（计算机应用技术专业论文）基于mpls网络组播技术的分析与研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 i p 组播技术通过其复制分组到多端口的特殊转发机制，有效的降低了点对多点、多点 对多点等网络传输的带宽需求，因此它被广泛的应用于网络视频会议、网络电视、网络广 播、多媒体远程教育、网络集体游戏等多用户交互技术。但基于i p 层的组播提供的是一种 尽力而为的服务，它并不能保证高质量的q o s ，这使得组播技术在一些实时性比较强的网 络应用中受到了限制。为了提高网络的q o s 和数据包的转发速度，m p l s 技术得到了广泛 的应用，它结合了第二层交换和第三层路由的功能，是一种可提供高性价比和多业务能力 的交换技术。在点对点网络上采用m p l s 技术既能提供高质量的q o s ，并且它的快速转发 机制大大减少了网络传输的时延，它被认为是下一代网络融合的有效解决方案之一。i p 组 播和m p l s 具有各自的优点，因此如何融合这两种技术从m p l s 技术提出时就被广泛的关 注，其关键点就是如何将第三层网络的组播树映射到第二层网络。 本文在研究m p l s 和i p 组播技术的基础上，重点研究了m p l s 组播聚合技术。该技 术能有效的减少组播树的数目和m p l s 标签的使用，但它同时也带来了一定的带宽浪费。 所以本文提出m p l s 组播聚合树拆分的技术，该技术在数据包丢弃速率达到特定阈值后能 对原来的聚合树进行拆分，这样能有效的减少数据包的丢弃并节省网络带宽；此外文中提 出采用双阂值预先判断的方法来提前拆分聚合树，这样能降低网络数据包传输的时延。最 后本文通过模拟仿真实验，验证了文中所提方法在减少网络带宽浪费上的可行性。 关键字：m p l s ，i p 组播，聚合树 南京邮电大学硕十研究生学位论文 摘要 a b s t r a c t i pm u l t i c a s tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eb a n d w i d t hn e e do ft r a n s m i t t i n g d a t a g r a mo n p o i n t t o p o i n ta n dp o i n t t o m u l t i p o i n tn e t w o r k ，b yu s i n gs p e c i a lf o r w a r d i n gm e c h a n i s mo f r e p l i c a t i n gp a c k e to nm u l t i p o r t t h e r e f o r e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di nm u l t i - u s e ri n t e r a c t i v e t e c h n o l o g y , s u c ha s n e t w o r kv i d e oc o n f e r e n c i n g ，n e t w o r kt e l e v i s i o n ，n e t w o r k b r o a d c a s t ， m u l t i m e d i ad i s t a n c ee d u c a t i o n ，n e t w o r kg a m e h o w e v e r , a st h eb e s t - e f f o r ts e r v i c ep r o v i d e db y i pm u l t i c a s tc a nn o tg u a r a n t e eq o so fh i g h - q u a l i t y , t h ea p p l i c a t i o no fi pm u l t i c a s ti nr e a l t i m e n e t w o r ki sl i m i t e d a c c o r d i n g l y , a san e ws w i t c h i n gt e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n e st h el a y e r2 s s w i t c h i n ga n dt h el a y e r3 sr o u t i n ga n dp r o v i d e sh i g hc o s t - e f f i c i e n c ya n dm o r eb u s i n e s s ，m p l s h a sb e e nw i d e l yu s e dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fn e t w o r k sq o sa n dt h ed a t a g r a mt r a n s m i s s i o n s p e e d m p l sc a np r o v i d eq o so fh i g hq u a l i t y , a n dt h u si sr e g a r d e da so n eo