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m p l $ 环境下的组擂路由研究j 实现 摘要 伴随着i n t e r n c t 网络的普及和规模的不断扩大，一些新的基于网络的应 用如i p 电话、视频会议、分邗式交互系统及多媒体远程教育等已大量出现 并广泛使用。这些应用对带宽和服务质量均提出了更高的要求 i p 组播技术能很好地解决网络带宽消耗的问题，因为它允许一个发送者 可以一次发送数据到多个接收者，有效地降低网络负担，实现网络上高效的 数据传输。但它本身还存在可扩展性差和q o s 方面的问题。多协议标记交换 m p l s 技术，作为网络层路由机制与链路层标记交换机制的结合，能够为q o s 提供保障。因此，组播和m p l s 可以看作两种互补的技术。 本文首先在详细分析了组播和m p l s 技术的基础上，提出了将组播技术 融入到m p l s 技术以更好满足当前网络应用的要求。其次，本文选用p i m s m 作为组播路由协议来进行m p l s 环境下的组播路由分析，深入分析了i p 组播 树的建立、m p l s 标记交换的工作过程，p i m s m 路由协议的工作原理，重 点讨论了m p l s 组播树的生成过程。针对源端基准树模型要实现的两种映 射，分别通过添加新的信息表和分支结点处的多次填充来完成。针对共享树 模型。我们提出了一种m r p 分水岭算法来生成组播共享树的l s p s 。最后， 以一个具体的m p l sp i m s m 源端基准树实例为模型，在n s 2 中对m p l s 环境下的组播路由进行了仿真，证明了提出方案的切实可行性 关键词：组播：m p l s ；标记交换；p i m s m ：n s 2 m p l s 环境下的组播路由研究实现 a b s t r a c t w i mc e a s e l e s se x p a n d i n go ft h ei n t e m e ta n di t sa p p l i c a t i o n s ，s u c ha si p t e l e p h o n e 、v i d e oc o n f e r e n c e 、d i s t r i b u t e dd a t a b a s ea n dm u l t i m e d i ar e m o t e e d u c a t i o ns y s t e m s ，o u rl i f eh a se x p e r i e n c e dd r a m a t i cc h a n g e s i pm u l t i c a s tc a n9 e r v ew e l lt h eh u g en e e do fn e t w o r k i n gb a n d w i d t h u s i n g i pm u l t i c a s to n es e n d e rc a nt r a n s m i tt h es a m ed a t at om u l t i p l er e c e i v e r so n l yo n a l s oi tc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h eb u r d e no ft h ei n t e m e t b u ti th a ss o m e d i s a d v a n t a g e s ，e s p e c i a l l yi t ss c a l a b i l i t ya n dq o s o nt h eo t h e rh a n d ，m p l sc a n p r o v i d ec e r t a i nq o sg u a r a n t e e s ，b e c a u s ei ti sas u c c e s s f u lc o m b i n a t i o no fr o u t i n g m e c h a n i s mi nn e t w o r kl a y e ra n dl a b e ls w i t c h i n gm e c h a n i s mi nd a t al i n kl a y e r s o w ew i l lc o n s i d e rt h em u l t i c a s ta n dm p l s 鹬t w oc o m p l e m e n t a r yt e c h n o l o g i e s t h i st h e s i s a f t e rr e v i e w i n ga n da n a l y z i n gm u l t i c a s ta n dm p l sr e s p e c t i v e l y , a i m st oi m p l e m e n tm u l t i c a s to v e rm p l st or e d u c et h eb a n d w i d t hc o n s u m p t i o n w ec h o o s et h ep i m s mp r o t o c o li