（计算机应用技术专业论文）基于ipv6的组播体系的研究与实现.pdf

摘要 随着宽带网络技术的发展，多媒体相关服务需求的同益增长刺激了i p 组播技 术的普及和发展，组播已经成为新一代网络不可缺少的关键技术。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。 基于i p v 6 的组播协议是i p v 6 协议栈的一个必须且重要的组成部分。路由器 通过组播路由协议来支持i p 组播。其中组播路由协议p i m s m 是一个不依赖于特 定单播路由协议的组播路由协议，现已成为事实上的域内标准组播路由协议。 目前国内对基于i p v 6 的组播路由协议基本上都还处于研发过程中，还没有成 熟的产品，对此，本文给出了高性能i p v 6 路由器协议栈软件中组播路由协议的设 计与实现方案。 本文首先分析了i p v 6 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i p v 6 组播路由协议的重要意义。随后，深入探讨了i p v 6 组播技术的相关知识，并对目前存在的五种组播路由协议进行了分析和比较。 进而，在详细分析组播体系的工作原理和关键技术的基础上，指出了i p v 6 组播协议实现的重点和难点问题，并给出了一种解决方案，接着给出了系统的总 体实现架构。然后，根据系统实现架构系统地描述了用组播协议p i m s m v 2 实现 1 p v 6 组播技术的过程，并模拟i p v 6 环境对其结果进行了验证。 最后，提出了当前i p 组播技术存在的问题，并对i p 组播进一步的研究方向 进行了展望。 关键词：i p v 6 组播路由协议p i m s m v 2m l d a b s tr a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eb r o a d b a n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h ei n c r e a s i n g g r o w t ho f t h es e r v i c ea b o u tm u l t i m e d i as t i m u l a t e st h ep o p u l a r i t ya n dd e v e l o p m e n to f i pm u l t i c a s t m u l t i c a s th a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l et e c h n o l o g yo ft h en e x tg e n e r a t i o n o fi n t e r n e t a n dt h et r a d i t i o n a li p v 4c a n n o ts a r i s f yp e o p l e sr e q u i r e m e n t sf o rb i g g e r a d d r e s ss p a c e ，b e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c e ，m o b i l i t y , s e c u r i t y , a n ds oo n t h en e wi p v 6 p r o t o c o li si n e v i t a b l e m u l t i c a s tp r o t o c o lb a s e do ni p v 6i sa l li n e v i t a b l ea n di m p o r t a n tp a r to fi p v 6 p r o t o c o l s r o u t e r ss u p p o r t i pm u l t i c a s t t h r o u g h m u l t i c a s t r o u t i n gp r o t o c 0 1 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 ) h a sb e c o m et h ei n t e r - d o m a i n s t a n d a r do fm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h e r ei sn of i e d g e d p r o d u c to f m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o lb a s e do ni p v 6 ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f m u l t i c a s tr o u t i n g p r o t o c o li sp r e s e n ti nt h ep a p e r a tt h eb e g i n n i n go ft h i