ft h ee f f e c t i v e s o l u t i o n so ft h en e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k sc o m b i n a t i o n ，f o ri t sr a p i dt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m c a nr e d u c et h ed e l a yo fn e t w o r k sd a t a g r a m b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n ta d v a n t a g e so fi pm u l t i c a s t a n dm p l s ，t h ei n t e g r a t i o no ft h e s et w ot e c h n o l o g i e sh a sb e e nn o t i c e da tt h eb e g i n n i n go f p r o p o s i n gm p l s ，i nw h i c h ，t h ew a yo fm a p p i n gt h el a y e r3 sm u l t i c a s tt r e ei n t ol a y e r2 s n e t w o r ki sv e r yi m p o r t a n t e n l i g h t e n e db yt h es t u d yo fm p l sa n di pm u l t i c a s t ，t h i st h e s i sa i m st oi n v e s t i g a t et h e m p l sm u l t i c a s ta g g r e g a t e dt r e et e c h n o l o g y i tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h en u m b e ro fm u l t i c a s t t r e ea n dt h ec o s t i n go fm p l sl a b e l ，b u ti ta l s ob r i n g ss o m eb a n d w i d t hw a s t e t h e r e f o r e ，t h e t h e s i sp u t sf o r w a r dan e wt e c h n o l o g y s p l i t t i n gt h em p l sm u l t i c a s ta g g r e g a t e dt r e e w h e nt h e d a t a g r a md i s c a r d i n gr a t ea r r i v e st h et h r e s h o l d ，t h i sn e wt e c h n o l o g yw i l l s p l i tt h eo r i g i n a l a g g r e g a t e dt r e e ，a n dt h u sc a nr e d u c et h er a t eo fd a t a g r a md i s c a r d i n ga n ds a v et h eb a n d w i d t h w a s t e i na d d i t i o n ，t h ed u a lt h r e s h o l du s e dt os p l i tt h et r e ei na d v a n c e ，i sa l s op o i n t e do u ti nt h i s t h e s i st or e d u c et h ed e l a yo fn e t w o r kd a t a g r a m st r a n s m i s s i o n f i n a l l y , t h er e s u l to fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n ti l l u s t r a t e st h ev a l i d i t yo ft h ea p p l i c a t i o no ft h e s et e c h n o l o g i e si nr e d u c i n gt h e b a n d w i d t hw a s t eo fn e t w o r k k e yw o r d s ：m p l s ，i pm u l t i c a s t ，a g g r e g a t e dt r e e i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词 缩略词 缩略词英文全称译文 a m m a g g r e g a t e d b a s e dm p l sm u l t i c a s t基于聚合的m p l s 组播 a m m a ta d v a n c e dm p l sm u l t