（计算机科学与技术专业论文）互联网组播组管理协议的分析与改进.pdf

北京邮电大学硕士研究生学位论文互联网组播组管理协议的分析与改进 互联网组播组管理协议的分析与改进 摘要 随着因特网的不断发展，组播技术变得越来越重要。由于组播技 术的高的带宽利用率，组播技术已经赢得人们的青睐。m l d v 2 是i p v 6 下的组播组管理协议。但是m l d v 2 协议过于复杂，实现起来难度较 大，而且其中部分功能并不实用。因此，需要进行简化。目前，华为 公司提出了一个m l d v 2 的简化版本“l w - m l d v 2 草案来解决这个 问题。此外，目前组播组管理协议由于缺乏好的a a a 机制而未能大 范围商用，因此本文提出了一个改进方案。本论文的主要内容是分析 组播组管理协议的不足并提出改进方案。 论文介绍了组播技术的相关背景，介绍了m l d 协议的各个版本 的特点及区别，通过分析了组播技术的体系结构，阐明了m l d 在组 播体系结构中的重要性。 接下来论文详细分析了组播组管理协议的不足和改进。论文指出 了组播组管理协议存在缺乏a a a 机制和协议逻辑复杂的不足，并针 对这两个不足分别提出改进方案。 之后论文进行了对改进方案的实现的代码分析，包括对方案实现 平台的选择。随后对改进方案的实现进行了全面的测试，包括协议级 测试，应用级测试等。 最后论文指出了工作的不足之处及进一步改进的方向，并对作者 在研究生期间的主要工作进行了总结。 关键字：组播m l dl w - m l d v 2m l d s n o o p i n g a a a 北京邮电大学硕士研究生学位论文 互联网组播组管理协议的分析与改进 t h ea n a iy s i sa n di m p r o v e m e n t0 fi n t e r n e t m u 皿c a s tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，i pm u l t i c a s tt e c h n o l o g yh a s b e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t b e c a u s eo fi t se f f e c t i v e n e s si nn e t w o r k b a n d w i d t hu t i l i z a t i o n ，i pm u l t i c a s tt e c h n o l o g yh a sr a p i d l yg a i n e di t s i m p o r t a n c e m l d v 2a r em u l t i c a s tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l su n d e r i p v 6 b u td u et ot h e i rc o m p l i c a t e dl o g i cs t r u c t u r e s ，i t st o oh a r df o r i m p l e m e n t i o n ，a n ds o m eo ft h e ma r eu s e l e s st o o s o ，w en e e ds i m p l i f y i t h u a w e i c o r p o r a t i o np r o p o s e s a s i m p l i f i e d v e r s i o no f i g m p v 3 m u ) v 2 ，c a l l e dl w i g m p v 3 m l d v 2 b e s i d e s ，b e c a u s ei tl a c k a a am e c h a n i s m ，i ti sn o tw i d e l yu s e di nb u s i n e s s t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i si st oa n a l y z et h es h o r t a g e so fm u l t i c a s tg r o u pm a n a g e m e n t p r o t o c o la n dp r o p o s eas o l u t i o n f i r s t l y , t h e t h e s i si n t r o d u c e st h e b a c k g r o u n do fm u l t i c a s t t e c h n o l o g y t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f f e r e n c e so fe a c hv e r s i o no fm l d a r ea l s o d i s c u s s e d b ya n a l y z i n g t h ea r c h i t e c t u r eo fi pm u l t i c a