（计算机应用技术专业论文）基于ipv6组播技术的应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着网络技术的飞速发展，在i n t e r n e t 上涌现了许多高带宽需求的多媒 体应用，例如视频点播、远程教育和交互式游戏等等，i p v 4 协议已经不太遥台这些应 用。因此，i e t f 提出_ i p v 6 协议，且在制定i p v 6 协议时对组播作了进一步的增强， 缀播通信是一种十分有效的通信方式，可避免网络资源浪费，减小网络拥塞和广播风 暴簿问题，能有效利碍带宽，提高数据传送效率，尤其适台视频流等大数据量的传输。 在当前，开发i p v 6 组播技术的网络应用程序和推广i p v 6 组播的应用已经迫在眉睫。 因开发f p 、6 组播废用程序的需要，根据i p v 6 的新特性，掌握了在不同平台下i p v 6 的配置投术，构建了 p v 6 组播实验乎台。在研究7 p v 6 豹s k e t 地址结构、s o c k e l a p i 函数和s o c k t 通信原理的基础上，给出了在i p v 6 下面向连接和无连接的s o c k c t 霹户 机服务器模刑。 在已给出的模型慕础上，根据i p v 6 组播技术的基本琢理和l p v 6 组播通信机制， 进行了i p v 6 协议下的组播应用编程。首先，研究了在i p v 6 协议下的网络通信，并提 供了在i p v 6 协议下开发网络应用程序的方浊；然后，通过在l i n u x 下编程，实现了i p v 6 组播通信，为l p v 6 组播技术的应用提供了典体的措施罨1 方法；簸后，弼w i n d o 、m e d l a s e “缸9 0 构建了个基于r p v 6 的视频组播系统，实现了i p v 6 刑流媒体和组播技术 的支持。经多次测试，系统运行效果良好，客户端视频画面流畅。 关键词：i p 版本6 ，组播系统，组播协议，网络编程，组播按术，坦播树+ 流媒体 华中群拔大学硕士学位论文 a b s 臼a c t i nf e c e n ty e a r s ，谢t b 懦ed e v e l o p i n e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y al a 培en u m b e ro ft h e m m t i _ m e d i u ma p p l i c a d o no fm a n yh i g hb a n d 谰d t h q u i r e m e n t se n l e r g c do v e rh l t e m e t i p v 4 p r o t o c o i i su n mf o r t h e s 。印p l i c 鲥o n ss u c ha sv o d ，d i s 乜n c e _ e d u c a 石0 na d i n t e i o m m u n i o ng a m ee t c t 魏e 耐b r c ，i m fp r o p 0 辅d 弹“p r o t o c o i 锄di 翔p o v e dm 饵廿c a s t m u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o ni sav e i ye 色c t i v ec o m r n u i l i c a d o nt e c h n 0 1 0 窑yt 1 1 a t c a na v o i d b e t w 0 噍f e s o u r c ew 勰t e ，r e d u c i n gn r k 讹蕊cc o “g e 蛳o na n d b r o a d c 喊i n gs t o m ，e t c i t c a ne 腩c t i v e l yu s em eb a n d w i d 也a n dr a b ct h ed a t at r a n s f e re 出c i e n c y ，e s p e c a l l y 硼i t 1 e 订a n s m i s s i o no f _ h ea p p “c a t i o n s 埘m 1 a r g ea m o u n to fd 咖t ot r 8 i l 舭1 i t a tp r c s e m ， d e v e l o p i n gl p v 6 孙埘c a s tp r o 鄹a m sa n dp o p u l a f i z i n gl h e4 p p l i c a t i 。