（计算机科学与技术专业论文）gngi+qos管理系统中组播业务qos保障功能的研究与实现.pdf

北京邮电大学硕士学位论文摘要 c n g i - q o s 管理系统中组播业务o o s 保障功能的研究与实现 摘要 下一代互联网的核心环节不是网络基础建设，而是百花齐放的 多元应用和支撑多元应用的通用业务平台。c n g iq o s 项目的目标是 针对已有的o o s 机制的不足，研发并在路由器设备上实现新的q o s 机制，并且实现一套可以融合上述机制的支持i p v 4 i p v 6 网络多业 务的q o s 管理系统，对网络资源实施部署调整、q o s 控制、q o s 管理 和计费。其中，实现c n g io o s 管理系统对于组播业务服务质量保障 的功能，使得该系统能够适应当前网络应用的发展趋势，对众多的 点对多点通信即多点对多点通信类业务有更为完善的保障。 本文从c n g iq o s 项目的研究背景入手，阐明了项目的研究内容 和所涉及的关键技术。组播q o s 保障相关技术的研究包括了组播及 可控组播的核心技术，为系统组播方案的提出奠定了理论基础。接 下来，在理解c n g iq o s 管理系统整体框架和明确业务q o s 保障功能 实现的关键后，具体描述了各子系统支持组播业务o o s 的设计方案， 同时提出了可控组播的设计实现方法。管理系统实现组播业务q o s 保障的关键之一是业务接纳控制和资源预留，因此对资源管理模块 和接纳控制模块的实现细节进行了详细的描述。最后，通过测试对 o o s 保障效果进行了验证，以及提出存在的不足和需要完善的部分。 关键词接纳控制，资源管理，组播资源存储，可控组播 北京邮电大学硕士学位论文a b s t r c t r e s e a r c han di 汪a l i z a t i o nf o r q o s g u a ra n t e e o fl 江u l t i c a s ts e r v i c e sb a s e d0 nt h es u p p o r t o fc n g iq o sm a n a g e m e n ts y s t e m a b s t r a c t t h eg o r eo fn e x tg e n e r a t i o ni n t e m e ti sn o tn e t w o r k i n f r a s t r u c t u r e i ti sam u l t i a p p l i c a t i o np l a t f o r mt os u p p o r tm u l t i p l e a p p l i c a t i o n s n et a r g e to fc n g iq o sp r o j e c ti st od or e s e a r c ho nt h e i n a d e q u a t eo fq o sm e c h a n i s m se x i s t e d ，t op r o p o s en e wm e c h a n i s m s ，i n o r d e rt oi m p l e m e n taq o sm a n a g e m e n ts y s t e mt os u p p o r tm u l t i - s e r v i c e n e t w o r kb a s e do ni p v 4 i p v 6 a n dt od or e s o u r c e r e s e r v a t i o n , q o s c o n c r o l ，q o sm a n a g e m e n ta n da c c o u n t i n g r e a l i z i n g t h ef u n c t i o n w h i c hi m p l e m e n t sq u a n l i t yo fs e r v i c ef o rm u l t i c a s ts e r v i c ei sa n i m p o r t a n tp a r td u r i n gt h ep r o c e s so fb u i l d i n gt h ew h o l es y s t e m i t i s h e l p f u lt ot h es y s t e mt oa d a p tt ot h ec u r r e n td e v e l o p m e n tt r e n dw h i c hi s t op r o v i d es u p p o r tf o rm o r ea n dm o r em u l t i - m u l t ic o m m u n i c a t i o n s i nt h i s p a p e r ，f i r s to fa l l ，i t i sn e c e s s a r yt oi n t r o d u c er e l a t e d b a c k g r o u n dk n o w l e d g ef o rt h ew h o l ec n g iq