IP組播技術(shù)分析

　　近年來(lái)，隨著Internet的迅速普及和爆炸性發(fā)展，在Internet上產(chǎn)生了許多新的應(yīng)用，其中不少是高帶寬的多媒體應(yīng)用，譬如網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)音頻/視頻廣播、股市行情發(fā)布、多媒體遠(yuǎn)程教育、大規(guī)模協(xié)同計(jì)算等。這就帶來(lái)了帶寬的急劇消耗和網(wǎng)絡(luò)擁擠問(wèn)題。為了緩解網(wǎng)絡(luò)瓶頸，人們提出各種方案，其中一種是采用IP MulTIcast(組播、多播或多路廣播)技術(shù)，它是一種能最大限度利用現(xiàn)有帶寬的技術(shù)。比較而言，IP組播技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)越性，在組播網(wǎng)絡(luò)中，即使用戶數(shù)量成倍增長(zhǎng)，主干帶寬不需要隨之增加。

　　一、IP組播發(fā)展簡(jiǎn)史

　　20世紀(jì)80年代中期，斯坦福大學(xué)實(shí)施了第一次多目的通話，博士生S. E. Deering發(fā)表Host group: A mulTIcast extension to the Internet Protocol (RFC0966) 和Host extensions for IP MulTIcasTIng (RFC0988) 兩篇論文。提出了IP組播的可能性。

　　1988年，D. Waltzman, C. Portridge, S. E. Deering發(fā)表題為《距離向量組播路由協(xié)議》的文章(RFC1075)，它是組播路由協(xié)議的首次實(shí)踐;

　　1991年12月，S. E. Deering發(fā)表了他的博士論文《數(shù)據(jù)報(bào)互連網(wǎng)絡(luò)中的組播路由》(RFC1112)。它奠定了組播網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和路由協(xié)議的基礎(chǔ)。該文也成為Internet組管理協(xié)議(IGMP)的原型;

　　1994年3月，形成了OSPF協(xié)議的擴(kuò)展協(xié)議MOSPF(RFC1584);

　　1995年，Cisco公司開(kāi)始銷售支持組播的路由器和交換機(jī)

　　1997年11月，組管理協(xié)議IGMPv2得到IETF的批準(zhǔn)，成為標(biāo)準(zhǔn)(RFC2336);

　　1998年6月，評(píng)估可靠組播傳輸協(xié)議RMTP的IETF標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)(RFC2357);

　　1998年7月，在制定IPv6地址體系標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，確定IPv6組播地址分配方案(RFC2373)，這為組播技術(shù)在下一代Internet上的應(yīng)用做出了必要的準(zhǔn)備;

　　2000年底2001年初，人們著手制定各種組播MIB庫(kù)，這標(biāo)志組播技術(shù)正向可管理、可控制方向發(fā)展。

　　二、組播網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

　　組播網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括：組播的基本工作原理、實(shí)現(xiàn)組播的條件、組播的地址分配方案及與MAC地址映射、Internet組管理協(xié)議。

　　1、組播的工作原理

　　組播是一種允許一個(gè)或多個(gè)發(fā)送者(組播源)發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包到多個(gè)接收者(一次的，同時(shí)的)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。組播源把數(shù)據(jù)包發(fā)送到特定組播組，而只有屬于該組播組的地址才能接收到數(shù)據(jù)包。簡(jiǎn)單地說(shuō)，

　　主機(jī)通過(guò)使用INTERNET組管理協(xié)議加入野火所個(gè)組中，并且可以動(dòng)態(tài)離開(kāi)組，即成員關(guān)系常有變化，路由器跟蹤這種關(guān)系并試圖形成一條到達(dá)組播成員的無(wú)回路路徑。組播路有些已用于得到正在使用的組播組的路徑上那些路由器，以及到達(dá)這些組播組的最佳路徑信息。一旦報(bào)文到達(dá)目標(biāo)LAN，該報(bào)文就有可能泛洪或轉(zhuǎn)發(fā)到主機(jī)。三種傳輸方式比較如下：