nm u l t i c a s tt ow o r ko v e rr o u t i n gi nm p l s w e w i l l a n a l y z eh o wt oe s t a b l i s h i pm u l t i c a s tt r e e 、t h ep r o c e s so fm p l sl a b e l s w i t c h i n ga n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp i m s m ，a sw e l la sh o wt o c r e a t ea m p l sm u l t i c a s tt r e e w ew i l lr e a l i z et h et w om a p p i n g si nas p tb ya d d i n gan e w t a b l ea n df i l l i n gt h et a b l e sm o r et h a no n et i m ea tt h eb r a n c hn o d e s w ew i l la l s o p u tf o r w a r dam l 冲d r i v e na r i t h m e t i ct oc r e a t el s p si nas h a r e dt r e e i nt h ee n d 。 w ew i l li m p l e m e n tt h em u l t i c a s tr o u t i n gi nm p l sw i t ht h en s - 2e m u l a t o rb ya p i m 。s ms p tm o d e l a n dd e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo f o u rs c h e m e k e yw o r d s ：m u l t i c a s t ；m p l s ；l a b e ls w i t c h i n g ；p i m s m ；n s 一2 m f l s 环境下韵组播路由研究j 凄现 第一章绪论 1 1 研究背景及课题提出 随着人们生活水平的不断提高，公众对信息的消费急剧增长，各种宽带 网络应用如l pt v 、视频会议、网络音频应用、网络视频应用、多媒体远程 教育等都有了广阔的市场i j 景，这些应用的不断增加带来了新的带宽急剧消 耗问题。采用单檑技术构建的网络已经无法满足带宽需求。i p 组播技术能够 有效地避免网络中的广播风暴，并且能够从本质上减少对网络带宽方面的需 求l t 2 1 。 但是，i n t c r n c t 网络规模及其用户数量的迅猛发展，使得如何提高网络速 度、进一步扩展网上运行的业务种类和提高网络的服务质量成为目前人们最 关心的问题。传统i p 组播技术提供的是尽力而为的服务，许多应用的要求 却不止如此。如网络音频视频应用就对网络的抖动和延迟有严格的要求。一 些分布式系统应用不仅要求无错误的数据传输，还要求数据有一定的时序 性。所以i p 组擂技术迫切需要与一种更为高效的技术融合。来解决对各种 新兴业务和服务质量方面的要求。m p l s 技术有望解决这一问题。 m p l s 技术将三层i p 路由和二层交换技术结合在一起l ”5 】，只需一个固 定长度的标记就可以完成数据分组在网络中的识别，大大提高了数据的转发 效率。它兼顾了i p 的灵活性、可扩展性以及a t m 技术高速度、流量控制、 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e 。服务质量) 等性能，所以使用m p l s 可以解决当静 网络中存在的路出器寻址速度及q o s 等问题。 随着m p l s 技术的不断发展，研究在m p l s 网络上实现l p 组播技术具 有实际的实用价值。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 i p 组播技术的研究现状 伴随着基于网络的应用如i p 电话、视频会议、分布式交互系统及软件更 新等的出现和广泛使用，组播技术变得越来越重要。因为它能够解决“点对 m p l s 环境下的组播路由研究i 实现 多点”，“多点对多点”的问题，实现i p 网络上的高效数据传输，有效地降 低网络负担，节约网络带宽嘲。 在8 0 年代早期，组播主要限制在局域网环境，许多局域网技术如以太网 和令牌环网等对组播提供了较好的支持。直到8 0 年代后期，d c e r i n g 提出了 将组播的功能机制增加到数据网i p 层的组播实现体系结构【”。随后组播主干 网( m b o n e ：m u l t i c a s tb o n e ) 问世，并且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 ) 在1 9 9 2 年3 月利用它成功地举行了一次网络会议，从此组播技术引起了人 们的广泛关注，并促使人们对它的各方面进行了深入的研究。 越来越多的设备供应商在其产品中增加了对组播技术的支持。