（通信与信息系统专业论文）基于ipv6的组播技术及应用系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的飞速发展，i n t e m e t 已经成为加快和改变人类信息和知识流 通的巨大推动力。而网络业务中最吸引人的多媒体相关服务应用例如视频点播、 远程教育等正刺激着i p 组播技术的普及和发展。虽然组播技术可以避免网络资 源的浪费、减小网络拥塞和解决广播风暴等问题，比单播和广播技术有不可比 拟的优势，但是大规模的组播应用需要大量的口地址，这在目前的l p v 4 网络中 发展受到了制约。然而随着l p v 6 协议的产生却能很好的解决这个问题，l p v 6 协 议采用1 2 8 位的地址方案，彻底解决m 地址不足的问题，因此，i p v 6 与组播技 术的结合，将会对下一代网络中的应用产生深远影响。 本文把组播技术作为p v 6 的一个重要应用点，由浅入深进行研究，在对组 播技术及l p v 6 协议研究的基础上，对i p v 6 组播进行分析，并设计一个基于i p v 6 的组播应用系统，在系统中实现对组播用户的管理，组播地址的集中管理和分 配以及组播源的流标签管理等功能。 本文的主要内容如下： 1 对组播原理及相关技术进行了阐述，分别描述了组播在i p v 4 网络和m v 6 网络中的编址方式、路由协议以及管理协议，并对l p v 4 组播和i p v 6 组播进行了 比较分析。 2 对i p v 6 组播应用技术进行分析，包括组播实现的条件，分别论述了主机 及路由器对组播的支持，并对组播业务模型的信源管理、用户管理及安全控制 进行阐述和研究。 3 设计了一个基于l p v 6 组播的应用方案。给出了在l p v 6 组播应用环境下的 流标签应用模型，该模型使用m i 标签格式，实现流媒体传输对网络的要求。对 l p v 6 中受控组播协议进行了深入研究。对l p v 6 组播地址的分配方案进行了阐述， 并设计了本系统中组播地址动态分配的方案。 4 m v 6 组播应用系统的实现。该系统的组播通信方式由i p v 6 下的w m s o c k 编程实现，同时实现了对组播用户的权限管理，组播地址的动态分配以及流标 签在组播系统中对服务质量的体现。 关键词：口v 6 组播流标签w m s o c k 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e m e th a sb e c o m et h e d r i v i n gf o r c et of a s t i n ga n dc h a n g i n gh u m a ni n f o r m a t i o na n dk n o w l e d g e 1 1 1 es e r v i c e a b o u tm u l t i m e d i as u c ha sv o da n dd i s t a n c ee d u c a t i o ni st h em o s ta b s o r b i n gn e t w o r k o p e r a t i o n i ti ss i m u l a t i n gt h ep o p u l a r i t ya n dd e v e l o p m e n to fi pm u l t i c a s t m u l t i c a s t t e c h n o l o g yc a na v o i dt h ew a s t i n go fn e t w o r kr e s o u r c e s ，r e d u c en e t w o r k sc o n g e s t i o n a n ds o l v et h ep r o b l e mo fb r o a d c a s ts t o r m , e t c ni sm o r eh i g h - q u a l i t yt h a nu n i c a s ta n d b r o a d c a s t b u ts c a l ea p p l i c a t i o no fm u l t i c a s tn e e d sp l e n t yo f 口a d d r e s sw h i c hc a nn o t b ea f f o r d e di n 州n e t w o r k , s ot h ed e v e l o p m e n to fm u l t i c a s ta p p l i c a t i o nw a s r e s t r i c t e d 1 p v 6i san e wv e r s i o no fi n t e r n c tp r o t o c o lw h i c hi n c r e a s e st h ei pa d d r e s s s i z et o12 8b i t s ，i tc o m p l e t e l ys o l v et h ei n s u f f i c i e n tp r o b l e mo fa d d r e s s mu n i o no f i p v 6a n dm u l t i c a s tt e