o sp r o j e c t t h ec o n t e n t b e i n gr e s e a r c h e d a n dk e yt e c h n o l o g y sa l ea l s o g i v e n i nt h i s p a r t m u l t c i a s tq o sr e l a t e dt e c h n o l o g y si n c l u d et h et h e o r yo f m u l t i c a s t 、 c o n t r o l l e dm u l t i c a s ta n ds o m ei m p o r t a n tt e c h n o l o g y s t h i sp a r tl a y sa g o o df o u n d a t i o nf o rt h el a t e rw o r k i nt h ep a p e l ，i td e s c r i b e st h e a r c h i t e c t u r eo ft h ew h o l ec n g iq o sm a n a g e m e n ts y s t e ma n d p o i n t so u t t h ek c y sd u d i n gt h ep r o c e s so fi m p l e m e n t i n gt h em u l t i c a s ts e r v i c e q o s t h e ni ti n t r o d u c et h ed e s i g ns c h e m eo fe a c hs u b s y s t e mi no r d e rt o s u p p o r tm u l t i c a s ts e r v i c e sq o s o n eo ft h ek e yp o i n t si st od oa c c e s s c o n t r o la n dr e s o u r c er e s e r v a t i o n ，s ot h ei m p l e m e n t a t i o nd e t a i lo f r e s o u r c ec o n t r o lm o d u l ea n da c c e s sc o n t r o lm o d u l ea l ed e s c r i b e d l a t e r a tl a s t ，t e s t i n gw o r kf i n i s h e dt h e1 a s ts t 印一一v a l i d a t i o n ，a n d s u m m a r i z es o m ei n a d e q u a t ea n ds o m e w h e r ew h i c hn e e d st oa m e l i o r a t e 北京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：a d m i s s i o nc o n t r o l ，r e s o u r c em a n a g e m e n t ，m u l t i c a s t r e s o u r c es t o r a g e ，c o n t r o l l e dm u l t i c a s t i i i 北京邮电大学硐上学位论文 缩略语 缩略语 1 c n g i ：c h i n an e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t 中国下一代互联网 2 i n t s e r v ：i n t e g r a t e ds e r v i c e s综合服务 3 d i f f s e r v ：d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s区分服务 4 s l a ：s e r v i c el e v e la g r e e m e n t业务等级协议 5 s l s ：s e r v i c el e v e ls p e c i f i c a t i o n业务等级规范 6 jp h b ：p e r h o pb e h a v i o r 下一跳转发行为 7 b e ：b e s te f f o r t尽力而为型 8 b f ：e x p e d i t e df o r w a r d i n g快速转发型 9 a f ：a s s u r e df o r w a r d i n g确保转发型 1 0 q o s ：q u a n l i t yo fs e r v i c e服务质量 1 1 i g m p ：i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l 互联网组管理协议 12 m l d ：m u lti c a s tl is t e n e rd is c o v e r y 组播侦听者发现协议 1 3 p i md 