偶发组播数据丢包问题研究.docx

Journal of Spacecraft TTC Technology2012 年 8 月Aug 2012*偶发组播数据丢包问题研究 湘，石王湘( 中国卫星海上测控部江苏江阴214431)摘 要: 针对传输关键控制数据的某型冗余备份网络架构在大背景流量下偶发组播数据丢包的问题，分析了丢包 机理，提出配置静态组播组的方法，同时进行了实验验证。结果表明，该方法能有效解决工程实践中出现的问题。 因此，在网络结构设计时，要充分考虑传输链路中会对组播传输产生洪泛的设备，采取有效措施消除影响，确保组 播数据传输的正确性与完整性。关键词: 冗余备份网络架构; 大背景流量; 组播; 洪泛; 丢包中图分类号: V55; TP939文献标志码: A文章编号: 1674-5620( 2012) 04-0076-04Study on Packet Loss during Transmission of Sporadic Multicast DataWANG Xiang，SHI Xiang( China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin，Jiangsu Province 214431)Abstract: This paper proposes configuration of static multicast groups to avoid loss of packets during transmission of spo-radic multicast data in some redundant network architecture that transmits critical control data in heavy background traffic following analysis of the mechanism of the problem Experiment verification shows that the method effectively solves the problem in engineering practice Adequate attention is called for on equipment that could flood multicast data in a transmis- sion link during design of network architecture and effective measures should be taken to prevent the problem of packet loss in order to ensure the correctness and integrity of multicast data transmittedKeywords: redundant network architecture; heavy background traffic;multicast;flooding;packet loss0引言组播技术能有效节省网络带宽和资源，管理网络的增容并控制开销，大大减轻发送者的负荷，从而 高性能地发送信息，提高网络利用率1-3。但在某些 网络中，由于拓扑结构及网桥设备对组播数据传输 的影响，会导致组播数据出现丢包现象，从而降低了 网络的可靠性及可用度。在对数据传输可靠性要求较高的网络中，如传 输关键控制数据的网络，会采用冗余备份的网络架 构进行数据传输，以确保数据传输准确、连续。出于 安全性的考虑，传输线路中会加入硬件防火墙、保密 机等网桥设备以防止关键数据被截取或更改。但在 某些网络结构中，特殊情况下会出现组播数据丢包， 如图 1 所示。图 1 中，R1 R6 为华为公司生产的三层交换图 1网络结构图Fig 1 Network structure* 收稿日期: 2012-01-06; 修回日期: 2012-03-19第一作者简介: 王湘( 1986 ) ，男，硕士，主要从事航天远洋测控通信技术研究; E-mail: wangxiang_yes 163 com77王 湘，等: 偶发组播数据丢包问题研究第 4 期机，可作为路由器使用。所有三层交换机启用 PIM-SM( 协议无关组播稀疏模式) ，采用 ASM( 任意源 组播) 模型，其 中 R2 为 RP ( 汇 聚 点) ，R1 ，R4 ，R6 为 DR( 指定路由器) 。在此网络结构中，B 机首先启用组播接收软件; 随后，A 机向 C 机发送大流量组播数据，组播组地址为 225 0 1 1，记为 G2; 最后，A 机偶 尔向 B 机发送较少的组播数据，组播组地址为 2250 1 14，记为 G1。此时，B 机接收 A 机 发 送 的 偶 发 组播数据会出现丢包现象，且丢失的均为每段组播数据流开始的一些数据包。建( S，G1) 表项，之后将组播数据封装在 Register 消息中单播发往 R2 ;2) R2 接收到 A 机发往组 G1 的注册报文并解 封装出组播报文后，在本地创建 ( S，G1 ) 表 项，继 承( *，G1) 表项的内容，将组播报文从下游接口发送 出去;3) R3 从上游接口接收到 A 机发往 B 机的组播 报文后，在本 地 创 建 ( S，G1 ) 表 项，继 承 ( * ，G1 ) 表 项的内容，将组播报文从下游接口发送出去;4) R4 从上游接口接收到 A 机发往 B 机的组播 报文后，在本 地 创 建 ( S，G1 ) 表 项，继 承 ( * ，G1 ) 表 项的内容，将组播报文从下游接口发送出去，B 机收 到组播报文。