（计算机应用技术专业论文）ip组播的应用研究.pdf

东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 网络的广泛普及为网络的应用提出了新的挑战，人们不再满足于文字页面的浏览， 网络多媒体方面的应用已经成为一种发展趋势。口组搔在诸如多媒体应用这种多用户大 数量数据传输方面较单播传输能节省较大的带宽及减少网络拥塞。因而组播将会有一个 广泛的应用前景。 本论文讨论了实现m 组播的i g m p 泱议，对i g m p 协议的协议规范进行r 描述，并 对i g m p 三个版本的不同点作了详细说明；讨论了进行组播数据包进行转发的r p f 基本 原理、组播转发树的类型，并对s p t 树和r f f 树的建立过程进行了探讨；并分别对密 集模式组播路由协议的扩散和剪枝机制、稀疏模式组播路由协议中的r p t 树到s p t 树 的切换过程进行了详细的探讨。在以上相关原理的分析探讨基础上本论文在最后一部分 设计实现r 一个组播视频系统。在设计此系统之前我们首先分析了系统所要实现的总体 目标，并对支持此系统功能的软件硬件环境进行了分析，并对实现系统工程功能的网络 设备的要求进行了重点分析；然后本论文对用j a v a 编程实现的此组播系统的具体细节 包括功能模块说明、数据处理流程进行了详细说明，并在最后给了出此组播视频系统的 运行测试示例。在论文的结束部分，探讨了本应用系统的不足，并对下一步要做的工作 进行了说明。 关键字：口组播，r p f ，s p t 树，r t p 树，组播路由，p i m ，d v m r p u 东科技大学硕士学位沦文 a b s t r a c t 摘要 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，m o r ea n dn l o r ea p p l i c a t i o n e sb a s e do nt h ei n t e r n e c o m eu p w ew i l ln o tc o n s e n tw i t hj u s tr e a d i n gt e x to ft h ew e b s i t e ，g e t t i n gm u l t i m e d i a i n f o r m a t i o nf r o mi n t e m e ti sc o m i n gi n t ov i e w i pm u l t i c a s th a sa na d v a n t a g eo fs a v i n gt h e b a n d w i d t ha n dr e d u c i n gt h ep o s s i b i l i t yo fc o n g e s t i o ni nt h ef i e l do ft r a n s m i t t i n gm a s s i v e m u l t i m e d i ad a t a s ot h ei pm u l t i c a s tw i l lb ee x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h ef u t u r e t h i st h e s i sd i s c u s s e sf i r s t l yt h ei g m ed e s c r i b e st h es p e c i f i c a t i o no ft h ep r o t o c o la n d e x p l a i n st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et h r e ed i f f e r e n tv e r s i o n so fp r o t o c 0 1 t h e nt h er p fr u l e u s e db yt h er o u t e rt of o r w a r dm u l t i c a s tp a c k e t sa n dt h em u l t i c a s tf o r w a r d i n gt r e ea r ed i s c u s s e d t h ep r o c e s so fb u i l d i n gs p ra n dr p ti sa l s oi l l u s t r a t e di n t h i st h e s i s w ea l s od i s c u s st h e m e c h a n i s mo ff l o o d i n ga n dp n l n i n gi nd e n s e m o d em u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o la n dt h e p r o c e s so fs w i t c hf r o mr p t t os v ri ns p a r s e - m o d er o u t i n gp r o t o c 0 1 mt h ef m