s p a p e r , t h ea r i s e nb a c k g r o u n d ，p r e d o m i n a n c eo fi p v 6 m u l t i c a s tt e c h n o l o g ya r ef u l l yd i s c u s s e d ，b a s e do na n a l y z i n gt h em u l t i c a s tr e s e a r c h s t a t u si ni n t e r n a la 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 st h e s i g n i f i c a n c e o fs t u d y i n ga n d i m p l e m e n t i n gt h ei p v 6m u l t i c a s tr o u t ep 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 st h eb a s i c k n o w l e d g e o fi p v 6 m u l t i c a s t ，a n da 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 ef i v ec u r r e n tm u l t i c a s tr o u t i n g p r o t o c o l s a f t e rt h ep e r f o r m i n gp r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n i q u eo fp i m s ma r ed i s c u s s e di n d e t a i l ，p u t st h ee m p h a s i so ns y s t e m i ce x p l a i n i n gt h ei m p l e m e n t i n go f i p v 6m u l t i c a s t u s i n gp i m s m v 2 a n d t h es y s t e m st e s tr e s u l t si nas i m u l a t ec i r c u m s t a n c ea r eg i v e n f i n a l l yp r e s e n c ep r o b l e m so f t h i st e c h n i q u ea r ea n a l y z e d ，a n ds o m es u g g e s t i o n s o nd e v e l o p p r o s p e c t so f i pm u l t i c a s ta r eg i v e n f u t u r ei m p l e m e n t e r so fn e wt r a n s f o r m s w i l lg e tf a v o u r a b l eh i n t st h r o u g ht h i sp a p e r k e y w o r d s ：i p v 6 m u l t i c a s tr o u t i n g p r o t o c o l p i m - s m v 2m l d 独创性( 或创新性) 声明 v6 9 5 5 i 圈 本人声明所里交的论文是我个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谓j 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：也不包含为获得西安电子科技人学 或其它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做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： 冱臣趋h 期巡! ! ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安p 乜予科技大学。 学校有权保留送交沦文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 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论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论 本人签名 导师签名 年解密后适用本授权书。 n 明星翌尘：壁 f f 期乏趋2 亡厶0 甄 文：( 第一章绪论 第一童绪论 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 最后总结了本文的主要工作。 1 1 研究背景 1 1 1 传统i p 的局限及i p v 6 的提出 现有的互联网主要是基于i p v 4 协议的。这一协议的成功促成了互联网的迅速 发展。