全球主要 的网络设备厂商、电信运营公司和i n t e m e t 服务提供商都积极地参与和推动 这项技术的发展，其中包括c i s c o 、l u c e n t 、3 c o r n 、阿尔卡特、a t t ，s p r i n t ， u u n e t 等，他们共同致力于l p 组播协议标准的丌发、应用、推广，以及项 目的实施和互通。 历经2 0 多年的研究和发展，i p 组播已经形成了较为完整的组播协议体 系，包括组播地址分配，组管理协议和组播路由协议等。其中组播路由协议 ( m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 收集用来确定组播路由的网络中的相关状态信 息，这些状态信息包括网络的拓扑结构、链路和路由器的负载程度、链路和 路出器的信息是否有效以及网络中路由器的类别等。目前已经提出了很多组 播路由协议，并且应用于目前的i n t e m e t 网络。 实现组播路由的最普遍的方法是构造组播路由树。组搔协议使用两种树： 源端基准树( s o u r c e s p e c i f i ct r e e ) 和共享树( s h a r e dt r e e ) 。各种组播路由协议 的不同主要在于它们建立的组播树类型不同。 1 2 2m p l s 技术的研究现状 9 0 年代中期，a t m 技术得到很好的发展及应用，a t m 交换机因其数据 交换速度大大高于路由器的转发速度，被认同为数据通信中的骨干设备。如 何将终端用户的i p 数掘在a t m 上传输成为当时亟待解决的问题。针对这一 问题，c i s c o 、l p s i l o n 、i b m 、t o s h i b a 等几家公司均提出了自己的新技术及 新产品。这些技术方案相互融合产生了多协议标记交换( m u l t i - p r o t o c o l 2 m p l s 环境下的组播路由研究j 实现 l a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) 技术。 1 9 9 7 年初，i e t f 批准成立m p l s 工作组。开始了m p l s 标准的制定工 作。该工作组已经确定了m p l s 的工作机制，解决了多种交换式路由技术的 兼容性问题，提供了可扩展性较好的交换式路由技术，同时加强了在流量工 程及与光纤传输融合等应用技术方面的研究，产生了相应的r f c 文挡。 2 0 0 0 年3 月，为了更好的研究发展m p l s 技术，以l u c e n t 公司为首的 有关机构联合成立了m p l s 论坛。论坛主要关注了流量工程( t e ) ，虚拟专 用网( v p n ) 和基于类别的服务( c o s ) 等方面的内容。2 0 0 1 年起，m p l s 进入深入发展和广泛研究阶段，大量有关的草案和提议相继出现。目前，基 于a 1 n 订网络上的m p l s 应用已经趋于成熟，基于帧中继的m p l s 应用| 下在 发展，i t u ( i n t e r n a t i o n a lt c l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，国际电信联盟) 已经提出了 m p l s 的扩展一一通用多协议标记交换( g m p l s g e n e r a lm u l t i p r o t o c o l l a b e ls w i t c h i n g ) ，以便覆盖包括由i t u 定义的基于波长交换的自动光线网络 在内的各类物理通信子网f s 】 m p l s 技术。是一种综合利用了网络边缘的i p 路由技术和网络核心的交 换技术各自优点的交换技术。它不仅支持多种网络层上的协议，如i p v 4 、 i p v 6 、i p x 、a p p l e t a l k 、d e c n e t 、c l n p 等，还同时可以兼容第二层上的多 种链路技术，如a t m 、f r 、p p p 等，故称为“多协议”：此外，网络中的各 结点工作时是依掘数据分组自身携带的标记来进行分组交换的，所以称为 “标记交换”。使用m p l s ，服务提供商不但可以提供i p 服务给用户，而且 为开益扩大的i n t e m e t 带来好处：通过将i p 的优先级别与a t m 交换机中的 不同服务等级队列相映射，能为用户提供端对端的q o s 保障p j 。 c i s c o 、n o r t e l 、j u n i p e r 、中兴和华为等国内外的大型网络设备生产商都 己推出了支持m p l s 的a t m 交换机和全方位支持m p l s 的核心路由设备。 目l ； 也已在一些部门中实际应用，如我国铁通、网通的全国主干网就已大量 采用了m p l s 。 1 2 3m p l s 组播的研究现状 近年柬，对m p l s 组播的探索和研究也成为一个热点问题，i e t f 工作组 m p l s 环境下的组播路由研究j 实现 提出了一个组播框架文档【1 0 1 ，此文档提供了一个在m p l s 环境下配置口组 播的框架，综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。