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 d e n s em o d e 协议无关组播 一密集模式 1 4 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 协议无关组播 一稀疏模式 1 5 d r ：d e s i g n a t e dr o u t e r指定路由器 1 6 b s r ：b o o t s t r a pr o u t e r自举路由器 17 r p ： r e n d e z v o u sp o i n t 汇集点 1 8 r p t ：r e n d e z v o u sp o i n tt r e e 共享树 1 9 s p t ：s h o r t e s tp a t ht r e e最短路径树 2 0 r p f ：r e v e r s ep a t hf o r w a r d i n g 逆向路径转发 2 1 m s d p ：m u l t i c a s ts o u r c ed i s c o v e r yp r o t o c o l组播源发现协议 2 2 m b g p ： m u lti _ p r o t o c o lb o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l 多协议边界网关协 议 2 3 r s v p ：r 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 2 4 n p ：n e t w o r kp r o v i d e r 基础网络服务提供商 2 5 s p ：s e r v i c ep r o v i d e r内容提供商 2 6 v o d ：v e d i oo nd e m a n d视频点播 6 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：日期： 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 保留并向国家有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、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：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 i i 课题背景 第一章绪论 i p v 6 技术的推广和使用，对中国乃至世界信息化进程起到了极大的推动作 用。虽然i p v 6 技术能够根本解决i p 地址枯竭问题，但i p v 6 技术对于中国的意 义远远不止于在物理上提供无穷的i p 地址和改变人们的生活方式，它更是中国 与世界顶级互联网霸主争夺话语权的军备竞赛。基于i p v 6 基础协议构建的下一 代网络将成为国家信息化建设的基础平台。推动i p v 6 技术的应用，可以争取对 i p v 6 地址分配的发言权，争取在我国设立域名解析的根服务器。 目前，全球对下一代互联网的研究都只是刚刚起步，中国应该把握这一良 好时机，缩短与其他国家的差距。而事实上我国已经具备了抢占先机的条件， 中国大规模的网络基础和巨大的市场本身就是最好的实践平台。2 至3 年以后， 中国的过渡与应用实践将成为世界其他国家学习和借鉴的范本，中国的核心技 术和产品也将进入全球的下一代网络市场：c n g i 的部署，将推动中国成为全球 i p v 6 产业的引擎。换言之，i p v 6 将给中国带来巨大机遇，采用i p v 6 将使中国 赢得一个从引进技术转变到引导技术发展的机会。积极推动i p v 6 网络的建设、 核心技术研究、应用示范对于增强中国i t 企业竞争力，提高中国在信息领域的 科研水平都有着极其重大的价值，以i p v 6 为核心协议的下一代网络将从协议和 体系框架上保障网络的可靠性和信息的安全性，具有重要的国防战略意义“1 。 面对当前i p 技术向各个领域的渗透，电信网也逐步向i p 承载网过渡。由 于电信业务要求严格的服务质量保证，为了做到c n g i 网络的可运营可管理性， 在建设i p v 6 网络时必须使得该网络能够满足电信业务的q o s 保障要求。由于传 统的互联网都是。尽力而为”的网络，本身并不提供服务质量的保障。为了满 足i p 网络对多业务传送的需求，人们设计了很多q 0 s 机制使得i p 网络能够“提 供q o s 保障”。这些技术包括宏观的框架，比如i n t s e r v d i f f s e r v 嘲：也包括部 署在路由器上的机制，比如流量整形( 令牌桶、漏桶) 、流量标记、队列调度( 优 先队列、加权公平队列等) 。但这些技术只能解决i pq o s 问题的某一方面，无 法为整个网络提供一种可以被用户所理解的q o s 保障方式，也无法实现端到端 且可以大规模扩展的q o s 保障。 目前，国内外对于i pq o s 的研究也在不断的进行发展当中。