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北京邮i 乜人学硕，j ：研究生毕业论文 运营商组播网络设计和可控组播方案的研究 摘要 随着i p 网络的不断发展、网络用户的大量增加，各种多媒体业 务被大量的应用，涌现出视频点播、电视电话会议、远程教学等越来 越多的新兴业务，并且成为电信运营商新一轮业务竞争的焦点。由于 传统的点到点的单播通信方式需要在发送者和每一个接收者之间建 立单独的数据通道，造成严重的带宽浪费和低效率，因而不能适应这 些多媒体业务的需要。与之相反，组播通信方式允许一个或多个发送 者( 组播源) 发送单一的数据包到多个接收者( 一次的，同时的) 。 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，因而可以有效地节约网络带宽、降低网络负载，为多媒体业 务的开展提供了一个强有力的技术手段。 本文首先介绍了组播的基本概念和组播的技术原理，包括：组播 的工作原理、组播地址的分配和映射、组播分发树、组播转发，并对 目前常用的几种域内和域间组播路由协议和组播组管理协议进行了 详实的介绍。组播组管理协议负责建立并维护路由器直联网段的组成 员关系信息，域内组播路由协议利用这些信息来构造组播分发树；组 播源将组播数据包沿着组播分发树的路径传递到所有接收者( 组成 员) 。域间组播路由协议在各自治域间发布具有组播能力的路由信息 以及组播源信息，使组播数据在域间进行转发。 通过对组播技术细节的介绍，以中国网通集团的i p 网络实际情 况为例，讨论了运营商在设计组播网络和部署组播业务前需要考虑和 解决的问题，提出了电信级可运营可管理的组播网络设计方案和可控 组播的解决方案。 最后，结合中国网通集团对其网络上主流设备的单厂家测试和设 备互通性测试的分析以及对组播协议的认识，对在i p 网络上开展组 播业务时网络上各层设备的能力给出建议。 关键词：组播组播分发树组播组管理协议组播路由协议组播 业务可控组播 北京姆1 乜大学硕士掰f 究生毕北论文 r e s e a r c h0 nm u l j i c a s tn e t w o r k d e s i g n a n dc o n t r o l l a b l em u l 月i c a s t 0 fc a r r i e r a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi pn e t w o r ka n dt h em o r ei n c r e a s i n go fn e t w o r k u s e r s ，n r o r ek i n d so fm u l t i m e d i as e r v i c e sa r cc o m i n gf o r t h ，s u c ha sv o d 、v e d i o c o n f e r e n c i n g 、d i s t a n c ee d u c a t i o na n d s oo n a l s o ，t h e s en e wk i n d so fs e r v i c eb e c o m e t h ef o c u so f c o m p e t i t i o na m o n g t h ec a r r i e r s t h et r a d i t i o n a lp o i n tt op o i n tu n i c a s td a t a t r a n s f e rm o d em u s tb u l i du po n es i n g l ed a t at r a n s f e rc h a n n e lf o r mt h es o u r c es e n d e rt o e v e r yr e c e i v e g w h i c hl e a d st ot h es e r i o u sb a n d w i d f l 1w a s t ea n dt h el o wt r a n s f e r e f f i c i e n c y s ou n i c a s tt r a n s f e rm o d ei sn o ts u i t a b l ef o rt h em u l t i m e d i as e r v i c e o nt h e c o n t r a r y , t h em u l t i c a s tm o d e a l l o w st h es o u r c es e n d e rs e n d ss i n g l ed a t a g r a mt om a n y r e c e i v e r sa tt h es a m et i m e ，n om a t t e rh o wm a n yr e c e i v e r sa d d r e s s e st h e r ea r e s ot h i s c o m m u n i c a t i o nm o d ec a n g r e a t l yl i g h t e nn e t w o r kl o a d