n so f i p v 6m u l t i c a s ta r e e 科r c m e l yu r g c m i no r d c rt od e s i 辨m ea p p l i c a l i o np r o g r a mf o ri p v 6m u l t i c a s t ，b a s i n g0 nm a i l yn e w s p e c i 矗cp m p e n i e sa 1 1 dt h ei p v 6c o n c 陀t er e a l i z a t i o nt c c h n o l o 窑yu n d e rt h cd i 仃e f e ：1 1 c e p l 巷渤r n lc n v i r o e n t s ，w es e tu pi p 、r 6m u l 廿c a s tt e s t b e d b ys t u d y i n gm e 栅c t w co f s 0 e k e t d e r 王p v 6 ，s o c k e ta p im b c t i o n sa 1 1 d 也es o c k e tc o m m 蛐i c a 垃o np r i n c i p l e ，w e p m s e n tt h ec l i e n “s e r v e rm o d e lo fs o c k e to nc o n n e c to rn o n 。c o n n e c t t h e nw er e a l i z et h e 扫a n s m i s s i o no f t 1 ed 耐a 证f b r m 戤i o nu n d e f 王p v 6a n dp v i d em em 札h o d 南rd e v e 】o p i h 业t h e n 拳n v o r k 印p l i c a t i o np r o g 瑚mf o ri p v 6b yu s i n g 恤em o d e l b a s i n go n t h eb a s j c p r i n c i p l ea n dc o m m t l i l i c a t i o nm e c h a l ：i i s mo f 球v 6m u l t i c s t t c c h n o l o g y ，w ea | ) p l y 廿l em o d e lt os t u d y 印p l i c 砒i o np r o 踟f o rm u l t i c 脚f i r s t ，a c o r m n i l n i c a t i o nu n d e ri p v 6i sr e s e a r c h e da n ds o n l ec o n c r e t em e a s u r ea i l dm e m o dt ot 1 1 e 8 即e e a t i o no fi p v 6m d t i c a s lt e 吐n o k g ya mp r o 啊d e d s e c o n d ，w ep r o g 蕊嘲e d 醛l i n u x n 曲v o r kt or e a l i z e l u l n c a s ic o i 砌叫j c a t i o nu n d e r i p v 6p r o g r 锄m i n g t h e s em e a s u r e sa n d w a ya r ep r e s e n t e d f i 蒯l ，- w eb u j l dt h ev i d e om 山d c a s ts y s t e mb a s e do n 壬p v 6 ，w h i c hc 柚 s u p p o ni p v 6n o w m e d i u ma 1 1 dm 讪 i c a s tt c c h n o l o g yw i t hw i n d a w sm e d i as e i c e9 0 w e h a v et e s t e dt h es y s t e m m ea 1 = f e rt i m e ，a 1 1 dac i i e n td i g i t a lv e d i oc a i lk e 印n u e n c y t h e r e s u l s h o w t b es y s 童锄b 8 sa g o 。dq u a l 瓤 聊w o r d 簖i p v 6 ，m u l t j c a s t8 y s t e m ，m u 廿c 酿o t o c o l ，n e t r o r kp r o g r a m m 址g ，m u l t i c a s t t e c h n 0 1 0 9 y ，m l l l t i c 船t 昀e ，f l o wm e d i 砌 非 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导帅指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，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，均已在文中以明确方式标明。本人完伞意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：3 。1 砟1j 置 日期： 王口o 年4 月z 3 日 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、使用学位沧文的规定，即：学校有 权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。本人授权华中科技大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囤。