欧盟e c 资助 的i s t ( i n f o r m a t i o ns o c i e t yt e c h n o l o g y ) 项目的三个子项目：c a d e n u s 、a o u i l a 和t e q u i l a 嘲，这些项目分别从业务层面、网络层面和资源管理层面对q o s 和 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 s l a 等框架以及具体技术做了深入研究，提出了某些特定体系结构下的控制算 法、管理机制和交互协议。其中，c a d e n u s 主要关注商业流程自动化和服务配 置自动化：t b q u i l a 研究和实现使用流量工程技术在i p 网络中为用户提供端到 端的q o s 保证，并基于策略对业务质量进行监测和动态管理；a q u i l a 的目标则 是在基于i p 网络为对q o s 敏感的业务提供动态的端到端的q o s 保证，设计一个 经济划算的，可扩展的，并且向后兼容的体系结构，实现动态资源分配和接纳 控制的区分服务模型，开发一个从带宽代理功能扩展得到的新颖的资源控制层； 华为公司i pq o s 方案采用m p l sv p n 的方式组建，为每个流量类建立一条m p l s l s p ，通过资源管理器跚执行业务的接纳控制并将流部署到适当的l s p 中。 但是上述的研究没有形成互相融合的体系，存在如下的问题： 没有统一的i pq 0 s 框架做指导，难以获得完整的系统解决方案 设备的异构导致了电信级i p 网的q o s 配置和性能管理的复杂性 现有的q o s 体系同业务管理结合不够紧密 研究重点集中在分项的分别管理，但更重要的是协调技术构成整体 缺乏有效的q o s 计费策略，缺乏统一标准，限制了q o s 体系的实施 本课题在研究i pq o s 问题时借鉴了电信管理网( t 州) 、智能网的思想，我 们认为，在i p 网的上层建一个类似t m n 的管理系统，统一管理、实施各种q o s 机制，统接纳业务，为业务分配合适的资源，是解决i p 网络q o s 问题的唯一 办法。 1 2c n g iq o s 项目研究内容 1 2 1 项目名称 课题名称：c n g i - q o s 机制和组网关键技术实施方案的研究，隶属新一代互 联网示范工程2 0 0 5 年研究开发、产业化及应用试验项目的关键技术研究与试验 类( t 类) 第一分项c n g i 一0 4 1 3 1 t ：c n g iq o s 技术的研究范畴。 1 2 2 项目目标 c n g i 由国家发改委联合科技部、教育部、信息产业部、国家信息化办公室、 中国科学院、中国工程院和国家自然科学基金委共同来组织，包括硬件、软件 以及中间件的开发，应用和标准化研究。 下一代互联网的核心环节不是网络基础建设，而是百花齐放的多元应用和 2 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 支撑多元应用的通用业务平台，即商业应用是核心环节。 c n g iq o s 分项的目标是：设计一套支持i p v 4 i p v 6 网络多业务的可控制、 可管理、统一的i pq o s 系统，以及可与管理系统协作、可以部署到路由器上的 一些新型q o s 机制。针对已有的q o s 机制的不足，研发并在路由器设备上实现 新的q o s 机制，并且实现一套可以融合上述机制的管理系统，对i p v 4 i p v 6 网 络资源实施部署调整、o o s 控制、q 0 s 管理和计费。通过此管理系统向网络用户 提供多登记的服务质量保障。解决c n g i 网络的q o s 问题，可以从下面两个方面 出发：完善已有i p 网络q o s 机制，并对新机制做理论研究以及工程部署，从微 观层面改善i p 网络的q o s 效能，使得c n g i 网络成为一个“可感知q o s ”的网 络；在i p 网络之上构建q o s 管理系统，采用电信管理网、智能网以及n g n 的思 想，为用户业务传送网络叠加一个更加只能的。q o s 管理网”，以此协调各种o o s 机制、适应层出不穷的新的q o s 技术；并且能够为用户业务提供易用、有效的 交易界面和管理界面。使得c n g i 网络成为一个“具备q 0 s 保障能力的业务运营 网络”。 = 1 2 3 项目研究内容 项目主要开发和建设内容包括以下几个方面： 完善c n g i 服务质量体系结构，在该体系框架指导下开发q o s 管理系统 设计并实现资源管理器，以实现网络的资源管理 设计并实现网络监测子系统，实现网络和业务的监测以及计费信息的 采集 完善、改进并实现设备适配中间件，包括对无线接入设备的适配 在已有的i pq 0 s 管理系统原型的基础上增加对i p v 6 网络的支持，使 得i pq o s 管理系统可以管理v 4 v 6 混合网络 设计实现支持新型q 0 s 机制的路由器，并为该路由器开发设备适配驱 动 通过在i p 网上部署该管理系统，使得i p 网成为可运营可管理的网络 在c n g i 上建设1 0 2 0 节点的可控制、可管理、可运营i pq 0 s 试验系 统 在c n g i 演示系统上支持分等级的多媒体业务 在c n g i 