针对在m p l s 环境下配置l p 组播出现的问题，产生了一些m p l s 组播算法如边界路由器组播j ，标记聚集算法【1 2 j 、m p l s 组播树算法【3 】 等，这些算法采用不同的实现机制，但还没有一种算法成为m p l s 环境下i p 组播的标准协议。此外，还有一些框架的提出，如单向组播共享树建立l s p ( l a b e ls w i t c hp a t h ) 的框架t 1 4 1 5 1 ，将i p 组播扩展到m p l s 流量工程的框架 0 6 1 等。 1 3 本文研究的内容及意义 使用组播服务，可以通过共享链路带宽将数据从一个源端发送到几个目 的端，有效地节约带宽资源。多协议标记交换m p l s 体系结构，作为一种成 功的电信网络技术与计算机网络技术的融合，在提供网络组播和网络服务质 量方面亦具有自己的特点，因此组播和m p l s 可以看作两种互补的技术。 在本文中，通过将组播和m p l s 结合，把组播路由应用到m p l s 网络中 束提高网络性能。经研究发现，超过9 0 的组播应用都是指定源的，而且 在组播路由协议中p i m s m 是应用最为广泛的，所以本文选用p i m s m 作为 组播路由协议来实现一种m p l s 网络环境下组播路由的研究，我们以一个 m p l s 源端基准树为模型，在n s 2 中对m p l s 环境下的组播路由进行了仿 真实验，证明了提出方案的切实可行性。 1 4 论文结构安排 论文内容共分为七章。组织结构如下： 第一章首先介绍了课题的研究背景，分析了m p l s 技术、组播技术及 m p l s 组播的研究现状，介绍了本论文的研究内容及意义，并简述了本文的 结构安排。 第二章探讨了i p 组播技术的基础知识，如组播地址、组播组管理协议、 i p 组播的基本工作原理及其体系结构。详细分析了组播树并对i + 1 前存在的几 种组播路由协议进行了分析比较。 m p l s 环境下韵组播路由研究与实现 第三章将m p l s 网络与传统的i p 网络进行了比较，得出m p l s 的优点 进而介绍了m p l s 涉及的术语定义，重点分析了m p l s 标记交换的工作原理 和过程。 第四章和第五章是本论文的重点部分。第四章首先从整体上分析了在 m p l s 网络中实现组播用到的技术和面临的问题，接着探讨了p i m 。s m 路由 协议，对m p l s 环境下的源端基准树的具体实现进行了研究，并对m p l s 环 境下的共享树建立提出了一种m r p 分水岭算法。第五章，结合n s 2 中m p l s 的实现，详细介绍了通过扩展m p l s 模块来实现组播路由功能的方法。 第六章在n s 2 中对m p l s 组播进行仿真实验，并对仿真结果进行了分 析。 第七章结束语是对整个论文工作的总结，也是对下一步工作的展望。 m p l s 玮境下的组撩路由研究。j 实现 第二章i p 组播技术 2 1 组播和传统单播及广播的比较 ( 1 ) 单播网络的传输方式：数据发送者和每一个数据接收者之间都建立 单独的数据链路。当网络中出现大量的数据接收者时，会导致网络负担过重， 出现拥塞。 ( 2 ) 组播网络的传输方式：数据发送者能够一次传输数据到多个组播接 收者，减少了网络中出现拥塞的可能性，提高了网络中数据传送的效率。 ( 3 ) 广播网络的传输方式：在i p 子网中的所有主机都能接收到广播数 据。广播是向网络中的所有主机都发送数据，不论这些主机是否愿意接收， 无疑这种方式会造成网络资源的浪费。但由于路由器会对广播包进行封锁， 所以，广播的范围较小，只在本地子网 2 2 组播的工作原理及特点 i p 组播通信一次仅发送一个单一的数据包到一组用户。它是将i p 分组发 送到网络上的一组主机而不是到所有的主机，只有是组播组成员的主机才能 接收到数据包，所以有效地节约了带宽。组播通信一点到多点的性质限定了 两络的路径，所以它可以限制网络的延迟。任何给定的服务器在将数据包传 输到一个单独的组播组地址时，由于这个组播组地址代表着一整组接收者， 所以它还获得了所谓的“匿名性”的优点。 2 3 组播地址分配 传统i p 地址可分为a e 共5 类，其中a c 类为普通i p 地址，e 类地址 为保留地址。d 类地址即为组播地址，范围为2 2 4 0 0 0 - 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 组播地址还可划分为局部链接组播地址、预留组播地址、管理权限组播地址 等。i p v 4 和i p v 6 的组播地址格式如下： 6 m p l s 环境下的组撬路由研究0 实现 b i t0l234 3 l i l ll0 l 组标识符 i 图2 1i p v 4 组播地址格式 f i 9 2 1t h ef o r m a to f l pm u r i e a s ta d d r e s si ni p v 4 b i t0 78 1 1 1 2 1 5 1 6 1 2 7 图2 2i p v 6 组播地址格式 f i 9 2 2t h ef o r m a to fl pm u l t i c a s ta d d r e s si ni p v 6 ( 1 ) 局部链接组播地址的范围为：2 2 4 0 0 0 2 2 4 0 0 2 5 5 ，用于局域网， 路由器不转发属于此类范围的i p 包。 ( 2 ) 预留组搔地址的范围为：2 2 4 。0 1 0 - 2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，用于全球范围 或网络协议。 ( 3 ) 管理权限组播地址的范围为：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 4 组播组管理协议i g m p i o 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 0 1 ) 协议运行于主机和与之直接 相连的组播路由器之间，用于建立、维护组播组成员关系实现对组成员的 管理。利用i g m p 协议，组播路由器可以判断在与它直接相连的网段中是否 存在组播组的成员。进而知道将组播数据分组向哪些接口转发。具体过程如 下：主机使用i g m p 通知子网的组播路由器，希望加入组播组；路由器使用 i g m p 查询本地予网中是否有属于某个组搔组的主机。当某个主机加入某一 个组播组时，它通过“成员资格报告”消息通知它所在的i p 子网的组播路由 器，同时将自己的i p 模块做好相应的准备，以便开始接收来自该组播组传来 的数据。如果这台主机是它所在的i p 子网中第一台加入该组播组的主机，通 过路由信息的交换，组播路由器加入组播分布树。当主机离开某一个组播组 时，它将自行退出。组播路由器每隔一定时问( 例如：1 2 0 秒) 使用“成员资格 查询”消息向i p 子网中的所有主机的组地址( 2 2 4 0 0 1 ) 查询，如果某一组播组 在i p 子网中已经没有任何成员，那么组播路由器在确认这一事件后，将不再 7 m p l s 环境下的组插路由研究与实现 在予网中转发该组播组的数据。与此同时，通过路由信息交换，从特定的组 播分布树中删除相应的组播路由器。 i g m p 有三个舨本，l g m p v l 、v 2 、v 3 。 ( 1 ) i g m p v l 协议，主机可以加入组播组但没有离开信息，主机要离开 组播组时存在很大的延时。路由器需使用基于超时的机制去发现成员不关注 的组播组，但当最后一个组成员离开后也不能及时通知其他的路由器停止对 此组播组数据的转发，所以会造成不必要的数据流量在网络上转发，产生资 源的浪费。在r f c l l l 2 中有关于i g m p v i 的消息格式、查询过程、查询路由器、 报告抑制机理，加入过程和离开过程的详细定义。 ( 2 ) i g m p v 2 协议就包含有离开信息。及允许快速向路由协议报告组播 组成员终止加入组的消息。当路由器收到子网中最后一个组成员要离开的消 息后，会马上发送一个特殊组轮询报文来确认本地网上确实没有组成员存 在，接着路由器向上游路由器发送消息以终止发往本地的组播数据。 ( 3 ) l g m p v 3 协议有成员关系查询消息和成员关系报告消息两种消息格 式，允许主机只接收组中特定源发送的数据分组。i g m p v 3 进步减少了协 议的额外开销。 现在大多数的u n i x 系统内含支持i g m p v 2 ，扩展可支持i g m p v 3 。而 w i n d o w sx p 已支持i g m p v 3 。 2 5 组播分布树 在组播网络中。通过组播分布树来传播组播信息，组播分布树有两种： 源端基准树( s o u r c e s p e c i f i ct r e e ) 和共享树( s h a r e dt r e e ) 。 2 5 1 源端基准树( s o u r c e s p e c i f i ct r e e ) 源端基准树也称为最短路径树( s h o r t e s tp a t ht r e e ：s v t ) 。它以组播源为根 构造从根到所有接收者路径都最短的组播树。 树的成员都保留有其所属树的一个( s o ) 状态，其中s 为数据分组来源 的i p 地址，g 为组播地址。源端基准树由一个源s 和一个组g 共同决定。其生 成过程是：源结点首先假定所有的路由器或主机都要加入该组，将组播数据以 0 m p l s 环境下的组播路由研究与实现 扩散的方式发送，这样所有要加入该源组的主机和路由器都会在相应接口建 立( s ，g ) 转发状态，如果某个两段没有该组成员，路由器将向上行路由器发送 剪枝消息，之后该路由器将不再转发任何该源组播树的分组数据，但由于泛洪 和剪枝是周期性的，所以间隔一定时间后又会重新自动嫁接上去。 由于源端基准树是以组播源为根构造组播分布树，所以不同的源要构造 不同的组播分布树。这样就可以把不同组播源发出的分组分散到了不同的组 播分布树上，有效地实现了网络中数据流量负载的均衡；此外，由于源端基准 树构造的是最短路径树，所以端到端的延迟较好，有利于延迟要求较高、流 量大的实时多媒体应用。源端基准树的缺点是要为每一个组播源构造一个组 播分布树，当数据流量并不大时，构造s p t 的开销相对较大。所以它适用于组 播成员密集的情况。 2 5 2 共享树( s h a r e dt r e e ) 共享树也称r p 树( r p t r e n d e z v o u sp o i n tt r e e ) 。 