sa n da v o i dw a s t i n gr e s o u r c e s ， a n di tp r o v i d e ss t r o n gt e c h n i c a lm e t h o dt od e p l o ym u l t i m e d i ab u s i n e s s t h i sa r t i d ef i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t sa n dt h et e c h n i c a lp r i n c i p l e so f t h em u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o nm o d e a n a l y s e st h ei n t r a d o m a i na n dt h ei n t e r - d o m a i n m u l t i c a s tp r o t o c o l si n d e t a i l s t h r o u g ht h ep r e s e n t a t i o no ft h em u l t i c a s tt e c h n i c s ， c o m b i n i n gw i t ht h e a c t u a ln e t w o r kc o n d i t i o n so fc h i n an e t c o m ，w ed i s c u s st h e p r o b l e m sn e e dt ob ec o n s i d e r e da n ds o l v e db e f o r ed e p l o y i n gt h em u l t i c a s ts e r v i c e s ， a l s ow eb r i n gf o r w a r dt h es c h e m e so fm u l t i c a s tn e t w o r k d e s i g na n dt h ec o n t r o l l a b l e m u l t i c a s t a tl a s t ，c o m b i n i n gw i t ht h er e s u l ta n dt h ea n a l y s i so ft h em a i nd e v i c e sm u h i c a s t t e s t i n g o fc n c ，w er e c o m m e n ds o m ep r o p o s e sf o rt h ed e v i c e su s e dt o s u p p o r t m u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o ni nm a yl a y e r so ft h ei pn e t w o r k ，b o t hi nf u n c t i o na n di n p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m u l t i c a s t d e l i v e r y - t r e e i g m p m u l t i c a s t p r o t o c o m u l t i c a s t s e r v i c ec o n t r o l l a b l e m u t i c a s t 北京邮，乜大学坝卜研究生毕业论文 五 7 5 7 9 5 5 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，除了文中特别如i 吼标注和致谢中所罗列裔匀内容以外，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：二堑址墨二一 日期：一童竺4 一 关于论文使用授权的说咧 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；学校可以公匆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：二暨勾近卜一 日期： 迎：主：3 导师签名： ! 乏互：斛 同期： 釜! 虹立i ! 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第一章引言 宽带化是信息高速网络架构的重点，许多城市的城域网从接入到核心各个部 分都实现了宽带化。在宽带网络的建设和运营中，业务是先导，是核心已经是不 争的事实。其中，组播业务作为未来最具潜力的业务之一，得到了前所未有的重 视。 随着宽带技术的不断发展，f t p 、h t t p 、s m t p 等传统数据业务已经难以满 足人们对信息业务的需求，视频点播、远程教学、新闻发布、网络电视等业务将 成为新轮运营竞争的焦点。这类新型业务的特点是，由一个服务器( 媒体流服 务器) 发布信息，接收端数量很大，可能成千上万个，而且具体数目不固定。 