i c a s ta g g r e g a t e dt r e e改进m p l s 组播聚合树 a t m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e异步传输模式 b g pb o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l 边界网关协议 c b rc o n s t a n t sb i tr a t e 固定码率 c b tc o r eb a s e dt r e e 有核树组播路由协议 c r l d p c o n s t r a i n t b a s e dl a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l基于约束的标签分发协议 d i nd a t a - i nn e t w o r k 网络数据 d l c id a t al i n kc o n n e c t i o ni d e n t i f i e r数据链路连接标识符 d o d d o w n s t r e a m0 nd e m a n d下游按需标签分发方式 d ud o w n s t r e a mu n s o l i c i t e d下游自主标签分发方式 d v m i t pd 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 gp r o t o c o l 距离矢量组播路由选择协议 f e c f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s转发等价类 f t m f e ct on h l f em 印f e c 到n h l f e 的映射 i a n ai n t e r n e ta s s i g n e dn u m b e r sa u t h o r i t y 互联网号码分配管理局 i e t f i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e因特网工程任务组 i g m pi n t e r n e tg r o u pm e s s a g ep r o t o c o l 互联网组管理协议 i g r pi n t e r i o rg a t e w a yr o u t i n gp r o t o c o l 内部网管路由协议 i l m i n c o m i n gl a b e lm 印 入标签映射 i pi n t e m e tp r o t o c o l 互联网协议 l d pl a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l标签分发协议 l e r l a b e l e de d g er o u t e r边缘l s r l i bl a b e li n f o r m a t i o nb a s e标签信息库 l s al i n ks t a t ea d v e r t i s e m e n t链路状态通告 l s pl a b e ls w i t c h e dp a t h标签交换路径 l s rl a b e ls w i t c h i n gr o u t e r标签交换路由器 m m a tm p l sm u l t i c a s ta g g r e g a t e dt r e em p l s 组播聚合树 m m tm p l sm u l t i c a s tt r e em p l s 组播树 m o s p fm 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开放式组播最短路径优先协议 m p l sm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h多协议标签交换 n i m sn e t w o r ki n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m网络信息管理系统 n h l f en e x th o pl a b e lf o r w a r d i n ge n t r y下一跳标签转发实体 q o s q u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 0 s p f o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t开放最短路径优先 p i m d mp 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 - d e n s em o d e密集模式独立组播协议 p i m 。