c h n o l o g yw i l lp r o d u c ef a r - r e a c h i n ge f f e c tt ot h ea p p l i c a t i o ni n t h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k m u l t i c a s ti sr e s e a r c h e da sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fi p v 6n e t w o r ki nt h i s a r t i c l e b a s e do nt h es t u d yo fm u l t i c a s tt e c h n o l o g ya n dl p v 6p r o t o c o l ，v 6m u l t i c a s t i sa n a l y z e da n d 口v 6 b a s e dm u l t i c a s ta p p l i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d i nt h i ss y s t e m ， t h ea d m i n i s t r a t i o nt om u l t i c a s tm e m b e r s h i p ，t h ec e n t r a l i s mm a n a g e m e n ta n d d i s t r i b u t i o no fm u l t i c a s ta d d r e s sa n dt h em a n a g e m e n to ff l o wl a b e lo fm u l t i c a s t s o u i a r er e a l i z e d t h i sm a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h i sa r t i c l ei sa sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h em u l t i c a s tp r i n c i p l ea n dr e l e v a n c et e c h n o l o g y , a d d r e s ss c h e m e ， m u t i n gp r o t o c o l ，m a n a g e m e n tp r o t o c o l o fm u l t i c a s ti nm v 4n e t w o r ka n dm v 6 n e t w o r ki se x p l a i n e d t l d i f f e r e n c eo f 理l 、r 4m u l t i c a s ta n d 口、r 6m u l t i c a s ti s c o m p a r e d 2 d o n es o m ea n a l y s e so nt h e 印p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo fl p v 6m u l t i c a s t , i n c l u d i n gt h ec o n d i t i o no fm u l t i c a s tr e a l i z a t i o na n d t h es u p p o r to fh o s ta n dr o u t e rt o m u l t i c a s t t h e nt h em a n a g e m e n to fm u l t i c a s ts o u i c c , t h ea d m i n i s t r a t i o no f m e m b e r s h i pa n dt h es e c u r i t yc o n t r o lo f m u l t i c a s to p e r a t i o na 聆e x p l a i n e d n 武汉理工大学硕士学位论文 3 t h ea p p l i c a t i o ns y s t e mo fi p v 6m u l t i c a s ti sd e s i g n e d g - i v e nt h ef l o wl a b e l a p p l i c a t i o nm o d e li nl p v 6m u l t i c a s te n v i r o n m e n t ，w h i c h 憾et h em il a b e lf o r ma n d r e a l i z e dt h ed e m a n do fs t r e a m i n gm e d i ad a t at r a n s p o r t a t i o nt on e t w o r k d o n ed e e p r e s e a r c ho nt h ec o n t r o l l e dm u l t i c a s tp r o