（计算机科学与技术专业论文）lwigmpv3（轻量级互联网组管理协议）的研究与实现.pdf

北京邮电大学硕十研究生学位论文l w - i g m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议1 的研究与实现 l w - lg m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 摘要 随着互联网的迅速普及，网络技术已经渗透到人们的工作、生活、 娱乐等各个角落。i p 组播技术以其高效的网络带宽利用率日益赢得人 们的青睐。组管理协议i g m p v 3 是i p 组播体系结构的重要组成部分， 但是协议的逻辑结构过于复杂，不利于实际应用。针对此问题，华为 公司提出了“l w - i g m p v 3 ，d v 2 草案 ，对i g m p v 3 协议进行简化。 论文对草案中提出的l w - i g m p v 3 协议进行了研究与分析，并在 x o r p 开源路由器平台上实现了该协议，在此基础上，对协议进行全 面的测试及分析。 论文首先介绍课题的研究背景，对目前互联网i p 组播技术的研 究现状进行概要的介绍，通过对组播体系结构的分析，阐明了互联网。 组管理协议i g m p 在组播体系结构中的重要性。然后对i g m p 协议的 发展和各个版本i g m p 协议进行简要介绍和对比，并重点分析了 i g m p v 3 协议。 论文接下来在深入分析了华为公司提出的l w 二i g m p v 3 m l d v 2 草案的基础上，阐明了l w - i g m p v 3 协议的改进依据，然后对 l w - i g m p 协议和i g m p v 3 协议在消息种类，协议流程，组播路由协 议接口，协议兼容性等方面进行对比，并对l w - i g m p v 3 的简化程度 进行了分析。 在此基础上，论文详细介绍了l w - i g m p v 3 协议在x o r p 路由器 平台的设计及实现过程。然后对l w - i g m p v 3 协议进行了全面的测试， 包括功能性，兼容性及性能测试。测试结果表明，l w - i g m p v 3 协议 能够正确并有效的支持组播业务，并表现出对低版本i g m p 协议的良 好兼容性，在一定情况下能够显著提高i g m p 协议及组播路由协议性 能，对优化路由器在i p 组播大规模应用中的性能具有重要意义。 论文最后总结了作者在研究生期间的主要工作并对系统的不足 和下一步的改进方向做了一些阐述。 关键词：i p 组播；源特定组播；l w - i g m p v 3 ；源过滤；互联网组 管理协议 北京邮电大学硕士研究生学位论文l w 二i g m p v _ 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t0 fu g h tw e i g h t i n l 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 a b s l c t w i t ht h ep o p u l a r i t yo fi n t e r a c t ，t h ei n f l u e n c eo fn e t w o r kt e c h n o l o g y h a sp e r m e a t e de v e r yc o m e ro fs o c i e t y , s u c ha sw o r k i n g ，l i v i n ga n d a m u s e m e 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 kb 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 si m p o r t a n c e i g m p v 3i so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tp r o t o c o l si ni pm u l t i c a s ta r c h i t e c t u r e ，h o w e v e r , i t s l o g i c a ls t r u c t u r ei st o oc o m p l i c a t e df o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i no r d e rt o s o l v et h i sp r o b l e m , h u a w e it e c h n o l o g i e sc o h a sp r o p o s e das i m p l i f i e d v e r s i o no fi g m p v 3i nt h e l w l i g m p v 3 m u ) v 2i n t e r n e td r a f t ”，w h i c hi s a n a l y z e di