a lp a r to ft h i s t h e s i s w ee x p l a i nt h ev i d e oc o n f e r e n c es y s t e md e v e l o p e db yj a v aa n dj m 噼i nd e t a i lb a s e d o nt h ek n o w l e d g ew ej u s td i s c u s s e d i nt h i sp a r t ，w ef i r s t l ye x p l m n e dt h eg e n e r a lf u n c t i o no f t h es y s t e m ，a n dt h e nw ea n a l y z e dt h en e c e s s a r ys u p p o r to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dt h e n e t w o r kr e q u i r e m e n t s a tl a s tw ee x p l a i n e dt h es o f t w a r em o d u l e s ：a tl e n g t h ，s u c ha st h e i r f u n c t i o n sa n dt h em o d u l e sp r o c e d u r eo fd a t ap r o c e s s ，t h e nat e s tr e s u l ti sg i v e n a tt h ee n do f t h et h e s i s ，w ed i s c u s s e dt h ed e f i c i e n c i e so ft h es y s t e ma n dt h ef u r t h e rw o r kw es t i l ln e e dt od o k e y w o r d s ：琅m u l t i c a s t ，r p f s p t , 眦m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l ，p i m ，d v m r p 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士论文，除了所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文尚没有呈交于其它仟 何学术机关作鉴定。 研究生签名：阂拜 日 期：对以8 a f f i 剐m a t i o n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n s u b m i t t e di n 枷l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fm a s t e ro fp h i l o s o p h yi ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e 山东科技大学硕士学位论文 1 前言 1 1 课题的提出 随着互联网的广泛普及与飞速发展，在多媒体技术的带动下，一些新的应用，例如 网络视频会议、网络音频，视频广播、多媒体远程教育、远程会诊等在网络上相继出现。 这些应用都是一点对多点或多点对多点的大数据量通讯，而网络最初是为数据传输而设 计的典型的点点通信模式单播、是为保证数据可靠传输而设计的，所用的传输协议多 为点到点的协议。如果把这种新兴应用构建在传统网络的点列点的传输模式上，将会增 加网络发送负载，带来网络延时，导致带宽的急剧消耗和网络拥塞。为了避免这种不利 后果的出现，我们有以下几种方案来解决： a 增加网络带宽； b 服务器的分散与集群，均衡网络流量，减轻主干网络的瓶颈； c 采用q o s ，把带宽预留给特别应用； d 采用组播技术； 相比较而言，前三种是单播通讯模式下的方案。在这种通信方式下，源m 主机用 p 地址作为目的标识把数据发往目的m 主机，从主机发出的每个数据包，都只能传送 给一个目标主机，数据包通过路由器或交换机从源到达目的主机。多个不同位置的用户 想同时得到这个数据包的拷贝是不可能的，只有源主机必须向每个希望得到这个数据包 的用户单独发送一份拷贝才可以。这种冗余的发送的代价是巨大的，首先是给发送数据 的源主机带来沉重负担，因为主机必须要对每一个数据发送请求都要做出响应，这会使 源主机的响应时间变长。其次对源和目的路径上的路由器跟交换机的性能也提出了更高 的要求。组播通信能使主机发送数据包到期网络中任何一组特定的主机上，这些主机用 一个特定的地址即口组播组地址来标识，发送方主机只要发送一份数据到所有的目 的主机，支持组播的路由器会转发组播信息包至所有具有相应组播地址的主机k 。因而 采用组播方式，单台服务器能够承担巨大数量的主机的数据发送而无延迟。 组播技术的出现已经二十多年的历史，但需要组播技术的应用业务却没有相应出 现，这就使得组播应用的发展缓慢。