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：jj i 春1l 荛 日期：扣。年4 月i ) 口 指导教师签名：狱 r 期：以年垆月挚日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 11 背景与意义 1 1 1 i p v 4 的局限和i p v 6 的提出 7 0 年代美国国防部的高级研究计划局( a r p a ) 制定了l p v 4 防议，从此互联网中 的网络主机数量以指数速度增长，联网儿乎覆盖了全球的每个角落，在很陡的一 段时间内，它一直表现良好。然而由于i p v 4 网络最初是为固定网络传输非实时数据业 务而设计的，它的很多设计已经制约了互联网的进步发展，在使用i p v 4 协议中显现 出了其固有的些缺陷，许多方面已经显得不太适应，如i p v 4 地址严重不足、缺乏服 务质量( q o s ) 控制、路由表过于庞大、安全性差和移动接入不方便等问题“。因此， 为了满足人们对地址空间、性能虬及安垒性等方面的新需求，i n t e m e t 工程任务工作小 组( i 邵t ) 的i p n g 工作组确定了i p n g 的协议规范，并称之为“i p v 6 ”。 作为i p v 4 的继承者，i p v 6 在功能和性能方面都大大地增强了，主要分为两类： 路由增强和主机增强。路由增强包括包的优先缴、流标签、隧道机制等。主机增强包 括地址自动配置、认证、加密、组播报立的传送和实时府用的支持。 随着国际i p v 6 实验床6 b o n e 的建立与史施，遍布于世界各地的大批科研人员投 身到对它的研究之中。软硬件厂家忙于更新和升级他们的产品以支持i p v 6 ，i p v 6 逐渐 被主流的操作系统和网络硬件设备所支持。 112 组播技术的优越性 近年来在互联网上产生了许多高带宽需求的多媒体应用，这就必然带来了网络拥 塞问题。为了缓解网络带宽瓶颈，人们提出各种方案，如增加互联网带宽、改变网络 流量结构、采用i p 组播技术等。其中i p 组播技术在一对多、多列多的应用中有其独 特的优越性：在组播网络中，即使用户数量成倍增长，主干带宽也不需要随之增加， 而在传统的单播传输方式中网络带宽随_ e f j 户数目的增加而线性增长【”。 组播( m “t i c a s t ) 是一种将数据从一个成员发扎然后传输给其他一个或多个成 华中科技大学硕士学位论文 员的通信技术，介于单播( u n i c a s t ) 与j 、。播( b m a d c a s t ) 之间。其中单播是指将数据 从一个发送站点传输到一个接收站点，而广播是指将数据发送给网络中的所有站点。 在需要向多个站点发送丰日同数据时，采用单播方式，发送站点必须将同样的数据重复 发送多次，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，刚络通信量 大；采用广播方式，网络中的每个站点都将接收到数据，不管该站点是否需要该数据， 这样会浪费较多的丰机资源；而采用组播通信，发送站点向某特殊i p 地址( 即i p 组播地址) 发送数据，路由器也只在必要的时候在不同的端口复制不同的流，网络中 与该地址相关的接收站点都可接收到数据，无关站点将不接收这些数据，因而可有效 减轻网络通信负担，避免资源浪费。 图l1 显示了单播通信与组播通信的区别。从中可以明显地看出组播通信技术的 优越性。 图单播通信与组播通信 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。如在r f c l 7 5 2 文档l 1 明确要求i p v 6 设备必须支持组播，使i p v 6 网络中网络设备将普遍支持组播应 用”。增强i p v 6 组播技术后，可在下代互联网h 更好地传输罔形和图象等流媒体业 务。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 3 意义 目前，i p v 6 网络环境下的产品开发仍处于起步阶段。随着i p v 6 产业化的不断推 进，开发出基丁- i p v 6 的杀手级应用成为我国当前i p v 6 产业化进一步发展的瓶颈。打 造出t p v 6 的杀手级应用成为我国i p v 6 产业化的关键问题之一。现存i n t e m e t 上涌现了 许多高带宽需求的多媒体应用，例如视频点播、交互式电视会议、远程教育、远程医 疗、交互式3 d 游戏和网络图书馆等业务。这些多媒体业务都具有数据传输量大、时 延敏感性强和持续时间长的特点，同时具有点对多点或多点对多点的业务特性，而传 统基于点到点的单播传输己无法满足这些应用的需求，采用i p 组播( i p m u l t i c a s t ) 技术 可以很好地解决该问题。i p 组播技术具有独特的优越性，在组播网络中，即使用户数 量成倍增长，主干带宽不需要随之增加，提高了数据传送效率，避免重复发送造成网 络资源浪费，减小主干网出现拥塞的可能性，还可避免单播和广播中可能出现的广播 风暴问题。这些优点使它成为当前网络技术中的研究热点之一。 随着多媒体应用的不断发展，i p 组播技术越来越显示了其重要性，己受到国内外 业界的广泛关注。