s mp 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 稀疏模式独立组播协议 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 o l s 路由信息协议 i 冲ti 冲- r o o t e ds h a r e dt r e e共享树 r s v pr e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l资源预留协议 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词 s p ts h o r t e s tp a t ht r e e最短路径树 s s ms o u r c es p e c i f i cm u l t i c a s t源特定组播 t t lt i m e t ol i v e生存时问 v p n v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k虚拟专用网 5 l 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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谢的 地方外，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 含为获得南京邮电大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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：量圣丝、日期：乙彰二望= g 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生张敞导师始盟吼垄塑二笙 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着i n t e m e t 业务和用户数量的急速增长，越来越多的人开始关注i n t e r a c t 的各项新技 术。目前i n t e m e t 的应用正在趋向多元化发展，各种应用层出不穷，尤其是多媒体应用更为 人们所关注，譬如网络视频会议，网络电视，网络广播，多媒体远程教育，网络集体游戏 等等。这些应用对q o s ( 服务质量) 都有着严格的要求，同时也消耗了大量网络带宽，也 可能带来更多的网络阻塞。i p 组播技术通过复制分组并转发到多个接口，可以有效的解决 “点对多点 、“多点对多点 的传输问题，同时也节省了大量的带宽。但传统的组播技 术是基于i p 层的，它是一种尽力而为的、不可靠的、一到多或多到多的数据传输，而许多 组播应用的要求不止于此，尤其是实时性与交互性很强的视频会议等，它们需要可靠的数 据传输，但是i p 组播不能完全满足高质量的q o s 需求。 为了有效地提高网络速率、满足q o s 等需求，i e t f 提出一种新的技术多协议标签 交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ，m p l s ) 。它是一种可提供高性价比和多业务能力的交换 技术，它将第三层技术( 女i i p 路由) 与第二层技术( 如a t m ) 有机地结合起来，使得在同 一个网络上允许各种消息传递，既能提供单点传输，也可以提供多点投递；既能提供尽力 而为的无特殊服务质量要求的信息传递服务，也能提供具有很高q o s 要求的实时交互服务。 m p l s 宽带互联网信息传输交换技术已被当前网络界认为是未来网络发展的趋势，是多种 网络技术的最终融合点。 m p l s 技术和组播技术的结合可以有效地解决组播中存在的问题，是两种互补的技术， m p l s 和组播技术的结合，可以获得m p l s 的高速率、q o s 的保证和组播带宽的节省等多方 面的益处。m p l s 组播的研究是目前i n t e r a c t 研究的热点问题之一，i e t f 工作组已经组织撰 写了一个m p l s 组播框架文档乜1 ，该文档提供了一份概述并提纲挚领地阐述了问题的各个方 面，但并未提供一个完整的m p l s 组播解决方案，m p l s 技术和组播技术的结合是一项紧迫 而复杂的研究任务。 1 2 研究现状 国内外在m p l s 组播技术的主要研究方向是研究组播在m p l s 域内的可扩展性问题，即 南京邮电大学硕 卜研究生学位论文 第一章绪论 如何减少组播在各个路由器上的转发状态。经过国内外学者近几年的研究，主要提出了以 下一些技术： ( 1 ) 为了克服域间组播的可扩展性和开销控制的问题，文献 3 中提出了在m p l s 网络运 用d i n l o o p 的组播技术。d i n l o o p 是一条特殊的由m p l s 的l s p 构成的逻辑路径，其中的每一 个d i n 节点是连接各个自治域的核心路由器，通过d i n l o o p n - j 以管理每个域内的组播成员， 利用d i n l o o p 可以轻松的为每个组播组生成一棵s t e i n e r 树，组播数据可以通过该树传送到各 个组播成员当中去，并且如果在多个组播组共享一条路径的情况下，能通过多层标签栈的 方法进行组播路径的汇聚。和其他域间的组播协议相比，该解决方案主要有一下特点：( a ) 通过把组播成员的管理分散到各个d i n 节点上来减少单个路由器管理组播的负担。( b ) 简 化了最佳组播树s t e i n e r 树的建立。