nt h i st h e s i s a l s o ，t h ei 涮二i g m p v 3h a sb e e ni m p l e m e n t e do n t h ex o r p p l a t f o r m ，a n dd e t a i l e dt e s to ft h ep r o t o c o lh a sb e e nc a r r i e do u t a n da n a l y z e d f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c tb r i e f l y , f o c u s i n go nt h er e s e a r c hs t a t u so fi pm u l t i c a s tt e c h n o l o g y b ya n a l y z i n g i pm u l t i c a s ta r c h i t e c t u r e t h ei m p o r t a n c eo fl g m pi sd e s c f i b e d t h e nt h e t h e s i sc o m p a r e st h ep r o sa n dc o n so fe v e r yv e r s i o no fi g m pa n df o c u s e s o nt h ea n a l y s i so fi g m p v 3 s e c o n d l y , s i m p l i f i c a t i o nr e a s o n sa r ep r e s e n t e do nt h eb a s i so f a n a l y z i n gd e e p l y i nl w - i g m p v 3 m l d v 2d r 心l w - i g m p v 3a n d i g m p v 3a r ec o m p a r e di na s p e c t so fm e s s a g et y p e s ，p r o t o c o lp r o c e d u r e s ， m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o li n t e r f a c e sa n dp r o t o c o lc o m p a t i b i l i t y a n dt h e n t h el e v e lo fs i m p l i f i c a t i o ni sa n a l y z e d o nt h eb a s i so ft h ea b o v ea n a l y s i s u 瞩，- i g m p v 3i sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d o nt h ex o r pp l a t f o r i l l i no r d e rt oe v a l u a t et h e i m p r o v e m e n tb e t w e e nl w 二i g m p v 3a n di g m p v 3 。t h o r o u g ht e s t sa r e c o n d u c t e d ，w h i c h i n c l u d e sf u n c t i o n a l t e s t ，c o m p a t i b i l i t y t e s ta n d p e r f o r m a n c et e s t t h er e s u l ts h o w st h a t ，l w j i g 胁3i sa b l et os u p p o r t 北京邮电大学硕士研究生学位论文l w - i g m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 i pm u l t i c a s tc o r r e c t l ya n de f f e c t i v e l y , a n ds h o w sg o o dc o m p a t i b i l i t yw i t h o l d e rv e r s i o n so fi g m ei ti sb e l i e v e dt h a tl w - i g m p v 3c a n g r e a t l y i m p r o v e r o u t e r p e r f o r m a n c e i nm o s ts i t u a t i o n s ，a n di so f g r e a t s i g n i f i c a n c ei no p t i m i z a t i o no fr o u t e rp e r f o r m a n c ei nl a r g e s c a l ei p m u l t i c a s ta p p l i c a t