演示系统上实现跨域的业务部署 演示i p v 4 v 6 业务的传送 演示v p n 以及可控组播业务 对应的，创建该系统所涉及的关键技术，包括以下几点： 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 创建可控制、可管理的q o s 管理系统的体系结构，包括软件上的设计 结构和物理上的部署结构 业务q o s 管理：签署、部署、性能监测和计费，其中涉及通用的、可 扩展的、用户易于理解和使用的多业务类型服务质量需求描述s l a 模 板技术；端到端的业务签订和部署；基于s l a 的业务q o s 性能监测和 告警：基于用户实际获得q o s 性能的计费：支持大型网络和跨域操作 网络资源管理和控制，包括服务等级划分与映射；资源规划、资源分 解和精细化管理的机制；接纳控制 物理网络上的q 0 s 机制的配置和部署 m o b i l ei p 终端的q o s 支持 资源独立的v p n 可控组播 根据下一代互联网的发展趋势，结合我们现已掌握或可能掌握的技术条件， 创建c n g i - q o s 管理系统的设计思想和指导原则是：尽可能做到技术先进，符合 标准，实用性强，可靠性高，维护性好，扩展性好。 1 3 论文目标和个人工作概述 本课题提出的意义在于完善c n g i q 0 s 管理系统对于组播业务的支持，使得 该系统能够适应当前网络应用的发展趋势，对众多的点对多点通信即多点对多 点通信类业务有更为完善的保障与实现。 论文目标是主要描述在对课题背景和组播技术原理深刻理解的前提下，系 统各个部分如何通过设计来实现对于组播的业务支持和q o s 保障。基于对网络 资源统一管理及业务接纳控制的设计原则，论文将重点放在对组播资源管理和 接纳控制逻辑的设计和实现上，主要思想是应用一定控制策略实施对底层资源 的合理预留，从而实现管理系统对组播q o s 控制和管理的有效支持。另外，出 于对组播安全方面的关注，本文还引入了可控组播的技术思想，追踪目前最先 进的组播安全保障机制，研究其关键技术，并在系统技术可及的方面进行了实 践。 在整个项目当中，本人主要负责以下几个方面的工作： 组播业务实现总体设计方案的提出 阅读大量组播和可控组播相关资料，清楚掌握组播原理、关键协 议和技术，同各个相关子系统负责人协商解决支持组播的具体问题，提 供专业意见，商定组播相关接口，明确组播业务流程、实现逻辑细节和 业务提供方式等问题，并对可控组播进行了一定程度的研究与实现。 4 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 负责资源管理子系统中接纳控制和资源管理模块的设计和实现工作。 组播资源管理方式和组播业务接纳方法是研究和实现的重点与难 点，组播资源提供组播业务接纳控制的重要依据，接纳方法关系到资源 的合理预留。结合组播原理和网络的实际状况，在资源方面，本文提出 了单组播资源分别管理，组播资源存储基于链路的试验方案：在接纳方 式上，采取了监测组播树提前建立获取组播业务真实路径的方案，保障 了资源预留的正确性。 这部分涉及到代码编写工作，代码量在6 0 0 0 8 0 0 0 行。 负责代码编写模块的单元测试，相关的集成测试，及针对组播业务的 系统联调测试等方面的工作 1 4 论文结构 本论文共分成六章进行论述。首先，绪论部分对课题研究的背景、目标和 内容进行了简要叙述；第二章，则主要介绍了组播核心技术，并单独介绍了可 控组播的关键问题及发展现状；第三章，描绘了c n g i o o s 管理系统对于组播业 务的整体支持，并具体到各个子系统针对组播业务的方案设计；接下来，第四 章，对资源管理模块和业务接纳控制模块的具体设计思想和实现方案进行了描 述，具体到类的设计和关键代码流程图的展示；第五章，对系统测试工作从部 署到实施的过程进行了描述，并将获得的测试结果也进行了对比分析：最后， 第六章是结束语部分，对全文进行总结，指出不足，明确需要进一步完善的工 作。 希望本论文中所提出的组播资源管理控制策略和接纳控制方法，对以后的 组播相关工作提供一定的帮助。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章组播o o s 保障相关技术 第二章组播o o s 保障相关技术 论文主要描述c n g i - o o s 管理系统对组播业务的o o s 的保障与实现，因此对 于i pq o s 机制、组播基本原理和关键协议的分析研究是非常有必要的，另外。 可控组播技术也是项目主要研究内容之一，本章也会对其关键技术进行讲解。 2 1 组播核心技术 组播技术涵盖的内容相当丰富，包括地址分配管理、组成员管理，组播域 内路由、组播域问路由等诸多方面下面首先概述组播地址，然后介绍组播通 信模型。 2 1 1 组播地址 组播组地址“1 用于标识多点通信业务中所有接收者的集合( 组播组) ，例如 一个特定网络电视节目的所有接收者就同属于一个组播组。 在i p v 4 地址环境下，规定d 类i p 地址处于2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 范围中的，为组播组地址。 