但是，随着互联网的发展，i p v 4 潜在的危险也日益显现出来。早在1 9 9 0 年，t c p f l p 专家们就已察觉出它潜伏的三大危机：地址枯竭、网络号码匮乏、路 由表急剧膨胀。并预言，如不采取措施，i n t e r n e l 可能在地址枯竭之前就会瘫痪。 i p v 6 最初就是为了解决这三个根本问题而设计的。 19 9 2 年，人们已开始讨论制订下代互联网络协t r ( i p n g ) 。l9 9 5 年，i e r 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 9 6 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 采用1 2 8 位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。除了对地址空问 的扩展以外，i p v 6 的地址结构也重新做了定义，采用了与i p v 4 类似的c i d r 方法 分配地址。i p v 6 还提供了自动配置以及对移动性和安全性的更好支持等新特性。 i p v 6 相对于i p v 4 具有的优势：极大的扩展了地址空间、提高了网络的整体吞吐 量、便于q o s 实现、提供了更好的安全性保证，支持即插即用和移动性等。l p v 6 作为新一代的网络互联协议，其先进性和灵活性已经得到了越来越多的认可。 1 i 2 组播技术的产生和优越性 近年来，网络技术飞速发展，在i n t e m 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、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，人们提出了各种解决方案：增加网络带宽；应用q o s 机制，控制不同业务的 带宽使用；服务器的分散与集群，减轻主干网的瓶颈；采用i p 组播技术等。其中， i p 组播技术以其独特的优越性在组播网络中，即使用户数量成倍增加，主干 网络带宽不需要随之增加成为当前网络技术中的研究热点之一。 组播是一种允许一个或多个发送者发送同一数据包到多个接收者( 一次的，同 基于i p v 6 的组插体系的州究b 实现 时的) 的网络技术。这组接收者就称为组播组( m u l t i c a s tg r o u p ) 。组播源把数据包 发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。无论有多少 个组播报文接收者，网络中任何一条链路只传送单一的报文，因此在有多个接收 者的应用中，组播技术提高了数据传送效率，有效地利用了带宽，减少了主二f 二网 出现拥塞的可能性1 8 】。同时它也避免了单播和广播中可能出现的广播风暴问题。 由于它的优越性，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。而 且在1 p v 6 的标准中，要求所有的设备都必须支持组播。 图1 1 显示了单播通信与组播通信的区别。 图1 1 单播通信与组播通信的区别 从图1 1 中可以明显地看出组播通信技术的优越性。单播通信方式需要发送 者为每个单播接收者分别建立不同的数据流；路由器也必须为同一信息内容在同 一链路上重复传送多个流；同时，接收到的数据流的时间也有先有后。采用组播 技术后，发送者只需发送一个数据流，路由器也只在必要的时候在不同的端口复 制不同的流：同时，每个接收者有希望在同时接收到的相同的数掘流。因此，大 大减轻了发送者和骨干通信的开销，同时，可以为不同的接收者提供公平性【4 】。 1 2i p v 6 组播技术简史和研究现状 1 2 1 简史 1 9 8 8 年，d w a l t z m a n ，c p o r t r i d g e ，s e d e e r i n g 在距离向量组播路由协议 ( r f c l 0 7 5 ) 中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 组搐，它是组播路由协议的首次实践。 第一章绪论3 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 l l l 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。它奠 定了组播网络体系结构的基础。该文也成为i n t e m e t 组管理协议( i g m p ) 的原型。 19 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 rm u l t i c a s t r o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 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m b o n e 规模的增加，域内组播协议相继提出，包括m o s p ff m u l t i c a s t e x t e n s i o n st oo 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 tm u l t i c a s t d e n s em o d e ) ，c b t ( c o r eb a s e dt r e e s ) ，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 ) 等。 