i o n s f i n a l l y , t h em a j o rw o r kd u r i n gg r a d u a t ep e r i o di ss u m m a r i z e da n d t h el a c k i n go ft h i ss y s t e ma l o n gw i t ht h ef u t u r es o l u t i o ni sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：i pm u l t i c a s t ；s o u r c e s p e c i f i cm u l t i c a s t ；s o u r c ef i l t e r i n g ； l w - i g m p v 3 ；i g m p v 3 i v j ! 京邮电大学硕士研究生学位论享删i g m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 2 - 1i p 组播体系结构 图目录 2 - 2i g m p v l 报文格式 2 - 3i g m p v 3 查询报文格式 2 - 4i g l 旧v 3 报告报文格式 2 - 5 报告报文中的组记录格式 2 - 6i g m p v 3 组播接收状态信息表 2 - 7i g m p v 3 路由器端协议状态转换图 2 - 8i g 即v 3 组播转发判断流程 3 - l 查询一响应模式消息交互 3 - 2l w - i g m p v 3 组播接收状态信息表 3 - 3l w - i g m p v 3 路由器端协议状态转换图 3 - 4s d l 符号说明。 3 - 5 初始状态协议流程对比 1 4 1 4 3 - 6i n c l u d e 状态协议流程对比 3 - 7e x c l u d e ( a s m ) 状态协议流程对比 3 - 8l w - i g m p v 3 组播转发判断流程 3 - 9i g i v l p v 3 协议对t o e x 消息的处理流程。 3 - l ol w - i g m p v 3 协议对t o e x 消息的处理流程 4 - ix o r p 框架m 4 - 2 环境架构图 4 - 3l w - i g m p 组件内部模块图 4 - 4i n c l u d e 状态下的消息处理流程( 1 ) 4 - 5i n c l u d e 状态下的消息处理流程( 2 ) 4 - 6a s m 状态下的消息处理流程( 1 ) 4 - 7a s m 状态下的消息处理流程( 2 ) 4 - 8 查询器及非查询其状态下的消息处理流程 4 - 9l w - i g m p 组件的类关系图 5 - 1 测试环境l 3 2 。3 3 3 5 3 7 3 8 4 2 5 = 2 测试环境2 。 5 - 3 小型局域网路由器c p u 报文处理时间对比图。 5 - 4 中型及大型局域网路由器c p u 报文处理时间对比图 5 - 5 小型局域网i g m p 模块内存占用情况对比图。 4 6 4 7 5 9 5 - 6 中型及大型局域网i g m p 模块内存占用情况对比图 5 - 7 路由器p i m - s m 模块c p u 占用情况对比图。 5 - 8 路由器p i m - s m 模块内存占用情况对比图 v n 5 9 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 北京邮电大学硕上研究生学位论文l w - i g m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 2 - 1i g m p v l 报文各字段含义 表目录 3 - 1l w - i g m p v 3 端协议消息处理规则表2 1 3 - 2 协议消息映射规则表2 5 3 - 3i g 船v 3 及l w - i g m p v 3 协议处理各种i g m p 报告消息的元素操作次数对比2 8 4 1z e b r a 支持恸k 议2 9 4 - 2 接口配置简表4 0 4 - 3 引用接口配置简表。4 l 4 - 4m l d n o d e c l i 类结j 构4 3 4 5ic 御vif 类结构。4 3 4 - 6i g m p g r o u p 类结构 4 - 7i g m p g r o u p s e t 类结构。4 4 4 - 8i g m p s o u r c e 类结构。 4 - 9i g m e s o u r c e s et 类结构 5 - 1 功能性测试用例分类 5 - 2 功能性测试用例统计 5 - 3 功能性测试用例示例 5 - 4 测试用例纲要 5 - 5p i m - s m 兼容性测试用例大纲 5 - 6 应用程序测试用例示例 i 4 9 5 4 5 5 表表表表表表表表表表表表表表表表表表表 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， 本人躲牡 本人承担一切相关责任。 日期： 迎3 ；q 。