IP多播路由协议的分析与比较.docx

IP 多播路由协议的分析与比较冯晋雯 ,潘爱民(北京大学 计算机研究所 ,北京 100871)摘要 :介绍了在 Internet 上使用的 IP 多播路由技术的概念 ,然后基于具体多播模型 ,分析了现有的 IP 多播路由协议 ,重点对这几种多播路由协议的适用性 、核心思想 、优劣势和可扩展性进行了比较 。关键词 :多播 ; IP 多播 ;路由协议 ;多播树中图分类号 : TP393文献标识码 :AAnalysis and Comparison of IP Multica st Routing ProtocolsFENG J in2wen ,PAN Ai2min(Institute of Computer Science and Technology , Peking University ,Beijing 100871 ,China)Abstract : Multicast is an important technology in the future Internet . Now there are several protocols defined formally by IETF , each of that has its own specialty. This paper mainly compares the differences among them on applicability , mechanism , merits and demerits and extendabity.Key words : multicast ; IP multicast ; route protocol ; spanning tree224. 0. 0. 0 到 239. 255. 255. 255 ,可以看出 ,它的地址没有层次之分 。一般在多播应用程序中动态地生成或静态地指定 ,没 有统一的地址管理机制 ,必须使用一定的网络资源来对这些 地址进行实时监控 。组的地址由发起者申请 ,在系统结束后 归还 ,若某个主机要加入一个组 ,需向所在子网发送一个广播消息 ,通知本子网内的邻接路由器它要加入哪个组 ,经路由器接收后 ,以后发向这个组地址的数据报会向组内成员 转 发 。 组地址的定义使得组成员对发送端和路由器透明 ,发送端发 送数据报时 ,不必知道每个组成员的地址 ,只向组地址发送即 可 ;路由器接收到数据报时 ,要判断子网内是否存在该 组 成员 ,它定期地使用组成员管理消息 IGMP14 来进行组成员的查询 ,组成员向它发送确认消息 。IP 多播路由采用树型结构进行数据的转发 ,从而尽可能地 避免了数据在同一“通道”上的重叠 ,而且以并行的方式到达不 同的接收者 ;同时 ,数据的复制仅在树的分叉处进行 ,避免了数 据的回路 ,使网络中传送的数据报数量最小 。一般地 ,树型结 构的路由要达到的最终目标是争取最小的链路开销和最小的延迟 ,但没有哪种树型结构可以同时做到这两点 。目前的树型1 引言随着下一代因特网的发展 ,多媒体的传输对网络的要求 日益增大 ,现有点到点的传输方式 ( 单播) 难以满足大用户量 的服务需求 ,因为它在每个发送方与接收方之间都建立了一 个单独的“通道”,多播技术就是针对这个问题而提出的一种 传输方式 。它允许路由器一次将数据报复制到多个通道上 , 发送方只需发送一个数据报 ,所有的目的地都可以收到这个 数据报 ,从而大大减少网络通讯量 ,节省网络资源 ,进一步提 高网络传输效率 。视频会议 、网络教学 、计算机协同工作等一系列新业务都 需要有效地利用现有的带宽技术来使多个接收方同时接收一个源发送的相同信息 ,要求网络能实现多点间实时的交互式通信 。在 IP 层上实现多播需要网络设备 ( 路由器) 的支持 ,这 样才能在主机上运行多播应用程序 ,这大大限制了多播技术的发展 。同时 ,为了测试和研究新的多播协议和多播应用程 序 ,有必要找到一种方法 ,使得无需将整个因特网上的设备都 转换成支持多播的设备 ,就可以运行多播应用程序 ,这导致了多播主干实验网“MBone”的诞生 1 。MBone 将网络分成一个 个单独的区域 ,每个区域内运行一定的多播协议 ,而区域间采用“隧道”连接以 穿 过 不 支 持 多 播 的 网 络 。最 初 用 的 协 议 是DVMRP ,现在的设备大都支持 PIM 协议 。 路由问题是多播技术中的核心问题 ,直接关系到资源利用和服务质量 。本文就目前 IP 层多播路由协议做了全面的论述 ,并着重比较它们在实际应用中的优劣 。