1 9 9 9 年1 0 月，c i s c o 、a t & t 、m i c r o s o f t 制定组播地址动态客户分配协议 m a d c a p ( r f c 2 7 3 0 ) 。2 0 0 0 年底2 0 0 1 年初，人们着手制定各种组播m i b 库， 这标志组播技术正向可管理、可控制方向发展【5 1 。 与此同时，为了适应下一代i p 网络标准i p v 6 ，基于i p v 6 的组播技术的 研究已经提上了日程。 1 9 9 8 年7 月，在制定i p v 6 地址体系标准时，确定i p v 6 组播地址分配方案 ( r f c 2 3 7 3 ) ，这为组播技术在下一代i n t e m e t 上的应用做出了必要的准备。 2 0 0 1 年7 月，i p v 6 组播测试网络( m 6 b o n e ) 建成，运行p i m s m 组播路由 协议。m 6 b o n e 提供了很好的组播网络测试环境，可以测试和丌发与i p v 6 组播技 术相关的软件和设备，同时为感兴趣的站点提供i p v 6 组播连接。目前全球已有很 多站点连接到m 6 b o n e 上。 1 2 2 研究现状 国内外的i p v 6 试验网为i p v 6 协议的制定和实现提供了测试、验证环境，其 中i p v 6 组播功能也是各个试验网的研究对象之一。 1 9 9 6 年8 月i e t f 组织创建了迄今规模最大的全球范围的i p v 6 示范网 6 b o n e ，现在，6 b o n e 的规模已经扩展到包括我国在内的5 7 个国家和地区，连接 了近千个站点，成为i p v 6 研究者、开发者和实践者的主要平台。2 0 0 0 年1 月丌 始的6 i n i t 项目的目标是促进欧洲i p v 6 网的多媒体和安全的服务。孩项目的4 个研究方向中的两个与组播有关：丌发和试验视频会议、在线股票交易等多媒体 应用；研究基于i p v 6 的m p 3 音频流组播软件等新的多媒体应用。试验床中已完 成了k a m ep i m s mf o r m u l t i c a s t 等项目。 由于i p v 6 协议的一系列标准都是新颁布不久，目前我国的i p v 6 网络技术尚 处于研究、试验和推广阶段。1 9 9 8 年6 月我国国家教育科研网c e r n e t 加入了 6 b o n e ，并于同年1 2 月成为其骨干成员。1 9 9 9 年9 月，有关i p v 6 的8 6 3 课题研 究启动，其中“高性能i p v 6 路由器软件”项目中支持组播功能。另外，“十五” 8 6 3 计划通信技术主题进一步加大了对i p v 6 技术的研究和开发力度，其“高性能 4基卡( p v 6 的组插佛系鹩研究。j 实蜕 i p v 6 路由器协议栈软件”课题中包括对i p v 6 组播协议的研究，该课题计划于2 0 0 4 年6 月完成。2 0 0 3 年，中国下一代互联网示范项目c n g i ( c h i n an e x tg e n e r a t i o n i n t e m e t ) 正式启动。c n g l 核心网络建设目标是从2 0 0 3 年到2 0 0 5 年，采用i p v 6 技术完成c n g i 主干网( 覆盖2 0 个城市3 9 个核心节点) 和国内与国际互联中心 的建设，并实现与国际下一代互联网的高速连接。其中也包括对i p v 6 组播的研究。 在厂商支持方面，日立公司的g r 2 0 0 0 b 和即将正式在我国推出的宽带光接 入系统支持最新的i p v 6 路由协议，其中包括组播协议p i m s m ( p r o t o c o l i n d e p e n d e n tm u r i c a s t s p a r s em o d e ) 。在s c 2 0 0 3 大会上，思科和 s u r f n e t 演示了利用高性能i p v 6 组播技术通过跨大西洋链路进行的业界首例数字 视频传输。c i s c oi 2 o 系列路出器支持i p v 6 组播数字视频系统。2 0 0 4 年4 月i2 闩至1 4 曰的“全球i p v 6 高峰论坛”上，我国首个i p v 6 演示网络( i p v 6 s h o w n e t ) f 式 推出，其中的网络演示部分包括“i p v 6 组播服务”。 虽然i p v 6 组播体系的研究与实现已成为i p v 6 路由技术研究的热点，且i e t f 也出了相关的r f c 及d r a f t ，但在协议实现上还是有许多问题需要进行深入研究 的。例如：1 p v 6 组播与i p v 4 组播在实现上的不同；i p v 6 反向路径转发问题：i p v 6 中p i m 的范围问题；i p v 6 中p i m 消息的c h e c k s u m 计算等等。