銎： 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： 塑：】兰曼： 日期：塑皇呈：! 芝：盘： 导师签名： 北京邮电大学硕：上研究生学位论文l w 二i g m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着宽带多媒体网络的不断发展，各种宽带网络应用层出不穷，i p t v ，视频 会议，多媒体远程教学，远程医疗等应用逐步得到开展，使得组播技术的优势和 重要性逐渐显现出来。组播网络中，成百上千的组播应用用户和一个组播应用用 户消耗的骨干网带宽是一样的，从而有效的解决目前宽带应用对带宽的要求，并 提高了网络带宽利用率。 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) 是i p 组播 体系架构的一个重要组成部分，在i g m p 的最新版本i g m p v 3 ( i n t e r n e tg r o u p m a n a g e m e n tp r o t o c o lv e r s i o n3 ，互联网组管理协议版本三) 中，协议的逻辑结 构过于复杂，不利于实际应用，且原协议中的一些状态在目前的一般组播应用中 并没有相应的场景。针对i g m p v 3 协议存在的问题，华为公司提出了 l w i g m p v 3 m l d v 2 ( l i g h t - w e i g h ti 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 lv e r s i o n 3 m u l t i c a s tl i s t e n e rd i s c o v e r yv e r s i o n2 ，轻量级互联网组管理协议版本三 组播监听协议版本二) 草案，该草案中提出了l w - i g m p v 3 ( l i g h t - w e i g h ti n t e r n e t g r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o lv e r s i o n3 ，轻量级互联网组管理协议) ，通过简化协 议逻辑架构，从而减轻路由器的负担，提高路由器效率，为组播路由协议提供更 好的接入服务。l w i g m p v 3 m l d v 2 草案得到了国际互联网标准制定组织i e t f 的 认可。为了推动该草案在i e t f 的标准化建设，促进华为标准化工作，本论文所 依托项目承担了l w - i g m p v 3 m l d v 2 协议草案的协议原型实现及验证工作，包括协 议分析与设计，在开源路由器平台上进行实现与测试，以及m i b ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o nb a s e ，管理信息库) 方面的相关研究等。本课题就是在这种背景下提 出的。 1 2 课题研究工作 1 2 1 课题目标 “i g m p v 3 路由器端协议的简化项目的目标是通过精简原i g m p v 3 协议中一 些不必要的状态和信令，在保持原有基本功能不变的情况下，兼容原i g m p v 3 的 前提下，简化协议逻辑架构。 针对现有i g m p 协议存在的问题，研究能够更加适合未来基于a s m ( a n y l 北京邮电人学硕士研究生学位论文l w - i g m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 s o u r c em u l t i c a s t ，任意源组播) 模式和s s m ( s o u r c es p e c i f i cm u l t i c a s t ，精准 源组播) 模式的组播路由协议的组管理协议，从而能够减轻查询路由器的负担， 提高查询路由器效率，为组播路由协议提供更好的接入服务，为网络组播业务的 实现，应用和商业化提供支持。 1 2 2 课题研究内容 课题主要研究内容主要包括以下几方面： ( 一) 现有组播体系结构以及业务模型的研究，包括域内和域间组播路由协 议，各个版本的组管理协议，任意源组播业务模型，精准源组播业务 模型等的研究； ( 二) 对华为公司提出的l w - i g m p v 3 m l d v 2 草案的研究及分析，包括 l w 二i g m p v 3 m u ) v 2 的提出依据，协议流程，与组播路由协议的交互 流程等的研究； ( 三) 开源路由器平台的研究，包括路由器平台的搭建和架构分析，并通过 在开源路由器平台上实现l w - i g m p v 3 m l d v 2 协议，分析协议的改进 程度。 