要在互联网发展视频和流媒体通信，必须解决组播问题。目前，i p v 6 组播尚处于标准化的阶段，t p v 6 协议和组播技术作为目前热门的研究领域，相应的 协议和标准还在不断的制订、讨论和变化中，这些都需要我们积极地参与研究、开发 和实践。凼此，i p v 6 网络环境中一些重要应用，从技术层面讲还并不成熟，尤其是基 于i p v 6 的组播技术还有待进一步深入研究。本课题的研究工作将对i p v 6 网络环境下 重要的应用，如视频点播、远程教育、视频会议和数据分发等，都具有极其重要的应 用价值。 1 2 国内外发展现状 121 国外研究现状 i p v 6 最早是出i e t f 提出来的，并同时由它负责制定和完善。在i p v 6 技术作为下 一代互联网网络层技术几乎已成定局的情况下，世界各国对i p 、，6 技术的研究十分重 视。 1 9 9 6 年，i e t f 建立的全球范围的i p v 6 实验床6 8 0 n e ( i p v 6b a c kb o n e ) 为i p v 6 华中科技大学硕士学位论文 的研究创造了一个良好的条件。1 9 9 8 年，面向实用的全球性i p v 6 研究和教育网( 6 r e n ， i p v 6r e s e a r c ha n de d u c a l i o nn e t w o r k ) 启动，建立了物理上以a t m 为中心的i p v 6 洲 际刚。2 0 0 0 年5 月，3 g 标准化组织3 g p p ( t h i r dg e m t i o np a m 】e r s l l i pp r o j e c t ) 采 纳i p v 6 为多媒体服务的必选协议。另外，由c i s c o 、n o n e l 、m i c r o s o f c 、l u c e n t 、n o k i a 、 3 c o m 等公司联合发起成立的i p v 6 论坛也极大地推动了i p v 6 的发展。2 0 0 0 年1 月开 始的6 i n i t 项目的目标是促进欧洲i p v 6 网的多媒体和安全服务，该项目4 个研究方向 中有两个与组播相关：开发和试验视频会议、在线股祟交易等多媒体应用；研究m p 3 a u d i o j u k e b o x ”m d t i c a s ti p v 6s 岫a i i l i gs o 椭a r e 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 rm u 】t i c a s t 等项口。此外，b e 加u d a2 、耻狲a t e r2 等欧洲其他 科研网上均在开展口v 6 组播服务的研究。 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 w 曲、香港的香港宽带( h k b n ) 、瑞典的b r c 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 t w e b 是意大利最大的宽带通信服务公司，也是摄早存意大利推出集成 化i p 服务的公司。f a s t 、盹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。 122 国内研究现状 我国在i p v 6 的研究方血起步不算早，但近几年发展特别快。事实上，我国是全球 最关心i p v 6 发展的国家之一，原因就在于i p v 6 将给中国信息网络建设带来新的契机。 因此，政府、各科研院所和企业对i p v 6 的研究十分重视，投人了人量的财力和人力， 也取得了很大的成就。 我国c e 鼢忸ti p v 6 示范网华东( 北) 地区中心节点承担了i p v 6 组播技术的研究， 取得的研究成果有：开发了组播地址动态分配服务器，用于对c e r n e t i p v 6 华东( 北) 地区提供口v 4 和i p v 6 组播地址的分配和管理，为组播应用的展开( 例如远程教育) 提供了支持：白行开发了支持i p v 6 的组播服务器m c a s 咖d 3 ，凌_ l = 具组播m p 3 格式的 音频文件，实现了在i p v 6 示范网络上组播多媒体数据流的要求 ”。我国8 6 3 课题“高 性能口v 6 路由器软件”项日中支持组播功能。2 0 0 4 年上海交通大学为推进口v 6 应用， 对i p v 6 一c j 主干网上进行了l p v 6 下的组播凋试，使北京、上海、广卅i 三个主节点实现 华中科技大学硕士学位论文 1 3 论文的研究内容及结构安排 131 论文的研究内容 i p v 6 组播技术作为目前一个新的研究领域，尽快研究和开发出基于i p v 6 的组播 应用系统，具有十分重要的意义。论文试图在i p v 6 组播技术的应用方面作些探索性的 研究工作。本论文的主要工作包括如下几方面： 1 了解i p v 6 技术的产生和发展，熟悉i p v 6 下的组播技术新特性和国内外的研究 现状，掌握i p v 6 的配置方法，措建p v 6 组播实验平台； 2 研究i p v 6 组播技术的基础知识，包括i p v 6 路由原理、口v 6 组播地址分配、i p v 6 组播分布树、i p v 6 组播路由算法和i p v 6 组播相关协议等，用m l d 协议与p i m s m 协 议实现i p v 6 组播通信； 3 掌握i p v 6 下c k 武网络编程，实现工p v 6 下组播技术的应用编程，构建i p v 6 视 频组播系统，探讨i p v 6 组播技术在网络教学等系统中的应用。 