t o c o lo fi p v 6 a d d r e s sa s s i g n m e n ts c h e m eo f i p v 6m u l t i c a s ti sd i s c u s s e d , a n dt h e np r o p o s e dad y n a m i ca s s i g n m e n ts c h e m es e t a m o n g t h i ss y s t e m 4 r e a l i z e dt h em u l t i c a s ta p p l i c a t i o ns y s t e mb a s e do ni p v 6 ，t h em u l t i c a s t c o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e db yt h ew i n s o c kp r o g r a m m i n gi nl p v 6n e t w o r k , t h e a u t h o r i z a t i o n m a n a g e m e n to fm u l t i c a s tm e m b e r s h i p ，d y n a m i ca s s i g n m e n to f m u l t i c a s ta d d r e s sa n dt h ef l o wl a b e lu s e df o rq o sa r er e a l i z e dt o o k e y w o r d s ：i p v 6 ，m u l t i c a s t , f l o wl a b e l ，w m s o c k h i 此页若属实，请研究生及导师签名，并装订在学位论文的摘要前。 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，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，也不包含为获得武汉理工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) ： i 区渔 日期塑g ：【。2 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：夏骘遗 导师( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 传统的互联网在l p v 4 协议的基础上经历了长时间的发展后，暴露了很多缺 点，在i p v 4 协议上的一些修修补补并不是长久之计，为此i p v 6 应运而生。i t v 6 所具有的众多优点使得l p v 6 成为下一代互联网的核心，国际上无论是在标准化、 产品化方面，还是在网络部署及其应用方面，l p v 6 都逐渐成剿1 1 。 i n t e r n e t 的爆炸式发展，在其上产生了许多新的应用，其中不少是高带宽的 多媒体应用，例如网络视频会议、多媒体远程教育、股市行情发布、网络音频、 视频广播、v o d 、远程会诊等。这就带来了带宽的急剧消耗和网络拥挤问题。 口组播技术可以有效地解决网络的拥塞问题【2 】，m 组播技术具有独特的优越性 使它成为当前网络技术中的研究热点之一，而i p v 4 的局限性严重制约了m 组播 技术的应用和未来网络的发展，i p v 6 作为下一代网络的基础以其鲜明的技术优 势得到广泛的认可。随着l p v 6 的逐渐普及，组播这一原先作为l p v 4 可选支持的 功能，在i p v 6 中己经属于必须实现的部分，因此，针对组播进行的研究也显得 更有实际意义。 1 2 研究的目的及意义 随着i n t e r n e t 的不断发展，原有i p v 4 的许多不足逐渐暴露出来，其中最严 重、也是最迫切需要解决的就是i p v 4 地址空间耗尽和骨干路由器中路由表过于 庞大的问题，这两个问题直接导致了下一代因特网协议i p v 6 的诞生。l p v 6 除了 能很好地解决上述问题外，与i p v 4 相比，其还具有地址空间编址管理、分组处 理效率、对移动性、安全性和q o s 的支持等诸多明显的优势 3 1 。随着i n t e r n e t 的 发展，1 v 6 终将取代i p v 4 ，这一点已经在业界达成共识。 经过几年的研究和试验，1 v 6 协议已经逐渐成熟，将成为下一代互联网的 核心，l p v 6 网络的研究已经成为当前网络领域研究的热点 4 1 。l p v 6 的发展势在 必行。与v 4 的3 2 位地址相比，i p v 6 的地址要长的多。i p v 6 地址共有1 2 8 位 地址，是i p v 4 地址的四倍。1 2 8 位地址所形成的地址空间在可预见的很长时期 武汉理工大学硕士学位论文 内，能够为所有可以想象出的网络设备提供一个全球唯一的地址。在i p v 6 的设 计过程中除了一劳永逸地解决地址短缺问题以外，还考虑了提高网络的整体吞 吐量、改善服务质量、安全性有更好的保证、支持即插即用和移动性、更好实 现组播功能1 5 1 。 宽带网络技术、通讯技术以及多媒体技术的日益成熟，极大的推动了宽带 网络通讯以及多媒体通信业务的发展。