1 3 本文研究工作 本论文课题主要工作内容如下： ( 一) 分析目前互联网组播体系结构的组成，并对主要的组播路由协议和组 管理协议进行分析： ( 二) 全面认识i g m p 协议发展历史，深入分析i g m p 协议各个版本的特点 及优缺点，重点分析i g m p v 3 协议，为l w - i g m p v 3 协议的提出奠定 理论依据； ( 三) 详细描述l w - i g m p v 3 协议的简化依据，通过与i g m p v 3 的比较深入 研究了l w - i g m p v 3 在消息类型，协议流程，组播路由协议接口方面 的简化，并分析了l w - i g m p v 3 协议的后向兼容性以及协议简化程度； ( 四) l w - i g m p v 3 协议的设计与实现，根据l w - i g m p v 3 协议的草案和 i g m p v 3 标准，深入分析协议的细节，写出总体设计和详细设计，并 结合可编程的软路由器平台进行编码实现； ( 五) l w - i g m p v 3 协议的一致性，兼容性及性能测试。通过在网络中的路由 器和主机上部署不同版本的i g m p 协议，并设计各种应用场景，验证 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文l w - i g m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 l w - i g m p v 3 协议的兼容能力；i g m p v 3 协议改进前后性能方面的对比 与分析，通过实际网络环境，测试当网络中成员主机数量，组播组的 数量及组播组成员数量变化时，从协议的网络信令开销，路由器端的 处理能力等方面对比验证协议的性能优化程度； 1 4 论文结构 后续论文各部分内容安排如下： 第二章介绍口组播技术，全面介绍了口组播体系结构，口组播基础知识， 组播路由协议和组管理协议等，并针对目前存在的两大类组播路由 协议进行分析比较，指出其各自的优缺点并介绍与之相对应的组管 理协议l g m p 。 第三章i g m p v 3 协议简化方案，对组管理协议i g m p v 3 进行深入的研究， 针对其适用的组播路由协议的类型和协议存在的不足提出新的改 进方案。因为组管理协议i g m p v 3 与组播监听发现协议m l d v 2 在 运行机制上是相同的，其区别主要是i g m p v 3 是针对i p v 4 的组播， 而m l d v 2 是针对i p v 6 的组播。本论文的新的改进方案既适合 i g m p v 3 ，也适合m l d v 2 ，所以改进方案主要针对i g m p v 3 进行阐 述。 第四章详细介绍了l w - i g m p v 3 协议的协议细节，给出总体设计，详细设 计及在可编程的路由器平台的编码实现过程。 第五章对l w - i g m p v 3 协议的功能性测试，兼容性测试及性能测试过程进 行了详细描述，通过搭建实际网络环境，测试当网络中成员主机数 量，组播组的数量及组播组成员数量变化时，从协议的网络信令开 销，信令传输时延，丢包率，路由器端的处理能力等方面对比验证 协议的性能优化程度，主要从协议以及l w - i g m p v 3 协议对原各版 本i g m p 协议的兼容程度。 第六章对本论文进行总结，提出了下一步改进和完善的建议，最后列出了 本人在硕士研究生期间的工组情况和取得的成果。 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文l w - i g m p v 3 ( 轻量级互联嘲组管理协议) 的研究与实现 2 1i p 组播基本概念 2 1 1 组播分发树 第2 章技术背景介绍 在单播模型中，数据包通过网络沿着单一的路径从源主机向目的主机传递。 但是在组播模型中，源主机向具有相同组播组地址的接收主机传递数据包。为了 能够将组播数据传递给所有接收主机，网络用组播分发树来描述i p 组播在网络 中经过的路径，组播分发树使源主机，i p 组播数据包在网络中经过的路由器， 和组播组中的所有接收主机成为一个整体。 根据构造方法的不同，组播分发树分为两种基本模型：有源树和共享树。有 源树是组播分发树最简单的形式。它以组播源作为有源树的根，有源树的分支形 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s p t ( s h o r t e s tp a t ht r e e ，最短路径树) 。 共享树则以组播网中的组播路由器中的一个作为共享树的公共根，这个根被 称为r p ( r e n d e z v o u sp o i n t ，汇聚点) ，并由r p 生成到达所有接收主机的树。使 用共享树时，发送组播信息的源主机不是直接向网络中发送组播信息，而是将组 播数据包进行封装后再单播到汇聚点。共享树又可分为单向共享树和双向共享 树。单向共享树中组播数据流首先发送到汇聚点，再由以汇聚点为根的共享树发 送到组播接收者。双向共享树是指组播数据流可以经过也可以不经过共享树到达 接收者，并允许组播信息在两个方向流动。 2 1 2 i p 组播转发 在单播模型中，从源主机向目标主机发送数据包时，数据包沿单一路径传 递，沿途各路由器根据数据包的目的地址查找单播路由表，从而决定向哪一个接 口转发。 而组播数据包的转发机制和单播数据包不同，在组播模型中，由于组播源是 向一个组播组地址，而不是单播模型中的具体目的地址发送数据包，因此如果多 个接口上均存在组播接收者时，组播路由器必须将组播数据包转发到多个接口 上。