4 指明当前i p v 6 组播存在的问题和以后的研究方向。 1 3 2 本文的结构安排 本文将在研究i p v 6 组播技术的基础上实现i p v 6 组播在l i n u x 下的编程方法和通 信过程，并构建一个基于i p v 6 的视频组播系统。本文的结构安排如下： 第一章丰要分析当前i p v 6 的发展及存在的问题，分析和探讨国内外对相关问题的 研究现状与亟待解决的问题，提出本文的研究方向，总结分析i p v 6 组播技术应用研究 的必要性。 第二章主要介绍r p v 6 组播技术的一些基本概念，包括组播技术的优越性、i p v 6 组播地址、i p v 6 组管理协泌和i p v 6 组播分布树，重点介绍p i m 协议的工作原理和关 键技术。主要为后面章节的具体应用做充分的理论准备。 第三章主要介绍在w i n d o w sx p 、w i n d o w s2 0 0 3 、l i n u x 和f r e e b s d 系统下的l p v 6 组网技术，具体说明口v 6 协议的安装和配置方法。搭建i p v 6 组播删络系统，采用的 华中科技大学硕士学位论文 组播路出协议是p i m s m 协议，并对系统进行测试，验证组播通信的正确性。 第四章先介绍i p v 6 下s o c k e t 套接字的地址结构、s ( ) c k e ta p l 函数和s o c k e t 通信 原理，并分别以面向连接的s o c k e t 通信协议( t c p ) 和无连接的s o c k 毗通信协议( u d p ) 为例，给出在t p v 6 协议下开发客户服务器应用程序的方法实现在i p v 6 协议下服务 器端和客户端之自j 数据信息的传输。然后介绍i p v 6 组播应用程序接口，具体说明在 l i n u x 下的i p v 6 组播编程实现过程。探讨i p v 6 组播技术在网络教学等系统中的应用。 利用组播技术和流媒体技术构建一个i p v 6 视频组播系统，充分发挥组播技术特点和优 势很好地为教育服务。 第五章对全文做出总结，指明当前妒v 6 组播存在的问题和今后的研究方向。 1 4 本章小结 本章分析了当前i p v 6 的发展及存在的问题，介绍了国内外对相关问题的研究现状 与亟待解决的问题，提出本文的研究方向，并总结分析了i p v 6 组播技术应用研究的必 要性。详细介绍了本文的主要工作以及论文的结构。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 i p v 6 组播技术基础 2 1i p v 6 协议简贪 p v 6 指的是网络拇议版本6 ，岂是i n t e r n e t 协议的下一版本。i p v 6 不仅解决了i p v 4 地址空问耗尽和路由表爆炸问题，而且在移动性、服务质量、安全性和组播等方面提 供了强有力的支持。 l p v 6 协议使用了1 2 8 位数据来衰示网络地址，而振有的i p v 4 仅仅使用3 2 位数据 来表示网络地址，1 2 8 垃的i p 地址能裙为各静各榉的设备分配一令地址，奶底解决了 地址紧张问题。由于有绝对更多的可用地址，就不再需臻一些节约i p 地址的技术，比 如n a t 转换。 l p v 6 报文头的设计原则是力图籍报文头开销降至最低，因此将一些非关键性字段 和可选字段从报文头中移出，放到扩展的报文头中，虽然i p v 6 地址长度是i p v 4 的四 倍，但包头仅为矾4 的两倍。改进的l v 6 报文头在路由器转发时拥有更高的效率。 饲如i p v 6 报文头中没有梭验耜，i p v 6 潞由器在转发中不需要去处理分片。i p v 6 采用 聚含机制，定义非常灵活的层次寻址及路由结构，同一屡次上的多个网络在上层路由 器中表示为一个统一的阿络前缀，这样可以显著减少路由器必须维护的路由表项，这 也大大降低了路出器的选路和存储开销。 i p v 6 通过实现一系列的自动发现棚自动配置功能，简化网络节点的管理和维护。 比如邻接节点发现( n e 培h b o rd i s c o v e r y ) 、最大传输单元发现( m t ud i s c o v e r y ) 、路 由器通告( r o u t c fa d v e n i s e m e n t ) 、路由器请求( r o u f e rs o l i c i t a 畦o n ) 、节点自动配置 ( a u t o c o 戚删i o n ) 等技术就为即插即用提供了相关的服务。特别爱提到的是i p v 6 支持全状态和无状态两种地址配置方式，在口v 4 中，动态主机配置协议d h c p 实现 了主机i p 地址及其相关配置的自动设曼，i p v 6 承继母v 4 的这种自动配置服务，并将 其称为全状态自动配置( 盛雒e m la u t o c 。n 6 9 u 雌t i o n ) 。