点对点传输的单播方式不能适应这一类业务传输特性一单点发送多点接收， 因为服务器必须为每一个接收者提供一个相同内容的i p 报文拷贝，同时网络上 也重复地传输相同内容的报文，占用了大量资源。在传统的模式下虽然l p 广播 允许一个主机把一个i p 报文发送给同一个网络的所有主机，但是由于不是所有 的主机都需要这些报文，因而浪费了网络资源。在这种情况下组播( m u l t i c a s t ) 技术应运而生，它的出现解决了一个主机向特定的多个接收者发送消息的方法。 组播技术非常适合这一新型业务为多媒体业务的开展提供了一个强有力的 技术手段。实现了点到多点的高效数据传送，有效地节约网络带宽、降低网络负 载，并具有下列优点： 媒体流服务器不必知道某个客户端的存在，它只负责按组播地址将媒体 流播放出去即可，而且仅仅播放一份： 媒体流数据在网上仅仅传送一份即可，即使有成千上万个客户端； 客户端不必向媒体流服务器注册，如果希望接收某媒体流服务器的数据 时，只需加入该媒体流服务器所播放的数据所在的组播组即可。 组播技术涵盖了从地址方案、管理，到路由和安全、部署方式等各个方面， 其中组播的部署及其管理等仍是运营商研究的热点。目前台湾中华电信和意大利 电信，还有美国s p r i n t 通信公司己在全网部署了组播，并开通了各种频道，同 时结合机顶盒，向用户提供个性化的频道服务。目前国内运营商尚没有大规模进 行组播部署的案例，部分城域网内，如杭州、宁波用t u n n e l 的方式提供远程教 育等相关服务。 北京螂 也大学坝士研究牟疑i k 论文 第二章组播介绍 2 1 组播技术发展简史 2 0 世纪8 0 年代中期，斯坦福大学的博l 生s e d e e r i n g 发表h o s tg r o u p ：a m u l t i c a s te x t e n s i o nt ot h ei n t e r n e tp r o t o c o l r f c 0 9 6 6 ) 和h o s te x t e n s i o n sf o ri p m u l l i c a s t i n g ( r f c 0 9 8 8 ) 两篇论文。总结出：“o s p f 的链路状态机制完全能被扩 展用来支持组播，r i p 的基本机制能被用来作为一种新的距离向量的组播路 由协议的基础。”这些论断提出了i p 组播的可能性。 1 9 8 8 年，d w a l t z m a n ，c p o r t r i d g e ，s ，ed e e r i n g 发表题为距离向量组播路 出眺议的文章( r f c l 0 7 5 ) ，它是组搔路出协议的首次实践j 1 9 9 1 年1 2 月，s ed e e r i n g 发表了他的博：f ：论文数据报互连网络中的组 播路由( r f c l l l 2 ) 。它奠定了组播网络体系结构和路由协议的基础。陔文也成 为i n t e r n e t 组管理协议( i g m p ) 的原型； 1 9 9 2 年，i e t f 在i n t e m e t 上建立了一个虚拟的组播试验网一m b o n e ( m u l t i c a s tb a c k b o n e 组播试验主干网) ，从1 9 9 2 1 9 9 7 年，i p 组播的协议标准和 部署方法在m b o n e 中进行研究和实验； 1 9 9 4 年3 月，形成了对o s p f 协议的扩展协议m o s p f ( r f c l 5 8 4 ) ： 1 9 9 6 年1 1 月，出现了对于基于u n l 3 0 3 1 的a t m 组播网络支持协议 ( r f c 2 0 2 2 ) ： 1 9 9 7 年9 月，有核树( c b t v 2 ) 组播路山体系结构形成( r f c 2 18 9 ) ： 1 9 9 7 年1 1 月，组管理协议i g m p v 2 得到i e t f 的批准，成为标准( r f c 2 3 3 6 ) ； 1 9 9 8 年6 月，评估可靠组播传输协议r m t p 的i e t f 标准出台( r f c 2 3 5 7 ) ： 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 m e t 上的应用做出了必要的准备； 1 9 9 9 年1 0 月，c i s e o 、a t t 、m i c r o s o f t 制定组播地址动态客户分配协议 m a d c a p ( r f c 2 7 3 0 ) ： 2 0 0 0 年底2 0 0 1 年初，人们着手制定各种组播m i b 库，这标志组播技术正 向可管理、可控制方向发展。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 2 2 组播技术基本原理 2 21 组播的工作原理 组播是一种允许一个或多个发送者( 组播源) 发送单一的数据包到多个接收 者( 一次的，同时的) 的网络技术。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收到数据包。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，因而可以大大的节省网络带宽。