在i p v 6 地址环境下，所有的组播组地址最高八位为全1 ，可简写作f f 。v 6 的组播功能中增加了。标志”，可以区分永久性与临时性地址，更有利于组播 功能的实现。 2 1 2 组播通信模型 组播技术4 m “1 以分发树为核心，由三个基本要素构成：源发现、接收者发 现及拓扑发现。组播路由协议根据组播源信息、接收者信息、网络拓扑( 源和 接收者问连接关系) 信息来构造组播分发树。据此，组播协议主要包括组播接 收者发现协议和组播路由协议，如果涉及跨域，存在组播源发现协议和组播拓 扑分离协议等。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第二章组播q o s 保障相关技术 图2 - 1 组播通信模型 1 组播接收者发现协议 i g - i p 协议是接收者发现协议。i g m p 协议运行在主机和路由器之间，用于路 由器维护其直联网段是否有组播组成员。值得注意的是，i g m p 只维护组播组是 否有成员，而不维护组播组有哪些成员，因此状态信息不会因同一个组播组成 员的增加而增长。大部分组播协议都是通过维护这种“是否有”，而不是“有哪 些”的机制获得了良好的扩展性。 在基于i p v 6 的网络环境下，接收者发现协议采用m l d 协议嘲，它是i g m p v 6 的一个子协议m l d 协议主要功能就是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拒 收从哪个源发来的数据包。 m l d 消息类型是i g m p v 6 消息类型的子集，包括三种消息类型： 组播征听者查询消息：一般查询消息和特定组播地址查询消息 组播征听者报告消息 组播征听者d o n e 消息 这些查询消息和应答消息有三种不同的报文交互方式： 路由器作为询问者向与其相连接的所有主机发送一般查询消息，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。 当主机离开一个组播组时，它向路由器发送组播征听者d o n e 消息，路 由器收到此消息之后，向其相连的链路上发送一个特定组播地址查询 消息，询问是否还有主机加入了此特定的组播地址 如果在路由器的组播地址表中某个组播地址的相关定时器超时后，仍 然没有收到主机发来组播征听者报告消息，路由器则向所有主机发送 一个特定组播地址查询消息或者特定员组播查询消息，确认该组播组 7 北京邮电大学硕士学位论文 第二章组播q o s 保障相关技术 或者此特定源组播是否还有组播征听者 通过以上过程，m l d 实现了对组播组成员的管理。 在本系统所部署的试验网中，组管理协议即组播接收者发现协议采用m l d 协议。 2 组播路由协议“” p i m 是一种与其它协议无关的独立协议，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。p i m 有两种模式p i m - d m 协议和p i m s m 协议。它们根据组播接收者发现协议掌握的接收者信息、单播路由协议掌握的 拓扑信息来完成源发现和分发树构建功能。 p i m - d m 协议假设接收者在网络中密集分布，且当一个源要发送组播数据时， 其下游所有分支都希望接收此组播数据。它首先将数据推送到全网，然后通过 协议信令剪枝不需要数据的网段，这种方式被称为扩散一剪枝方式。p i m - s m 协 议假设接收者在网络中稀疏分布，采取按需发送的方式传送组播数据，即只向 那些需要数据的网段转发组播数据，因此p i m - s m “”“2 儿”3 对于当前i n t e r n e t 具 有更普遍适用性。本试验网中，路由器均采用p i m - s m 组播协议配置模式。 以下重点介绍p i m s m 协议，先引入几个相关概念 d r ：是连接主机与上层路由器的桥梁，它生成组播路由表，处理和转 发与其相连的接收者或者源发送的j o i n p r u n e 消息和r e g i s t e r 消息， 转发组播数据包。 b s r ：是p i m s m 域里在候选启动路由器中动态选出的，当然也可静态 指定。它的任务是构造r p - s e t ( r p 地址集) 和产生b o o t s t r a p 消息。 r p 和r p t ：在p i 涮中最基本的概念就是r p ( 汇集点) ，组播分发树中 的发送者和接收者都要汇集到此中央路由器并通过该点来了解对方是 否存在。以r p 为转发点建立起的组播分发树称为r p t ( 共享树) ，是单 向的，组播组成员显式连接至r p ，所有源主机将组播数据发送到r p ， r p 再通过r p t 将数据包转发给组内所有成员。 s p t ：最短路径树，与r p t 相对应。在r p t 中，仅能保障从r p 到接收 者的路径最短，但不能保证从源端到接收端的路径最短。s p t 的目的就 是实现源到接收者之间的路径最短。对于每个组播源，都对应一个直 接将源连接至所有接收者的s p t 。 r p f ：逆向路径转发，通过路由器的单播路由表实现，使是解决泛洪问 题的最优方法。在r p f 的约束下，只有当特定接口i 是路由器r 到达 源s 必经的接口时，r 才通过i 接收来自s 的数据，并将它们转发到 o i l ( 输出接口列表上) 。 