s t ，t h e i m p o r t a n c eo fm l d i sd e s c r i b e d s e c o n d l y , t h e t h e s i s a n a l y z e s t h e s h o r t a g e o fm u l t i c a s t g r o u p m a n a g e m e n tp r o t o c o la n ds o l u t i o n t h e r ea r et w os h o r t a g e s ：t h el a c ko f a a am e c h a n i s ma n dt h ec o m p l i c a t e dl o g i cs t r u c t u r e s t h et h e s i sp r o p o s e t h es o l u t i o n st od e a lw i t ht h es h o r t a g e s t h e nt h et h e s i sa n a l y z e st h ei m p l e m e n to ft h es o l u t i o n s ，i n c l u d i n gt h e s e l e c t i o no ft h e p l a t f o r m f o l l o w e d w i t ht h e t h o r o u g ht e s t s ，i n c l u d i n g p r o t o c o ll e v e lt e s ta n da p p l i c a t i o nl e v e lt e s t f i n a l l y , t h el a c k i n go f t h i st h e s i sa n dt h ed i r e c t i o no ff u t u r er e s e a r c h a r ep o i n t e do u t 1 1 l em a j o rw o r ko ft h ew r i t e rd u r i n gg r a d u a t ep e r i o di s 北京邮电大学硕士研究生学位论文互联网组播组管理协议的分析与改进 s u m m a r i z e d k e yw o r d s ：m u l t i c a s tm l dl w - m l d v 2m l d s n o o p i n g a a a 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列出的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含曾经为了获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书所使用 过的学术材料。参与本项目的同志对本论文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， 本人签名：刿 本人承担一切相关责任。 日期：坐! ：! ：! ! 关于论文使用授权的说明 本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：趔日期：堡垒：! ：! ! 北京邮电大学硕上研究生学位论文 互联网组播组管理协议的分析与改进 1 1课题背景 第1 章绪论 随着互联网的飞速发展，互联网上的应用也在发生着显著的变化，由最初仅 仅是文件传输，收发邮件等一些最基本的应用发展到现在州，视频点播，视 频会议等应用。这就对网络带宽提出了很高的要求。在现有的网络中如果还使用 传统的单播方式发送数据，远远不能满足这些应用对带宽的需求。组播技术很好 的解决了这个问题。它使得同一组播组的用户能够共享带宽，这样就大大降低了 对带宽的需求。 m l d ( m u l t i c a s tl i s t e n e rd i s c o v e r y ) 是l p v 6 1 1 】环境下的重要的组播组管理协 议。但是现有的m l d v 2 1 2 1 协议存在两个不足，一是目前组播组管理协议缺乏好 的触机制，这也是它未得到大范围商用的原因之一，因此本文提出一个解决 触问题的改进方案。一是协议逻辑过于复杂，实现起来难度比较大，而且考 虑到其中某些消息或某些参数在实际应用中并不需要，因此需要进行一些简化的 改进，华为公司提出了l w - m l d v 2 3 1 草案，正是针对这个不足提出的一个改进方 案。在l w - m l d v 2 中，在保证基本功能不变且兼容之前的版本的前提下，去掉 了前面提到的实际应用中并不需要的某些消息或参数，使协议逻辑架构简化，这 样就使组播网络中的路由器实现起来更简单，而且由于协议的简化，也使得路由 器的处理性能得到提升。本课题就是在这种背景下提出的。 