除了垒状态自动配震，i p v 6 还采明 了一种被称为无状态自动配置( s 诅t e l e s sa u c oc o n 6 9 u m l i o n ) 的自动配鼹服务。在无状 态自动配置过程中，主机自动获得链路本地地址、本地路由器的地址前缀以及其它 些相关豹配置信息。 华中科技大学硕士学位论文 i p v 6 协泼中包括了很多新的安全特性，如i p s e c 等，i p 。s e c 是利用i p v 6 验证头 和i p v 6 加密的安全有效数据头来实现的，为| 圳络安全性提供了一种基于标准的解决方 案，这些都是互联网安全通信所必须的。目前，口v 6 实现了认证头( a u 也e 以c 撕0 n i e a d e r ，a h ) 和封装安全载荷( e n c a p s u l a t e ds e c u r i t yp a y l o a d ，e s p ) 两种机制。前 者实现数据的完整性及对i p 包来源的认证，保证分组确实来自源地址所标记的节点； 后者提供数据加密功能，实现端到端的加密。 i p v 6 的数据包中提供了流量级别( t r a m cc l a s s ) 字段和流标识符( f 1 0 wl a b e l ) 字段 的定义，以解决对多媒体通信等要求实时的通信需求，提供网络传输的服务质量。t p v 6 包头中的流量级别字段，用以识别和区分不同【p v 6 数据包的级别和优先级。i p v 6 包 头中的流标识字段用于识别数据流身份，利用该字段，i p v 6 允许用户对通信质量提出 要求。路由器可阱根据该字段标识出同属于某一特定数据流的所有包，并按需埘这些 包提供特定的处理。 i p v 6 还提供对组播的支持，以便使用有限的带宽对多点通信进行支持，充分利用 了网络资源，避免重复发送造成网络资源浪费，减小主干网m 现拥塞的可能性，这对 大部分多媒体应用是非常必要的。 2 2l p v 6 组播地址与组播组 r f c 2 3 7 3 中定义了i p v 6 地址类型； 1 单播( u h i c a s t ) ：一个单接口的标识符。送往一个单播地址的包将被传送至该 地址标识的接口上。 2 泛播( a n ”a s t ) ：一组接口的标识符。送往一个泛播地址的包将被传送至该地 址标识的接口之一( 根据选路协议选择“最近”的一个1 。 3 组播( m u n i c a s t ) ：一组接口( 一般属于不同节点) 的标识符。送往一个组播地址 的包将被传送至加入该组播地址的所有接u 上。 2 2 1l p v 6 组播地址 i p v 6 组播地址足一组结点的标识符。组播地址只能作为目的地址出现，在l p v 6 包中不能用做信源地址或出现在任何路山报头中。i p v 6 的组播地址在r f c 2 3 7 3 中被 华中科技大学硕士学位论文 与单播地址的匿别在于地址的高位字节的值，如果第。个字节的值是0 x f f 则表明该 地址是个维播地址。已定义的缀播地址翔；f f 0 2 ：1 表示链路范围的所有萤点， f f 0 2 ：2 表示链路范围的所有路出器。i p v 6 的组播地址结构如图2 。l 所示： j 1 1 1 1 1 1 1 1 i 4 位标志4 何范嗣 l 1 1 2 位组i d 罔21 t p v 6 组播地址格式 强中组播地址的第一个字节是组播蘸缀l l l l l l l l ，后跟4 个标志位、4 个标谈范 围的位和一个1 1 2 位的组地址标识符。 在4 个标志位中，高3 位始终设置为o 并保群；第4 位标识组地址是永久的或暂 时的。当第4 位设置为o 时表示是一个永久分配躲组播地址，永久的组地址由全球互 联网编号权威机构来分配；设置为1 时，表示是一个临时分配的组播地址。 范围字段是个4 位的编码，用来限定组播的范围。除了o 和f 为保鼹值外，已 定义的范瓣埴有：l 一节点本地；2 链路本地；5 一站点本地；8 机构本地：1 4 全 球。 组标识符字段，共1 1 2 位，用于在该地址的指定范围内永久性或者临时性地标识 该组播组n 永久分配的组播地址与该地址的有效范围是独立的。非永久分配的组播地 址只在指定范围内有意义。例如，在某个站点内的非永久组播地址f f l 5 ：o ：o ：o ：o ： 0 ：0 ：1 0 1 ，与其他站点内的具有相同地址的组播地址组没有任何关系，与组标识相 同的但有效范围不同的非永久组播地址组也没有关系，与组标识相同的永久组播地址 组也没有关系。 类似于i p v 4 ，l p v 6 同样有一些特殊的组播地址，这些地址有特别的含义，这里举 几个例子， f f o l ：l ( 节点本地范围所有节点组播地址) ； f f 0 2 ：1 ( 链路本地范围所有节点组播地址1 ； f f o l ：2 ( 节点本地范围所有路出器缎播地址) ； f f 0 2 ：2 ( 链潞本地范溺所有路由器组播地址) ； p f 0 5 ：2 ( 站点本地范围所有路由器组播地址) 【6 。 华中科技大学硕士学位论文 【p v 6 的组播地址是以f f o o ：8 为前缀的这类地址。一个i p v 6 的组播地址通常标 识一系列不同节点的接口。当一个报文发送到一个组播地址上时，那么该报史将分发 到标识有该组播地址的每个节点的接口上。