A 机向 C 机发送组播数 据 时 的 RPT 建 立 过 程 和组播 路 由 建 立 过 程 同 上。其 中 RP 和 组 成 员 端 DR 周期性检测组播报文的转发速率，一旦发现( S， G) 报文的转发速率超过阈值，则 触 发 SPT ( 最 短 路 径树) 切换5。在缺省情况下，RP 收到第 1 个组播 注册报文后，启动源端 DR 到 RP 的 SPT 建立过程。 组成员端 DR 收 到 第 1 个组播报文后启动 RPT 向 SPT 的切换过程。11 1机理分析及解决方案组播路由建立过程三层交换机采用的操作系统平台是 VRP( 通用路由平 台 ) 。VRP 可以同时维护多种组播路由协 议，通过控制平面与转发平面之间的信息交互，实现 组播路由建立和转发组播数据。控制平面负责生成 并维护组播路由表，收集路由信息，创建并维护路由 表项。转发平面继承控制平面的路由表项，负责指导报文转发。组播路由表由 ( S，G) 表项组成，其中 ( S，G) 表 示由指定源 S 向 组 播 组 G 发 送 组播数据的路由信 息，( * ，G) 表示任意源向组播组 G 发送组播数据的路由信息4。B 机首先启用组播接收软件，随 后 A机向 B 机发送组播数据，其中 RPT( 组播分发树) 建 立过程为:1 2组播转发过程组播路由是从一个组播源到所有成员的数据传输路径，单 向 无环且路径最 短6。 在 PIM 组 播 域中，根据组播组成员端的分布情况，组播路由协议以 组播为单位建立 1 点到多点的组播转发路径，报文 在距离组播源尽可能远的分叉路口才开始复制和分 发，最终传送到组播组成员。由于组播转发路径呈 现树型结构，也称为组播分发树。组播路由的基础 是 RPF( 反向路径转发) ，组播报文必须在 RPF 检查 通过后，组播路由协议才可以创建组播路由表项，构 建组播分发树，从而转发组播报文。组播静态路由 作用于 RPF 机制，能够影响组播路由表的建立。当路由器接 收 到 组 播 源 S 向 组 播 组 G 发 送 的 组播报文后，转发的具体流程如图 2 所示。在组播数据转发过程中，如果转发平面的转发 表项中没有( S，G) 表项，则需要与控制平 面 进 行 信 息交互，由控制平面根据转发平面上报的事件进行 RPF 检查，并根据 RPF 检查结果创建或更新路由表 项，然后刷新转发平面的转发表项，在此期间，报文 需要进行缓存。若控制平面因处理能力不够，影响 转发表项的及时更新，报文有可能因为缓存时间过 长而被丢弃。1)B 机通过 向 R4 发 送 Report ( 报 告) 消 息，申请加入组播组 G1;2)R4 接 收 到 Report 消 息 后，创 建 路 由 表 项( *，G1) ，并将与 B 机相连的接口添加到下游列表中，上游接口为与 R3 相连的接口;3)R4 通过上游接口向 R3 发送 Join ( 加 入) 消息，R3 收到消息后，创建路由表项( * ，G1 ) ，并将与R4 相连的 接口添加到下游列表中，上 游 接 口 为 与R2 相连的接口;4)R3 通过上游接口向 R2 发 送 Join 消 息，R2收到消息后，创 建 路 由 表 项 ( * ，G1 ) ，并 将 其 与 R3相连的 接口添加到下 游 接 口 列 表 中，上 游 接 口 为Register( 注 册 ) ，由 于 R2 是 RP，它不再向外发送 Join 消息。当 A 机开始向 B 机发送组播数据时，组播路由 的建立过程为:1) R1 接收到 A 机发往组 G1 的组播报文后，创78飞行器测控学报第 31 卷现象。因为此时 R3 上已成功创建 ( S，G1 ) 表 项，无论后续网桥设备洪泛多大的数据流，路由器都会顺 利转发 A 机发往 B 机的组播数据。综上所述，发生丢包是由于 R3 上未存在或未及 时创建 ( S，G1 ) 表 项 造 成 的，而 未 能 及 时 创 建 ( S， G1) 表项是由于网桥设备对组播数据的洪泛作用， 导致 R3 去处理异常报文。当异常报文速率到达一 定程度时，就会影响正常新到组播数据的转发从而 出现丢包。1 4解决方案由丢包机理分析可得，只要在转发路径上建立 ( S，G) 表项即可顺利地转发组播数据。为解决此问 题，硬件设计上，可优化三层交换机内部处理过程， 设计为控制平面优先处理新到组播源的组播报文， 以创 建 ( S，G) 表 项，然 后 再 去 处 理 NoCache 事 件。 此项建议关系到华为三层交换机设计机理，不能作 为解决此时出现问题的方法。由于组 播 源 可 知，可 在 B 机 的 DR，即 R4 上 配 置静态组播组，将 A 机发给 B 机的组播组加入到静 态组播组中。在配置静态组播组时，需要指定 A 机图 2 组播转发流程Fig 2 Multicast forwarding process为组 播 源，配 置 命 令 为 igmpstatic-group group-ad-dress source source-address，其 中 group-address 为 组播组地址，source-address 为 A 机的 IP 地址。配置静态组播组后，只 要 B 机 一 开 启，R4 上 连 接 B 机的 接 口 激 活。此时组播路由器会按照静态 组播中加入的源创建组播转发表项，并将这一信息 逐步向上游传递，直至连接组播源的路由器。