1 2课题研究内容 课题主要研究内容主要包括以下几方面： 对组播体系结构以及各组成部分的研究，包括组播路由协议，组播组管 理协议，m l ds n o o p i n g 等的研究； 对l w o m l d v 2 协议实现平台选择方面的研究，包括对软件重用，开源 软件的研究，以及对路由器平台个版本的研究等； 对m u ) v 2 上的a a a 机制的研究，包括对m l d v 2 上的a a a 机制的需 求分析，目前各个解决方案的分析等。 北京邮电大学硕士研究生学位论文互联网组播组管理协议的分析与改进 1 3本论文主要工作 本论文的主要内容如下： 介绍组播技术体系结构组成，组播路由协议，组播组管理协议，m l d s n o o p i n g 以及组播的工作原理等； 详细分析组播组管理协议的不足并提出改进方案，主要是缺乏a a a 机 制和协议逻辑复杂这两个方面，并针对这两个方面分别提出改进方案： 对改进方案进行分析，设计与实现，主要介绍改进方案的路由器平台选 择，改进方案的设计，流程分析等； 对改进方案的测试工作。设计进行测试需要的测试环境，主要分为协议 级的测试和应用级的测试等。 指出目前的改进方案存在的一些不足以及需要进行的改进。 1 4论文结构 本论文主要分成以下几部分： 第一章，绪论，简要介绍课题背景，研究内容等； 第二章，相关技术背景介绍，详细介绍组播体系结构的组成部分，包括组 播组管理协议，组播路由协议以及二层的m l ds n o o p i n g 等； 第三章， 对组播组管理协议进行分析，发现其中不足，提出改进方案，并 介绍改进方案的设计实现等； 第四章，介绍改进方案的测试工作，主要分为协议级的测试工作和应用级 的测试工作； 第五章，对本文进行总结，指出存在的不足及下一步的改进方向。总结本 人在研究生期间的工作情况和取得的成果。 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文互联网组播组管理协议的分析与改进 第2 章相关技术背景介绍 2 1组播技术体系结构 口网中的数据传输主要有三种方式，单播，组播，广播。单播就是发送者 和接收者之间是点对点的网络连接。发送者发出的每个数据包只对应一个接收 者。如果发送者希望给多个接收者发送相同的数据，那么他需要复制相应数目的 数据包依次发送。如果大量主机需要接收同个数据包时，会使发送者负担沉重， 浪费网络资源。组播的发送者和接收者之间是点对多点的网络连接。如果有大量 主机需要接收同个数据包，发送者只需发送一次就可以了( 不考虑丢失) 。这 样就提高了效率，节省了网络资源。广播是发送者在子网内广播数据包，子网内 的所有主机不管是否希望接收此数据包都会收到这个数据包。不过广播的范围很 小，只在本地子网内有效，不能穿越路由器。因此目前随着网络技术的发展，组 播技术的优点已经越来越明显。 组播协议主要有主机路由器之间的组播组成员管理协议和路由器路由器 之间的组播路由协议。组播组成员管理协议有i g m p ( i n t e r n e tg r o u pm u l t i c a s t p r o t o c 0 1 ) 和m l d ( m u l t i c a s tl i s t e n e rd i s c o v e r y ) ，分别是i p v 4 环境下的和职v 6 环境 下的。组播路由协议有域内组播路由协议和域间组播路由协议。域内组播路由协 议有p i m s m ，p i m d m ，d v m r p 等。域间组播路由协议有m b g p ，m s d p 等。 同时为了在二层抑制组播数据的扩散，还有i g m p m l ds n o o p i n g 协议。 组播组成员管理协议负责维护边缘路由器上的组成员关系，域内路由协议负 责根据组播组成员关系信息以及组播路由算法生成组播分发树进行组播数据转 发。域间组播路由协议负责在各个自治域间发布具有组播能力的路由信息以及组 播源信息，以使得组播数据在域间进行转发。 组播体系结构如图2 1 所示。组播组管理协议处理主机和边缘路由器的关 系，组播路由协议处理路由器和路由器之间的组播路由关系，交换机上运行二层 m i ds n o o p i n g 协议。 3 北京邮电大学硬j 饥7 学位论立 互联目m 播组管理拼议的分析与改进 t 机踏山嚣1 办议 m l d v i v 2 域由削捂路山协波 p i m s m ，m o s p f 等 域f l j 绷橘路陆汉 m b g p m s d p 锋 立拽舰 m l d s n o o p i n g 图2 - i 组播体系结构图 22i p v 6 组播路由协议 组播路由协议主要是用来构造一棵将所有需要接收组播数据的路由器连接 起来的组播分发树的，这样组播源发出的组播数据包就可以沿着这棵树转发到各 个想要接收组播数据的路由器了。组插分发树根据构造方法不同可以分为两种 基本模型：有源树和共享树。 有源树也叫晟短路径数( s p t ) ，它是组播分发树的最简单形式。它是以组 播源作为根，然后构造从根到所有组播接收者的路径都为最短的组播分发树。由 于组播分发树上从组播源到所有组播接收者都为最短路径，因此端| 端的性能壤 好，但是如果有多个不同的组播源同时存在，那么就需要生成多个不| 可的s p t 树，这样对路由器的要求较高。因此，s p t 适用于组播组成员比较密集但对端到 端性能要求较高的应用，例如视频点播。 