8 北京邮电大学硕士学位论文 第二章组播q o s 保障相关技术 p i m s m 域内建立组播路径遵循以下流程： 确定r p 接收者发起接收过程，d r 沿着r p 方向向其上游的p i m 邻居发送j o i n 消息，直至到达r p 或已经存在该组播组共享树状态的上游路由器 组播源向r p 注册，当组播源接收到r p 发回的注册停止消息之后，源 和r p 之间的共享树路径正式建立 路由器上的转发状态以及转发列表已经建立，组播数据包沿共享树路 径转发至各接收者 当接收者接收到组播数据包之后，则可以转换到同源之间的s p t 3 组播源发现协议和组播拓扑分离协议 在i p v 4 的网络环境下，源发现协议m s d p ，用于在组播路由器间交换或转 发活跃组播源信息。跨自治域时，p i m s m 协议可以通过b o p 协议掌握其它自治 域的网络拓扑信息。但是有时需要单播、组播流量沿着不同的跨域路径转发， 或是应用不同的路由策略，因此在b o p 协议的基础上，m b g p 协议扩展了组播地 址族，用于传播自治域问的组播拓扑信息，指导跨自治域组播分发树的构建。 通常m s d p 协议与p i m - s m 、( m ) b g p 协议配合实现跨自治域组播。 图2 - 2 组播跨自治域组网图 在i p v 6 的网络环境下，组播跨域可以直接采用e m b e d e dr p 的方式，即在 9 北京邮电大学硕士学位论文第二章组插q o s 保障相关技术 组播地址中嵌入获取r p 地址的一些信息，接收者端路由器可以采用一定的方法 “3 根据组播地址计算出r p ，然后直接发送到r p 的加入消息即可。另外，这种方 法也可以用于一个域内。 2 1 3 组播q o s 保障 r f c 2 3 8 6 给出了服务质量的一种定义：q o s 是网络在传输数据流时要求满 足的一系列业务请求，具体可以量化为带宽、延迟、抖动、分组丢失率和吞吐 量等性能指标。定义中的业务指数据流经过若干网络节点所享受的传输服务， 强调端到端或网络边缘到网络边缘的整体性能。q o s 的定义反映了网络元素在 保证信息传输和满足业务要求方面的能力。下面为5 个主要的性能指标： 带宽( b a n d w i d t h ) ：用来描述给定介质、协议或连接的额定吞吐量，实际 上是指分组流在网络中传输所需要的传输资源大小。 时延( d e l a y ) ：指两个参照点之间发送和接收数据分组的时间间隔。 抖动( j i t t e r ) ：用于描述分组延迟的变化程度，定义为连续两个数据包延迟 的最大差值。i p 网络面向无连接的形式导致同一传输流的分组由于转发路 径和网络状况的差异产生不同的分组延迟。 分组丢失率( l o s s ) ：指一定时间间隔内从网络中一个参考点到另一参考点 之间丢的数据包占所发送的数据包的百分比。数据包丢失通常由网络拥塞 引起，高的丢包率可能导致网络的不可用。 吞吐量( t h r o u g h p u t ) ：指数据分组在网络上的传输速率，可用平均速率或峰 值速率表示。 提供组播业务的q o s 保障，主要关注如何确保组播业务的顺利进行，如何 为用户业务提供如上所述的业务性能保障 组播资源预留是实现组播q o s 保障的关键，但目前存在的i n t s e r v 模型的 核心协议r s ，p ，虽然能够实现业务资源的端到端预留，但是本身存在很多弊端， 首先预留是基于每个流而进行的，因此使得节点中要保留每个流的状态信息， 导致核心路由器负担太重，可扩展性很差，况且由于组播的工作模式，一个组 播组可能会有很多分支，涉及很多路由器，变相增加了整个网络的负担；再者， 网络中每个节点都要维护各类数据库，并实现复杂的功能模块( 如资源预留、 路由、接纳控制等) ，造成了极大的复杂性。归结以上原因，本项目中并未采用 此种资源预留方案，而是通过q o s 管理系统对于网络状况的整体了解与控制， 结合业务情况，对业务进行接纳控制，对全部网络资源进行合理的分配和预留， 从而力争实现上层资源控制与底层网络状况相匹配的效果，实现端到端的控制， 达到保证业务q o s 的目的。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文第二章组播o o s 保障相关技术 实现对于组播业务q o s 的保障功能，一方面依赖于上述系统软件逻辑结构 上的设计，另一方面还要依赖于物理网络上的q o s 机制的配置和部署。本项目 采用的方案是在网络上配置实旆d i f f s e r v 机制。 区分服务能够很好地与口网络相适应，其可扩展性、实现的简单性、可操 作性和可部署能力也使得区分服务逐渐成为目前主流的1 pq o s 体系结构。因 此，d i f f s c r v 机制是实现物理网络上q o s 机制的理想选择。 另外，目前的一个技术热点可控组播，通过对组播源、组播流量、组 播用户等的控制，实现网络中的组播安全，在一定程度上保障了组播的q o s 。 2 2可控组播相关技术 2 2 1 可控组播 基于组播数据流量较大、接收者众多的特点，在i p 组播网络上要实现组播 业务的运营，必须对组播源和接收者进行严格的管理，控制组播数据的传播方 向和范围。