共享树( g ) 仅由一个组g 决定，可以有多个不同的源。共享树的生成 要求所有要加入指定组g 的结点都向r p 结点发送显式加入消息，通过使用特 定的i p 组播地址g ，发送加入消息到直连路由器。如果该路由器已属于( ，回 树，则在相应接口上建立一个( ，g ) 转发状态；如果该路由器还没有加入( ，g ) 树，则一般是利用r p f ( r e v e r s e p a t h f o r w a r d i n g ，反向路径转发) 接口向r p 发 送组g 的加入信息，直到加入组播树，这样一棵共享树( ，g ) 最终就被生成了。 共享树适用于组播成员稀疏的情况，每一个共享树都选有或指定一个或 多个r p ( 汇聚点) 。所有属于该共享树的结点在相应的接口上都创建( ，g ) 状 态，所有加入此共享树的组播源都把组播数据发往此共享树的r p ，由r p 再通 过共享树发往接收结点。共享树在所需维护的状态数和组播分布树总代价两 个方面有较好的性能。但是，当组播组的数据流量大时，使用共享树会致使 流量集中于r p 附近，产生瓶颈。 2 6 组播路由协议 组播路由协议运行于组播路由器之间，负责构造组播树和路由组播数据 9 m p l s 环境下的组撬路由研究i 实现 包。组播树连接了该组播组中的所有主机，一旦这棵树构造完成，所有的组 播数据都将通过它来传播。组播路由协议就是为组播数据找到从源端到目的 端的路由通道，以保证组播数据能够到达目标网络。 根据网络中的组播组成员分布情况组播路由协议可以分为密集模式协 议和稀疏模式协议两种类型。密集模式协议适用于组成员比较多或者分布比 较密集的情况。该类协议主要有：距离向量组播路由协议d v m l 冲、最短路 径优先组播协议m o s p f 和协议无关组播一密集模式p i m d m 等。稀疏模式协 议则适用于组成员比较少或者分布比较分散稀疏的情况，此类协议主要有协 议无关组播一稀疏模式p i m s m 和核心树协议c b t 。每种协议都在i n t e r n e t 上 有所应用，其q h p i m s m 协议使用最为广泛【1 8 i 。 ( 1 ) 距离向量组播路由协议d v m l 璩( d i s t a n c e v e c t o r m u l t i c a s t r o u t i n g p r o t o c 0 1 ) d v m r p 是从单播路由协议r i p 扩展而柬的，是第一个支持组播功能的路 由协议。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 是根据路由表前向转发数据，而d v m r p 是基于r p f ( 逆向路径转发) 。当一 个源要向组播组中发送消息时，一棵组播分布树就根据这个请求建立起来， 并用泛洪剪枝技术来维护这棵树。 d v m r p 定时发送分组给所有l a n 来使新加入的组播成员及时得到组播 数据，但这将导致大量的路由控制分组信息扩散，对网络规模的扩大产生限 制；此外，d v m r p 使用“跳数”作为度量，也是对网络规模的一种限制。 目前提出了分层d v m r p ，即对组播网络划分区域，区域内的组播可以按照 任何协议进行数据的传输而对于跨区域的组播则由边界路由器在d v m i 强 协议下进行数据传输。这样可以大大减少路由的开销。 ( 2 ) 最短路径优先组播协议m o s p f i l 9 i ( m 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 ) m o s p f 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。 同o s p f 类似，m o s p f 定义了三种级别的路由： ( 至) m o s p f 区域内组播路由：用于了解各个网段中的组播成员构造s p t 。 m o s p f 区域自j 组播路由：用于汇总区域内成员关系，并在自治系统 ( a u t o n o m o u ss y s t e m ：a s ) 主干网上发布组成员关系记录报告，实现区域间的 1 0 m p l s 环境下的组播路由研究l j 实现 组播分组转发。 m 0 s p f a s 间组播路由：用于跨a s 的组播分组转发 ( 3 ) 协议无关组播( 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 ：p i m ) p i m 不依赖于某一个特定的单播路由协议，它可以利用各种单播路由协 议建立的单播路由表完成r p f 检查功能，而不是维护一个分离的组播路由表 实现组播转发。由于p i m 无需收发组播路由更新，所以与其他组播协议相比， p i m 开销降低了许多。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，并使两者之问灵活转换。因而集中了它们的优点，提高了组播效率。 p i m 定义了两种模式：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 ) 。 p i m d m 也是利用r p f 机制来构建组播树，与d v m r p 类似。