这些都给i p v 6 组播的实现造成了一定困难。 1 3 本文工作及结构安排 鉴于l p v 6 的必然性祁组播技术在当前网络应用中的重要性，本文试图在基于 i p v 6 的组播体系实现方面作些丌创性的工作。为此设计实现了基于i p v 6 协议栈 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 ) v 2 基础功能模块及可 扩展的框架结构。 本文首先综述了i p v 6 组播技术的产生背景，优势，和国内外的研究现状，阐 明了该课题的重要意义：然后阐述1 p v 6 组播技术的基础知识点明采用p 1 m s m v 2 协议实现i p v 6 组播的原因和意义并沦述了p i ms m v 2 协议的工作原理和关键技 术：接着，指出i p v 6 组播路由协议实现的重点难点问题，对其中某些问题提出自 己的解决方案。随后，详细描述基于i p v 6 的组播协议p i m s m v 2 的实现机制，包 括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和数据流程； 阐述完系统设计与实现后，搭建网络环境对系统进行测试，分析数据包验证组播 工作的正确性；最后，分析了当前i p 组播存在的问题和以后的发展方向。 本文成功实现了复杂的i p v 6 组播体系，整个设计结构严谨，功能完备，在一 定程度上弥补了国内在1 p v 6 组播产品方面的不足。 第一章绪论 5 鉴于i p v 6 的必然性和组播技术在当前网络应用中的重要性，本文试图在基于 i p v 6 的组播体系实现方面作些开创性的工作。为此设计实现了基于i p v 6 协议栈 的p 1 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 ) v 2 基础功能模块及可 扩展的框架结构。 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 组播技术基础及协议工作原理概述i p v 6 组播的基础知识及 p i ms m v 2 协议的关键技术； 第三章基于i p v 6 的组播体系的设计与实现指出i p v 6 组播路出协议实现的 重点难点问题，并详细描述了基于i p v 6 的组播协议p i m - s m v 2 的实现机制： 第四章测试与验证在措建的网络中对系统进行测试验证； 第五章问题和展望提出目前i p 组播的问题，并对其未来进行展望。 本系统解决了i p v 6 组播路由协议p i m s m v 2 实现的技术难点，完成了i p v 6 组播体系各个模块的功能实现，能满足i p v 6 网络对组播功能的需求。 基于i p v 6 的组播体系的研究与实现 第二章 jp v 6 组播技术基础及协议工作原理 组播体系比较繁杂，概念、原理很多。在开始讨论组播路由协议之前，首先 有必要熟悉组播的一些重要概念，这些概念的建立，对于全面理解组播体系具有 重要的意义。本章就主要是介绍i p v 6 组播技术的基础知识及p i m s m 的工作原理 和关键技术，包括i p v 6 组播地址分配、地址映射，组播转发树，组播监听协议 ( m l d ) ，五种组播路由选择协议的比较。p i m s m 的共享树构建、最短路径树 s p t 构建、源注册及r p 发现等。为后面p i m s m 的模块化实现奠定基础。 2 1i p v 6 协议简介 介绍j p v 6 组播路出协议。有必要先介绍一下i p v 8 协议。i p v 6 作为1 p 掷议的 新版本，其根本目的是继承和取代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 p v 6 的报头简化了基本报头的结构，并增加了 可选的扩展报头。 p v 6 的基本报头由6 4 位的报头和两个1 2 8 位的i p v 6 信源地址和信宿地址组 成。报头总长4 0 字节，如表2 1 所示。 j 版本通信流类型 数据流标识 | 有效负载长度下一个报头跳数极限 信源地址 信宿地址 扩展报头 表2 1i p v 6 报头结构 版本4 位i n t e r n e t 协议版本号= 6 通信流类型8 位( d e f a u l t = 0 ，可用于信源和或转发路由 器标识和区分不同 p v 6 数据报的类别或优先级 数据流标识2 0 位，用于源节点标识那些需要i p v 6 路由器特殊 处理的数据报的序列 有效负载长 j 6 位无符号整数，以字节为单位记录i p v 6 数据报 度 负载，即除去i p v 6 报头自身的长度阻外的分组长 度。一个i p v 6 数据报可以容纳6 5 5 3 5 字节的数据 下一个报头8 位。指出i p v 6 报头后头字段的协议类型。它使 用与i p v 4 协议字段相同的值。可以用来指出高层 第二章i p v 6 组播技术基础及协议j 作原理 是t c p 还是u d p ，也可以用来指明i p v 6 扩展报头 跳数限制8 位无符号整数。在每个传输此包的节点处递减l 。 