共享树( r p t ) 和有源树不同，它使用网络中的某个组播路由器作为共享根， 这个根被称为汇合点( r p ) ，然后以r p 为根生成组播树。在实际组播数据转发 过程中，组播源先将组播数据发送到r p ，之后再由r p 根据组播树转发给各个 郦 北京邮电大学硕：i ：研究生学位论文互联网组播组管理协议的分析与改进 组播组成员。和s p t 相比r p t 在路由器中存储的状态信息减少了，对组播路由 器的总体要求降低，但是如果数据量过大时，可能造成r p 处流量过大，导致拥 塞。因此r p t 适合用在组播组成员比较分散、数据量较小的地方。 如图2 - 2 所示，组播路由协议主要有以下几种。 r 湘s p f i d v m i 婶 f 域内组摇舢协议 盟d m 纽播路由卧i 义 p 1 卅洲 lf m b g p 【域问组播路由协议 b g m p 【籼p 2 2 1 域内组播路由协议 m o s p f 也叫组播扩展o s p f 4 1 ，它在原o s p f 的基础上进行扩展，增加了对 口组播路由的支持。它可以向下兼容o s p f ，在进行单播数据的转发时，运行 m o s p f 的路由器可以和运行o s p f 路由器互操作。m o s p f 对组播的支持是通过 在o s p f 的链路状态通告中包含组播信息实现的。在o s p f 的链路状态数据库中 有关于自治系统( a s ) 拓朴的完整描述。m o s p f 通过加入新的链路状态通告类 型，即组成员l s a ，这样在该数据库中就可以查到所有组播组成员的位置。然 后，再根据以组播源为根的最短路径树，就可以得出组播数据包的转发路径。最 短路径树上的所有不需要组播的分支都会被剪除。最短路径的计算结果会被缓存 起来，以便具有相同源和终端的后续数据包可以直接使用。m o s p f 通常被用于 单个自治系统内部。当需要在整个因特网上支持口组播时，m o s p f 就需要结合 用于自治系统间的组播路由协议共同使用。 距离矢量组播路由选择协议( d v m r p ) 是组播路由协议的一种，它能实现 为网络中的主机提供面向无连接数据组播。d v m r p 是一个域内组播路由协议， 适合使用在一个自治系统内部，不适合在不同的自治系统之间使用。目前的 d v m r p 不能为非组播数据提供路由功能，因此如果要求一个路由器既支持多播 数据的路由又支持单播数据的路由，那么该路由器必须运行两个不同的路由选择 进程。d v m r p 是基于路由选择信息协议( r i p ) 开发出来的。d v m r p 具有r i p 中的许多特性，并且采用了r i p 中的t r p b ( t r u n c a t e dr e v e r s ep a t hb r o a d c a s t i n g ) 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 互联网组播组管理协议的分析与改进 算法。d v m r p 它是通过r i p 来发现到组播源的最短路径，采用广播剪枝的方 式来构造一棵组播分发树。而且，为了使d v m r p 能够跨越不支持多播的网络， 开发了一种叫“隧道”的机制。d v m r p 区别于r i p 的地方主要在于：r i p 路由 和转发数据包到明确的目的地，而d v m r p 的目的是为了得到到组播源的逆向路 径。 d v m r p 适用于小型的网络，对于有许多组播组的大型网络上，d v m r p 就 不能胜任了。c b t l 5 】就是为了克服d v m r p 的这个缺点而出现的。在c b t 中， 组播分发树是所有组播组成员共享的，而不是根据组播源构造的有源树。c b t 构造的共享树是双向的，当组播源在发送组播数据包时，如果组播源的第一跳路 由器在共享树上，则第一跳路由器直接将组播数据转发到共享树的所有分支，而 如果第一跳路由器不在共享树上，那么组播源先将组播数据发送到核心路由器， 进而转发到共享树的所有分支。它的优点是路由器不用根据源来记录组播转发信 息，而是根据组来记录，这样使路由器上记录的组播转发信息减少。但是它也有 所有共享树都有的缺点，就是核心路由器容易成为瓶颈。 p i m 协议是组播路由的另一选择，p i m 如同协议名称一样，它不依赖于某一 特定的单播路由协议，它可以使用各种单播路由协议建立的单播路由表来实现 r p f ( 反向路径转发) 的功能，而不需要建立一个单独的组播路由表来完成组播 数据的转发。由于p i m 不需要维护组播路由表，也就不需要进行组播路由更新， 所以相比其它组播路由协议，p i m 的开销要小很多。p i m 设计的出发点是在 i n t e m e t 范围内同时支持s p t 和共享树，并在两者之间能够灵活转换，因而吸收 了它们各自的优点，使组播的效率得到了提高。p i m 主要有两种模式：密集模式 ( d e n s e m o d e ) 和稀疏模式( s p a r s e m o d e ) 。 a p i m d m p i m d m 6 j 和d v m r p 很相似，它们都属于密集模式协议，而且都采用了“扩 黼枝”的机制。同时，它们假定带宽不受限制，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 。