　　單播(Unicast)傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間需要單獨(dú)的數(shù)據(jù)信道。如果一臺(tái)主機(jī)同時(shí)給很少量的接收者傳輸數(shù)據(jù)，一般沒(méi)有什么問(wèn)題。但如果有大量主機(jī)希望獲得數(shù)據(jù)包的同一份拷貝時(shí)卻很難實(shí)現(xiàn)。這將導(dǎo)致發(fā)送者負(fù)擔(dān)沉重、延遲長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)擁塞。為保證一定的服務(wù)質(zhì)量需增加硬件和帶寬。

　　組播(Multicast)傳輸：它提高了數(shù)據(jù)傳送效率。減少了主干網(wǎng)出現(xiàn)擁塞的可能性。組播組中的主機(jī)可以是在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，也可以來(lái)自不同的物理網(wǎng)絡(luò)。

　　廣播(Broadcast)傳輸：是指在IP子網(wǎng)內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包，所有在子網(wǎng)內(nèi)部的主機(jī)都將收到這些數(shù)據(jù)包。廣播意味著網(wǎng)絡(luò)向子網(wǎng)主機(jī)都投遞一份數(shù)據(jù)包，不論這些主機(jī)是否樂(lè)于接收該數(shù)據(jù)包。廣播的使用范圍非常小，只在本地子網(wǎng)內(nèi)有效，因?yàn)槁酚善鲿?huì)隔離廣播通信。廣播傳輸增加非接收者的開(kāi)銷。

　　2、實(shí)現(xiàn)IP組播的前提條件

　　實(shí)現(xiàn)IP組播傳輸，組播源和接收者以及兩者之間的下層網(wǎng)絡(luò)都必須支持組播。即主機(jī)的TCP/IP實(shí)現(xiàn)支持發(fā)送和接收IP組播;主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口支持組播;有一套用于加入、離開(kāi)、查詢的組管理協(xié)議，即IGMP(v1,v2);有一套IP地址分配策略，并能將第三層IP組播地址映射到第二層MAC地址;支持IP組播的應(yīng)用軟件;所有介于組播源和接收者之間的路由器、交換機(jī)均需支持組播;Cisco的路由器不僅支持DVMRP、PIM路由協(xié)議、IGMP組管理協(xié)議，而且支持Cisco專有Cisco組管理協(xié)議CGMP，對(duì)于不支持IP組播傳輸?shù)闹虚g路由器采用IP隧道(Tunneling)技術(shù)作為過(guò)渡方案。

　　三、組播的實(shí)現(xiàn)

　　在IP組播技術(shù)中有四個(gè)方面的問(wèn)題：首先是發(fā)送給誰(shuí)的問(wèn)題、其次是接收方如何接收組播信息、第三是用戶主機(jī)如何通知路由器對(duì)某個(gè)組不再感興趣、第四是路由器如何轉(zhuǎn)發(fā)組播信息。

　　1、組播地址分配與MAC地址

　　在組播通信中，我們需要兩種地址：一個(gè)IP組播地址和一個(gè)Ethernet組播地址。其中，IP組播地址標(biāo)識(shí)一個(gè)組播組。由于所有IP數(shù)據(jù)包都封裝在Ethernet幀中，所以還需要一個(gè)組播Ethernet地址。為使組播正常工作，主機(jī)應(yīng)能同時(shí)接收單播和組播數(shù)據(jù)，這意味著主機(jī)需要多個(gè)IP和Ethernet地址。IP地址方案專門(mén)為組播劃出一個(gè)地址范圍，在IPv4中為D類地址，范圍是224.0.0.0到239.255.255.255，并將D類地址劃分為局部鏈接組播地址、預(yù)留組播地址、管理權(quán)限組播地址。

　　局部鏈接地址：224.0.0.0～224.0.0.255，用于局域網(wǎng)，路由器不轉(zhuǎn)發(fā)屬于此范圍的IP包;

　　預(yù)留組播地址：224.0.1.0～238.255.255.255，用于全球范圍或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;

　　管理權(quán)限地址：239.0.0.0～239.255.255.255，組織內(nèi)部使用，用于限制組播范圍;