如果跳数限制减为零，就抛弃此包 信源地址1 2 8 位数据报的发送方地址 信宿地址1 2 8 位数据报的接收方地址( 如果在扩展报头中 现路出包头，源1 p 地址可能不是最终接受站) 表2 2i p v 6 报头各字段说明 2 2i p v 6 组播地址 下面进入对i p v 6 组播的介绍和讨论。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 2 1i p v 6 组播地址 r f c l 8 8 4 规定的标准语法推荐把i p v 6 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丌。 可见i p v 6 地址有2 ”8 个，其1 2 5 6 的地址空间分配给组播地址。 组播地址用于标识一个组播组，即代表属于浚组播组的任意多个主机，j 山小 是某个单独的主卡凡【“。i p v 6 的组播地址结构如图2 1 所示： 图2 1i p v 6 组播地址结构图 前缀：8 b i t “1 1 1 1 1 1 1 1 ”是组播地址的开始标志。 f i g s ：4 b i t ，格式为“0 0 0 t ”。其中y - = 0 代表由i a n a ( i n t e m e t a s s i g n e dn u m b e r a u t h o r i t y ) 分配的周知的组播地址；t = l 代表暂时的组播地址。 s c o p e ：4 b i t ，用于限制组播组的范围。 1 区域值 0125 8e f 它 ! l 区域保留节点奉地链路奉地站点奉地组织奉地争球保留术分酣i 表2 3i p v 6 组播地址格式中的区域值 g r o u pi d ：1 1 2 b i t ，标志给定域内的组播组。可以是永久的( 独立于范围值) 也可以是临时的( 组播地址仅在给定范围内才有意义) 。 从i p v 6 的组播地址格式定义可见其相对于i p v 4 所具有的优越性： ( 1 ) 具有足够的地址空间。i 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 预留了1 1 2 位的组标识符。 8基于i p v 6 的组播体系的哿 究与实现 ( 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问传播的范围不会重叠。i p v 4 使用t t l ( 报文存活时间) 来控 制组播报文传送的范围，但t t l 不够精确，会存在不同应用问报文范围重叠的情 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。 2 1 2i 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 pi 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 ”2 个组i d 。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i p v 6 组播地址的低3 2 比特分配g r o u pi d ，将余下的组i d 比特设置为o ：通过只使用低端的3 2 比特， 每个g r o u pi d 映射到一个唯一的网络接口组播m a c 地址。 2 3 组播转发树 在i p 单播中，信息通过网络沿着单一路径从源主机向目标主机传递。而在i p 组播中，源主机向任一被组播组地址标识的主机组传递信息。i p 路由器必须知道 包的来源，而不是目的地( 与单播相反) ，源i p 地址标记了已知的源主机，目的 l p 地址标记了未知的一组接收者。 为了向所有接收站点传递组播信息，组播转发树被用来描述i p 组播包在网络 里经过的路径。其简单的定义是数据从源主机到接收者的传输流的路径。 下面介绍组播转发树的两个基本类型：有源树和共享树。 2 3 1 有源树 有源转发树( o l l r c ed i s t r i b u t i o n t r e e ) ，是组播转发树最简单最常见的形式。 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 tp a t ht 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，雨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 。 由于不同组播源发出的数据包被分散到各自的组播树上，因此采用s p t 有利 于网络中数据流量的均衡。同时，源到每个接收者的路径最短使得端到端的时延 性能较好，有利于流量大、对时延性要求较高的实时媒体应用。s p t 的缺点是： 第二章i p v 6 组捅技术基础及协议一l i 作原理 9 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j 1 ：销相对较 大。 2 3 2 共享树 共享转发树( s h a r e d d i s t r i b u t i o nt r e e ) ，也称为r p 树。