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。 b p i m s m p i m s m 7 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，就是说接收者要主动向r p ( r e n d e z v o u sp o i n t ) 发送加入消息，而路由器 只在已加入某个组播组的相应输出接口上转发该组播组的数据包。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( i 冲) ，首先组播源沿最短 路径向r p 发送数据，之后再由r p 沿共享树上的最短路径将数据发送到各个接 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文互联网组播组管理协议的分析与改进 收端。在这一点上和c b t 有点类似，但是在p i m s m 中不存在核的概念。p i m s m 的主要优点之一是它不仅可以通过共享树实现组播数据的接收转发，而且还可以 实现从共享树向s i t 的转换。不过虽然从共享树转换到s i t 可以有效减少网络 延迟和在r p 处可能出现的瓶颈，但是这种转换需要耗费大量的路由器资源，所 以通常用在网络组播组数目较少的情况下。 由于p i m s m 协议具有简单有效以及单播路由协议的无关性的特点，因此它 是域内组播路由协议的首选。在p i m s m 的基础上，i e t f 组织又提出了s s m 协 议，s s m 协议能够支持精准源组播业务。s s m 的特点是指定组播源，它通常依托 p i m s m 实现，而且它可以和p i m s m 共同运行在同一台路由器之上，路由器会 自动根据组播数据中的组播组地址来确定使用s s m 还是p i m s m 。s s m 可以在 组播源和组播数据接收者之间直接建立最短路径树，省去了p i m s m 中先建立共 享树再从共享树向最短路径树切换的过程，从而能够从一开始就沿最短路径树转 发数据。因此在已知组播源的情况下，与其它组播技术相比，s s m 技术的效率 高，而且简化了组播地址分配，特别适用于组播组只有一个特定源的情况。 s s m 服务模型是p i m s m 协议机制的子集，普通口组播和s s m 都可以利 用p i m s m 协议实现，因为s s m 和p i m s m 存在共同之处： 使用相同的机制来实现邻居发现和d r 选举： 需要维护基于源的( s ，g ) 上游和下游状态机； 使用基于源组的a s s e r t 机制来解决转发冲突； r p f 检查规则相同。 s s m 机制虽然与p i m s m 有很多共同之处，但也存在一些重要的区别： 只有s s m 运行的网络中不需要配置r p 。 s s m 不能发送( 车，g ) 和( s ，gr p 0 的加入剪枝消息 在p i m s m 和s s m 共存的路由器中，路由器不能为目的地址为s s m 地 址的数据包发送注册报文；作为r p 的路由器如果接收到了目的地址为s s m 地 址的注册报文，也不能对其进行转发。 在p i m s m 和s s m 共存的路由器中，对于目的地址为s s m 地址的组播 报文，路由器不能依据( 士，g ) 和( s ，gr p 0 状态进行转发。 在不同自治域间进行数据转发的时候，不需要依靠m s d p 发现组播源。 由于p i m s m 和s s m 的这些优势，所以本项目中的组播路由协议均使用这 两种协议。 2 2 2 域问组播路由协议 m b g p ( 组播协议边界网关协议) 【8 】对b g p 的功能进行了增强，使得它能在 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 互联网组播组管理协议的分析与改进 整个因特网实现组播路由，并且能够在b g p 的自治系统内或自治系统之间连接 组播拓朴。也就是说，m b g p 是增强版的具有口组播路由功能的b g p 。m b g p 协议使用两组路由，其中一组用来实现单播路由，另一组用来实现组播路由。 在仅用于组播通信或者需要限制通信的资源使用的链路上，以及当网络访问点需 要交换所有的组播通信时，m b g p 都是非常有用的。m b g p 允许单播路由拓朴 和组播路由拓朴不同。 b g m p 9 j 是一种为域间组播提供路由选择的协议。它的基本思想是对于活动 着的任意组播组，都应该存在着一个单独的双向共享树，该共享树可以跨越包含 该组播组的组播源或组播接收者的所有的域。这些域中的一个域应该被指定为根 域，并且以双向共享树根的方式工作。所有其他的域向根域发送加入消息和剪枝 消息。b g m p 扩展了共享树协议。b g m p 采用两种树结构：常规的共享树和域间 特定源树( i n t e r d o m a i ns o u r c e s p e c i f i ct r e e ) 。域间特定源树中的信息是关于域，而 不是路由器的，同时它采用双向路径。域间树用来在a s 之间传递组播数据，而 常规的共享树一般用于a s 内部传递组播数据。