但随着骨干网带宽的增加、家庭宽带网的普及，互 联网视频音频的应用成为了可能，此类不断丰富的络多媒体业务的出现使得组播技术 1 山东科技大学硼士学位论文 有了广阔发挥其作用的空间。 1 2 课题研究的现状和意义 1 2 1 组播历史 p 组播的概念最早是由s t e v ed e e r i n g 在1 9 8 8 年他的博土论文中提出的，1 9 8 9 年 s t e v e d e e r i n g 对标准p 网络层协议进行了扩展，提出了p 组播规范；1 9 9 2 年3 月组建 了首个组播主干网m b o n e ，i e t f 成功地在组播网上举行了一次会议。虽然组播技术出 现的比较早，但发展比较缓慢，主要原因是i p 组播通信模式需要状态相当复杂的路由 器，要求路由器能提供每个群组和每个源的信息状态，随着i n t e r a e t 的增长，互联网变 得越来越复杂，这给组播的进一步发展带来了困难。后来，出现了一些设计精巧的组播 路由协议( 如p i m - d m 、p i m s m 等) ，使组播婵包能正确而又迅速地发送给成千上万 的接收者，使得口组播的技术和应用开始快速发展。 1 2 2 目前组播研究领域 目前国际上致力于组播研究的组织主要是i e t f 下属的工作组：p i m ( p r o t o c o l i n d e p e n d e n t m u l t l e a s t ) 、s s m ( s o u r c e s p e c i f i c m u l t i c a s t ) 、i d m r ( i n t e r - d o m a i n m u l f i c a s t r o u t i n g ) 、 m s e c ( m u l t i c a s ts e c u r i t r ) 、r m t r e l i 且b t em u r i c a s tt r a n s p o r t ) 、m a g m a ( m u s c a t a n y c a s t g r o u pm e m b e r s h i p ) 。p i m 工作组主要研究域内组播路由，s s m 工作组主要研究基于特定 信源的组播机制。i d m r 工作组致力于完成域间的组播路由。m s e c 工作组主要进行组 播安全方面的研究，保证只有合法成员才收到组内通讯，合法的组成员才可以进行源认 证和内容认证；同时还包括如何抵抗拒绝服务攻击、组密钥管理和组策略管理等。r m t 工作组主要进行可靠组播方面的研究。m a g m a 工作组研究组播和任意播机制。根据 这些工作组的分工可以将组播的研究领域大致分成：组播路由、安全组播、可靠组播和 特定源组播。 1 2 3 组播的应用领域 近些年来，由于网络飞速发展以及组播技术的不断进步，组播的应用范爵也呈现出 了持续扩展的趋势+ 目前大致上有以下应用方面： ( 1 ) 多媒体应用 ( 1 ) 多媒体应用 些变型垫查堂堡主兰堡堡茎 堑重 在网络多媒体中的应用是组播目前最主要的应用领域，组播在多媒体中的应用主要 体现在一对多或多对多的音频或音频视频会议上。音频会议允许多个会议参加者交互 共享音频。音频，视频会议可以实现多个参与者交互共享音频，视频。在音频、视频会议 应用中，已经有许多成熟系统得到开发和应用。 ( 2 ) 数据分发 数据分发是p 组播应用的一个新热点。通过使用口组播，可能采用“推”模式进 行文件和数据库的更新，可以同实现对一点数据的多点备份或一份数据发送实现多点的 数据更新和软件的升级。由于数据的分发要求数据传送的正确率较高，但组播是靠u d p 协议来传送，并不保证数据的可靠性，这意味着口组播数据报在传输中可能丢失、延 迟、重复以及乱序到达，因而可靠的组播传输仍是一个有待研究的领域，组播在数 据分发方面的应用也有一定的限制。尤其是在跨域问的组播，数据的可靠性更不能保证。 ( 3 ) 实时数据的组播 实时数据组播是口组播技术应用比较广的领域。视频点播、体育或其他节目在网 上的直播等都属于这一应用领域。另外一个典型的例子就是在证券交易所中股票信息到 交易大厅各个工作站的数据分发。 ( 4 ) 网络游戏 网络游戏已经成为当前网络上一个相当有“钱”途的产业，越来越多的公司开始投 身于网络游戏的开发与运营。但目前的所有网络游戏都是基于点到点的连线方式，当连 接用户数量较多时，网游服务器的负荷比较重，对网络的带宽消耗也比较大，这就使得 每台网游服务器同时能提的连接量有很大的限制。使用毋组播技术可以在很大程度上 减少网络负载，增加服务器可同时支持上线玩家的数量，使得成千上万的玩家通过 i n t e m e t 在游戏中同时战斗的梦想成为现实。 1 2 4 国内组播的应用研究及意义 从9 0 年代初，我国一些著名高校和研究机构如清华大学以及中科院等中的许多网 络学者就展开了对组播技术及其应用的研究。1 9 9 7 年清华大学与u c b ( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ) 实现了基于m b o n e 的视频会议。国内的一些r i 企业如华为等也开始在其设 备上支持组播并开展相应的组播业务。