( c ) 只在d i n 节点保持组播转发状态而其他核心路由器 不需要保持这些状态，这就减少了维护组播状态的各种开销。( d ) 通过汇聚相同的组播 路径来减少对m p l s 中标签的使用。( e ) 时延比较小。但该方法的局限性在于仅适用组播 成员比较固定的网络。 ( 2 ) 文献 4 中提出了m m t ( m p l sm u l t i c a s t t r e e ) 协议，该协议将m p l s 域内的路出器分 为两类：分支节点和非分支节点。在各个非分支节点中组播数据的传输就像单播在m p l s 域中的传播一样，只有当数据到达分支节点的时候该数据才会被复制并转发到各个分支， 因此组播的转发状态也只需要保存在各个分支节点。该协议在整个域中设有一个网络信息 管理系统n i m s ( n e t w o r ki n f o r m a t i o nm a n a g e rs y s t e m ) 负责建立m p l s 组播树，并且能动态 的响应组播成员的加入和退出。它的主要优点是：( a ) 由于在非分支节点不保存组播信 息，所以节约了大量的网络资源，减少了非分支节点路由器的负担。( b ) 利用标签栈技 术可以使得多个组播组在非分支节点间共享一条单播路径，因此也减少了对m p l s 中标签 的消耗。( b ) 比传统i p 组播的转发效率得到大大的高。该协议的不足之处在于增加了对 n i m s 的要求，使得它成为该系统的一个瓶颈。 ( 3 ) 关于m p l s 和i 组播的另一个研究是b a i j i a n y a n g 提出来的基于m p l s 流量工程的边界路 由器组播璐3 ，他不同于m m t 将组播源限制在入口边界路由器，而是将组播分支点限制在 m p l s 域的边界路由器上，因此组播l s p 的建立，组播流的分配，组播流量的聚合被简化成 单播问题。其研究了两种类型的边界路由器组播( a ne d g er o u t e rm u l t i c a s t i n g ，e r m ) 路由协 议。一种方法是基于对现存的组播协议的修改；另一种方法是在边界路由器的组播环境中 应用基于s t e i n e r 树的启发式路由算法。边界路由器组播为流量工程提供了一个可行的方法 而不必牺牲原有i p 组播的好处。其采用组播管理器( m u l t i c a s tm a n a g e r ) 来管理组播会话，增 大了管理开销。 2 堕塞塑皇奎堂堡主堕壅生堂竺丝奎 笙二雯堑笙 ( 4 ) 文献 6 的a m m 组播树聚合技术。它结合了几种不同的m p l s 组播技术的优点，提出 了不必为每个组播组都建立各自的组播树，而是根据不同组播组的相互覆盖程度来共享地 建立一棵组播树。运用m p l s 技术可以将不同的组播组都聚合成一个转发等价类，这样既 减少了转发状态又利用了m p l s 技术的快速转发。同时文中还提出了建立后备组播聚合树， 这样在网络路由器发生故障时，组播树能进行快速的恢复。但是文中对组播聚合非完全匹 配时所带来的网络带宽浪费没有进行下一步的研究，这导致在出现大量组播组时会使网络 带宽浪费急剧上升。 1 3 本文的主要工作 本文通过分析m p l s 技术与组播技术的各自特点以及现有的一些m p l s 组播相互融合 的技术，运用了m p l s 组播聚合技术来减少组播树的数量，从而减少了组播的转发状态和 m p l s 的标签使用。由于简单的m p l s 组播聚合技术在大量组播组聚合情况下会出现严重的 带宽浪费，文中提出了改进型的m p l s 组播聚合技术，即通过聚合树拆分来有效地防止带 宽浪费的急剧上升，同时本文针对聚合树拆分提出采用双阈值预先判断的方法来减少数据 传输的时延。 本文的组织结构如下： 第一章对m p l s 组播技术的背景及研究现状进行了简单的介绍，并列出了本文的主要 工作。 第二章对i p 组播技术进行了简单的介绍，包括组播地址、组播协议等。 第三章介绍了m p l s 技术的相关原理与主要应用。 第四章讨论了m p l s 与i p 组播的融合问题和m p l s 组播聚合技术的原理。在此基础之上 提出了聚合树拆分技术。通过理论分析证明该技术的可行性，并给出了相关的设计方案。 第五章对本文提出改进型的m p l s 组播树聚合技术进行仿真实验，并对结果进行了分 析。 第六章对本文进行了总结。 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文 第二章i p 组播技术介绍 第二章i p 组播技术介绍 随着i n t e m e t 的快速发展，各种新的应用层出不穷，尤其是各种多媒体应用受到越来越 多的人关注。这类应用以高带宽多用户为主要特征，为了节省网络中的数据流量，通常都 要采用i p 组播技术，这不仅推动t i p 组播技术的发展，同时也为人们提供了更好的技术保 障。本章主要介绍i p 组播技术的相关原理，包括组播地址、组播树、组播协议等。 2 1 组播地址 i p v 4 组播地址是d 类的i p 地址的格式，其最高四位是1 1 1 0 ，如图2 - 1 ： 嘴眺址匝丑二亟互二二二二二 图2 - 1d 类i p 地址 i p 组播地址用于标识一个i p 组播组，其范围从2 2 4 0 0 0 至1 j 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。