这种两级层次体系为减小树的规 模和树的计算量提供了有效的方法，巧妙地利用了层次路由的概念。b g m p 协 议原本支持“精准源组播”( s s m ：s o u r c es p e c i f i cm u l t i c a s t ) 1 1 0 。为支持“任意源 组播”( a s m ：a n ys o u r c em u l t i c a s t ) ，b g m p 为活动着的组播组建立了共享树， 允许域在需要的时候建立基于组播源的，域间的组播分发树以便组播数据分发。 基于p l m s m 和c b t 的概念，b g m p 要求每个全局组播组都与单个根( r o o t ) 相关联。然而，这里b g m p 的根指的是一个完整的交换域，而不是单个路由器。 对于非精准源组播组，b g m p 假定组播地址空间的范围已经关联某些特定域， 每个这样的域成为所有共享域树( d o m a i n t r e e ) 的根。如果地址分配器从自己的 域内取组播地址，那么它将会获得更好的分配树，这种情况下，根域为本地。 b g m p 中采用t c p 作为其传输协议，这样避免了再次对信息的分段 ( f r a g m e n t a t i o n ) 、重发( r e t r a n s m i s s i o n ) 、确认( a c k n o w l e d g e m e n t ) 和排序 ( s e q u e n c i n g ) 。 m s d p ( 组播源发现协议) 1 1 1 】提供了一种实现连接多p i m s m 域的方法。每 个p i m s m 域都使用自己单独的r p ，它并不依赖于其它域内的r p 。这种方法 的优点在于：不存在第三方( t h i r d p a r t y ) 资源依赖域内r p 。p i m s m 域只依赖 自己域内的r p 。对于只有接收者的域可以得到数据而不用向全局通告组成员。 m s d p 可以用在存在其它非p i m s m 协议的环境下。 2 3 i p v 6 组播组管理协议 在i p v 6 下，主机如果想接收某组播组的数据，就必须先加入该组播组，主 8 北京邮电火学硕士研究生学位论文互联网组播组管理协议的分析与改进 机使用组播组管理协议来完成加入组播组，以及和路由器进行组成员关系的交 互。m l d 是组播侦听者发现协议，i p v 6 路由器用它来在与其直连的网段上发现 组播侦听者，并在数据库里做相应记录。这里的组播侦听者就是那些希望接收组 播数据的主机节点。同时，路由器还需要维护与这些肌6 组播组相关的定时器 信息。运行m l d 的路由器使用l p v 6 单播链路本地地址作为源地址发送m l d 报 文。所有的m l d 报文被限制在本地链路上，跳数为1 。 目前m l d 协议主要有两个版本，m l d v l 和m l d v 2 。1 9 9 9 年，i e t f 发布 m d l v l ( r f c 2 7 1 0 ) 。2 0 0 4 年，出台了m l d v2 ( r f c 3 8 1 0 ) 标准，并且m l d v 2 兼容 m l d v l 版本。m l d 消息封装格式如图2 3 ， m a c 头i p v 6 头m l d 头d a t a 图2 - 3 m l d 消息封装格式 m l d v l 协议是i p v 6 的组播组管理协议，它主要被用在a s m 模式下。运行 m l d v l 协议的路由器维护一个组播组状态列表，表中记录此链路中存在的组成 员的组播组地址，以及该地址相应的定时器等信息。路由器周期性地发送一般查 询消息，以查询该链路上是否存在某组播组的成员。节点收到路由器发送的一般 查询消息后会随机等待一段时间后发送组播报告。随机等待是为了防止在同一时 间有大量的节点发送组播报告，从而造成网络的突发性拥塞。路由器收到报告分 组后，如果报告中的组播组地址不在路由器的列表中，则在列表中加入该记录： 否则重新置位计时器。如果某个组播组地址的计时器超时，则从列表中删除该记 录。如果节点要加入或退出一个组播组，它会主动向路由器发送组播报告或d o n e 消息。路由器收到d o n e 消息后，如果在路由器的列表中有该组播组地址的记录， 则路由器发送一个组播组特定查询消息。如果一段时间后没有收到该组播组的报 告消息，则认为该组播组在此链路上没有组成员了。 m l d v l 主要有三种消息：查询消息，报告消息，d o n e 消息。其中查询消息 包括一般查询消息和特定组查询消息。m l d v l 的报文格式如图2 - 4 所示，字段 含义如表2 1 所示。 