2 0 0 1 年清华大学、复旦大学、东南大学和华南 理工大学实现基于v i c ( v i d e o c o n f e r e n c i n gt 0 0 1 ) 的多点实时授课系统。在2 0 0 3 年5 月非典期间，教育部高校防治“非典”科技攻关视频会议依托中国教育和科研计算机网 些篓鲨查兰堡圭兰些笙茎 堕亘 c e r n e t 成功地在全国8 个城市近2 0 个单位同时举行，在2 0 0 3 年1 2 月，河南通信组 播网也试验成功，这标志着组播广泛的应用的新时代已经到来。但总体上来说，国内组 播技术的应用还处在一个起步阶段，加强组播应用的研究，能够适应未来组播在各领域 应用的需求，赶上世界组播应用的脚步；同时可以提高我们对组播技术的进一步认识， 增强对组播技术的研究，也使我们能够积极投身到世界组播研究的队伍中去，不断开拓 组播应用的新领域，从而促进组播技术的推广。 1 3 论文结构 在本论文中，首先对组播技术进行了简单的介绍，然后对m 组播中相关的关键技 术进行了讨论研究。论文一共分六章： 第2 章组播概述，对m 组播技术及其相关的基本概念进行了系统的介绍。 第3 章互联网组管理协议i g m p 协议，本章主机讨论了实现m 组播的i g m p 协议，详细说明了i g m p v l ，v 2 ，v 3 的协议规范。 第4 章口组播路由协议，对实现伊组播的路由协议进行了详细的讨论，包括组播 路由协议的转发规则、协议的分类等。 第5 章口视频组播系统的实现，主要讨论了实现组播时硬件环境的要求，并详细 介绍了利用j a v a 中的j m f 程序设计实现的一个视频组播软件。 第6 章p 组播的总结与展望，主要对p 组播技术进行了总结，对m 组播视频系 统中存在的安全及组播数据的可靠传输等问题进行了讨论。 4 山东科技大学硕士学位论文 口组播概述 2 i p 组播概述 2 1 组播的概念 2 1 1组播的基本含义 关于口组播，我们首先要关注其中的“组”字。在这里，组是一系列主机成员的 标识，而非是单个成员的标识。一个组播组用一个组播m 地址来标识，与单播i p 地址 不同的是，组播m 地址只是数据包的目的地址，是多个目的主机的标识，因而组播母 地址不能作为源地址出现在数据分组中。由上我们可总结缎播：组播是一种多点传 输技术，是一种把数据从源传送到多个加入该组的目的主机上的数据传送方式。 2 1 2实现组播所要涉及的问题 组播是一种多目传输，首先对于数据发送方即组播源，我们要考虑数据源把数据发 送给谁以及如何发送。我们用组播地址来作为接收数据的标识即组播数据的目的地。 通常我们按照不同的应用项目类别来定义组( 类似于电视节目中的不同频道) ，每个组 分配一个相应的m 组播地址作为标识。作为数据发送方，只需要根据相应协议向路由 器发出加入相应组播组的请求以加入此组播组，然后把数据的目的地址设置为此组播口 地址在相应的网络接口上发出即可。 其次是加入相应组播组的成员主机如何接收组播数据。组成员为了能够正确接收到 组播数据，也要利用相应的协议向路由器申请加入组。加入组成功后，组成员主机的网 络接v i 卡开始侦听与其加入维播组地址相关的数据链路层地址。路由器利用相应的路由 协议把数据包从组播源传递到有组播成员的网段上的路由器，然后此路由器根据组播信 息包中的组地址转换出与它相关的数据链路层地址，并用这个地址建立数据链路层的报 文。此网段内的组播成员网络接口卡和网络驱动程序侦听这个地址，接收到达的组播数 据，然后将数据递交给上层协议进行处理。 再次是主机如何j j d a _ 或退出组播组以及组播数据包如何在网络上转发的问题。主机 利用i g m p 协议来通知相应的路由器加入其感兴趣的组。至于组播数据包在网络间的转 发是组播路由协议所要完成的功能，我们将在后面第四章作详细讨论。 山东科技大学硕士学位论文 i p 组播概述 2 2 组播与单播和广播的比较 单播是传统的点对点的通信方式，在发送方和每一个接收方之间都需要一个单独的 数据通道。这种通信方式中从一台主机发出的数据包只能通过路由器或交换机传递给一 个接收方主机，在源与目的之间的路径上的每个路由器都维护单播路由协议生成的路由 信息库，并根据数据包中的目的地址在单播路由信息库中查找转发路径。如果同时 有多个主机希望接收到相同的数据，b u - , 发送主机必须向每个主机单独发送一份数据包 拷贝。 母广播是源主机向一个网段中的所有的口主机发送信息包。p 广播包中的目的主 机的p 地址的主机部分被设置成全1 ，网络部分被设置成当前子网地址。口主机和路 由器都能识别以p 广播地址作为目的地址的信息包，同时同一子网中的所有主机都 接收地址为本子网广播地址的信息包。但路由器不会转发广播信息包，因此m 广播通 常被限制在本地子网中。 组播在通信方式在某种意义上说是介于单播与广播之间，它可以使组播源发送的一 个数据包根据需要被路由器复制并转发到多个数据通道上，使得多个目的主机能同时收 到数据。这三种通信方式的比较见下图： 图2 1 广播 f i g 2 1b r o a d c a s t 6 山东科技大学硕士学位论文l p 组播概述 图2 2 单播 n g 2 2u n i c a s t 图2 3 组播 f i g 2 3m u l f i c a s t 2 3 组播地址 在组播通信中，我们需要两种地址：一个m 组播地址和一个e t h e m e t 组播地址。 