以便同一组播组的成员均能接收到数据包。 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文u 叭i g m p 、r 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 2 1 3 逆向路径转发 如果组播路由器在其输出接口上接收到组播数据包，就会产生组播路由循环 的现象。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) 是大多数现有组播路由 协议中组播数据转发过程，其目的就是为了避免路由循环。r p f 的工作机制是当 组播路由器收到组播数据包后，必须根据组播数据包的源和目的地址确定组播分 发树的上游和下游方向，把组播数据包沿着下游方向进行转发。r p f 的操作使用 单播路由表确定上游和下游的邻居节点。若组播数据包是从上游邻居节点相对应 的接1 ：3 到达时，则r p f 检查成功，组播数据包被转发至下游：否则r p f 检查失败， 丢弃该数据包。 2 2i p 组播体系结构 婵组播体系结构以组播分发树为核心，由两部分组成：1 所有路由器至少 要支持一种组播路由协议；2 所有的主机和接入路由器需要运行本地组管理协 议。组播路由协议的主要功能是构造并维护组播分发树，使得组播数据在传送过 程中不仅被正确路由，还要在适当的地方被复制。而本地组管理协议的主要功能 是在一个子网内，为主机和路由器提供必要的信息交互，帮助主机动态的加入和 离开特定的组播组，并帮助路由器维护子网中的组播组加入情况。( 如 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文l w - i g m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 图2 - 1i p 组播体系结构 目前重要的组播路由协议包括d v m r p t l l ( 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 ，距离矢量组播路由选择协议) ，m o s p f l 2 1 ( m u l t i e a s te x t e n s i o n st oo s p f , o s p f 协议的组播扩展) ，c b t 3 1 ( c o r eb a s e dt r e e s ，核心树) 以及p i 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 ，协议无关组播) ，其中p i m s m t + l ( p r o t o c o li n d e p e n d e n t m u l t i c a s ts p a r s em o d e ，稀疏模式协议无关组播) 由于其不仅仅依赖于共享树机 制，以及与单播路由协议的无关性，成为域内组播协议的首选。在p i m s m 的基 础上，i e t f 组织又提出了p i m s s m s l ( 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 ts o u r c e s p e c i f i cm o d e ，源特定模式协议无关组播) ，这是一种支持s s m 业务模型的组播路 由协议。虽然现存的组播路由协议种类繁多，本地组管理协议却只有一种被广泛 采用，即i g m p 在现有口组播体系结构中，组播路由协议根据组播源信息，接收者信息， 网络拓扑信息，运用一定的组播路由算法在组播路由器上构造组播分发树，使组 搔体系结构各个部分形成一个整体。组播路由器之间采用组搔路由协议来建立和 维护组播分发树，并根据组播分发树复制和分发组播报文，保证组播数据包沿着 组播分发树到达组播接收者。 组播路由协议是口组播体系结构中最核心的部分。m 组播路由协议的业务 模型分为域内组播和域间组播两部分。域内组播协议把网络当作没有层次结构的 平面网络，只能用于口网络的自治域内；域间组播路由协议则是为了解决在大 型的，跨自治域的分层口网络中的组播路由问题。 但是随着口网络组播应用的不断发展和深入研究，现有的口组播体系结构 中通用的组播路由协议业务模型已经无法很好的支持所有的组播应用。现有的组 播协议业务模型只能支持源节点不确定的应用，组播接收者在接收业务之前无法 知道要申请的业务源的情况，只需要加入该组播源相对应的组播组。而可以预见 的将大量出现的组播应用是源节点确定的应用。因此i e t f 组织提出a s m 和s s m 业务模型。 2 21 按照自治域划分的业务模型 2 211 域内组播路由协议 域内组播路由协议分为三种：密集模式协议，稀疏模式协议和链路状态协议， 这些路由协议的主要区别在于组播分发树的构建和维护机制。 1 密集模式组播路由协议 密集模式的特点是假定在子网中总有组播业务接收者，组播信息通过扩 散技术传播至整个网络，属于数据驱动型。