不同在于 p i m d m 不依赖与任何单播协议且更加简单。 p i m s m 是目前使用最广泛的组播路由协议，经研究发现，超过9 0 的组 播应用都使用p i m s m 。它将组播限制在需要收发的路由器上，它的独立接 收者可以选择构建源端基准树还是组播共享树。 ( 4 ) 核心树协议c b t c b t 协议构建一棵共享树给组播组中的成员共享。要加入组的路由器都 需要发送请求到一个核心路由器，核心路由接收到请求后沿原路径返回确 认，这样就构成了个组播树的分支。c b t 没有p i m s m 灵活，构建的树通 常是组播共享树。 2 7 组播发展存在的问题 ( 1 ) 用户管理问题 组播协议中没有提供对用户认证的支持，用户可以随意地加入一个组播 组，也可以随意地离开。因此组播源无法知道用户何时加入，何时离开，也 就无法统计出某个时间网络上共有多少用户在接收组插数据分组。同时组 播源也缺少有效的方法来控制组播数据在网络上传送的方向和范围。 ( 2 ) 组播的安全性 组播使用的是用户数据报协议( u d p ) ，而u d p 是尽力而为的不可靠传 输协议。在网络上的任何用户都可以作为组播源发送组播数据，在组播协议 m p l s 环境下的组播路由研究与实现 中缺少对组播源的有效控制，同样也无法对用户进行有效控制在组搔网络 中，存在非法组播源的数据传播问题；由于u d p 没有拥塞避免机制t 所以 还会出现组播数据分组冲突的问题。 ( 3 ) 组播的可靠性 同样是因为i p 组播采用u d p ，数据的传输是不可靠的，所以会出现数 掘的丢失和传输失序等问题。 i j 面我们提到，对于视频会议之类的实时交互应用，可靠性的要求相对 较低，对抖动和延迟有较高要求。而非实时交互应用，对延迟的要求较低但 在一定范围内对可靠性提出更高的要求。此外，一些分布式应用还要求数据 具有时序性。针对不同的网络应用。应在不同的方面做出综合考虑，提出解 决办法。目前，组播的可靠性仍然是一个研究热点。 因此，尽管组播具有很多自身优势，并且协议f 1 益完善，但组播业务的 开展还面临着一些问题，如用户认证、组播源安全性和组播数据传播的可靠 性等。 1 2 m p l s 环境下的组括路由研究与实现 第3 章m p l s 技术 3 1m p l s 与传统i p 的比较 传统i p 技术中，数据分组的转发是逐跳式( h o p - b y - h o p ) 的，转发路径上 的各个路由器在转发分组时都要检查每个分组的头部信息，由此来判断下一 步的传输路径。 在m p l s 中，由于引入了标记机制，路由选择和数据转发分丌仅用标 记来规定一个分组通过网络的路径。这种基于标记的交换方式允许路由器在 做转发决定时仅仅以简单的标记为基础，而不是基于目标i p 地址做复杂的 路由查找。所以m p l s 较好地解决了转发速率的问题。 3 2m p l s 体系结构 m p l s 网络的结构如图3 1 所示： 图3 1m p l s 网络结构 f i 9 3 1t h es t r u c t u r eo f m p l s n e t w o r k m p l s 网络的核心组成单元就是标记交换路由器( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r , l s r ) 。l s r 分为控制单元和转发单元两部分。由l s r 控制单元负责路由的 选择、信令协议的执行、标记转发信息库( l i b ) 的生成和维护；由l s r 转 发单元负责根据分组中的标记以及l s r 中的标记转发信息库转发分组，转发 单元也可以按照路由协议转发不带标记的分组。 3 2 i m p l s 涉及的术语定义 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 ) ：将若干等同的 m p l s 环境下的组播路由研究与实现 数据分组合并起来即构成f e c 。所谓“等同”就是路由器会按照同样的方式 对待，例如从同样的接口转发到同样的下一跳地址，并且具有同样的服务类 别和同样的丢弃优先级等。此外，划分f e c 的方法也很灵活，不受什么限制， 都有网络管理员来控制。入口结点并不是为每一个分组指派一个不同的标 记，而是将属于同样f e c 的分组都指派同样的标记所以，f e c 与标记是 一一对应的关系。f e c 具有本地意义，即在一个l s r 中属于同一个f e c 的 两个分组，在下一个l s r 中可能属于不同的f e c 。 标记( l a b e l ) ；是m p l s 的一种关键技术。是一种简短的，具有 固定长度的标识符。 标记边缘路由器( l a b e le d g er o u t e r , l e r ) ：位于m p l s 网络的边 缘处。主要完成的是连接m p l s 域与非m p l s 域或者连接不同m p l s 域的功 能。在l e r 处可以实现对业务进行分类、分发标记、剥去标记，甚至可以 实现策略的管理、流量工程的控制等功能。 标记交换路由器( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r , l s r ) ：位于m p l s 网络 的中部，主要完成的是运行m p l s 控制协议( 如u ) p ) 及第三层的路由协议。 