其中，p 组播地址标识一个组播组。由于所有数据包都封装在e t h e r n e t 帧中，所以 还需要一个组播e t h e m 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口和e t h e r n e t 地址。 2 3 1i p 组播地址 在有类别系统中，m 地址( i p v 4 ) 被分成5 个不同听类别：a 、b 、c 、d 和e 。i a n a 把d 类地址空间分配用于组播地址。此类地址空间的二进制表示法中的第一个字节 7 山东科技大学硕士学位论文 竺望堡堡垄 其结构如下表，因此妒组播地址的范围为：2 2 4 0 0 0 到 的前4 b i t 均是1 1 1 0 ， 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。 表2 1 组播地址前缀 1 h b l e2 1p r e f i xo fi pm u l t i e a s ta d d r e s s 字节1字节2字节3 字节4 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 在这d 类地址空间中，p 组播地址又被划分成了3 类其划分情况如下图： 2 3 9 0 。0 0 2 3 8 2 5 5 。2 5 5 。2 5 5 2 2 4 。0 1 0 2 2 4 0 0 2 5 5 2 2 4 0 0 0 图2 4 组播地址划分 f i g 2 4a l l o c a t i o no fi pm u l t i c a s ta d d r e s s 预留组播地址是i a n a 所保留，这些地址为特定的网络协议所使用，下表列出了部 分预留组播地址： 表2 2 部分预留的组播地址 t a b l e2 2p a r to f r e s e r v e dm u l t i c a s ta d d r e s s 2 2 4 0 0 1 所有组播主机 2 2 4 0 0 2 所有组播路由器 2 2 4 0 0 4d v m p r 路由器 2 2 4 0 0 5o s p f 路由器 i2 2 4 0 0 1 3所有p i m 路由器 l2 2 4 0 0 1 5c b t 路由器 山东科技大学硕士学位论文 i p 组播概述 管理权限的组播地址作为用于组织内部使用的组播地址，可以在网络的不同地区重 用，网络管理员在某个区域内可以自由使用这个地址范围内的组播地址而不用担心会跟 互联网上的其它地方的地址发生冲突。 2 3 2e t h e r n e t 组播地址 要高效的实现p 组播要求口层能够充分利用硬件级组播，这样可以使数据在到达 m 层之前，硬件把那些没用的数据过滤掉。因此网络接口必须把p 组播目的地址转换 成网络硬件识别的链路层组播地址。 就以太网而言，i a n a 预留了m a c 地址的0 1 ：0 0 ：5 e 作为口组播m a c 地址的前缀， 组播口地址到m a c 地址的映射关系如图： 0f 2 一t 1 6。工艘舯。硼+ l b2 3 ，艘舯4 硼 1 0 1 0 | 0 1 0 1 0 1 0 l o i l l 0 1 0 1 0 l o l o l 0 1 嘲伽0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 t l l 0 1 0 i il ii l i i ll n i n n s ! ，tilji 勰誉渊t ：。土i 兰i ii 。i 。il i | j 图2 5p 组播地址到以太网m a c 地址映射 f i g 2 5t h ea d d r e s sm 叩p i n gf r o mpm u l t i e a s ta d d r e s st oe t h e m e tm a c 需要做出解释的是，4 8 b i t 的m a c 地址的第2 4 位必须为0 ，此位为1 时被i a n a 预留，因而3 2b i t 的p 组播地址只能映射其中的2 3 位。具体的映射方式是：把m 地 址的低2 3 位放到m a c 地址前缀0 h 0 0 ：5 e 的后面，同时将m a c 地址的第2 4 位置0 。 由这种映射方式同时产生了另一个问题：d 类组播i p 地址除了地址前缀1 1 1 0 的4 b i t 是 所有d 类地址公有的外，还有2 8 b i t 有效位，但这2 8 b i t 中只有2 3 b i t 映射到了m a c 地 址中，所以会有2 5 = 3 2 个m 地址映射列相同的m a c 地址。这种地址映射的不确定性可 能会在使用中带来问题，例如：加入组播组g 1 ：2 2 4 6 8 1 1 的成员a ，它映射后的m a c 地址为：0 1 ：0 0 ：5 e ：4 4 ：1 ：1 。假设与此成员b 在同一网段的另一主机加入了组播组g 2 ： 2 2 4 1 9 6 1 1 ，这样这两个组播组映射的m a c 地址相同，尽管a 并不希望收到组g 2 中 的信息，但是a 的网络接口卡无法过滤此组的组播帧。