组播技术的简单易用、高效传输的特性 使基于宽带i p v 6 组播的实时通信研究成为m v 6 应用研究领域中一个重要的组成 部分 6 1 。许多专家都断言：口组播技术将成为w w w 技术推广以后出现的最重要 的网络技术之一，尤其是将i p v 6 和i p 组播这两项最激动人心技术的结合无疑将 对下一代互联网产生巨大的变革和深远的影响。 m 组播技术由于它所具有的独特优越性r 7 l 在疋组播网络中，即使用户 数量成倍增加，主干网络带宽不需要随之增加，加之i p v 6 对组播提供了更多的 优化支持，在高清晰度数字电视、网络会议、视频点播、网络视频监控领域中 具有广阔的应用前景，因而“最有可能成为m v 6 的一个杀手级的应用 。 i p v 6 对于视频应用的意义在于：解决了地址容量问题，优化了地址结构以 提高选路效率，提高了数据吞吐量，以适应视频通信大信息量传输的需要。6 还加强了组播功能，实现基于组播、具有网络性能保障的v c 视频会议、高清晰 度数字电视、v o d 视频点播、网络视频监控应用。l p v 6 对于m v 4 的最大革新之 处在于它对于q o s 的考虑，对各种多媒体信息根据紧急性和服务类别确定数据 包的优先级哺】。 1 3 国内外研究现状 1 9 9 8 年7 月，在制定i p v 6 地址体系标准时，确定i p v 6 组播地址分配方 案( r f c 2 3 7 3 ) ，这为组播技术在下一代i n t e r n e t 上的应用做出了必要的准备 9 1 。 2 0 0 1 年7 月，i p v 6 组播测试m 络( m 6 b o n e ) 1 1 0 】建成，运行p i m s m 组播路 由协议。m 6 b o n e 提供了很好的组播网络测试坏境，可以测试和开发与i p v 6 组播技术相关的软件和设备，同时为感兴趣的站点提供i p v 6 组播连接。目前 全球己有很多站点连接到m 6 b o n e 上【l 。 国内外的i p v 6 试验网为i p v 6 协议的制定和实现提供了测试、验证环境， 其中i p v 6 组播功能也是各个试验网的研究对象之一【1 2 】。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 9 6 年8 月i e t f 组织创建了迄今规模最大的全球范围的i p v 6 示范网一 6 b o n e ，连接了近千个站点，成为i p v 6 研究者、开发者和实践者的主要平台。 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 网的多媒体和安全的服 务。该项目的4 个研究方向中的两个与组播有关：开发和试验视频会议、在线 股票交易等多媒体应用；研究基于i p v 6 的m p 3 音频流组播软件等新的多媒体 应用。试验床中己完成了k a m ep i m s mf o rm u l t i c a s t 等项目i l 引。 1 9 9 6 年6 月，我国国家教育科研网c e r n e t 加入6 b o n e ，并于同年1 2 月成 为其骨干成员，1 9 9 9 年9 月，有关i p v 6 的8 6 3 课题研究启动，其中“高性能i p v 6 路由器软件 项目中支持组播功能。另外，搿十五一8 6 3 计划通信技术主题进一 步加大了对l p v 6 技术的研究和开发力度，其“高性能1 v 6 路由器协议栈软件 课题中包括对i p v 6 组播协议的研究。 2 0 0 6 年底，作为c n g i ( 中国下一代互联网) 【1 4 】的两大重要组成部分一教育 网的新一代中国教育和科研计算机网c e r n e t 2 以及中国电信注资1 3 亿元打造 的l l v 6 网络c n 2 都已经完成最终测试和验收。这标志着这项由我国8 部委牵头， 历时3 年的国家重大项目- 下一代互联网示范工程已基本完成设计任务，网 络建设已尘埃落定。运营商在投资建设各自承担的c n g i 项目的同时也在思索新 型的i p v 6 网络的商业价值。中国电信在投资建设c n 2 之初就打算将它打造成可 用于承载大客户业务的精品电信级互联网。所以在c n 2 建设中，中国电信还积 极地研究和设计了视频会议、宽带接入、v o d 、远程监控等新型业务在c n 2 上 实现商业运作的可能性及业务保障。中国网通则大规模开展了基于1 1 v 6 的组播 服务的研究与试验，包括基于i p v 6 的内容分发系统( c d n ) 的研究与开发、基于 i p v 6 的监控类业务试验( 如a d s l 接入、i p v 6 可视电话的研制与应用等) ，并准 备用l p v 6 网络实现奥运会的视频组播业务和监视系统。 2 0 0 7 年2 月6 日到2 8 日，日本信息通信研究机构( n i c t ) 以i p v 6 组播技 术的实际应用为目的，开始进行可靠性以及向其它网络传输的实证试验。这 次试验采用n i c t 运营管理的测试平台网络“j g n 2 一，将札幌雪祭会场、冲绳 和高知的露天职业棒球场、日本的7 家电视台以及泰国等相互连接，并传输 h d t v 格式的电视节目。此次试验的i p v 6 组播网络以及组播发送服务器采用 冗余结构，在实际环境条件下进行传输。