d 类地址 划分为本地链接组播地址、预留组播地址、管理权限组播地址。 本地链接地址：2 2 4 0 0 0 - - 一2 2 4 0 0 2 5 5 ，用于局域网，路由器不转发属于此范围的i p 包， 本地链接地址分配如下： 2 2 4 0 0 1 一在本地子网的所有系统 2 2 4 0 0 2 一在本地子网的所有路由器 2 2 4 0 0 5 一o s p f 路由器 2 2 4 0 0 6 一o s p f 指定路由器 2 2 4 0 0 9 一r i p v 2 路由器 2 2 4 0 0 1 0 一i g r p 路由器 2 2 4 0 0 1 3 一p i m v 2 路由器 2 2 4 0 0 2 2 一i g m p v 3 预留组播地址：2 2 4 0 1 0 - - 一2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，用于全球范围或网络协议，网络范围地址 分配如下： 2 2 4 0 1 3 9 一c i s c o - r p - a n n o u n c e ( a u t o r p ) 2 2 4 0 1 4 0 一c i s c o r p d i s c o v e r y ( a u t o - r p ) 4 南京邮电人学硕上研究生学位论文第二章i p 组播技术介绍 管理权限地址：2 3 9 0 0 0 - - 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，组织内部使用，用于限制组播范围； 2 2 组播地址转换 i a n a 拥有一个以太网地址块，高位2 4 b i t 为0 0 ：0 0 ：5 e ，该地址的范围为0 0 ：0 0 ：5 e ：0 0 ：0 0 ：0 0 至u o o ：o o ：5 e ：f f ：f f ：f f , 其中的一半地址为组播地址。为了指明一个组播地址，任何一个以太网 地址的首字节必须是0 l ，所以与i p 组播地址相对应的以太网地址范围0 l ：o o ：5 e ：0 0 ：0 0 ：o o 到 0 1 ：0 0 ：5 e ：f f ：f f ：f f 这种地址分配将使以太网组播地址中的 l 毛2 3 b i t 与i p 组播号对应起来，组播 地址中的低2 3 b i t 映射到以太网地址中的t 氐2 3 b i t 的过程如图2 - 2 所示： 以太网地址 i p 组播地址 5 b i t 3 2 b i t s - 回竺 2 3 9 2 5 5 0 1 匹一k 一 + 万百再f 崎司its 4 8 b i t s 图2 - 2 组播地址映射 因为组播地址中有5 b i t 在映射过程中被忽略，所以映射将不是唯一的，3 2 个组播地址 将被映射为同一个以太网地址，如图2 3 ： 3 2 个组播地址 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p 组播技术介绍 2 3i g m p 协议 本节介绍i n t e m e t 组管理协议( i g m p ) ，该协议运行于主机和与主机直接相连的组播 路由器之间，是i p 主机用来报告多址广播组成员身份的协议。通过i g m p 协议，一方面主机 可以通知本地路由器希望加入并接收某个特定组播组的信息；另一方面路由器可以周期性 地查询局域网内某个组播组的成员是否处于活动状态。i g m p 有三个版本，i g m p v l 由 r f c l1 1 2 定义，目前通用的是i g m p v 2 ，由r f c 2 2 3 6 定义，i g m p v 3 由r f c 3 3 7 6 定义。i g m p v l 中定义了基本的组成员查询和报告过程，i g m p v 2 在此基础上添加了组成员快速离开的机 制，i g m p v 3 中增加的主要功能是成员可以指定接收或指定不接收某些组播源的报文。 组播路由器使用i g m p 报文来记录与该路由器相连网络中组成员的变化情况。i g m p v 2 使用规则如下口1 ： ( 1 ) 组播路由器定时地向本地网络发送i g m p 查询报告，请求得到成员消息，以确定该 网络中是否还有相关组播组的成员。当主机收到i g m p 查询报告时就会返回一个包 含各组成员的i g m p 报告给组播路由器，随后组播路由器根据收到的报告更新相应 的组播组成员列表。 ( 2 ) 当一主机加入一个新的组播组时，主机就向组播路由器发送一个i g m p 报告，当路 由器接收到了报告，它就会把该组报告加入到一个组播组成员列表中，并且会为其 成员关系设一个值，该值为该组成员生存周期的定时器。 ( 3 )当一主机离开一个组播组时，如果它是最后一个主机，即没有其它的机器来报告成 员关系了，那么它发送一条离开组播组的消息给所有路由器；如果它并不是最后一 个回答查询的主机，它可以不发送消息，就好像另一个在子网中的成员一样。这样 也可以减少了一些数据流量。 使用这些查询和报告报文，组播路由器对每个接口保持一个表，表中记录接口上至少 还包含一个主机的组播组。当路由器收到要转发的组播数据包时，它只将该数据包转发到 还拥有属于那个组播组的主机接口上。 2 4 组播树 组播源使用组播地址发出组播包，而接收者监听发往它所在组的数据流。这些数据包 在网络上使用组播树进行转发。