否则，开展组播业务不仅会对现有i p 网络造成冲击和影响，而且也 不可能为接收者提供预期的业务质量。因此，对组播可控方面的研究也属于组 播q o s 保障机制研究的范畴。 i e t f 定义的i p 组播标准协议不涉及组播的控制和管理方面的机制。可控 组播技术“”“”结合了i p 网络模型和i p 组播技术特点，在完全符合i p 组播标准 协议的基础上，明确了i p 组播业务的控制模型和控制机制，使得组播业务可控 制可管理可运营。组播业务控制机制包括组播地址分配、组播源控制、组播流 量控制、组播接收者控制和组播安全控制等相关技术。 图2 - 3 可控组播技术的实现模型“” 北京邮电大学硕士学位论文 第二章组播o o s 保障相关技术 可控组播的控制模型主要针对组播源数量有限且相对固定的一对多和多对 多组播应用，能够满足以下要求： 1 能够严格控制和记录组播源的组播数据发送、流量及目的组地址； 2 能够严格控制和记录具体接收者加入和离开具体组播组； 3 用户接入认证和用户组播认证可捆绑也可分离，以便接入控制和业务 控制分离； 4 认证机制严格可靠并能防伪冒： 5 在网络接入层，二层交换设备能够抑制组播报文在二层网络中的泛滥， 隔离接收者以保障组播信息安全； 6 接收者终端设备支持i g m p 协议，接入设备能够识别i g m p 报文； 7 与现有接入、认证和计费设备可以平滑连接。 通过可控组播技术和控制模型，运营商可以实现i p 组播业务的运营、管理 和监控。在组播运营中，一般将组播业务作为i p 网络的增值业务运营，组播源 一般为内容提供商；网络运营商建设、维护和管理支持组播的i p 网络，并集中 管理组播源、接收者用户和组播地址；内容提供商与网络运营商对组播业务的 管理和计费达成授权协议。 在c n g i - q o s 管理系统中包含了可控组播的控制模型，在后续章节中会有单 独的描述。 2 2 2 关键技术 可控组播的相关技术主要包括：组播地址分配、组播源控制、组播流量控 制、组播接收者控制、组播安全控制等方面。 i 组播地址分配 网络运营商在全网范围内管理组播地址的分配与回收，在一项组播业务申 请创建时为其分配特定组播地址，在该业务申请终止时回收所分配的组播地址， 保证各种组播信息流不发生冲突。如果要支持跨运营商域的组播业务，则需要 由i a n a 给网络运营商预先分配组播地址范围，以避免网络运营商之间发生组 播地址分配冲突问题。 2 组播源控制 组播业务创建前，组播源必须向网络运营商进行组播业务申请，包括申请 组播源地址、组播地址、带宽、优先级和组播路由。组播业务终止后，组播源 必须向网络运营商申请回收组播源地址、组播地址、带宽、优先级和组播路由。 组播业务的创建包括组播业务的发布和组播源的授权，组播源应当准备组 播信息流发送端和接收端软件，并将接收端软件公布给用户。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章组播q o s 保障相关技术 组播业务的发布是指将组播地址与业务的对应关系以及业务类型发布给网 络用户。组播业务的发布有以下两种方法：一种是将这些对应关系用一个众所 周知的组播地址组播出去，用户主机监听这些组播报文；另一种是将这种对应 关系发布到一个或多个众所周知的w e b 站点上，用户主机到该w e b 站点上查 询。可以将业务分类分级发布给用户，并同时发布各业务对应的用户侧接收软 件，便于业务发布的维护和更新。 组播源的认证授权必须保证只有已申请并被授权的组播源才能够发组播报 文进入网络。根据组播源授权方式的不同，组播源的认证授权有以下两种方法： 静态长期授权和动态认证授权。从管理角度，对于组播源数量有限相对固定的 一对多和多对多组播应用，静态长期授权方法较为稳定简单。 组播源控制要求所有接入边缘设备和边缘路由器在缺省状态下禁止转发下 行来的组播报文，除非符合所配置的组播a c l 和c a r 参数当主机向网络发 送组播报文时，第一个接收到该数据的边缘路由器利用组播a c l 和c a r 对组 播报文进行过滤，只有满足通过要求的报文才能被转发到组播分发树。 组播路由配置使组播数据能从组播源经过组播分发树到达组成员，采用不 同的组播路由协议有不同的配置命令和方法。对于安全性要求较高的组播业务， 可以配置静态组播分发树，以便严格控制组播包的路径、范围及流量。 当组播源不再发送组播报文且申请释放了组播地址和删除了组播授权时， 该项组播业务终止。 3 组播流量控制 基于组播数据流量较大接收者众多的特点，为避免对网络和单播业务造成 冲击，应当采取措施控制网络中的组播流量。 配置组播报文进入网络的优先级，使用网络的d i f f s e r v 等q o s 转发处理方 法；同时在边缘路由器上配置a c l 和c a r ( 包括组播组标识和承诺速率) ，禁 止转发未经授权的组播报文，对组播报文进入网络的流量进行限制；如果实际 流量超出承诺速率，边缘路由器根据s l a ( 业务等级协定) 对数据流进行整形 或丢弃。 在骨干网中可以通过隧道或m p l sv p n 隔离组播流量和单播流量；可以通 过限制隧道和v p n 的带宽对组播