而且，将通过与地区信息高速路、 普通网络及海外网络相互连接，以验证日本与泰国间h d t v 数据的相互传输 等情况。h d t v 数据传输方面，目的是确认与可靠性和安全性相关的协议的 武汉理工大学硕士学位论文 运行情况，并找出从电视网络向互联网传输数据时应该注意的技术要素；与 其它网络的连接方面，将验证实现相互连接所需要的i p v 6 组播路径控制技术 【l5 】 o 今后还将继续进行类似试验，以解决有关的课题。目标是i p v 6 组播技术 在普通网络中的应用以及在电视领域的实用化。 1 4 本文的研究内容及组织结构 鉴于l p v 6 的必然性和组播技术在当前网络应用中的重要性，本文在i p v 6 组 播系统实现方面作了些分析和研究工作，并在此基础上设计实现l p v 6 组播的应 用系统。 论文的主要结构为： 第一章绪论。综述选题背景、意义及国内外研究概况。 第二章l p v 6 及组播的相关理论。 第三章对6 组播的分析，就、，6 组播的实现条件及组播的业务模型做 详细的论述。 第四章对组播系统中的有关问题进行研究。 第五章在对组播原理及l p v 6 协议的研究基础上，设计一个i p v 6 组播的应 用系统。 第六章对本文的总结与展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章i p v 6 及组播技术 2 1i p 组播技术概述 2 1 1 组播的网络模型 网络中数据的传输方式基本有三种：单播( u n i c a s t ) 、组播( m u l t i c a s t ) 、和广播 ( b r o a d c a s t ) 。 单播传输：数据的传输是基于端到端，数据发送者和数据接收者是一对一的 关系，发送者和接收者之间需要有单独的数据信道。其网络结构和数据传递过 程如图所示。单播传输在数据接收者数量众多时会导致发送者负担沉重、延迟 长、网络拥塞，对发送者的硬件和网络状况要求较高。其网络结构如图2 1 所示。 接收者l 接收者2 非接收者l 接收者3 接受者4 图2 1 单播方式 组播是一种允许一个或者多个发送者( 组播源) 发送单一的数据包同时到多 个接受者的网络技术【1 6 1 。组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组 播组的地址才能接受到数据包。组播可以大大的节省网络带宽，因为无论有多 少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包【1 7 1 。 组播技术是对单播技术的扩展【l 酊，组播技术是基于群组的概念，发送者将 武汉理工大学硕士学位论文 数据发送到一个群组，希望接收该数据的主机显式地加入群组，组播路由协议 负责将数据传送给群组的加入者。组播组是能够接收以组播方式传输的数据的 所有成员的一个集合。每个组播组都有一个组播地址，组中的所有成员主机会 收到发往该地址的数据包。组播组是一个动态的，主机可以随时加入或者离开 一个组播组；是否加入一个组播组都是由主机自己来决定；一个组播组可以拥 有的成员数量不受任何限制，成员的地理位置不受限制( 只要组播路由器的支 持) ；一台主机可以同时属于几个组播组。其网络结构如图2 2 所示。 接收者l 接收者2 非接收者1 接收者3 接受者4 图2 2 组播方式 广播传输：指的是网络节点发出的数据包在子网内广播，网络向子网内每个 主机都投递一份数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包，而不论 这些主机是否乐于接收该数；并且由于路由器不会转发子网的广播信息，故广 播只在本地子网内有效，使用范围受到限制。广播传输增加了非接收者和路由 器的开销。其网络结构如图2 3 所示。 接受者接受者接受者接受者接受者 图2 3 广播方式 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2i p v 4 组播的编址方式 ( 1 ) 组播地址及分配【1 9 1 坪组播地址用于标识一个m 组播。i a n a 把d 类地址空间分配给组播使用， 范围从2 4 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。i p v 4 组播地址格式如图2 - 4 所示。 k 兰! ! 一i 兰! k 主兰 k 兰羔! 一 甲固曰曰 固定为1 1 1 0 图2 - 4m 组播地址格式 第一组8 b i t 数的头4 b i t 用1 1 1 0 表示，表示该地址是一个组播地址，其余2 8 b i t 表示具体的组播地址。其中，后2 4 为比特的地址字段中不再有结构层次，也不 标出组的来源，不像a 、b 、c 类地址那样包含1 个网络地址。p 组播地址的使 用分配现在由i n t e r n e t 地址指派几个i a n a 控制，i a n a 对组播地址分配建议如 表2 1 所示。 