在从源到接收者的路径上，每个网络元素负责在树的每个 分支上复制原始数据流。在网络的任何链路中，只转发原数据流的一份副本，这样就为许 6 南京邮电大学硕：t 研究生学位论文第二章i p 组播技术介绍 多接收者创建了一棵高效的分发树。目前有两种不同类型的组播树：有源树和共享树陋1 。 ( 1 ) 有源树 在有源树中，组播组的源主机位于树根处，而接收者位于树枝的末端。组播数据包在 树上从源主机向下流向接收者。在有源树中，使用记号 s ，g ) 来维护组播转发状态，其中s 为源i p 地址，而g 为组播组。有源树有时候也叫最短路径树( s h o r t e s tp a t ht r e e ，s p t ) ，因 为源和接收者之间的路径是最短可用路径。这意味着对于每个发送组播数据包到给定组的 源，都存在着一棵单独的源树，因而网络中的每个 s o u r c e ，g r o u p 都有一个状态。尽管有 源树提供了最优路由，但仍需要付出一些代价，即在网络中保存一些额外的组播状态。 ( 2 ) 共享树 共享树也称r p 树( r p t ) ，是指为每个组播组选定一个共用根( 汇合点r p r e n d e z v o u s p o i n t 或核心) ，以r p 为根建立的组播树。同一组播组的组播源将所要传输的数据发送到 r p ，再由r p 向其它成员转发。这样r p 实质上是源和接收者汇合到一起的位置。共享树 的组播转发项使用不同的表示法： 枣，g ) ，其中木代表任何源。共享树不采用最短路径，所 以性能不如源树。相反，来自源的所有数据流都将通过r p 转发给接收者。然而网络中保 存的状态数要少的多，因为 幸，g ) 表示法不需要具体的 s ，g ) 项。另一个差别是共享树不要 求接收者知道特定组播源i p 的地址，接收者唯一需要知道的i p 地址就是r p 的i p 地址。 2 5 组播路由协议 组播路由协议是组播网络节点间的一种协商机制，其主要用于在网络节点间建立能转 发组播数据包的转发树，它为组播数据包找到一条从组播源到接收端的路由通道，以此来 实现组播数据的正确传输。组播路由协议可分为三类：密集模式协议( 如d v m r p ， p i m d m ) 、稀疏模式协议( 如p i m s m ，c b t ) 和链路状态协议( m o s p f ) 。密集模式 协议总是假定在子网上有接收者，它在开始时把组播报文扩散到网络的每个站点这样对于 接收者密度高的网络效率较高，因此被称为密集模式协议，主要特点就是先将数据扩散到 整个网络，然后再对非接收者进行剪枝。稀疏模式协议总是假定网络中没有组播信息的接 收者。它在一开始不会向网络中转发任何组播报文，直到收到显示的加入申请，才向目的 网络发送组播报文，其特点就是有显示的加入和退出组播组。 下面简单介绍各个协议的基本原理。 7 南京邮电人学硕上研究生学位论文第一二章i p 组播技术介绍 2 5 1d v m 畎p d v m r p ( 距离向量组播路由协议) 嘲是由r f c l 0 7 5 定义的第一个真正得到普遍应用的 组播路由协议，它是由单播路由协议r i p 扩展而来，两者都使用距离向量算法得到网络的 拓扑信息，不同之处在于r i p 根据路由表前向转发数据，而d v m i 冲则是基于r p f 。它根据 r i p 方式的路由交换为每个源建立一个截断组播树，然后通过动态地剪枝和嫁接为每个组 播源建立一个组播分布树，数据转发时通过逆向路径检查来决定组播包是否应该被转发到 下游结点。 2 5 2p i m d m p i m d m n 哪与d v m l 冲很相似，都属于密集模式协议，都采用了“扩散剪枝”机制。 同时，假定带宽不受限制，每个路由器都想接收组播数据包。主要不同之处在于d v m r p 使用内建的组播路由协议，而p i m d m 采用r p f 动态建立s p t ，如图2 4 ： 接 图2 4p i m d m 工作示意图 该模式适合于下述几种情况：高速网络；组播源和接收者比较靠近，发送者少，接收 者多；组播数据流比较大且比较稳定。 2 5 3p i m s m p i m s m 1 与基于“扩散剪枝”模型的根本差别在于p i m s m 是基于显式加入模型， 即接收者向r p 发送加入消息，而路由器只在已加入某个组播组输出接口上转发那个组播组 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p 组播技术介绍 的数据包。 p i m s m 采用共享树进行组播数据包转发。每一个组有一个汇合点( r e n d e z v o u sp o i n t ： r p ) ，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。 这一点类似于c b t ，但p i m 。s m 不使用核的概念。p i m s m 主要优势之一是它不局限于通过 共享树接收组播信息，还提供从共享树向s p t 转换的机制。 p i m s m 是一种能跨越大范围网络( w a n 和域间) 组播组的协议，而p i m d m 主 要用于局域网。图2 5 为p i m s m 工作示意图。 2 5 4c b t 图2 - 5p i m s m 工作示意图 c b t ( 有核树组播路由协议) n 羽的基本目标是减少网络中路由器的组播状态，以提供组 播的可扩展性，为此，c b t 被设计成稀疏模式。