以下为单 播、组播、广播三种通讯方式数据传递过程比较： 圈2 - 1 单播方式实现组播功能 单搔( u n i z a s t ) 传输；如图2 一l 所示，在发送者和每一接收者之间需要单独 的数据信道。如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时很难实现。这将导 致发送者负担沉重、延迟长、网络拥塞；为保证一定的服务质量需增加硬件和带 宽。 图2 - 2 组播方式 组播( m u l t i c a s t ) 传输：如图2 - 2 所示，在整个网络的任何一条链路上只传 送单一的数据包，提高了数据传送效率，减少了主干网出现捐j 塞的可能性。组播 北京揶i b 火学碗l _ | i j 死牛毕业论文 组中的主机可以是在同个物理网络，也可以来自不同的物理网络( 如果有组播 路由器的支持) 。 住慢暂 f 住靛着虽话揸g i l l槭蠹音 图2 - 3 广播方式实现组播功能 广播( b r o a d c a s t ) 传输：如图2 - 3 所示，所有在子网内部的主机都将收到这 些数据包，不论这些主机是甭愿意接收该数据包。增加了非接收者的开销。路由 器会土寸锁广播通信，因此广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效。 2 22 组播地址分配及地址映射 在组播通信中，需要两种地址：一个i p 组播地址和一个e t b e m e t 组播地址。 其中，i p 组播地址标识一个组播组。由于大部分i p 数据包都封装在e t h e m e t 帧 中进行传输，所以还需要一个组播e t h e r n e t 地址。为使组播正常工作，主机应能 同时接收单播和组播数据，这意味着主机需要多个i p 和e t h e r n e t 地址。 因特网数字分配机构( i a n a ) 把d 类地址空间分配给i p 组播( i p v 4 ) ，范围 从2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 52 5 5 2 5 5 ，如图2 - 4 所示( 二进制表示) ，i p 组播地址前四 位均为1 1 1 0 。 l 一期“1 1“f 进封【2 ) ，、“封 水j“瓤妇l 毒i l l l 0 x x x xx x x x x x x xx x x x x x x x x x x x x x x x 图2 - 4d 类组播地址 在所有的d 类i p 地址中又进行了如图2 5 所示的划分。 4 北京邮电大学硕i ：研究生毕业论文 工臣蔓圈 ：。札l 兰兰塑竺j 1 图2 - 5 组播地址划分 从2 2 4 0 0 0 至2 2 4 0 0 2 5 5 被i a n a 保留为网络协议使用以及其他低级拓扑 查找及维护协议使用，该范围属于局部范围，具有该范围内地址的信息包不会被 路由器转发，只能在局部网里传递，例如l p 组播地址2 2 4 0 0 1 被定义为所有主 机地址2 2 4 0 0 2 被定义为所有组播路由器。地址从2 3 9 0 0 ，0 至2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 作为管理范围地址，用于本地组播管理地址，本地管理组播地址能够在网络的不 同地区被重复使用，通过配置组播路由器使某个地址范围内的组播信息不会超出 组播区域，有助于节约有限的组播地址空间。其他组播地址用作用户组播地址。 如图2 - 6 所示，以太网的m a c 地址0 1 ：0 0 ：5 e ：0 0 ：0 0 ：0 0 到0 1 ：0 0 ：5 e ：7 f ：f f ：f f 用于将三层i p 组播地址映射为二层地址，即i p 组播地址中的低2 3 位放入i e e e m a c 地址的低2 3 位。i p 组播地址的2 8 位地址空间( 3 2 位地址的高四位为1 1 1 0 ) 中只有2 3 位被映射到i e e em a c 地址，使得2 5 即3 2 个i p 组播地址映射到同一 m a c 地址上。 l l ：s 粕t + ：l i l t 删i x l j 1 j 十i p 壤攥地艟峨射瘕鲥一巾h c 撼鞋 0lmq 图2 - 6 组播地址映射 2 2 3 组播分布树 在单播模型中，数据包沿着单一路径从源主机向目标主机传递。而在组播模 北京| | | | j 也人学烦l 研究生毕业论义 型中，组播源是向某一代表一个主机组的组地址传递数据包。为了向所有接收者 传递数据，一般采用组播分粕树描述组播数据包在网络里经过的路径。 1 有源树 有源树也称为基于信源的树或最短路径树( s h o r t e s tp a t ht r e e ：s p t ) 。以组 播源为根构造的从根到所有接收者路径都最短的分布树。如果组中有多个组播 源，则必须为每个组播源构造一棵组播树。一般用特殊记号( s ，g ) 来表示s p t ， s 是组播源的i p 地址，g 是组播组的i p 地址。 由于不同组播源发出的数据包被分散到各自分离的组播树上，有利于网络中 数据流量的均衡。同时，因为从组播源到每个接收者的路径最短，所以端到端 ( e n d - t o e n d ) 的时延性能较好，有利于流量大、时延性能要求较高的实时媒体 应用。