一个节点( 聿机或者路由器) 必须加入下列 的组播：本地链路所有节点组播地址f f 0 2 ：1 ：被请求节点的组播地址，前缀为 f f 0 2 ：o ：0 ：0 ：0 ：l ：f f 0 0 ：0 0 0 0 1 0 4 ；如果是路由器那么还必须加入本地链路所有路由器的 组播地址f f 0 2 ：2 。 2 22ip v 6 组播地址到数据链路层地址的映射 当前由l 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o 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 将会产生唯一的m a c 地址。 根据i p v 6 的组播地址结构町知，可能有2 1 1 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0 ；通过只使用低端的3 2 比特，每个g r o u pi d 映刺到一个唯一的网络接口组播m a c 地 _ ：。 需要指出的是，令牌环网络采用不同的方法。具体方法可参见有关文档。 2 2 3 组播组 使用同个i p 组播地址接收组播数据包的所有主机构成了一个主机组，也称为组 播组。一个组播组的成员是随时变动的，一台土机可咀随时加入或离丌组播组，组播 组成员的数目和所在的地理位置也不受限制， 台主机也可以属于几个组播组。此外， 不属于某一个组播组的主机也可以向该组播组发送数据包。 2 3i p v 6 组管理协议 m l d o u l l i c a s tl i s t e n e rd i s c o v e 忉协议用于主机与路由器之间交换组成员信息， 使i p v 6 路由器知道在与其直接相连主机中，有哪些主机希望加入或离开一个组播组： 哪些主机希望接收从哪个源发来的数据包或者拒收从哪个源发来的数据包。 路由器通过m l d 协议来探察子网内有哪些主机需要接收i p v 6 组播报文。在路由 华中科技大学硕士学位论文 器内部有个列表，保存着在路由器连接的子列内的组成员的组播组地址，并且针对 每一个组地址有一个计时器。路由器只知道某一个组地址有无接收者，并不知道子网 内有多少接收者或者接收者是哪台主机。路由器定期向子网内所有的主机广播查询报 文( 目的地址为f f 0 2 ：1 ) ，目的是获得主机的报告报文。主机收到此消息后，应答一 个包含当前组播地址状态记录的报文消息，此报文告诉路由器此主机希望接收哪个组 播组或者哪些源发来的数据。在路由器刚开始工作时，会快速连续地发送查询报文， 以便尽快搜集到子网内的组成员信息。路由器收到来自主机的报告报文后，查看其中 的组地址，如果该地址未在路由器的组地址列表中，则将其添加到组地址列表中，同 时为其启动一个相应的定时器；如果该地址已经在路出器的组地址列表中，则将相应 的定时器恢复最大值。如果一个组地址的定时器到期了，则说明该组地址在子网内已 经没有接收者r ，路由器会将此组地址从列表中删除。 当一台土机想要加入某个组播组时，可以不必等待路由器的查询报文，而是直接 向路由器发送报告报文。为了保障该报文的可靠性，一般会进行重传。当一台主机想 要离开某个组播组日、j ，必须发送个离开报文给子网内的路由器( 口的地址：f f 0 2 ：2 ) 。 路由器收到离开报文后，会首先查看该组地址是否在组地址列表中，如果在，则发送 一个特定组地址查询给子网内的所有主机。在一定的时间内，路由器收不到来自主机 的应答，则会认为该组已经没有接收者，于是将该组地址从列表中删除i ”。 2 4l p v 6 组播分布树 为了向所有接收站点传递组播信息，组播分布树被用柬描述口组播包在网络里经 过的路径。树描述i p 组播在网络中传输的路释。不同的i p 组播路由协议使用不同的 技术来构造这些组播分布树。这个分布树连接了该组播组中的所有主机，i p 组播流量 都是通过组播分布树从发送源传输到接收者的。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。 下面介绍组播分布树的两个基本类型：有源树和共享树州。 2 4 1 有源树 有源分布树( s o u ”ed i s t r i b u c i o nt r e e ) 以组播源作为有源树的根，有源树的分支 华中科技大学硕士学位论文 形成通过网络到达接收主机的分布树，因为有源树以最短的路径贯穿网络，所以也常 称为又称最短路径树( s p t ) 。用( s ，g ) 表示有源树，其中s 是指源i p 地址，而g 是组播鳃的地址。此方法对发送到吾个组的各个单独的源都存在羞个独立的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。 由于不同缠播源发出的数据包被分教各自的维捶橱上，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、对时延件要求较高的实时媒体应用。s p t 的缺点是耍为每个组播源构 造各自的分布树，当数据流量不大时，构造s p t 盼开销相对较大。 242 共辜树 共享树( s h a r e dd i s 旺b 琅i 。n n ) 以网络中豹某一指定路虫嚣为根节点，该路由 器称为集台点n d e z v o u sp o i n t ：r p ) ，由此节点生成包含所有组成员的树，称为r p 树( r p t ) ，用( + ，g ) 表示共享树，其中+ 表示所有的源主机，g 指组播组地址。