至此， 从 A 机 至 B 机之间就建立起组播转发 SPT，并 且 SPT 路径上的所有路由器上都会成功创建指定组播1 3丢包机理分析由以上分析可得，A 机向 C 机发送大流量组播数据时，由于网桥设备的存在，大量的组播数据会洪泛至 R3 ，如图 1 中所示。因此，当 A 机发往 B 机 的偶发组播数 据 到 达 R3 时，R3 上 只 有 ( * ，G1 ) 表 项，还没有形成 ( S，G1) 表项。而此时 R3 的 路 由 控制平面正忙于处 理 因 A 机 发 往 C 机的大流量组播 数据包被网桥设备转发所产生的 NoCache( 无缓存) 事件，控制平面无法及时创建 ( S，G1 ) 表 项，组 播 组G1 的报文到来时不能及时转发。另外由于 R3 的缓 存容量原因，数据包也不能被缓存而丢失。A 机持续向 B 机发送组播数据时，当 R3 上成功 创建( S，G1) 表项后，只要数据包一到达即可被正常转发，后续 数 据 转发过程就不会再发生丢包现象。并且当连续 2 组偶发组播数据发送间隔时间较短， 小于组播路由表的老化时间时( 华为三层交换机为210 s) ，由于 ( S，G1 ) 表 项 依 然 存 在，下 一 组 偶 发 组 播数据也会被正常转发，不会出现丢包现象。如果 A 机首先向 B 机发送偶发组播数据，然后报文转发的( S，G1) 表项。当 A 机开始向 R 发送数1据包时，R1 会顺利地将组播报 文 沿 转 发 至SPTB机。并且，数据的转发不会受到外界的影响，也不需要按一定的顺序启动数据发送进程。配置静态组播组的方法更改了设计中所采用的 ASM 模型，B 机在接收组播数据时指定了组播源 A 机，R4 直接向 A 机 方 向 发 送 Join 消 息，Join 消 息 逐 跳向上传输，在 A 机与 B 机之间建立 SPT。此过程 无需构建 RPT 和注册组播源，直接在源与组成员之 间建立了 SPT，这样组播传输就变成了 SSM( 指定源 组播) 模型，与最初设计的 ASM 模型相悖。并且当 出现其他组播源时，需要进行同样的修改和操作，导 致此方案灵活性不强。但在目前相关设备设计机理 以及组播相关协议和模型未尽完善的前提下，以及再向 C 机发送大流量的组播数据，也不会出现丢包79王 湘，等: 偶发组播数据丢包问题研究第 4 期组播源变化不多的情况下，工程实践中利用此方法能很好地解决此间出现的问题。表 2 启用静态组播组时的测试结果Tab 2 Test results when static multicast group is enabledA 机发往 C 机的组播数据流量/ ( kbits 1 )A 机发往 B 机的偶发组播数据实验验证为充分检验所提方案的正确性和可行性，本文 搭建了网络环境进行验证。B 机首先开启组播接收 软件。在不启用静态组播组时，A 机向 C 机发送不 同流量的组播数据，组播收发软件采用微软 WSend( 组播发送程序) 和 WListen( 组播接收程序) 。随后 A 向 B 机发送偶发组播数据，组播收发软件采用可 计数的专用软件以记录收发的组播数据数。测试结 果表明，不启用静态组播组时，当 A 机 发 往 C 机 的 组播数据流量大于 500 kbit / s 时，A 机 发 往 B 机 的 偶发组播数据就会发生丢包现象，丢包数与网络传 输设备性能有关，且丢失的数据包均为偶发组播数 据流开始的一些数据包，如表 1 所示。表 1 不启用静态组播组时的测试结果Tab 1 Test results when static multicast group is disabled2A 机发送数据包个数B 机接收数据包个数1 0241 7831 7837501 9621 9626251 5651 5655752 0362 0365251 3671 3675001 9521 952虑传输链路对组播数据的影响，对组播数据会产生洪泛的网关 设 备，要详细分析其机理，同 时 采 取 必 要、有效的措施将影响降到最小甚至消除，以确保组 播数据传输的正确性与完整性。参考文献( References)葛连升，江林，秦丰林 QoS 组播路由算法研究综述J 山 东大学学报( 理学版) ，2010，45 ( 1 ) : 55-65 ( Ge Liansheng，JiangLin，Qin Fenglin A Survey of QoS Multicast Routing AlgorithmsJ Journal of Shandong University( Natural Science) ，2010，45( 1) : 55-65)吕慧，何炎祥，涂航 带 QoS 约束的组播加入算法J 武汉理 工大学 学 报，2010，32 ( 20 ) : 200-204 ( Lv Hui，He Yanxiang， Tu Hang Multicast Joining Algorithm with QoS ConstraintsJ Journal of Wuhan University of Technology，2010，32 ( 20 ) : 200-204)包怀忠 IP 组播关键技术研究J 计算机技术与发展，2009，19( 4) : 138-142( Bao Huaizhong Research on Key Technologiesof IP MulticastJ Computer Technology and 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