这就需要高层协议来考察收到 的是否是其需要的组播数据包，这可能会加重c p u 处理负担。目前已经提出了一些新 9 山东科技大学硕士学位论文i p 组播概述 的协议来解决这类问题，如：m a s c ( m u l f i c a s ta d d r e s s s e tc l a i mp r o t o c 0 1 ) 协议， m a d c a p ( m u l t i c a s ta d d r e s sd y n a m i cc l i e n ta l l o c a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议。 2 4i p 组播体系结构 p 组播体系中包括主机与路由器之间的组成员关系协议和路由器之间的组播路由 协议。组成员关系协议就是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 lo 路由器之间 的组播路由协议分为域内组播路由协议和域问组播路由协议。为了在交换机上有效抑制 组播数据在链路层的扩散，还引入了i g m ps n o o p i n g 、c g m p 等二层组播协议。 m 组播体系的结构如下： 图2 6 组播体系结构 f i g 2 6 a r c h i t e c t u r eo f m u l t i c a s t 2 5i p 组播规范 组播最初是由s t e v ed e e d n g 发表h o s tg r o u p ：am u l t i c a s te x t e n s i o nt ot h ei n t e m e t p r o t o c o l 和h o s te x t e n s i o n sf o ri pm u l t i c a s t i n g 两篇论文而提出了口组播的可能性， d e e r i n g 的这两篇论文被r f c 分别编号为r f c 9 6 6 和r f c 9 8 8 ，随后正t f 分别收录了其 它一些相当的r f c ，并对其中的一些规范作为“p r o p o s e ds t a n d a r d ”，关于组播的具体规 范有： 】0 山东科技大学硕士学位论文i p 组播概述 r f c 9 6 6 ，h o s tg r o u p s ：am 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 ，后来被 r f c 9 8 8h o s te x t e n s i o n sf o ri pm u l t i c a s t i n g 取代。此后r f c 9 8 8 又分别被 r f c l 0 5 4 ，r f c l l l 2 所更新，r f c l l l 2 就是i g m p 协议，r f c i t l 2 又先后 被r f c 2 2 3 6 i n t e m e t g r o u p m a n a g e m e n t p r o t o c o l v e r s i o n2 ，即i g m p v 2 、 r f c 3 3 7 6 一- i g m pv 3 所更新，目前r f c 3 3 7 6 为i e t f 的推荐标准。 r f c l 0 7 5 ，d i s t a n c e v e c t o r m u l t i e a s t r o u t i n g p r o t o c o l ，郎d v m r p ，是m b o n e 上最早使用的路由协议，也是第一个真正得到普遍应用的组播路由协议。 r f c l 5 8 4 ，m u l t i c a s te x t e n s i o n st oo s p f ，是对o s p f 路由协议的扩展以适应 组播，此r f c 为推荐标准。 r f c 2 11 7 ，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 s p a r s em o d e ( p m s m ) ：p r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n ，即协议无关组播路由一稀疏模式，r f c 2 3 6 2 更新的此r f c 。 r f c 2 18 9 ，c o r eb a s e dt r e e s ( c b tv e r s i o n2 ) m u l t i c a s tr o u t i n g p r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n ，即基于核心树的组播路由协议。 r f c 2 7 3 0 ，m u l t i c a s t a d d r e s sd y n a m i cc l i e n t a l l o c a t i o np r o t o c o l ( m a d c a p ) ， 即组播地址动态主机配置协议。 r f c 3 6 1 8 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 ( m s d p ) ，即组播源发现协议。 