密集模式组播路由协议包括 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文l w - i g m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 d v m r p 和p i m d m 6 1 ( 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 td e n s em o d e ，密集 模式协议无关组播) ，主要用在组成员密集的网络拓扑中，主要特点是网络 中每台路由器需要保存大量的状态。 2 稀疏模式组播路由协议 稀疏模式的特点是假定在子网内没有组播业务接收者，除非有接收者主 动加入，否则不像网络内转发组播数据包，属于接收者驱动型。稀疏模 式组播路由协议包括p i m s m 和c b t ，主要用在组播组成员在广泛区域 内稀疏分布的网络拓扑中，能够有效地控制网络流量以及路由器的负载。 3 链路状态组播路由协议 链路状态组播路由协议包括m o s p f , m o s p f 是对单播o s p f ( o p e n s h o r t e s tp a t hf i r s t , 开放最短路径优先) 的扩展，它将数据包在最小的开销 路径上进行传送，继承了o s p f 网络对网络拓扑的变化响应速度快的优 点。但是拓扑变化会使所有路由器的缓存失效，需要重新计算最短路径 树，因此不适合动态性高的网络。 2 2 1 2 域阃组播路由协议 目前域问组播路由协议有m b g p m ( m u l t i p r o t o c o le x t e n s i o n st ob g p 4 ，b g p 4 协议的组播扩展) ，m s d p t 8 3 ( 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) ，m a s ( m u l t i c a s ta d d r e s s s e tc l a i m , 组播地址集请求) 以及b g m p t l o l ( b o r d e rg a t e w a ym u l t i c a s tp r o t o c o l ，边界网关组播协议1 现在对于域间组播有两种方案： 1 b g m p m s d p p i m s m ； 2 m a s c b g m p p i m s m ，但是只有第一种方案是成熟的，并被许多运营商使用， 其他方案的标准还在研究当中。 2 2 2 按照源节点处理模式划分的业务模型 标准的组播业务是一种任意源组播( a n ys o u r c em u l t i c a s t , a s m ) 的模型，采用 多到多业务模型。随着对组播技术的研究，a s m 组播模型出现了关于地址分配、 缺乏访问控制，以及不能有效地处理源地址已知的情况等问题删。同时经研究发 现，大量的组播应用是在源地址己知的情况下，针对a s m 模型存在的各种问题， i e t f 组织提出s s m 业务模型，基于单源组播思想，采用严格的单到多业务模型。 2 2 2 1 a s m 组播业务模型 a s m 模型的定义为：一个口数据包被发送到一个主机组，接收主机( 或路 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文l w 二i g m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究勺实现 由器) 通过一个单一的口组播地址识别( i p v 4 地址从2 2 4 0 0 0 到 2 3 9 2 5 5 2 5 5 1 5 5 ) 。终端主机可以在任何时间加入或离开该组，并且它们的位置 和数量没有限制。这种模型支持任意多个发送者的组播组，即任意一个或多个终 端主机( 或路由器) 都可以发送数据给一个主机组，即使它可能不是那个组的成 员。接收主机通过请求加入该组播组便可接收到发往该组播组的数据包。a s m 通过一个组播地址g 标识一个组播组，每个组可以有任意多个发送者和任意多 的接收主机。源主机可以发送组播数据包给具有该组播组地址的组播组，即使该 组播组目前没有任何成员。 早期的组播路由协议都是按照a s m 模型设计的，接收主机加入某个组播组 是不能制定它希望接收由哪个组播源发送的数据，因此会收到任何组播源发往该 组播组的数据。如果该组播组的源主机的数量很大时，将会造成带宽浪费甚至网 络拥塞。 目前a s m 组播模型在具体实施上存在以下几个方面的问题： ( 一 ) 地址分配 这是由a s m 模型本身引入的一个最为关键的实际问题。目前的组播 体系没有提供一个有效的办法来解决在多个应用程序闻分配组播地址 时可能产生的冲突问题。这个问题在i p v 4 中尤为严重。 ( 二) 缺少访问控制机制 在a s m 模型中，当接收者加入一个特定组播组时，它不能指定接收 特定组播源发送的数据，而必须接收所有发往该组地址的源的数据。 因此，任何恶意的攻击者，只要知道组播组使用的地址，就可以向该 地址发送数据干扰正常通信。 ( 三) 发送源口地址己知 接收端在加入组播组时已知道发送源的p 地址信息，在这种情况下， 采用最短路径树s p t 是最佳的分发模式，而共享树r p t 机制和组播源 发现m s d p 协议这时就显得冗余了。但在a s m 模型下仍要经过r p t 到s p t 的转换过程，这在一定程度上造成了网络延时，在网络通信量 大时，或是业务的实时性要求较高时，这种延时是不能忍受的。 2 2 2 2s s m 组播业务模型 s s m 模式的组播业务定义为：一个口数据包被一个组播源s 发送给一个 s s m 目的地址g ，并且接收主机能够通过订阅信道收到这个数据包，s s m 的一 个( s ，g ) 被称为一个信道。在s s m 模型中，s s m 通过( s ，g ) 标识一个组播组，每 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文l w - i g m p v 3 ( 轻量级互联嘲组管理协议) 的研究与实现 个信道只能有一个组播源和任意多的接收者。 i a n a 组织在a s m 的组播地址空间中，指定2 3 2 8 范围的口地址作为s s m 的组播地址空间，此地址为保留地址，供指定发送源的应用程序和协议所使用。 对于i p v 6 协议，则划分具有e e 3 x 和f e 2 x 前缀的地址，前者作为“暂时性地 址使用，后者则作为“永久性 地址使用。 针对a s m 组播业务模型中存在的几个问题，s s m 都作了相应改进 ( 一) 地址分配 通过引入信道概念，很好的解决了地址分配问题，避免了不同主机为 选择不同组播地址时所需进行的协商，同时也避免了在两个不同组播 源同时使用同一个组播地址时所产生的交叉传送问题。 ( 二) 访问控制 s s m 模型在一定程度上能够解决访问控制问题。当一个接收主机订阅 一个( s ，g ) 信道时，它只能接收从发送源s 传送来的数据，而在a s m 模型中，任意主机都可以向接收主机发送数据，相比之下，对s s m 模 型中的信道进行干扰要困难得多。 ( 三) 发送源口地址已知 s s m 模型很好的处理发送源口已知的情况，只需要基于源的最短路 径分发树s 门，不需要建立r p t 过程，因此比a s m 模型更适合于实时 性强的点到多点业务。 s s m 模型出现后，迅速得到了广泛的重视和支持，p i m s s m ，i g m p v 3 ， m l d v 2 等协议相继被提出。其中p i m s s m 是支持s s m 业务模型的组播路由协 议，是对p i m s m 协议的扩展；而组管理协议i g m p v 3 和m l d v 2 也支持s s m 业务模型。 2 3 互联网组管理协议i g m p i g m p 协议运行于主机和与之直接相连的组播路由器之间，它提供了主机和 组播路由器之间用于维护组成员关系的机制。i g 船协议实现的功能分为组播路 由器部分和主机部分。如果主机想加入某个组播组，首先主动向子网内的查询路 由器发送组播组成员关系报道报文，该报文中包含了组播组的地址：在接收到路 由器的查询报文后，如果想继续接收某些组播组的数据包，便发送报告报文响应 组播路由器的查询。组播路由器部分的主要功能是周期性在所连接的物理网络上 发送查询，以获得组成员关系列表，并对组成员关系列表进行维护。如果同一网 段上存在多个组播路由器，只需要一个路由器定期发送查询便可，这就需要查询 者选举机制，由i p 地址较小的路由器充当查询起，周期发送查询消息，其他路 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文瑚i g m p v 3 ( 轻量级互联网组管理协议) 的研究与实现 由器监听充当查询器的路由器状态，一旦发现该路由器失效，便进行新一轮的查 询者选举。目前i g m p 共有三个版本：i g m p v l t l 2 1 ( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n t p r o t o c o lv e r s i o n1 ，互联网组管理协议版本一) ，i g m p v 2 t ”l ( i n t e r n e tg r o u p m a n a g e m e n tp r o t o c o lv e r s i o n2 ，互联网组管理协议版本二) ，i g m p v 3 1 1 4 】。高版 本提供向上兼容的功能。i g m p v l 己经不再使用，仅被高版本的协议提供了对它 的兼容。目前的组播设备中广泛使用的是i g m p v 2 。最新标准i g m p v 3 是为了支持 s s m 业务模型而提出，目前支持的系统还比较有限，但随着s s m 的发展，可以预 见i g m p v 3 将迅速取代i g m p v 2 协议。 2 3 1 i g m p v l 介绍 i g m p v t 的工作原理是：组播路由器定期向所连接的所有网段上发送组播组 成员关系查询报文，询问每个网段上存在哪些组播组成员：主机如果想加入某个 组播组，就向路由器发送组播组成员关系报告报文；主机如果想离开