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 i n t ：r p ) ，由此节点生成包含所有组成员的树。使用共享转发树时，发送组播 信息的源主机不是直接向网络中发送组播信息，而是需要首先把组播信息发送给 汇聚点路由器( r p ) ，再由这个路由器沿着r p t 将信息转发给其他的组成员。从 源主机到r p t 的根以及从r p t 的根到组播信息的接收者都是采用最短路径树。 可以用( + ，g ) 来表示共享树，其中- 表示所有的源主机，g 指组播组地址。 共享树又可以分为双向共享树和单向共享树。其中双向共享树的组播信息流 可以经过也可以不经过共享树发送到所有的接收站点。而单向共享树则只允i q ：! h 播信息经过共享树从根发送到接收站点，因此组播信息的源主机必须采取一些手 段使根首先得到信息，以便信息能传送到共享树中去。 共享树在路由器所需存储的状态信息的数量和路由树的总代价两个方面具有 较好的性能。当组的规模较大，而每个成员的数据发送率较低时，使用共享树比 较适合。但当通信量大时，使用共享树将导致流量集中及根( t i p ) 附近的瓶颈。 2 4 组播信息转发 组播路由与单播路由相反，单播路由关注的是包将发往何处，组播路由关注 的是包从何处来。在i p 组播中，由于组播源是向组播组发送数据包而非单播模型 中的具体的目标主机，所以组播路由器不能把转发决定建立在信息包的目标地址 的基础上，而要以发送组播信息的源地址作为决定转发的依据。大多数现有的组 播路由协议使用逆向路径转发( r e v e r s ep a t hf o r w a r d ：r p f ) 作为决定是否转发和 丢弃输入的组播信息包的机制。 当组播信息包到达路由器时，路由器对信息包进行r p f 检查，如果成功则转 发包，否则将包抛弃。 r p f 检查过程如下： 路由器检查到达的组播信息包的源地址，以确定该信息包经过的接口，是 否在从源到此的路径上； 如果信息包在可返回源主机的接口上到达，则r p f 检查成功，转发该信 息包到输出接口表上的所有接口，否则r p f 检查失败，丢弃该信息包。 路由器如何确定哪些接口在可返回到源的逆向路径上取决于使用的路出协 议。有些组播路由协议如d v m r p 用一张单独的组播路由表进行r p f 检查；而另 基于i p v 6 的组插体系的研究与实现 外一些组播协议使用现有的单播路由表来确定源i p 地址指定的接口，例如p i m 。 2 5 组管理协议 组播被分为主机到路由器以及路由器到路由器这两个部分。主机到路由器之 间运行组管理协议。组管理协议的作用是当主机运行的进程加入到某个组播组中 时，主机向子网中的所有组播路由器发送组成员报告消息，告诉路由器，、l 是发送 到这个组播组的组播报文都必须发送到本地的子网中，这样主机的进程就可以接 收到报文了。同时，予网中的组播路由器还要定期向其子网中所有主机发送组成 员查询消息，查询是否有组成员存在于该子网中。 下面详细讲解i p v 6 组播采用的i c m p v 6 的m l d ( 组播监听发现协议) 。 m l d 协议是从i g m p v 2 协议中派生出来的，专门用于i p v 6 组播组的管理。 其主要功能为：i p v 6 路由器利用m l d 协议发现直接相连的链路上是否有组播组 成员，以及相邻的路由器正在监听哪些组播地址。i p v 6 路由器上运行的组播路出 协议根据这些信息，保证组播报文能发送给正确的接收者【2 ”。 m l d 消息封装格式如下表： im a c 头i p v 6 头im l d 头 d a t a l 表2 4m l d 消息封装格式 m l d 消息类型分为三种：组播监听查询；组播监听报告； 编码：发送方将其初始化为0 ；在接收端将忽略该值。 校验和：是整个i c m p v 6 报文的一个1 6 位字的补数和， 校验和。为了计算校验和，校验和字段被设置为0 。 组播监听完成。 是标准的i c m p v 6 最大响应时延：规定了发送响应报告的最大允许时旬隔，单位为毫秒。 组播地址：在查询消息中，若为普通查询该字段置为o ；若为特定组查询， 该字段为某个i p v 6 组播组地址。在成员报告和成员离开消息中，该字段为特定的 组播组地址，分别为希望加入的组和准备离开的组地址。 对于运行m l d 协议的路由器，其接口要监听由i p v 6 组播地址产生的所有链 路组播地址。路由器为它所在的每一条链路维护一个列表。表项有此链路中存在 的组成员的组播地址，以及该地址相应的定时器。路由器周期性地发送常规请求， 以查询该链路上是否存在某组播地址的组成员。节点收到路由器发送的常规请求 第二章i p v 6 绸播技术基础及协议【：作原理 后，经过随机时延后发出组播监听报告。这是为了防止所有的节点都在同一时f 白j 发出报告分组。从而造成网络的突发性阻塞。当路由器收到链路上的报告分组时， 如果报告地址不在路由器的列表上，则加入该项，否则计时器重新置位。如果某 个地址的计时器过期，则从列表中删除。 当节点要加入一个组播组时，主动发送组播监听报告，向路由器报告组f 戊贝 的存在。节点退出组播组时，发送完成分组，删除有关路径。