表2 - 1i a n a 对组播地址分配 地址范围用途 2 2 4 0 0 0 2 2 4 0 0 2 5 5局域网络支配地址 2 2 4 0 1 m 忍2 4 0 1 2 5 5i n t e m e t 网络支配地址 2 2 4 0 2 m 之2 4 0 2 5 5 0 无线自组网( a dh o e ) 地址 2 2 4 1 o m 乞2 4 1 2 5 5 2 5 5 无全称( s d 组播地址 2 2 4 2 0 m 之2 4 2 2 5 5 2 5 5 会话描述协议，会话通告协议( s d p s a p ) 地址 2 2 4 2 5 2 0 m 之2 4 2 5 5 2 5 5 2 5 5 即使分布式交互模拟( d i s d 地址 2 2 5 0 0 0 乞31 2 5 5 2 5 5 2 5 5预留 2 3 2 0 0 m 之3 2 2 5 5 2 5 5 2 5 5 定源组播( s s m ) 地址 2 3 3 0 0 m 艺3 3 2 5 5 2 5 5 2 5 5 自治系统组播( g l o p ) 地址 2 3 4 0 0 m 忍3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5预留 2 3 9 0 0 m 乞3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5管理范围地址 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 组播地址到m a c 地址映射 当组播地址与硬件设备m a c 地址进行映射后，组播组中所有的主机才会收 到该组播地址上的每个分组拷贝。要把p 组播地址映射成为相应的物理网组播 m a c 地址，用以太网为例，只需将m 组播地址的低2 3 b i t 放到指定的以太网组 播地址的低2 3 b i t 上，组播地址映射方式如图2 5 所示。 口组播地址； m a c 地址l 图2 5 组播地址映射 第三层m 组播地址的全部2 8 b i t 地址不能全部映射进仅有的2 3 b i t 可用的 m a c 地址映射空间，致使在映射过程中丢失了5 b i t 地址信息，造成每一个p 组播m a c 地址能表示3 2 个m 组播地址。这种不明确性使本地网中多个组播组 使用相同的m a c 地址，接受主机c p u 需检查收到帧的口部分以确定是否是其 所需要的组播组，所以对c p u 的性能要求比较高。如果物理网络不支持硬件组 播，口协议一般将m 组播地址映射为硬件广播地址。 2 1 3 组播的管理协议 i g m p 协议被用来动态地管理群组成员加入和退出。当一台主机希望加入一 个群组，它向本地的组播路由器发送i g m p 消息。组播路由器监听i g m p 消息， 并作出相应的操作。同时它还周期性的发送查询以维持当前活跃的群组。 到目前为止，i g m p 有三个版本。i g m p v l ( r f c l l l 2 ) 中定义了基本的组成员 查询和报告过程；目前通用的是i g m p v 2 ，由r f c 2 2 3 6 定义，在i g m p 、，l 的基 础上添加了组成员快速离开的机制；i g m p v 3 2 0 l 中增加的主要功能是成员可以指 定接受或指定不接受某些组播源的报文。 当同一个网段内有多个组播路由器时，i g m p v 2 通过查询器选举机制从中选 3 武汉理工大学硕士学位论文 举出唯一的查询器，周期性地发送通用组查询消息进行成员关系查询，主机发 送报告消息来响应查询。主机发送报告消息的时间有随机性，当检测到同一网 段内有其它成员发送同样的消息时则抑制自己的响应报文。如果有新的主机要 加入组播组，不必等待查询器的查询消息而是主动发送报告消息；当要离开组 播组时，主机发送离开组消息，收到离开组消息后查询器发送特定组查询消息 来确定是否所有组成员都已离开。对于作为组成员的路由器而言其行为和普通 的主机一样响应其它路由器的查询。通过上述机制，在组播路由器里建立起一 张表，其中记录了路由器的各个接口所对应的子网上都有哪些组的成员。当路 由器接收到某个组g 的数据报文后，只向那些有g 的成员的接口上转发数据报文， 至于数据报文在路由器之间如何转发则由路由协议决定不是i g m p 协议的功能。 2 1 4 组播的路由协议 组播路由是要确定从组播数据源到组播成员的组播分发树。组播路由协议 可以分为两大类，即稠密模式的组播路由协议和稀疏模式的组播路由协议。 稠密模式指组播组成员集中在一个相对比较小的范围内。在稠密模式中， 采用泛洪加裁减的组播组转发是较为有效的。组播路由器主动地向所有端口转 发组播报文，如果在某个端口收到了反向裁减的消息，组播路由器就不再向该 端口转发组播报文。通过泛洪加裁减，稠密模式的组播路由协议为每个源点建 立一棵最短路径的组播分发树。虽然泛洪裁减方法比较简单，但是它占用了大 量的网络资源和路由器资源。在群组成员相对集中时，被裁减掉的端口相对较 少，裁减测试的代价也相对较小，泛洪裁减方法能体现出较高的效率。属于稠 密模式的组播路由协议有：d v m r p ，m o s p f ，p i m - - d m 等等。 稀疏模式指群组成员分散在一个较大的范围内，每个特定区域内的群组成 员较少。稀疏模式与稠密模式的组播路由协议不同的是：稀疏模式要求组播路 由器显式地加入组播共享树，组播路由器只向请求转发数据的端口转发组播报 文，因此稀疏模式可以大大的减少了维护组播共享树所耗费的网络资源。稀疏 模式有一个中心点，称为汇聚点r p 。稀疏模式并不为每个源点建立一个组播分 发树，而是以汇聚点为根，建立一棵共享的分发树，群组中的所有数据源共享 这棵分发树。