l 蹬c 3 9 7 3 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 d e n s em o d e ( p n v l d m ) ：p r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n ，即协议无关组播路由密集模式。 2 6 本章小结 本章首先介绍了组播的基本含义及实现组播所要解决的问题，并把组播与单播广播 的传输方式进行了比较，同时介绍了组播的i p 地址空间及其分配以及组播口地址到 m a c 地址的映射方式，接下来系统的说明了组播的体系结构及组播规范，这样从整体 上说明了组播的基本状况，以为后绪章节详细讨论组播奠定好基础。 山东科技大学硕士学位论文互联网组管理协议：i g m 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主机直接相连的组播路由器之问，最早是由r f c l l l 2 所 定义，它提供了主机和组播路由器之间用于维护组成员信息的消息机制。目前i g m p 共 有三个版本：i g m p v l 、i g m p v2 、i g m p v 3 ，后两个版本提供向下版本的兼容。i g m p 实现的功能是双向的，一方面通过i g m p 协议，主机通知本地路由器希望加入某个特定 组播组并接收组播组的信息；另一方面路由器通过i g m p 协议周期性地查询它所连接的 物理网络内某个已知组的成员是否处于活动状态，即该网络中是否仍有属于某个组播组 的成员，以实现所连网络组成员关系的收集与维护。i g m pv l 已经不再使用，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1 g m p v 2 ；i g m p v 3 是最 新标准，目前仅在少数设备中得到了实现，但作为新的标准将会完全取代i g m p v 2 。因 而在本章中我们将简要介绍i g m pv l ，详细讨论i g m pv 2 和i g m pv 3 。 3 1i g m 咿v l i g m p 消息在封装坤数据报内发送，并用m 协议号2 来标识，并且球数据报中的 t r l 字段值设置为1 ，以保证i g m p 信息只在本地范围内发送不会被路由器转发到其它 子网。下面我们将讨论i g m pv l 的具体协议规范。 3 1 1i g m pv l 的消息格式 i g m pv l 的消息长度为8 字节共6 4 b i t ，其具体格式如下图： 图3 1i g m p v l 消息格式 f i g 3 1t h em e s s a g e sf o r m a to f i g m p v l 其各个字段的含义如下： 1 ) 版本号：此字段为i g m p 版本号标识，在i g m p v l 中设置为l 。长度4 b i t 。， 2 ) 消息类型：此字段说明了i g m p 消息的类型，长度：4 b i t 。在i g m p v l 中只 有两类消息类型： 1 2 坐查型垫查兰堡主兰垡笙奎兰壁塑塑笪里堡堡! ! ! ! 竺 成员关系查询，类型号为1 ； 成员关系报告，类型号为2 ； 3 ) 校验和：该字段长度为1 6 b i t ，是i g m p 信息的补码和的补码，在计算校验 和的时候，该字段取值为0 。 4 ) 组播地址：当用于成员关系查询时，此字段取值为0 ，主机忽略此字段；当 用于成员关系报告时，此字段包含主机所加人的组播组地址。 3 1 2 主机加入，离开组播组过程 加入机制：当一个主机想要加入某一组播组时，只需要向想要加入的组播组发送 一个或多个成员关系报告，通知路由器它想要求加入的组，然后即可在主机的网络接口 上进行对组播地址的侦听。 离开机制：在i g m p v l 中没有定义主机离开组播组的机制，所有i g m p v l 主机可 以在任何时候“安静的”离开组播组而无需通知路由器。当主机想离开组播组时，只是 停止对组播地址的侦听，同时停止对路由器发送来的i g m p 成员关系查询的响应。 这种“安静”离开机制在子网内还有其它组播成员的时候不会带来什么问题，因为 此时子网中还需要继续接收组播信息流。如果离开的主机是子网内该组的最后一个成员 时，路由器在一段时间内仍然会继续转发此组播组的信息到这个子网中，这会在一定程 度上导致组播通信的效率低下。要避免这种情况的发生就需要让路由器及时得到已经没 有成员的组播组的情况。然而在i g m pv l 中，判断是否子网内还有相应组成员的机制 是：路由器对子网中的每个组维护一个计时器，当路由器收到子网中主机发送来的成员 关系报告时，相应组播组的计时器复位，当与某个组播组相关的计时器超时后，路由器 认为已经没有该组的接收者，停止向该网段上发送该组播组的信息。i g m p v i 中的组播 组超时间隔一般是查询间隔的3 倍。 在后续版本的i g m p 中，增加了相应的离开机制，解决了此版本在离开机制上所带 来的延迟。 