2结构主要有两种:基于源的树 (SBT) 和共享树 (ST) 。SBT 中以最短路径树 SPT 为代表 。SPT 以源为根节点 ,在 源与目标节点间提供最小的延迟 ,而不考虑链路的开销 ,它适 用于通信量大 、时延要求低的实时应用 。当接收端分布较稀 疏且数据流量较小 ,为每个源建立一棵 SPT 的开销相对则较 大 ,而且在每个路由器中需要存储大量的信息 ,可扩展 性 不 高 。它是密集模式下广泛采用的树型结构 。ST 中分为 SMT( Steiner Minimal Tree) 和中心树 ,每个组提 供一个中心点 ,以这个点建立一棵树 ,由这个组的成员共享 。2IP 多播机制及路由树的分类IP 多播地址在目前 IPv4 的地址分类中属于 D 类 ,范围从基金项目 :国家科技部 863 计划 (2001AA114141)收稿日期 :2002 - 09 - 26作者简介 :冯晋雯 (1980 - ) ,女 ,宁夏大武口人 ,硕士研究生 ,主要研究方向 :计算机网络 、信息安全 ; 潘爱民 (1970 - ) ,男 ,浙江海宁人 ,副研究员 ,主要研究方向 :组件技术 、网络与信息安全.第 3 期冯晋雯等 : IP 多播路由协议的分析与比较19数据报首先被传送到中心点 ,再由中心点向其它组成员转发 。这种结构适用于数据通信量小 、时延要求不高的情况 。其中 , SMT 和 SPT 相反 ,它不考虑延迟 ,目标是使链路开销最小 。中 心树则是 由 中 心 到 所 有 组 成 员 的 最 短 路 径 合 并 而 成 的 树 。SMT 使得网络中拥塞的风险大大降低 ,但因为组成员的变动 , 树的结构也相当不稳定 ,而且计算树是一个 NP 完全问题 ,一 般在实际中不采用 。中心树以核心共享树 CBT 为代表 ,它在 网络中被广泛采用 。为每一个由它负责的组维护一棵共享树 。发送方的指定路由器首先将数据封装并通过网络单播传送到该组的 RP 点 , RP 点让数据沿着共享树多播到整个组 。当一个接收者想要接收 数据时 ,它要向 RP 路由器注册 。当源开始发送多播数据后 ,根据数据流流量的大小 , PIM - SM 允许接收者或路由器切换 成一个以源为根的 SPT。4) CBT 是针对 DVMRP 的可扩展性而提出的以可伸缩性为根本目标的路由选择协议 。它设计的原则是减少网络中路 由器的 多 播 状 态 , 是 一 种 稀 疏 模 式 下 适 用 的 协 议 。每 一 个CBT 共享一个用于创建组的核心路由器 。这也是与基于源的树的根本不同之处 ,即算法为所有的组成员创建一棵单一的 双向共享树 ,而不是为每个源 - 组对分别创建树 。不管发送 端路由器是什么 ,数据都会沿着这棵单一的树流到整个组 ( 由 于双向共享的性质 ,CBT 要小心地维护这棵共享树 ,以确保不 会产生环路 ,造成数据的无限循环传送) 。目前 CBTv3 草案 13 已公布 ,该方案通过使用 CBT 边界路 由器 (BR) 更好地处理域间多播的转发 。CBTv3 还引入新的状 态及单向分支 CBT 概念 。尽管 CBT 很有代表性 ,但至今却几 乎没有已实现的 CBT 网络 。3IP 多播路由协议的分析IP 多 播 路 由 协 议 根 据 IGMP 维 护 的 多 播 组 成 员 关 系 信息 ,运用一定的多播路由算法3 构造多播分布树 ,实现多播数据报的转发 。它分为密集模式和稀疏模式 ,目前密集模式下 的 常 见 协 议 有 DVMRP ( Distance Vector Multicast RoutingProtocol) 4 ,5 、MOSPF ( Multicast OSPF) 6 ,7 和 PIM - DM ( ProtocolIndependent Multicast - Dense Mode) 8 , 稀 疏 模 式 下 的 协 议 有 PIM - SM ( Protocol Independent Multicast - Sparse Mode) 9 ,10 和 CBT( Core Based Tree) 11 ,12 。通常密集模式下的协议采用 SPT 树型结构进行路由 ,稀疏模式采用 CBT 进行路由 。下面分别 介绍这几种协议的概况 。1) DVMRP 是第一个真正得到普遍应用的多播路由选择 协议 。它类似于单播路由协议 RIP ,但是利用 RPF 算法3 来 进行数据转发 ,路由通告采用逆向抑制的技术来确定返回源的最短路径 。