缺点是：要为每个组播源构造各自的分布树，当数据流量不大时，构造 s p t 的丌销相对较大。 2 共享树 共享树也称r p 树( r p t ) ，是指为每个组播组选定一个共用根( 根据组播路 由协议，这个根被称为：汇合点r p 或核心) ，以r p 为根建立的组播树。同组 播组的组播源将所要组播的数据单播到r p ，再由r p 向其它成员转发。目前， 讨论最多同时也是最具代表性的两种共享树是s t e i n e r 树和有核树( c b t ) 。 s t e i n e r 树是总代价最小的分布树，它使连接特定图( g r a p h ) 中的特定组成 员所需的链路数最少。若考虑资源总量被火量的组使用的情况，那么使用资源较 少最终就会减少产生 井j 塞的风险。s t e i n e r 树相当不稳定，树的形状随组中成员关 系的改变而改变，且对大型网络缺少通用的觯决方案。所以s t e i n e r 树只是- , o o 理论模型，而非实用工具。目前，出现了许多s t e i n e r 树的次优启发式生成算法。 有核树是由根到所有组成员的最短路径合并而成的树。a b a l l a r d i e 在1 9 9 7 年9 月的基于核的组播路由体系结构( c o r eb a s e dt r e e s ( c b t lm u l t i c a s t r o u t i n ga r c h i t e c t u r e ) ( r f c 2 1 8 9 和r f c 2 2 0 1 ) 中介绍了有核树。一般可以用记号 ( ，g ) 来表示共享树，+ 表示所有的源主机，g 表示组播组的i p 地址。 共享树在路由器所需存储的状态信息的数量和路由树的总代价两个方面具 有较好的性能。当组的规模较大，而每个成员的数据发送率较低时，使用共享树 比较适合。但当通信量大时，使用共享树将导致流量集中及根( r p ) 附近的瓶 颈。 共享树可以细分为两种类型；单向共享树和双向共享树。就双向共享树来说， 组播信息流r u 以经过也o j 以不经过共享树发送到所有的接收站点。单向共享树只 允许组播信息经过共享树从根发送到接收站点。因此组播信息源主机必须采取一 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 些手段使根首先得到信息，以便信息能转送到共享树。将组播信息源引导根有两 种办法：一种方法是将根与s p t 结合，将组播信息源通过s p t 送到共享树的根 节点( p i m 协议使用) ；另一种方法是由第一条路由器直接将组播信息单播至共 享树的根节点( c b t 协议使用) 。 22 4 组播转发 在组播模型中，组播源是向组播组发送数据包，而非像在单播模型中那样向 具体的目标主机发送数据包，所以组播路由器不能依靠i p 包中的目标地址来决 定如何转发数据包，而必须将组播数据包转发到多个外部接口上，以便同一组播 组的成员都能接收到数据包。这使组播转发比单播转发更加复杂。大多数现有组 播路由协议使用逆向路径转发( r p f ) 机制作为组播转发的基础。 1 逆向路径转发( r e v e r s e p a t hf o r w a r d ：r p f ) 当组播数据包到达路由器时，路由器作r p f 检查，以决定是否转发或抛弃 该数掘包，若成功则转发，否则抛弃。 r p f 检查过程如下： 检查数据包的源地址，以确定该数据包经过的接口，是否在从源到此的路 径上；， 若数据包是从可返回源主机的接口上到达，则r p f 检查成功，转发该数 掘包到输出接口表上的所有接口，否则r p f 检查失败，抛弃该数据包。 根据组播所使用的协议不同，组播路由器通过查询不同的路由表，来确定哪 些接口是在可返回到源站点的逆向路径上。 2 组播转发缓存 前面介绍了组播分布树的概念，组播分布树用于向网络里的所有接收站点转 发信息。从路由器的角度看，每一个分布树内可表示为组播转发缓存项( 也称为 组播路由表项) ，该项将一个输入接口同零个或多个输出接口进行了关联。 对于每一个输入组播数据包进行r p f 检查会导致较大的路由器性能损失。 因此，建立组播转发缓存叫，通常由组播路由确定r p f 接口。然后将r p f 接口 变成组播转发缓存项的输入接口。一旦r p f 检查程序使用的路由表发生变化， 必须重新计算r p f 接口，并更新组播转发缓存项。 3 t t l 闽值 每当路由器转发组播数据包，i p 包中的t t l ( t i m et ol i v e ) 值都减1 。若 数据包的t t l 减少到0 ，则路由器将抛弃该数据包。t t l 闽值可用于组播路出 北京| | | | j l u 大学坝 。研究生毕业论文 器的各个接口，以防止在该接口上转发t t l 值低于t t l 阀值的组播数据包，这 样可对组播的范围加以控制。 4 管理权限的边界 除t t l 闽值外，组播提供另一种称为管理权限的地址机制以限制组播信 息转发到域外。通过在路由器的接口上设置管理权限地址作为边界，限制组播组 地址在此边界范围内的组播信息进出该接口。根据对组播地址的划分，设定管理 权限的组播地址是从2 3 9 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，这段地址被认为是本地分配 的，能够在网络的不同区域内被重复使用，提高组播地址空间的利用率。 