p 多播路由协议的基本类型 根据网络中多播组成员的分布，总的说来i p 多播路由协议可以分为以下两 种基本类型。 第一种类型假设多播组成员密集地分布在网络中，也就是说，网络大多数的 子网都至少包含一个多播组成员，而且网络带宽足够大，这种被称作“密集模式 ( d e n s e m o d e ) 的多播路由协议依赖于广播技术来将数据“推向网络中所有的路 由器。密集模式路由协议包括距离向量多播路由协议( d v m r p ：d i s t a n c ev e c t o r m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 、多播开放最短路径优先协议( m o s p f ：m u l t i c a s to p e n s h o r t e s tp a t hf i r s t ) 和密集模式独立多播协议( p i m d m ：p r o t o c 0 1 i n d e p e n d e n t m u l t i c a s t - d e n s em o d e ) 等。 第二种类型则假设多播组成员在网络中是稀疏分散的，并且网络不能提供足 够的传输带宽，比如i n t e r n e t 上通过i s d n 线路连接分散在许多不同地区的大量 用户。在这种情况下，广播就会浪费许多不必要的网络带宽从而可能导致严重的 网络性能问题。于是稀疏模式多播路由协议必须依赖于具有路由选择能力的技术 7 北京邮电大学硕上毕业论文i g m p 的仿真研究及其功能扩展 来建立和维持多播树。稀疏模式路由协议主要有核心基础树的多播协议( c b t ： c o r eb a s e dt r e e ) 和稀疏模式独立多播协议( p i m s m ：p r o t o c 0 1 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 em o d e ) 。 密集模式与稀疏模式的对比如下： ( 1 ) 在生成树的选择上，密集模式的路由一般采用s p t ，稀疏模式采用共享 树c b t 。 ( 2 ) 在选路状态上，稀疏模式有更好的扩展性。它仅需要在源和组成员间路 径上的路由器中保持状态信息，而密集模式协议要求网络中所有路由器 都保持状态信息，且需要周期性地发送路由控制信息。 ( 3 ) 稀疏模式由于使用明确的加入报文，数据流仅流到加入到树上的链路 中；密集模式中，采用被动加入的方式来构造多播树。 ( 4 ) 稀疏模式和密集模式相比，也有它自己的缺点，例如汇聚点 r p ( r e n d e z v o u sp o i n t ) 的单失败点问题、r p 周围的通信量过大、源到目 的站点的数据传输路径可能不是最短路径等。 2 2 4 密集模式多播路由协议 2 2 4 1 距离向量多播路由协议( d 硼r p ) 最早支持多播功能的路由协议就是距离向量多播路由协议d v m r p ，目前它 已经被广泛地应用在多播骨干网m b o n e 上。 d v m r p 为每个发送源和目的主机组构建不同的分布树。每个分布树都是一 个以多播发送源作为根，以多播接收目的主机作为叶的最小扩展分布树。这个分 布树为发送源和组中每个多播接收者之间提供最短路径，以“跳数为单位的最 短路径就是d v m r p 的量度。当一个发送源要向多播组中发送消息时，一个扩展 分布树就根据这个请求而建立，并且使用扩散剪枝( b r o a d c a s t i n ga n dp r u n e ) 的机 制来维持这个扩展分布树【_ 7 1 。 d v m r p 利用类似r i p ( r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 的方式进行单播寻径，并采 用逆向路径多播r p m 算法选择性发送多播包。它以数据驱动的方式由信源向下 进行多播报文分发，然后从多播分发树上剪枝不存在信宿的分支。这样做的目的 是为了除去不必要的通信量。经过一定的时间，被剪枝的分支被恢复，多播报文 又继续向下分发。同时d v m r p 还提供了嫁接嫁接应答机制，当剪枝区临时出 现多播组成员时，不必等待剪枝状态超时，主动向上游发送嫁接报文，该机制减 小由剪枝状态到转发状态转变的反应时间，从而提高了选路效率。 该算法适用于单个自治系统a s 的内部网关协议。对子网中密集分布的多播 组来说d v m r p 能够很好的运作，不能支持大型网络中稀疏分散的多播组。其实 8 北京邮电大学硕士毕业论文i g i i p 的仿真研究及其功能扩展 施简单，对路由器处理信息的要求不高。但缺点是因为采用了d v ( 距离向量) 算法，所以存在慢收敛和无穷计算的问题；每个路由器存储了大量的路由信息： 伸缩性差，需要周期性的扩散机制来重新构造多播树1 6 j 。 2 2 4 2 多播开放最短路径优先( 帅s p f ) 开放最短路径优先o s p f 是一个单播路由协议，它将数据包在最小开销路径 上进行路由传送，这里的开销是表示链路状态的一种量度。除了路径中的跳数以 外，其他能够影响路径开销的网络性能参数还有负载平衡信息、应用程序需要的 q o s 等。 多播开放最短路径优先m o s p f 是为单播路由多播使用设计的。m o s p f 依 赖于o s p f 单播路由协议，在一个o s p f m o s p f 网络中每个路由器处都维持一 个最新的全网络拓扑结构图，记录网络的“链路状态 ，这些“链路状态 信息 被用来构建多播分布树。