每个源网络都有自己的 TRPB 或 RPM 树 3 ,路由器通过周期性地路由交换信息来维持源的生成树 “, 剪枝” ( Prune) 和“嫁接”( Graft) 技术避免了多播数据流在非组成员的 分支上流动 。DVMRP 还可以使用“隧道”技术 ( Tunnel) 实现非 多播网络的多播数据传输 ,它已经在 MBone 上得到了广泛的 应用 。2) MOSPF 是 OSPFv2 单播路由协议的一个扩展 ,它使得 多播信息能够通过由一部分或者全部 MOSPF 路由器组成的 SPT 在 OSPF 单播网络上转发 。MOSPF 路由器是支持多播的 OSPF 扩展并配置有 MOSPF 功能的路由器 ,它分为域内 、域间 和自治系统 AS 间的路由 。MOSPF 在 OSPF 路由的基础上增加组成员关系进行多播 数据报的转发 ,利用 Dijkstra 算法计算 SPT 生成树 。它主要使 用在支持 OSPF 单播路由的网络上 。MOSPF 协议是向前兼容 的 ,它不能通过隧道用非多播路由器来发送多播数据 。3) PIM 是与协议无关的多播路由协议 ,它分为密集模式下使用的 PIM - DM 和稀疏模式下使用的 PIM - SM ,二者均以 RPF 进行数据转发 ,依赖单播协议的路由表中的信息计算生 成树 ,因此“与协议无关”。PIM 使用断言 (Assert) 机制为特定 多播源在多路访问链路上选择转发路由器 。在最新的草案中 ,PIM - DM 用状态机进行描述 ,同时 ,增 加了状态刷新机制 。状态刷新机制周期性地刷新下游 的 状 态 ,使树分支的剪枝不会超时 ,只要源 S 仍然发 送 信 息 到 组 G ,第一 跳 路 由 器 就 会 周 期 性 地 向 下 面 的 初 始 广 播 树 发 送 (源 ,组) 状态刷新消息以完成状态刷新 。PIM - SM 协议结合了 SPT 和 CBT 的优点 ,实现了从 CBT与 SPT 树的转换 , 是目前前 景 最 为 广 阔 的 一 种 协 议 。PIM - SM 定义了集合中心点 RP 来连接发送者和接收者 , RP 路由器IP 多播路由协议的比较从路由效率和资源利用上看 ,这些协议都各有千秋 ,下面 从多个角度对这几种协议进行比较 。在实际的应用中 ,应依 据自己的网络模型选用合适的协议来实现多播数据的转发 。4. 1 协议的适用性1) DVMRP 是一个适用于单个 AS 的内部网关协议 。2) MOSPF 适用于那些使用 OSPF 作为路由协议的互联网 络 ,以及那些在某个时刻源 - 组对相对比较少且网络连接状 态比较稳定的环境 。3) PIM - DM 适用于以下几种情况的网络 :发送者和接收 者分布密集 ;只有一小部分发送者和大部分接收者 ;多播流量 很大且持续 。4) PIM - SM 适用于以下几种情况的网络 :在一个组里接 收者较少 ;发送者和接收者被广域网分隔开 ;多播流量断断续续 。5) CBT 适用于稀疏模式 ,同时 ,CBT 既可以用于域内 ,也 可用于域间 。4. 2 协议的核心思想1) DVMRP : 使用 DV 路由算法来支持 RPM 算法 、定时的 路由更新策略 “、剪枝”机制和可靠的“嫁接”机制 ,常和隧道技术 ( Tunnel) 相结合以构造 Internet 上的 MBone 。2) MOSPF : 是一种基于链路状态的路由协议 ,使用点到 点的链路状态数据库 。每个区域内链路状态数据库一致 ,路由器无需发送任何控制分组 ,就可以通过链路状态表计算组中每个数据源的 SPT ,而且所有路由器计算的结果一致 。3) PIM - DM : 属于数据驱动型协议 ,使用 SPT 来构建多 播树 。直接使用单播路由算法给出的路由表转发数据 ,但独 立于单播协议 ,在它的实现中使用了状态机的思想 ,并有相应 的定时器 。4) PIM - SM : 由 RP 来连接发送者和接收者 。源发送数 据到 RP ,再由 RP 发送到组中 ; 接收者接收数据时 ,需要先向4计算机应用2003 年20RP 注册 。当数据流量达到一定阈值时 ,由共享树向 SPT 树转换 。5) CBT : 只需要为每个活动的组存储路由信息 , 一旦核 心路由器确定 ,不在 CBT 上的路由器就可向核心路由器发送 加入请求报文 ,再由核心路由器在每一跳建立路由表 ,而且 第一个分组不需要在全网扩散 。CBT 不依赖于多播或单播的 路由表 。4. 3 协议的优劣4. 3. 1 协议的优势1) DVMRP : 在实际的网络上实施起来比较简单 ; 对路由 器处理信息的要求不高 。