22 5 组播协议的体系结构 要想在一个实际网络中实现组播数据包的转发，必须在各个互连设备上运行 可互操作的组播协议。 组播技术从协议上分为主机与路由器之间的组成员关系协议和路由器与路 由器之间的组播路由协议。组成员关系协议包括i g m p ( 互连网组管理协议) 。 组播路由协议分为域闪组播路由协议和域间组播路由协议，域内组播路由协议包 括p i m - s m 、p i m d m 、d v m r p 等，域间组播路由协议包括m b g p 、m s d p 等。 同时，为了有效抑制组播数据在链路层的扩散，还引入了i g m p 监听( i o m p s n o o p i n g ) 、c o m p ( c i s c og r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 等二层组播协议。 其中，i g m p 负责建立并维护路由器直联网段的组成员关系信息；域内组播 路由协议根据i g m p 维护的这些组播组成员关系信息，运用一定的组播路由算法 构造组播分发树进行组播数据包转发；域问组播路由协议在各自治域间发布具有 组播能力的路由信息以及组播源信息，使组播数据在域间进行转发。 组播协议的体系结构如下图2 7 所示： 北京l g 电大学顾士研究生毕业论文 r 协议无关组播一稀疏模式p i m - s m i 协议无关组撼一密集模式p i m - d m r 域内组播路由协议i 距离矢量组播路由协议d v m r p ll 开放式组播最短路径优先m o s p f 厂组播路由协议ll 有棱树组搐路由协议c b t ff 刮b 触黼蝴议 耋薹耋主罢嚣气等p ； iri n t e r n e t 组管理协议( 三层) i g m p 、组播组管理协议 i n t e r n e t 组管理协议( 二层) i g m ps n o o p i n g 图2 - 7 组播协议的体系结构 出于组播的组地址是虚拟的，无法从数据源一端路由到特定目的地，而只能 建立一个从数据源到多个接收端的无环路数据传输路径，所以组播路由协议的任 务就是构建分发树结构从而形成组播路由。 2 3 组播组管理类协议 1 、i n t e m e t 组管理协议( 三层) i g m p i g m p 定义了主机采用何种方式来告诉网络该主机是某特定组播组的成员， 它支持动态主机注册的特性，排除了静态分组的必要，有效地利用了带宽。i g m p 共有三个版本，目前通用的是i g m p v 2 ( r f c2 2 3 6 ) 。 在主机和路由器都支持i g m p v 2 的情况下，主机向路由器发送主动申请报告。 在维持阶段，i g m p v 2 通过查询器选举机制为所连网段选举唯一的查询器，查询 器周期性地向其所连网段的所有主机发送普遍组查询消息进行成员关系查询，主 机则发送报告消息来应答查询。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，若 所有组成员都已离开，则路由器停止向该网段转发该组的组播信息流。通过上述 i g m p 机制，在组播路由器里建立起一张表，其中包含路出器的各个端口以及在 端口所对应的子网上都有哪些组的成员。 i g m p v l ( r f c1 1 1 2 ) 和i g m p v 2 的主要不同在于对于主机离开组的处理方 式上。在i g m pv l 中，主枫在不向路由器做任何通知的情况下离开组播组，当 该主机是该网段中最后一台离开组播组的主机时，没有主机对路由器的周期性查 询进行应答，路由器会在几个查询周期后认定其下所有主机都己离开了该组播 组。在i g m p v 2 中，当主机离开组播组时，它将向路由器发送一个“离丌”消息， 9 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 路由器则会发出一个特定查询消息来询问其下是否还有该组播组的成员。这样的 机制有利于缩短离开组延迟。 比较i g m p v l 与i g m p v 2 ，总结i g m p v 2 的几个新特点： 查询器选举功能：i g m p v 2 提供了选举查询路由器的功能，而不用像i g m p v l 中那样依赖于所使用的组播路由协议来进行。 最大响应时间的设定功能；允许查询路由器指定最大的查询一响应时间，以 此来调整查询响应过程以控制响应突发性和微调离开延迟。 对指定组的查询功能：允许查询路由器对某个指定组而不是所有组执行查询 操作。 主机离开组消息功能：允许主机离开组播组时，向路由器发送一个“离开” 消息。 i g m p v 3 目前仍然是一个i e t f 草案，其中增加的主要功能是成员可以指定 接收或不接收某些组播源的报文。 2 、i n t e m e t 组管理协议( 二层) i g m ps n o o p i n g 在很多情况下，组播报文不可避免地要经过一些二层设备，尤其是在局域网 的环境里。如果不对第二层设备进行相应的配置，组播报文就会转发给第二层交 换设备的所有端口，从而产生泛洪现象，使得交换机的性能和网络带宽都受到极 大的影响，造成极大的资源浪费。 