每个m o s p f 路由器都通过i g m p 协议周期性的收集 多播组成员关系信息，这些信息和链路状态信息被发送到其路由域中的所有其他 路由器。路由器将根据它们从临近路由器接收到的这些信息更新他们的内部连接 状态信息。由于每个路由器都清楚整个网络的拓扑结构，所以无需发送任何控制 分组，就能够独立的计算出一个最小开销扩展树，而且计算结果一致【7 】o m o s p f 适用于那些使用o s p f 作为路由协议的互联网络，以及那些在某个 时刻源组对( s ，g ) 相对比较少且网络连接状态比较稳定的环境。它可以分为域 内、域间和自治系统a s 问的路由。m o s p f 不存在d v m r p 协议中的路由控制 开销问题( 剪枝，嫁接等信息) ，链路利用率比较高；按需执行路由算法，只有 路由器收到数据源的第一个分组时，才利用d i j k s t r a 算法计算s p t ，进一步提高 了路由性能；区域分块的想法。但因为依赖于点到点的路由协议，很难适应广域 网上的多点通信；定期扩散路由控制信息限制了组的规模；路由器系统开销比较 大( d i j k s t r a 计算量较大) ，扩展性差 6 t 。 2 2 4 3 独立多播密集模式协议( p i i 卜d m ) 独立多播协议p i m 是一种标准的多播路由协议，并能够在i n t e m e t 上提供可 扩展的域问多播路由而不依赖于任何单播协议。p i m 有两种运行模式，一种是密 集分布多播组模式，另一个是稀疏分布多播组模式，前者被称为独立多播密集模 式协议( p i m d m ) ，后者被称为独立多播稀疏模式协议( p i m s m ) 。 独立多播协议p i m 同d v m r p 一样采用扩散剪枝的机制维护多播分布树， 首先使用单播路由表进行r p f 检查，以数据驱动的方式由信源向下进行多播报 文分发，然后从多播分布树上剪掉不存在信宿的分支。经过一定的时间，被剪枝 的分支被恢复，多播报文又继续向下分发。同样提供了嫁接嫁接应答机制。此 9 北京邮电大学硕士毕业论文 i g m p 的仿真研究及其功能扩展 外，p i m d m 还引入了断言机制来选举唯一的转发者以防向同一网段重复转发多 播数据包；使用加入剪枝抑制机制来减少冗余的加入剪枝信息；使用剪枝否决 机制来否决不应该的剪枝行为。它与d v m r p 之间的主要不同在于p i m 完全不 依赖于网络中的单播路由协议而d v m r p 依赖于单播路由协议机制r i p ，d v m r p 在树构建阶段能够使用单播协议提供的拓扑数据有选择性的向下行发送数据包， p i m d m 则更加倾向于简单性和独立性，甚至不惜增加数据包复制引起的额外开 钭7 l 。 p i m d m 适用于以下几种情况的网络：发送者和接收者分布密集；只有一小 部分发送者和大部分接收者；多播流量很大且持续。它直接使用单播路由算法给 出的路由表转发数据，协议无关性；可以和所有的单播路由协议协同工作；可扩 充性较好。但同样有着密集模式多播协议的缺点1 6 l 。 2 2 5 稀疏模式多播路由协议 当多播组在网络中集中分布或者网络提供足够大带宽的情况下，密集模式多 播路由协议是一个有效的方法，当多播组成员在广泛区域内稀疏分布时，就需要 另一种方法即稀疏模式多播路由协议将多播流量控制在连接到多播组成员的链 路路径上，而不会“泄漏 到不相关的链路路径上，这样既保证了数据传输的安 全，又能够有效的控制网络中的总流量和路由器的负载。 2 2 5 1 基于核心树的多播协议( t ) 和d v m r p 和m o s p f 为每个“发送源目的组一对构建最短路径树不同的 是，c b t 协议只构建一个树给组中所有成员共享，这个树也就被称为共享树。 整个多播组的多播通信量都在这个共享树上进行收发而不论发送源有多少或者 在什么位置。这种共享树的使用能够极大的减少路由器中的多播状态信息。 c b t 共享树有一个核心路由器用来构建这个树，要加入的路由器发送加入 请求给这个核心路由器。核心路由器接收到加入请求后，沿反路径返回一个确认， 这样就构成了树的一个分枝。加入请求数据包在被确认之前不需要一直被传送到 核心路由器。如果加入请求包在到达核心路由器之前先到达树上的某个路由器， 该路由器就接收下这个请求包而不继续向前发送并确认这个请求包。发送请求的 路由器就连接到共享树上了。c b t 只需要为每个活动的组存储路由信息，一旦 核心路由器确定，不在c b t 上的路由器就可向核心路由器发送加入请求报文， 再由核心路由器在每一跳建立路由表，而且第一个分组不需要在全网扩散。c b t 不依赖于多播或单播的路由表。 c b t 共享树适用于稀疏模式，同时，既可以用于域内，也可用于域问。其 可伸缩性好、协议简单、存储开销小；不对非树上的路由器造成任何影响，也不 1 0 北京邮电大学硕士毕业论文i g g p 的仿真研究及其功能扩展 需要它们保存任何信息，不需要参与树的维护；显式地加入组。但是存在核心路 由器的单失败点问题；容易导致通信量的集中和核心路由器附近的瓶颈；在源和 目的节点间的路径不一定是最短路径；不是动态自适应的( p l m s m 在这点上做 得很好) ；数据是双向流动的，无法处理数据的循环。 2 2 5 2 独立多播稀疏模式协议( p l m - s m ) 和c b t 相似，p i m s m 被设计成将多播限制在需要收发的路由器上。p i m s m 围绕一