同时，负责与其他的l s r 交换路由信息来建立路由表。 标记分发协议( l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l ，l d p ) ：是关于如何控 制l s r 之间交换标记和绑定信息及协调l s r 问工作的一系列规定。正是利 用l d p 完成标记的分发，并让相邻的l s r 在标记的语义上达成一致的理解， 建立起一整条l s p 。 标记交换路径( l a b e ls w i t c h i n gp a t h 。l s p ) ：m p l s 实际上是面向 连接的，分配标记建立一个连接的过程，即建立了一条l s p 。l s p 可以是动 态的，也可以是静态的，动态l s p 是通过路由信息自动生成，静态l s p 是 被明确提供的。 t l v ( t y p el e n g t hv a l u e ) ：是m p l s 消息中的子结构类似于其 他协议的各种消息内的对象。m p l s 的功能扩展及更高功能的实现就依赖于 t l ，v 。1 r i 可以实现相互嵌套 2 0 l 。 4 m p l s 环境下的组播路由研究与实现 3 2 2m p l s 标记的封装 一 通用的标记封装是将3 2 位的标记单元插入到第二层( 数据链路层) 和第 三层( 网络层) 之间，其结构如下： i l 2 链路层首部m p l s 标记i p 首部数据部分 l a b e l e x pst t l 图3 2m p l s 标记的封装 f i 9 3 2e n c a p s u l a t i o no f m p l sl a b e l 封装标记有四个域组成，各域的功能如下： ( 1 ) 标记域l a b e l 占2 0 b i t s ，存放标记值。 ( 2 ) e x p 域占3 b i s ，通过它可以标记该m p l s 报文的优先级，可用作服 务质量。 ( 3 ) s 域为堆栈底标志，占l b i t ，为“l ”时表明在标记堆栈中还有标记， 否则为“0 ” ( 4 ) 1 1 阻域为生存周期，占8 b i t s 。是分组在网络中生存时间值的编码， 用来防止数据在m p l s 域内兜圈子。 此外，多个标记还可以构成标记栈，在m p l s 网络中使用。当一条l s p 需经过多个m p l s 域时，分组就需要用到多个标记。其中最外层的标记决定 数据分组的转发方式，在适当的时候向标记栈压入或弹出封装标记。标记栈 可以用于实现l s p 通道或者反映网络的分层结构等。其结构位置如下图3 3 ： l i l 鼍路层首摹m h s 标记 m p u 蠊记 即首弗t 据簟分鼍鼍层尾弗i l 图3 3m p l s 标记栈 f i 9 3 3s t a c ko f m p l sl a b e l s m l s 环境下的组播踌由研究与实现 3 2 3m p l s 标记的绑定 标记用来绑定转发等价类f e c ，即用来表示属于一个从上游l s r 流向下 游l s r 的特定f e c 分组。标记也具有本地意义，即只在上游l s r 的发送端 口和下游l s r 的接收端口之间有意义。相同的标记在不同的路由器之间可能 有不同的含义例如： 图3 4m p l s 标记的绑定 f i 9 3 4t h eb i n d i n go f m p l sl a b e l 设图3 4 中r 1 和r 2 是标记交换路由器l s r 。标记值l 表示从r l 至r 2 的转发等价类f e ca ，当r l 有分组往r 2 发送时，如果分组头的网络层信 息与f e ca 相符，那么分组将被打上标记l 后从r l 发往r 2 。标记l 与转 发等价类f e ca 进行了绑定，l 是r 1 的输出标记同时也是r 2 的输入标记。 标记l 也只是在r l 和r 2 之间有意义。其中r l 称之为r 2 的上游l s r , r 2 为r 1 的下游l s r 。 3 3m p l s 标记的分配及分发过程 3 3 1m p l s 标记的分配 m p l s 网络中结点通过使用标记分发协议( l d p ) 建立起相应l s p 。 标记分配分为上游分配、下游分配和按需下游分配三种。l d p 只规定了 其中两种：下游分配和下游按需分配。下游分配模式是由下游结点发起标记 的分配和分发过程，而下游按需分配模式则是由上游结点发起申请，由下游 结点完成标记的分配和分发。l d p 采用路由协议控制信息来驱动标记的分 配。标记是预分配的，路径是预建立的，所以在数据到达时能够以很快的速 度转发。 1 6 m p l s 环境下的组播路由研究i 实现 3 - 3 2m p l s 标记的分发过程 l d p 用到四类消息完成标记的分发过程，它包括发现消息、会话消息、 公佰消息、通知消息。标记分发协议的运行也可以分为三个阶段： ( 1 ) l d p 发现阶段：在这个阶段罩，l s r 可以自动发现它的l d p 对等， 无需进行人工配置。使用l d p 来交换f e c 一标记绑定信息的两个l s r 被称 为“l d p 对等”，并且我们说在它们之间有一个“l d p 对话”l d p 对等 体之间的l