为了避免广播报文影响其它非该组成员的端口，许多厂家往往在交换机支持 i g m p 窃听( i g m ps n o o p i n g ) ，局域网交换机能够窃听主机与路由器之间的i g m p 会话并识别i g m p 报文，通过记忆它们的通信状态来避免无关广播报文来影响端 口通信。在解决此问题方面，有些厂家采用了专用的一些协议，如c i s c e 的c g m p ， h u a w e i 的h g m p 等。 2 4 组播路由协议 2 41 域内组播路由协议 1 、距离矢量组播路由协议( 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 gp r o t o c o l ：d v m r p ) d v m r p 是第一个真正得到普遍应用的组播路由协议。作为一种内部路由协 议，它适合于在单个自治域中采用。 d v m r p 为每个发送源和目的主机组构建不同的分布树。每个分布树都是一 个以组播发送源作为根，以组播接受目的主机作为叶的最小扩展分布树。这个分 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 布树为发送源和组中每个组播接受者之间提供了一个最短路径，这个以”跳数” 为单位的最短路径就是d v m r p 的量度。当一个发送源要向组播组中发送消息 时，一个扩展分布树就根据这个请求而建立，并且使用”广播和修剪”的技术来维 持这个扩展分布树。 d v m r p 协议首先通过发送探测消息来进行邻居发现，之后通过路由交换来 进行单播寻径和确定上下游依赖关系。d v m r p 采用逆向路径转发算法进行组播 转发，当组播源第一次发送组播报文时，使用截断逆向路径广播算法沿着源的组 播分发树向下转发组播报文，当叶子路由器不再需要组播数据包时，它朝着组播 源发送剪枝消息，对组播分发树进行剪枝，借此来去除不必要的通信量。上游路 由器收到剪枝消息后将接收到此消息的接口置为剪枝状态，停止转发数据。剪枝 状态关联着超时定时器，当定时器超时，剪枝状态又重新变为转发状态，组播数 据得以再次沿着这些分支流下。当剪枝区域出现了组播组成员时，为减少反应时 间，下游不必等待上游剪枝状态超时，而是主动向上游发送嫁接报文，以使剪枝 状态变为转发状态。另外，在多路访问网络中，为防止两个或多个路由器重复转 发数据包，d v m r p 为每个源选择了一个唯一的转发器。 d v m r p 由单播路由协议r i p 扩展而来，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 根据路由表前向转发数据，而d v m r p 则是基 于逆向路径转发。为了使新加入的组播成员能及时收到组播数据，d v m p r 采用 定时发送数据包给所有的l a n 的方法，然而这种周期性广播的方法导致大量路 由控制数据包的扩散，对子网中密集分布的组播组来说能够很好的运作，但是对 于在范围比较大的区域上分散分布的组播组来说，会导致严重的性能问题。另一 方面，d v m r p 使用跳数作为计量尺度，其上限为3 2 跳，这对网络规模也是一 个限制。 因此，d v m r p 不能支持大型网络中稀疏分散的组播组。目前提出了分层 d v m r p ，即对组播网络划分区域，在区域内的组播可以按照任何协议进行，而 对于跨区域的组播则由边界路由器在d v m r p 协议下进行，这样可大大减少路由 开销。 2 、协议无关组播路由协议( 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 ：h m ) p i m 由i d m r ( 域间组播路由) 工作组设计，p i m 不依赖于某一特定单播 路由协议，可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，所以与其它组播协议相比开销降低了许多。 p i m 的设计出发点是在i n t e r n e t 范围内同时支持s p t 和共享树，并使两者之 北京邮电大学硕i j 研究生毕业论文 间灵活转换，因而集中了它们的优点提高了组播效率。集中了二者的优点同时避 免了它们的缺点，在组成员稀疏时，构造共享树传递，避免分组的广播开销；在 组成员密集时，以广播形式传递数据，然后从树上删除不存在接收节点的分支。 1 ) p i m d m ( d e n s e - m o d e 密集模式) p i m d m 与d v m r p 类似，也是一种以“广播修剪”方式工作的组播路由 协议，它采用反向路径转发的机制构造以源为根的组播分发树；不同点在于 p i m d m 内部不包含单播路由计算，它可以利用现有网络的任何单播协议和单播 路由计算，从而独立于潜在的单播路由协议，而d v m r p 依赖于某个相关的单播 路由咖议机制。目前版本为v 2 。 在p i m 域中，运行p i m d m 的路由器周期性的发送h e l l o 消息，用以发现邻 接的p i m 路由器，进行叶子网络、叶子路由器的判断，并且负责在多路访问网 络中进行指定路由器( d r ) 的选举。 p i m d m 协议缺省认为当组播源开始发送组播数据时，域内所有的网络节点 都需要接收该数据。