使用共 享分布树对，发送组播信息的源主机不是直接向网络中发送组播信息，而是需要营先 把组播信息发送给集合点路由器( 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晟 菊路径树。 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蘧具有较 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。 但当通信量大叫，使用共享树将导致流量集中在掇( r p ) 的附近而彤成瓶颈。 共享树又可以分为取向共享树和单向共享树。其中双向共享树的纽播信息流可以 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许组播信息经 过共享树从根发送剑接收站点，闻此组播信息的源主机必须采取+ 些手段使根首先得 到信息，以便信息能嫂送到共享树中去。 每一种类型的分配树都裔其自身的优点。共享树构造相对容易，它减少了必须存 储在路由器中的状态信息量 。囚此，如柴组播组含有太量低速率的信源，就会节省 许多网络资源。但如上所述。围绕赣集合点共享树会导致流景豹过瘦集中。这种情况 华中科技大学硕士学位论文 在有大量组播传输流量的情况下会导致网络性能的劣化。共享树的另一个缺点是从源 到露的信息传输经常不经过最短路径，对于时间敏感的应用米说是很不利的。 2 5i p v 6 缓潘路由协议 组撂鼹由协议就是根据网络拓扑、组播源和组攫成员的位簧信息来崩一定的缓橘 树生成算法来构造组播转发树的| 办议。组播路由执议的主要任务是构造组描分布树， 使组播分组能发送到相应的组播组成员。支持i p 、，6 组播的路d j 协议是协议无关组播 协议p l m ( p r 。幻c 。li n d 印e n d e n tm u h i c a s t ) ，p m 是一种与其它协议无关的独立协议。 为了获得网络拓扑以决定路幽，采用一种叫做逆向路由检测的策略。它可利用各种 单播路由协议建立的单播路由表完成逆向转发检查功能，而不是维护一个分离的组 撬路由表实现组播转发。l ；_ | 于p l m 无需收发组播路出更新，所以与其它组播协议 相比，p i m 开销降低丁许多。p i m 包括密集模式路由哳议( p 幢。d m ) 和稀疏模式路由 协议( p i m s m ) 。 2 5 1p i m _ d m 协议 密集横式协泌( p i m - d m ) 的特点是：总假定在子网巾有接收者，因此组播信息 从开始就被扩散到稠络的所有站点：没有接收者的分支要发送剪技消息进行剪较； 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濮息来减少加入延迟。在这 种模式下，源分布树或最短路经树( s p t ) 是实现网络发送方和接收方之问组播通信 的唯一手段。 p d d 被称为掷议无关组播路由协议，因为它可以使用路由信息库中出任何路由协 议输入的所有路由信息来完成组播的r 】吓检查，来进行组播转发。p i m d m 采用反向 路径缀播寻路构成以组播信源为根的组插树”】。反向路径寻路是指路由器接收组播分 组时，从单播路由表上查看该路由器到信源的晟短路径所要经过的接妇，如果该接f = = 】 就是接收到组播分组的接口，则路由器对除了发送该组播分组的路由器以外的所有相 邻的路由器转发该组播分组，否猁，就忽略该分组。反向路径寻路可以保证组播树包 括了从组播信源到所有接收者的最短路经且不含有闭环。某一个接日收1 4 缱播分组， 则向其它所有接口转发，直到其下游没有该组成员，经过该接口的路径被删除为止。 华中科技大学硕士学位论文 p i m d m 密集模式协议丰要用于发送者l j 接收者距离较近( 同。个l a n 中) ；发 送者较小而接收者很多或组播流量持续密集的环境。当组成员密集分布时，密集模式 的组播路南协议效率较高。如果下游没有组成员，或者组成员很少，密集模式的协议 将造成网络资源的浪费。密集模式协泌的另一个缺点是不管下游是否有接收者，中间 路由器都要为每个源组对维护相应的组播路由状态，存储空间数量级为( 源数t 组数) ， 占用的存储空间很大。 2 5 2p i m s m 协议 p i m s m 采用共享树进行组播数据包转发”。p i m 。s m 的操作围绕单向r p t 展开， 组播信息只能沿着树向下流动，组播源沿最短路径向r p 发送数据，再由r p 沿最短 路径将数据发送到各个接收端，p i m s m 建立共享树的过程如图2 2 所示。 图2 2 建立共享树的过程 在图22 中，来自发送端的所有组播数据，都经路由器r 4 流向路由器r p f 从源到 集合点的路径是最短路径路由) 。然后，r p 将数据分发给所有已显式加入组播组的接 收者，这一过程只用到一个树。 对于共享树来说，每一个组播组均有一个r p ，可以说i 心就是共享树的根f 1 4 1 。 r p 可以通过c r p ( c a l l d i d a c er p ) 动态选择确定，也可以通过静态直接指定。动态 选择时p t m s m 域中至少应该有一个c r p ，每个c r