2) MOSPF : 不存在 DVMRP 协议中的路由控制开销问题 , 链路利用率比较高 ;按需执行路由算法 ,只有路由器收到数据 源的第一个分组时 ,才利用 Dijkstra 算法计算 SPT ,进一步提高 了路由性能 ;区域分块的想法 。3) PIM : 直 接 使 用 单 播 路 由 算 法 给 出 的 路 由 表 转 发 数据 ,协议无关性 ;可以和所有的单播路由协议协同工作 ; 可扩 充性较好 。4) CBT : 可伸缩性好 、协议简单 、存储开销小 (O ( G) ) ; 不 对非树上的路由器造成任何影响 ,也不需要它们保存任何信 息 ,不需要参与树的维护 ;显式地加入组 。4. 3. 2 协议的劣势1) DVMRP : 应用了 DV (距离矢量) 算法 ,所以存在 DV 算 法中慢收敛和无穷计算的问题 ; 每个路由器存储了大量的路 由信息 ;伸缩性差 ,需要周期性的扩散机制来重新构造 多 播 树 。2) MOSPF : 依赖于点到点的路由协议 ,很难适应广域网 上的多点通信 ;定期扩散路由控制信息限制了组的规模 ;路由 器系统开销比较大 (Dijkstra 计算量较大) 。3) PIM - DM : 属于密集模式 ,有着密集模式多播协议的缺点 。4) PIM - SM : 有着稀疏模式协议的缺点 。5) CBT : 核心的单失败点问题 ; 容易导致通信量的集中 和核心路由器附近的瓶颈 ; 在源和目的节点间的路径不一定 是最短路径 ;不是动态自适应的 ( PIM - SM 在 这 点 上 做 得 很好) ;数据是双向流动的 ,无法处理数据的循环 。4. 4 协议的可扩展性协议的可扩展性是由路由器中描述网络状 态 的 信 息 数 量 、带宽利用率和协议的开销共同决定的 。DVMRP : 它周期性地发送多播路由更新 ,扩展性很差 ,而 且采用周期性的扩散和剪枝机制 ,路由器中状态的数量太多 。MOSPF : Dijkstra 算 法 的 计 算 量 随 着 组 的 扩 大 而 飞 速 增 长 ,所以很有可能破坏路由器 ,它的扩展性也较差 。PIM - DM : 它有比 DVMRP 好得多的扩展性能 ,因为不用 发送单独的多播路由更新 ,而且使用单播路由表来执行 RPF 校验 。同时 ,它的状态刷新机制也防止了剪枝状态的超时 ,避 免了不必要的信息周期性扩散 。PIM - SM : 使用显式加入模型 ,因此多播信息被更好地约 束在确实需要它的网络部分 。而且 ,它也消除了扩散和剪枝协议的低效率问题 。所以 ,它的可扩展性较好 。CBT : 能把多播状态优化到组的数量级 ,这也是 CBT 相对于 SPT 树的最大优势所在 。4. 5 密集模式与稀疏模式的比较1) 在生成树的选择上 ,密集模式的路由一般采用 SPT ,稀 疏模式采用共享树 CBT。2) 在选路状态上 ,稀疏模式有更好的扩展性 。它仅需要 在源和组成员间路径上的路由器中保持状态信息 ,而密集模 式协议要求网络中所有路由器都保持状态信息 ,且需要周期 性地发送路由控制信息 。3) 稀疏模式由于使用明确的加入报文 ,数据流仅流到加 入到树上的链路中 ;密集模式中 ,采用被动加入的方式来构造多播树 。4) 稀疏模式和密集模式相比 ,也有它自己的缺点 ,例如 RP 的单失败点问题 、RP 周围的通信量过大 、源到目的站点的 数据传输路径可能不是最短路径等 。5 结束语多播技术已经得到了广泛的应用 ,视频会议 、数据拷贝 、 网络游戏等应用都需要多播技术来进行多媒体信息的传送 , 目前广泛使用的 IPTV 就是 Cisco 公司制作的实时视频流多 播软件 。国际上多播的应用更加广泛 ,许多企业和组织正在 他们的内部网中应用这项技术 ,并且越来越多的用户希望在 不久的将来采用这项技术 。多播已经成为网络研究中的一个热点 ,很多研究领域围 绕着多播开拓了新的研究方向 。同时 ,在 IPv6 中多播也被作 为一项重要内容加以扩展和支持 。所以 ,可以预见 ,在未来的 网络发展中 ,多播技术有着巨大的应用前景和市场潜力 。尽 管目前的多播协议不能满足所有应用的需求 ,但随着多播协 议的进一步完善 ,以及更多高效 、实用的应用程序被开 发 出 来 ,多播技术将会得到更加广泛的应用 。参考文献Introduction to the MBone Page EB OL 。http :www - itg. lbl . govmbone,2002 - 04 .Wei L , Estrin D. 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