属于稀疏模式的组播路由协议有：p i m - - s m ，c b t ，o c b t ，h i p 等等。其中p i m - - s m 协议比较复杂，它允许在某些情况转变成建立以源点为起 9 武汉理工大学硕士学位论文 点的最短路径分发树，以提高路由效率。p i m - - s m 协议建立的共享树是单向共 享树，c b t 、o c b t 和h i p 建立的共享树是双向共享树【2 1 1 。 2 1 5 组播的优越性及存在的问题 i p 组播技术将信息发送到一组地址上去，组播的优越性有以下几点阎： ( 1 ) 群地址 在组播网中，每个组播组拥有唯一的组播地址，组播数据包可以送到标识 目的主机的组地址，发送方不必知道有哪些组成员，它自己不必是组成员，对 组成员中主机的数目和位置也没有限制。主机不需要知道和组成员以及发送方 商量，可以任意加入和离开组播组；使用组地址，不必知道主机指定的位置， 可以找到具有此组播地址的任何资源和服务器，在动态变化的信息提供者中搜 寻需要的信息，或者发布信息到任意大小的可选用户群。 ( 2 ) 规模可扩展性 如果网络速率提高，广域组播网络的容量需要扩大，后来产生的组播路由算 法和协议都支持网络规模的扩展，而上述的群地址和动态性也是适应规模可扩 展性的另一面。 ( 3 ) 健壮性 口组播网络使用的路由协议和算法能适应网络路由动态变换，它采用软件 状态刷新机制，制作路由备份等方法，来维护群组成员之间的连接，加强网络 的健壮性。 ( 4 ) 路由算法的独立性 组播路由算法和协议独立于单播路由协议，但又依靠现存的单播路由表，在 域内适应网络拓扑的变化，动态生成组播树。 ( 5 ) 组播生成树的灵活性 组播生成树的形成与发送方和接受方的分布、网络的流量状况以及组成员的 动态性有关，且组播生成树也反映了不同的组播路由算法和组播应用。灵活的 组播生成树有利于数据包的传送，不容易造成网络的拥塞。 虽然口组播有以上优势，但也面临很多问题 2 3 1 ，包括运营方面的管理和计 费问题、可靠问题、组播地址的唯一性问题，导致从2 0 世纪9 0 年代初至今，m 组播一直没有能够在i n t e m e t 上得到大规模的广泛应用。在安全组播方面，还需 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 要实现封闭的组播通信，防止拒绝服务攻击，这个问题至今都没有能够解决， 这是因为m 组播在设计阶段没有能够重视安全问题。但是组播这种节约带宽、 传输快捷的传输特性一直被人们推崇。 2 2i p v 6 组播技术基础 2 2 1i p v 6 协议简介 i p v 6 是“i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n6 ”的缩写，也被称为下一代互联网协议， 它由i e t f 设计用来替代现行的l p v 4 协议的一种新的m 协议。现在的互联网大 多数应用的是i p v 4 协议，i p v 4 协议已经使用了2 0 多年，在这2 0 多年的应用中， l p v 4 获得了巨大的成功，同时随着应用范围的扩大，它也面临着越来越不容忽 视的危机，例如地址匮乏等等。 i p v 6 是为了解决i p v 4 所存在的一些问题和不足而提出的，同时它还在很多 方面提出了改进，例如路由方面、自动配置方面等。经过一个较长的l p v 4 和i p v 6 共存的时期，i p v 6 最终会完全取代l p v 4 在互联网上的统治地位。 2 2 2i p v 6 协议特性 针对l p v 4 的种种不足，同时也为了满足各种信业务的需求以及移动性的需 要，早在9 0 年代i p v 6 就针对i p v 4 的改进版本提出来，经过1 0 年左右的发展i p v 6 技术目前已被公认为 p v 4 技术的未来升级版本。 i p v 6 主要有以下的优点： ( 1 ) 庞大的地址空间 我们知道i p v 4 地址划分根据头比特分为a - e 类地址，a - c 类为单播地址使 用v l s m 后已无差别。d 类为组播地址，e 类保留i p v 6 拥有了1 2 8 位四倍于 l p v 4 的地址空间，i p v 6 地址等于前缀十接口标识，类似i p v 4 网络号十主机号， 前面比特表示网络其余比特表示主机。 i p v 6 地址划分为三种类型： 单点地址：唯一标识单个接口，类似i p v 4 的单播地址。 多点地址：一组接口地址，类似l p v 4 的组播地址。 任意点地址：一组接口地址中的最近一个从单点地址中分配。 其中0 0 1 开头的全局单点地址只占1 8 ，其余的地址空间均保留。设计者考 武汉理工大学硕士学位论文 虑，当0 0 1 开头的全局i p v 4 地址耗尽会再分配l 8 地址出来。 ( 2 ) 简化的报头格式 通过对i p v 6 报头和i p v 4 报头的比较我们可以看出，i p v 6 的报头已经做了很 大的简化，同时区分源和目的地址。i p v 6 报头格式如图2 - 6 所示。 