因而，p i m d m 采用广播一剪枝的方式进行组播数据包的转 发，组播源开始发送数据时，沿路路由器向除连接着源的r j 下接口之外的所有 接口转发组播数据包。这样，p i m d m 域中所有网络节点都会收到这些组播数据 包。为了完成组播转发，沿路的路由器需要为组g 和它的源s 创建相应的组播 路由项( s ，g ) ，( s ，g ) 路由项包括组播源地址、组播组地址、入接口和出接口列 表、定时器和标志等。 如果网络中某区域没有组播组成员，p i m d m 协议会发送剪枝消息，将通往 该区域的转发接口剪枝，并且建立剪枝状态。剪枝状态对应着超时定时器，当定 时器超时时，剪枝状态又重新变为转发状态，组播数据得以再次沿着这些分支流 下。另外，剪枝状态包含组播源和组播组信息当剪枝区域出现了组播组成员时， 为了减少响应时问，协议不必等待上游路由剪枝状态超时，而是主动向上游发送 嫁接报文，以使剪枝状态变为转发状态。 p i m d m 在多路访问网络中，除涉及d r 的选举外，还引入了以下机制：使 用断占机制来选举唯一的转发者以防向同- - 1 9 段重复转发组播信息包；使用加入 剪枝抑制机制来减少冗余的d h x 剪枝消息；使用剪枝否决机制来否决不应该的 剪枝行为。 2 北束邮电大学硕11 ：研究生毕业论史 图1 - 8p i m d m 工作示意困 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。 2 ) p i m - s m ( s p a r s e m o d e 稀疏模式) p i m s m 以汇集点( r e n d e z v o u sp o i n t ：r p ) 的概念为基础，r p 是所有边缘路 由器都知道的网络中预先定义好的节点。p i m s m 采用共享树进行组播数据包转 发，组播源沿最短路径向r p 发送数据，再由r p 沿最短路径组播分发树将数据 发送到各个接收端。 在p i m s m 域中，运行p i m s m 的路由器周期性的发送h e l l o 消息，用以发 现邻接的p i m 路由器，并且负责在多路访问网络中进行指定路由器( d r ) 的选 举。这里，d r 负责为其直连组成员朝着组播分发树根节点的方向发送“加入 剪枝”消息，或是将直连组搔源的数据发向组播分发树。 p i m s m 通过显示的加入剪枝机制柬完成组播分发树的建立和维护。当d r 具有组g 的活动成员时，则向着组g 的特定汇集点t i p 方向逐跳组播加入消息， 用以加入共享树，当本次加入沿着树上行进行时，沿途的路由器建立组播转发状 态，以使组播数据可以沿着树下行转发，这些状态被称为组播路由项，简称路由 项。路由项包括：源地址，组地址，组播数据包的入接口和出接口列表。定时器， 标志位等。当不再需要组播数据时，d r 向着组g 的特定汇集点l i p 方向逐跳组 播剪枝消息以剪枝共享树，当本次剪枝沿着树上行进行时，沿途的路由器适当的 更新它的路由项( 如适当删除出接口等操作) 。组播分发树上的路由器要向着这 个组的特定汇集点l i p 周期性的发送适当的加入剪枝消息，用以维护组播分发树 的状态。 源主机向组发送组播数据时，源的数耀被封装在注船消息内，并由其d r 单 播至r p ，r p 再将源的解封装数据包沿着共享树转发到各个组成员。之后，r p 可以朝着源方向发送源特定的加入剪枝消息，用以加入此源的最短路径树，这 样源的数据包将沿着其最短路径树不加封装的发送到r p 。当第一个组播数据沿 北京叫l b 太学砸 研兜生毕业论立 此制到达时，r p 向源的d r 发送注册停i r 消息，以使d r 停止注册封裟过程， 此后这个源的组播数摆4 i 再注册封装，而是沿着辑的最短路径捌发送到r p 。 p i m ，s m 中还涉及到其共享树根节点r p 的选择机制。p i m - s m 域内配簧了一 个或多个候选自举路 器( c m l d i d a t e b s r ) ，并且它通过配置了解其它c - b s r ， 它们之削利用自举报文( b o o t s t r a p m e s s a g e ) 定期实现一个简单的选举( 根据每 个路j 器的白举优先级和i p 地址人小) ，从中选出自举路由器( b s r ) 。p i m s m 域内配旨了候选r p 路由器( c a n d i d a t e r p ) ，2 i ：且通过配置了解域内的所有 c b s r ，c r p 向c b s r 定期发送候选r p 报告( c a n d i d a t er pa d v e r t i s e m e n t ) ， 报佟。p 包含了它们地址及可以服务的组播组等信息。最后，b s r 定期生成包括 一系列c r p 以及相虑的组地址的“自举”消息，“自举”消息在整个域巾逐跳 发送，路由器接收并保存这些“自举”消息并通过这些消息了解到当前当选的 r p = 通常建议把c r p 和cb s r 配景在一起。 p i m s m 在多路访问网络中，还引入了以下机制：使用断言机制来选举唯一 的转发者以防止向同一网段重复转发组描数据包：使用加入剪枝抑制机制来减 少冗余的加入剪枝消息；使用翦枝否决机制来否决不应该的剪枝行