3 1 3i g m pv l 的查询响应过程 i g m pv l 采用查询，响应的方式来实现路由器对子网组播信息的收集，具体的工作 流程如下： 予网上的查询路由器周期性( 默认周期为6 0 秒) 地向组播口地址2 2 4 0 0 1 ( 所有 坐查登垫查兰堡主兰堡垒苎 蔓壁塑望笪堡! 燮! ! 竺唑 组播主机) 发送i g m pv l 成员关系查询，所有接收到i g m pv l 查询消息的主机对收到 的查询消息在报告响应抑制机制下使用用成员关系报告进行回复，在成员关系报告中， 把本身感兴趣的组播组口地址放入i g m p 报文的地址字段中，所有组播路由器从收到 的成员关系报告中提取相应的组播地址，完成对本地子网有成员的组播组信息的收集。 对组播来说，各组播路由器无需确切知道本地子网上同一组播组中有多少主机成 员，路由器只要知道对某一组播组在本地子网中至少有一个成员即可。因此组播成员在 对查询报告进行回复的时候每个组中只需要一个成员发送成员关系报告就可以了，这样 可以减少子网信息流量并且降低路由器的处理负担，这一过程被称为响应抑制。其具体 实现步骤如下： ( 1 ) 主机收到i g m p 成员关系查询后并不立即发送成员关系报告，而是主机对它 加入的每个组播组启动一个递减计时器，计时器的初始值为一个给定时间范围内的随机 值。在i g m p v i 中，此时间范围为0 1 0 秒。 ( 2 ) 当计时值减小到0 时，主机发送其加入组播组的成员关系报告，在同一子网 的其它组成员也能够接收到这个成员关系报告。其它接收到同一组的成员关系报告的主 机会停止对相应组的计时器，取消自己对这个组的成员关系报告的发送。 这样采用响应抑制后，对每个一组播组的成员关系查询，通常只有那个计时器最早 超时的主机发送成员关系报告。另外，如果在一个子网中有多个组播路由器，如果不采 取某种机制，会有多个路由器发送对同一组的成员关系查询，而这是不必要的。因此应 该根据某种规则选出某个路由器负责对本地子网发送i g m p 成员关系查询。在i g m p v i 中没有明确的查询机制，而是把这种机制交由3 层的组播路由协议来完成。 3 2i g m 口v 2 i g m p v 2 在r f c 2 2 3 6 中定义，在1 9 9 7 年1 1 月被m t f 批准为标准协议，这个版本 的i g m p 解决了上一版本中离开组播的延迟问题，并加入了如下一些新特性： 查询路由器的选择：i g m pv 2 为路由器提供了选举查询路由器的能力，而 不必再依靠组播路由协议来进行。 最大响应时问字段：此字段的值允许查询路由器指定最大查询一响应时间。 特定组查询消息：允许查询路由器只查询某一特定组而不是所有组的成员。 这个特性是为了找出某一特定组中是否还有成员而进行的一种优化，只有 1 4 些查燮查兰堡主堂堡! 姿 三壁塑塑堂垄塑些! ! 型! 此特定组的成员才进行响应。与普遍查询不同的是，特定组的查询只发往 这个特定的组播组而不是所有组播主机地址。 离开组消息：此消息是为了解决i g m pv l 版本中离开组所带来的延迟而新 增加的特性，使得主机在离开组播组时能够主动通知路由器。 3 2 1i g m pv 2 的消息格式 i g m pv 2 的消息格式与i g m pv l 的消息格式稍有不同，其具体格式如下图： 图3 2i g m p v 2 捎息格式 f i g 3 2 t h e m e s s a g e s f o r m a t o f i g m p v 2 由其消息格式我们看出i g m pv l 的类型字段与版本字段在新版本中已经合并，原 来保留未用的字段已经被最大响应时间字段所取代，其它字段上格式与含义仍与v 1 版 本的相同，因而下面我们只讨论i g m pv 2 消息中的新变化： ( 1 ) 消息类型：在i g m pv 2 中共有四种报文类型： 成员关系查询：字段取值0 x l l ，在i g m p v 2 中，成员关系查询又有两种子 类型： 普遍查询：用来确定有哪些组在本地子网上有成员存在。 特定组查询：用来某一特定的组在本地子网上是否有成员存在。 i g m p v 2 的成员关系报告：字段取值0 x 1 6 ， 离开组消息：字段取值0 x 1 7 ，在主机离开组播组时发送，来主动通知路由 器，降低离开延迟。 i g m pv l 的成员关系报告：字段取值0 x 1 2 ，此字段是为了协议的向下兼容 性而设置，以实现两种协议共存时的互操作。 ( 2 ) 最大响应时间字段：字段以1 1 0 秒为单位，决定了主机在收到查询消息后发送 成员关系报告的所允许的最大延迟时间。此字段仅在成员关系查询时有意义，在其它消 息中此字段的值在发送方置0 ，并被接收方忽略。 ( 3 ) 组地址字段：在i g m pv l 中，此字段仅在成员关系报告中有意义，成员关系查 询中字段设置为o ；在i g m p v 2 中，扩充了字段的含义，当为普遍查询时字段设置为0 ， 1 5 坐查竖查兰堡主堂焦堡苎 兰壁塑塑筻墨堡塑! ! 鱼垒竺 当为特定组查询时设置为所要查询的组地址；在离开消息中，字段的取值为主机要离开 的组播组地址。 3 2 2i g m p v 2 的查询，响应过程 i g m pv 2 的普遍查询完成与i g m pv l 的功能，其具体查询，响应与i g m pvl 相似，