v e s i o nt i 刮瞬cf l o wl a b l e p a y l o a dl e n g t h n e x th e a d e r h o pl i m i t s o u r c ea d d r e s s ( 1 2 sb i t s ) d e s t i n a t i o na d d r e s s ( 1 2 sb i t s ) 图2 - 6 肌6 报头格式 脚6 报头的长度是固定的，需要处理的域为8 个，这两方面都有利于高效 处理报文。 从具体报文域来看，口v 6 报头中删除校验和域，链路层和上层已做校验和 验证，网络层取消，减少每个口报文处理时间。 标识符、分片偏移域、标志：这三个域与m 分片重组相关，i p v 6 中将它们 移到i p v 6 分片扩展头实现，并规定转发路径的中间节点无需分片，提高报文转 发效率。 i p v 6 中要求链路最小支持1 2 8 0 字节m t u ，通过结合p a t hm t u 发现机制， l p v 6 报文只在源节点处被一次性分片，直到到达目的节点处被重组。 选项、填充域：由i p v 6 扩展头替代，l p v 6 节点只需要按顺序处理扩展头， 不必像i p v 4 选项那样存在冗余处理，符合口简化中间处理的思想，提高处理效 率。 ( 3 ) 灵活的扩展性 在l p v 4 中报文选项为i p 提供不少附加功能，如口源路由等，但l p v 4 选项 无序，影响节点对报文处理效率，同时扩展性支持不足。i p v 6 中将i p v 4 的选项 改造为l p v 6 扩展头，如将i p v 4 源路由选项功能由i p v 6 路由扩展头替代实现， 提高效率同时，提供灵活的扩展性。 i p v 6 扩展头包含以下分类基本按照处理先后顺序： 逐跳扩展头( h o pb yh o p ) ：该扩展头被报文路径的每一跳处理，可包含多 种选项，如路由器告苦选项。 武汉理工大学硕士学位论文 路由扩展头：指定源路由，类似i p v 4 源路由选项，l p v 6 源节点用来指定信 息包到达目的地的路径上所必须经过的中间节点。源路由功能比较有用，如诊 断测试，以及移动i p v 6 解决迂回路由，所以i p v 6 中保存了下来。 分片扩展头：口报文分片重组信息 a h 认证扩展头：i p s e c 用扩展头 e s p 加密扩展头：i p s e c 用扩展头目的地扩展头，只在目的地处理可包含多 种选项。 ( 4 ) 良好的层次性 l p v 6 的单点地址，它根据地址的范围可以分类如下： 可聚集全局单点地址( g l o b a l ) ：全球唯一 链路本地地址( l i n k 1 0 c a l ) ：链路范围内唯一，用于单链路上自动地址 配置和邻居发现，以及无路由器的l a n 内部通信。 网点本地地址( s i t e 1 0 c a l ) ：网点范围内唯一，用于那些尚未与i n t e m e t 连接的组织内部网络，这些地址不需要注册，而且它们的格式使得在连接到全 球i n t e m e t 时，可以方便的使用可聚集的全球单点传送地址替换。 地址层次性的作用从p s t n 网得到很好的体现，可以根据电话号码的长途区 号，市局号，逐段查找路由。i p v 4 地址原来使用a - c 类划分，以后不得不采用 v l s m 、c i d r 等技术，扩展地址层次性。但一方面i p v 4 地址长度有限，层次划 分受到限制，另一方面l p v 4 地址分配混乱无序，与网络拓扑背离，造成目前路 由聚合困难，路由表日渐庞大的问题。 ( 5 ) 自动配置 自动配置中最典型的应用是i p v 4 中使用的d h c p ，通过d h c p 服务器，客 户主机可以获得包括m 地址，缺省网关等信息，极大的简化和改善了网络管理。 l p v 6 地址冗长，且终端节点众多，对自动配置的要求更为迫切。在p v 6 中 保留了d h c p 机制作为有状态的自动配置技术，同时增加了无状态自动配置。 所谓无状态的自动配置即无需要d h c p 服务器，主要通过邻居发现机制，自动 生成链路本地地址，并且主机可以根据路由器宣告的前缀信息，自动配置全局 地址，及其他相关信息。 ( 6 ) 内置的安全性 随着i p v 6 的使用，大量设备接入到网络中，对安全性提出更高的要求。i p v 6 的安全性主要通过i p s e c 架构实现。i p s e c 当初设计是用来满足i p v 6 的安全性， 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 后来也被作为i p v 4 的候选安全方案。不同的是，l p v 6 采用专用扩展头实施i p s e c 安全结构，可以实现端到端的安全。其中a h 扩展头通过对报文的认证可以确保 i p 包的源地址的真实性，以及该包在传输中的完整性，抵御m 地址欺编、重发 和修改截获的包的攻击。e s p 扩展头对口包中数据进行加密和封装，确保只有 目的地节点才能看懂m 包的内容，抵御截取信息包和连接截获的攻击。另外 i p s e c 对i p v 6 终端处理能力也提出较高的要求。 ( 7 ) 更好地支持q o s m 是面向无连接的技术，对q o s 支持先天不足，l p v 6 设计中考虑对q o s 能 力的增强。l p v 6 在报头中保留了类似l p v 4 的t o s 域，称为传输级别域，以继续 为m 提供差分q o s 服务同时l p v 6 报头中增加2 0 比特流标签( f