9 北京衄电 学顿研究生学位论文 互联月组播组管理协的分析与改进 03471 53 t y p e - 1 3 0 c o d ec h e c k s u m m a x i m u m r e s p o n s ed e l a y r c s e r v e d m u l t i c a s ta d d r e s s1 2 8 b i t 图2 _ 4 m i d v l 消息格式 表2 - 1 m 1 j v i 宇段描述 聊报文类型；1 3 0 代表查询报文；1 3 1 代表报告报文；1 3 2 代表 离开报文 c o d e 代码挺进时设置为1 0 ，接收时忽略 c h e d m u m 标准的i p v 6 校验和 m a x i m u mr e s p o n s ed e l a y 主机发送报告报文前允许的最长响应延迟 r e e d 保留字段，发送时设置为0 接收时忽略 m u l t i c a s t a d d r e s s 1 ，昔遍组查询中，此字段设置为0 ； 2 ，特定组查询中，此宇段设置为待查询的i p v 6 组播地址； 3 ，报告或者离开报文中，此字段设置为报文发送者要加 或 者要离开的1 p v 6 组播地址； 当一个网段内同时存在多台运行m l d v l 的路由器时，需要选出一个查询路 由器，其余为非查询路由器。通常选择地址最小的路由器作为查询路由器。所有 非查询路由器中都有一个其他查淘路由器存在计时器，如果该计时器超时后仍没 有收到来自查询路由器的消息，则认为该查询路由器失效，需要重新选出查询路 由器。查询路由器应定期发送一般查询消息给于网内所有主机( 目的地址为 f f 0 2 ：i ) 。 232m l d v 2 m l d v 2 是从i g m p v 3 1 ”i 中发展过来的，干目对于m l d v l ，m l d v 2 增加了 i g m p v 3 所具有的源过滤功能，所以能够支持a s m 模式和s s m 模式的组播路由 协议。m l d v 2 中有了源过滤功能，这样主机可以在组播报告中指定自己感兴趣 的组播源，路由器就可以只转发该链路上所有组成_ j i 感兴趣的组播源的数掘。当 主机不想继续接收某组播组数据时发送离开组播组报告，查询路由器在接收到 该报告后可以发送特定组播源和组播组查询消息，确认是否仍有组成员需要该组 播组和组播源的数据。m l d v 2 支持源过滤( s o u r c ef i i t 咖曲，因此比m l d v l 更容 北京邮电大学硕士研究生学位论文互联网组播组管理协议的分析与改进 易管理，并且安全性更高。而且m l d v 2 向前兼容m l d v l 。 m u ) v 2 消息主要有如下几种： 两种类型的m u ) v 2 消息： 组播查询消息( 类型值为1 3 0 ) ； v e r s i o n 2 组播报告消息( 类型值为1 4 3 ) ： 为向前兼容m l d v l ，m u ) 、，2 还支持下面两种消息： v e r s i o n l 组播报告消息( 类型值为1 3 1 ) ； v e r s i o n l 组播d o n e 消息( 类型值为1 3 2 ) 其中m l d v 2 的查询消息主要有以下三种： a g e n e r a lq i i e r y ：一般查询消息，用来定期查询路由器接1 2 1 所连网段上所有 组播组成员的信息。 b g r o u ps p e c i f i cq u e r y ：特定组查询消息，用来查询该组播组在其接口所连 网段上的接收者的情况。 c g r o u p a n d s o u r c e s p e c i f i cq u e r y ：特定组和特定源查询消息，用来查询该 组播源发送的该组播组的数据在其接口所连网段上的接收者的情况。 m l d v 2 查询消息的消息格式如下图，其中的m u l t i c a s ta d d r e s s 为组播组地 址( 对于一般查询消息，该字段设置为0 ：对于特定组播组地址查询消息或者特 定组播组地址和组播源地址查询消息，该字段设置为查询的组播组地址) ； n u m b e ro f s o u r c e s 为组播源地址的个数( 在一般查询消息或者特定组播组地址查 询消息中设置为o ；在特定组播组地址和源地址查询消息中，设置为组播源地址 的个数。此字段仅在特定组和源的查询消息中有实际意义。) t y p e = 13 0 c o d e c h e c k s u m m a x x m u mr e s p o n dc o d e r e s e v e r d m u l t i c a s ta d d r e s s r e s sq r v q q i c n u m b e ro fs o u r c e s ( n ) s o u r c ea d d r e s s 1 - - n 】 图2 - 5m l d v 2 查询消息格式 m l d v 2 组播报告消息有两种：当前状态报告、状态改变报告，报文格式如 下图所示。状态改变报告包含自己的过滤模式变化、源地址变化或者二者兼有。 1 1 北京邮电大学硕士研究生学位论文互联网组播组管理协议的分析与改进 t 1 巾e - = 1 4 3 1 4 3 r e s e r v e dc h e c k s u m jy p n u m b e ro fm u l t i c a s ta d d r e s s r e s e r v e d r e c o r d s ( m ) m u l t i c a s ta d d r e s sr e c o r d 1 一m 】 图2 - 6m l d v 2 报告消息格式 m l d v 2 报告消息可以同时携带多个组播组的记录，每一个记录分别存储在 一个m u l t i c a s t a d d r e s sr e c o r d 中。