当请求状态的路由 器从链路上接收到一个完成消息，如果消息中的组播地址在路由器的列表上，路 由器发送一个特定组播地址查询。如果一段时延后没有报告分组，则认为改组播 地址在此链路上没有组成员了。 2 6 组播路由协议分析及比较 组播路由协议的任务就是构造组播转发树，使组播数据能够传送到相应的组 播组。根据对网络中的组播成员的分布和使用的不同，组播路由协议分为两类： 密集模式路由协议( d m ) 稀疏模式路由协议( s m ) 2 6 1 密集模式协议 密集模式协议的特点是：总假定在子网中有接收者，因此组播信息从一丌始 就被扩散到网络的所有站点；没有接收者的分支要发送剪枝消息进行剪枝；在已 经剪枝的分支上出现新的接收者时可以主动发送嫁接消息来减少加入延迟。在这 种模式下，源分布树或最短路径树( s p t ) 是实现网络发送方和接收方之间组播 通信的唯一手段。 密集模式协议主要用于发送者与接收者距离较近( 同一个l a n 中) ；发送者 较少而接收者很多或组播流量持续密集的环境【2 “。 密集模式协议包括距离向量组播路由协议( 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 g p r o t o c o l ，d v m r p ) 、开放式组播最短路径优先( m u l t i c a s to p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ， m o s p f ) 和协议无关组播路由协议密集模式( p r o t o c o l i n d e p e n d e n t ml 1 l t i c a s t d e n s em o d e p i m d m ) 。 l 、d v m r p d v m r p ( 由r f c l 0 7 5 定义) 是第一个支持组播功能的路由协议。它已经被广 泛地应用在组播骨干网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。每个分布树都是以 组播发送源为根，以组播接收目的主机为叶的最小扩展分布树。这个分布树为发 送源和组中每个组播接收者之间提供了一条最短路径，这个以”跳数”为单位的最 短路径就是d v m r p 量度。当一个发送源要向组播组中发送消息时，一个扩展分 2基于i p v 6 的组捕体系的删f 究j 实观 布树就根据这个请求而建立，并使用”广播和修剪”的技术来维持这个扩展分布树。 对予网中密集分靠的组播组来说d v m r p 能够很好的运作，但是对于在范围 比较大的区域上分散分布的组播组来说，周期性的，1 播行为会导致严重的性能问 题。d v m r p 不能支持大型网络中稀疏分散的组播组。 2 、m o s p f m o s p f ( 出r f c l 5 8 4 定义) 是为单播路由组播使用设计的。m o s p f 依赖于 o s p f 作为单播路由协议使用d i i j k s t r a 算法为每一个( s ，g ) 计算最短路径树。 在个o s p f m o s p f 网络中每个路由器都维持一个最新的全网络拓扑结构图。这 个”链路状态”信息被用来构建组播分布树。 每个m o s p f 路由器都通过i g m p 协议周期性的收集组播组成员关系信息。 这些信息和链路状态信息被发送到其路由域中所有其他路由器。路由器将根掘它 从临近路由器接收到的这些信息更新内部连接状态信息。由于每个路由器都清楚 整个网络的拓扑结构，就能够独立算出一个最小丌销扩展树，组播发送源和组播 组成员分别作为树的根和叶。这个树就是用来将组播流从源发送到组成员的路径。 它也具有一些明显的问题。首先它只适用于一个单独的路由域；其次频繁地 发送链路状态成员关系报告影响了网络的性能；再者d i i j k s t r a 算法必须为每一个 ( s ，g ) 使用，当( s ，g ) 的个数增加时，c p u 的负担就会急剧增加。因此在 链路状态不稳定或是会出现太多( s ，g ) 的网络中，不适合用m o s p f 。 3 、p i m d m p m 被称为协议无关组播路由协议，因为它可以使用路由信息库中由任何路 由协议输入的所有路由信息来完成组播的r p f 检查，来进行组播转发。这些路由 协议可以是单播协议，如r i p 、o s p f 。也可以是其他组播协议，如d v m r p 。p i m e 勺优点是不必维护自己的路出表，因此不需要象其他泌议那样发送或接收组播路 由更新，所以p i m 协泌的丌销降低了很多。p i m 被分为密集模式和稀疏模式两种。 前者被称为独立组播密集模式协议( p i m d m ) ，后者被称为独立组播稀疏模式协 议( p i m s m ) 。这里先介绍p i m d m ，p i m ，s m 在后面的稀疏模式中介绍。 p i m d m 有点类似于d v m r p ，这两个协议都使用了反向路径组播机制柬构 建分布树。它们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 依赖于某个相关的单播路由协议机制。 p i m 。d m 协议和所