c b t 使用双向共享树，双向共享树以某个核心 路由器为根，允许组播信息在两个方向流动“劓。从路由器创建的组播状态的数量来看，c b t 比支持s p t 的协议效率高，在具有大量组播源和组播组的网络中，c b t f l 邑把组播状态优化到 组播组的数量级。 2 5 5m o s p f m o s p f ( 开放式组播最短路径优先协议) n 们是一种基于链路状态的路由协议，是对单 播o s p f 协议的扩展。区域内m o s p f 利用了链路状态数据库，对单播o s p f 数据格式进行扩 9 堕室堡皇奎兰堡：! ：堕窒生兰垡堡奎笙三至堡垒堡垫查坌丝 充，定义了新的链路状态通告( l i n ks t a t ea d v e r t i s e m e n t ：l s a ) ，使得m o s p f 路由器了解 哪些组播组在哪些网络上。路由器使用d i j k s t r a 算法构造( s ，g ) 对的s p t 。m o s p f 与d v m r p 相比，路由开销较小，链路利用率高，然而d i j k s t r a 算法计算量很大，为了减少路由器的计 算量，m o s p f 执行一种按需计算方案，即只有当路由器收到组播源的第一个组播数据包后， 才对s p t 进行计算，否则利用转发缓存( c a c h e ) 中的s p t 。m o s p f 继承了o s p f 对网络拓 扑的变化响应速度快的优点，但拓扑变动使所有路由器的缓存失效而重新计算s p t ，因而 也消耗了大量路由器的c p u 资源。这就决定了m o s p f 不适合高动态性网络( 组成员关系 变化大、链路不稳定) ，而适用于网络连接状态比较稳定的环境。 2 6 本章小结 本章介绍了i p 组播技术的相关原理，对各种不同路由协议进行了重点介绍，分析了它 们各自的特点。 1 0 南京邮电大学硕上研究生学位论文第三章m p l s 技术概述 第三章m p l s 技术概述 随着i n t e m e t 的不断发展，各种新兴业务以及迎合其需求的专有网络也在不断发展， 但是原先针对不同业务、同时处理多种网络连接的运营方式已经束缚了企业的发展，它们 希望通过一个单一、灵活的接入设备来提供多种混合业务，并在将来执行统一的接入协议 如i p ，然而不同的业务( 如语音、数据和多媒体应用等) 对网络传输质量的要求差别很大， 如果i s p ( 因特网服务提供商) 依旧基于传统路由器发展大规模的i p 网络，相关问题( 如路由 器转发部件的软件操作，构造高速路由器组件的开销，传统路由寻径机制在传输时难以预 计的网络性能，网络无法提供针对特定业务的q o s 等) 将变得日益突出。【l 5 】 相对于i p 路由技术，基于a t m 和帧中继的快速交换技术可利用多种转发算法。由于 这些转发算法简单有效，因而被直接固化到交换机硬件内部。与传统的i p 路由机制相比， l 2 的快速交换技术具有很高的性能价格比。 为解决上述i p 网络存在的问题，每个i s p 都渴望寻求一种能够结合快速交换技术和i p 路由技术中各自优势的网络解决方案，由此标签交换技术应运而生。标签交换技术就是致 力把l 2 交换技术与l 2 路由技术紧密结合起来，其中m p l s 是目前标准最统一、最具发展 前景的标签交换技术。它是一种用于快速数据包交换和路由的体系，它为网络数据流量提 供了目标、路由、转发和交换等能力，它独立于第二和第三层协议，诸如a t m 和i p 。 它提供了种方式，将i p 地址映射为简单的具有固定长度的标签，用于不同的包转发和 包交换技术。m p l s 由因特网工程任务组( i e t f ) 带t j 定，始于1 9 9 7 年初，它被设计成为能够 符合大规模电信级网络所必须遵循的各种属性。其目标是实现在大规模i p 网内，通过a t m 和帧中继等多种媒介实现有q o s 保证的快速交换，因而m p l s 的出现对于网络发展具有革 命性的意义。本章将对m p l s 的基本术语、基本原理、相关协议及一些应用做简单的介绍。 3 1 基本术语 ( 1 ) 转发等价类( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s ，f e c ) m p l s 实际上是一种分类转发的技术，它将具有相同转发处理方式( 目的地相同、使 用的转发路径相同、具有相同的服务等级等) 的分组归为一类，这种类别就称为转发等价 类。m p l s 网络中，只在边界标签交换路由器对网络分组进行f e c 划分，属于相同f e c 的分组在整个m p l s 域内将得到相同的处理，包括在边界标签路由器上获得相同的标签并 南京邮电人学硕上研究生学位论文 第三章m p l s 技术概述 通过相同的标签交换路径( l s p ) 进行转发。相比传统的i p 网络需要在每一跳上进行f e c 划 分，m p l s 网络对数据包进行f e c 划分只需要在入口l e r 上进行一次，从而大大提高了 网络的转发性能。 ( 2 ) 标签( l a b e l ) 标签是一个包含在分组中的短的、定长的、只有本地意义的标识符。用于唯一标识一 个分组所属的转发等价类( f e c ) ，决定标记分组的转发方式。通常的