记录中主要包含记录类型、组播组地址、组播 源地址等。 2 4m l ds n o o pin g 的介绍 如果交换机的某一端口收到一个需要发送到某一主机的组播包，为了确保组 播包能够被送到主机，通常交换机会将这个组播包f l o o d 到每一个端口，但是这 样处理存在问题，交换机没有必要将报文发往不需要此组播包的端口，这不仅占 用其他端口的网络资源，同时也占用交换机c p u 的资源。这个问题可以使用 m l ds n o o p m g 技术来解决，m l ds n o o p i n g 是运行在2 层以太网交换机上的组 播约束机制，用于管理和控制组播组。m l ds n o o p m g 的主要工作原理是首先侦 听每一个端口上的m l d 消息，当交换机收到主机和路由器之间传递的m l d 消 息时，m l ds n o o p i n g 分析m l d 消息所携带的信息。交换机可以根据m l d 消息 中的加入或离开信息得出交换机端口和组播组地址的映射关系。通过不问断的侦 听m l d 消息，交换机就可以在二层建立和维护交换机端口和组播组地址之间的 映射表。之后，交换机就可以根据交换机端口和组播组地址之间的映射表，将组 播报文发送到相应的端口上，而不用f l o o d 到所有端口了。 没有运行m l ds n o o p i n g 时，组播报文将在二层广播。运行m l ds n o o p i n g 后， 组播报文将不在二层广播，而是进行二层组播。如下图是两种情况的对比图 1 2 北京邮电大学硕一l ：研究生学位论文互联网组播组管理协议的分析与改进 图2 - 7 未运行m l ds n o o p i n g 图2 - 8 运行m l ds n o o p i n g m l ds n o o p i n g 还可以防止m l d 报告风暴。在m l d 协议中，当组播路由器 通过交换机向局域网内发送m l d 查询消息的时候，局域网内的所有加入该组播 组的主机都会响应一个m l d 报告报文，如果有很多想要接收组播的主机时，会 1 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文互联网组播组管理协议的分析与改进 导致局域网内出现大量的m l d 报告，这样组播路由器会忙于处理m l d 报文， 而无法完成其他正常的功能，这种情况就被称为“m l d 报告风暴 。然而实际上， 组播路由器只需要一个m l d 报告报文即可得知该端口所连接网络是否有属于该 组播组的主机。因此，m l ds n o o p i n g 在收到另一次路由器发送的m l d 成员查 询报文之前，即在另一次“查询报告 过程之前，只向路由器转发某个组播组 的第一个主机的报告，其他针对该组播组的主机报告只会引起交换机的m l d s n o o p i n g 模块对来源端口生存期的修改，而不会转发给路由器，也就是说一个报 告间隔时间内最多只转发一个m l d 报告报文，从而避免了组播路由器处理多个 冗余m i d 报告报文。 m i ds n o o p i n g 可以有效减轻组播路由器的负担，避免网络带宽的浪费，提 高网络带宽的利用率。目前，大部分交换机都已经支持m l ds n o o p i n g 技术， m l d s n o o p i n g 技术也日渐普及。 2 5 组播工作原理 首先，想要接收组播数据的用户通过各种方式获得组播组地址及组播源地 址，随后组播用户使用组播组地址和组播源地址构造相应的m i d 报告消息，并 发送该消息到组播路由器，组播路由器收到该m l d 消息后，会根据m l d 消息 的内容修改路由器上的组播组记录，并且通过组播路由协议通知上游组播路由器 组播分发树的改变，上游组播路由器对组播分发树进行相应改变后组播数据就可 以沿着组播分发树发送到组播用户。用户可以向和用户直接相连的组播路由器请 求加入多个组播组。如果用户想退出组播组或关机，用户可以发送相应的m l d 消息到组播路由器，则组播路由器会自动地在组播分发树上进行剪枝和嫁接的过 程，以保证其他组播用户的组播信息的接收以及对网络带宽的合理利用。 2 6a 从 a a a ( a u t h c n t i c a t i o n , a u t h o r i z a t i o n ，a c c o u n t i n g ) 即认证，授权，计费。认证是 用来确定用户的身份，这也是决定是否允许用户访问网络的依据之一。同时也可 以使网络管理员能有效阻止恶意用户进入网络。授权就是指定用户所能拥有的权 限，这里指使用网络资源，内容资源的权限。授权可以有效管理用户获得的服务。 同时也能限制内部网络对外部攻击者的暴露。计费就是对用户使用服务的情况 ( 例如使用网络的时间，访问的内容等) 进行统计，进而作为计费的依据。我们 还可以使用统计日志追踪试图进入网络的可疑连接以及恶意用户的活动。 a a a 可以用来实现对网络服务或内容服务的接纳控制及计费等。在单播应 1 4 北京邮