　　以太網(wǎng)組播MAC地址映射方法： IP組播幀都使用以0X0100.5EXX.XXXX的24位前綴開(kāi)始的MAC層地址，但只有其中的一半MAC地址可以被IP組播使用，剩下的MAC地址空間的23位作為第三層IP組播地址進(jìn)入第二層MAC地址的映射使用。由于第三層IP組播的28位地址不能映射到只有23位的可用MAC地址空間，造成有32:1的地址不明確，所以主機(jī)CPU必須對(duì)收到的每一個(gè)組播數(shù)據(jù)包做出判斷。這增加了主機(jī)CPU的開(kāi)銷。此外，還產(chǎn)生抑制第二層局域網(wǎng)交換的組播擴(kuò)散問(wèn)題。

　　2、組管理協(xié)議IGMP

　　主機(jī)使用IGMP通知子網(wǎng)組播路由器，希望加入組播組;路由器使用IGMP查詢本地子網(wǎng)中是否有屬于某個(gè)組播組的主機(jī)。

　　1)加入組播組

　　當(dāng)某個(gè)主機(jī)加入某一個(gè)組播組時(shí)，它通過(guò)“成員資格報(bào)告”消息通知它所在的IP子網(wǎng)的組播路由器，同時(shí)將自己的IP模塊做相應(yīng)的準(zhǔn)備，以便開(kāi)始接收來(lái)自該組播組傳來(lái)的數(shù)據(jù)。如果這臺(tái)主機(jī)是它所在的IP子網(wǎng)中第一臺(tái)加入該組播組的主機(jī)，通過(guò)路由信息的交換，組播路由器加入組播分布樹(shù)。

　　加入之后，接收方主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口卡開(kāi)始偵聽(tīng)與組播組地址相關(guān)的組播MAC地址，路由器把發(fā)送方的信息包一跳一跳地發(fā)送到有接受者的網(wǎng)段上去，局域網(wǎng)路由器根據(jù)信息包中的組地址轉(zhuǎn)換成與之相關(guān)的MAC地址，接收方偵聽(tīng)到這個(gè)地址，收到信息包后，將IP層的組播數(shù)據(jù)包取出傳向上層。

　　2)退出組播組

　　在IGMP v1中，當(dāng)主機(jī)離開(kāi)某一個(gè)組播組時(shí)，它將自行退出。組播路由器定時(shí)使用“成員資格查詢” 消息向IP子網(wǎng)中的所有主機(jī)的組地址(224.0.0.1)查詢，如果某一組播組在IP子網(wǎng)中已經(jīng)沒(méi)有任何成員，那么組播路由器在確認(rèn)這一事件后，將不再在子網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)該組播組的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，通過(guò)路由信息交換，從特定的組播組分布樹(shù)中刪除相應(yīng)的組播路由器。這種不通知任何人而悄悄離開(kāi)的方法，使得組播路由器知道IP子網(wǎng)中已經(jīng)沒(méi)有任何成員的事件延時(shí)了一段時(shí)間，在IGMP v2.0中，當(dāng)每一個(gè)主機(jī)離開(kāi)某一個(gè)組播組時(shí)，需要通知子網(wǎng)組播路由器，組播路由器立即向IP子網(wǎng)中的所有組播組詢問(wèn)，從而減少了系統(tǒng)處理停止組播的延時(shí)。

　　3、組播轉(zhuǎn)發(fā)

　　1)逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)(Reverse Path Forward: RPF)

　　當(dāng)組播數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器時(shí)，路由器作RPF檢查，以決定是否轉(zhuǎn)發(fā)或拋棄該數(shù)據(jù)包，若成功則轉(zhuǎn)發(fā)，否則拋棄。RPF檢查過(guò)程如下：

　　檢查數(shù)據(jù)包的源地址，以確定該數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)的接口，是否在從源到此的路徑上;

　　若數(shù)據(jù)包是從可返回源主機(jī)的接口上到達(dá)，則RPF檢查成功，轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包到輸出接口表上的所有接口，否則RPF檢查失敗，拋棄該數(shù)據(jù)包。

　　2)組播轉(zhuǎn)發(fā)緩存

　　對(duì)于每一個(gè)輸入組播數(shù)據(jù)包進(jìn)行RPF檢查會(huì)導(dǎo)致較大的路由器性能損失。因此，建立組播轉(zhuǎn)發(fā)緩存時(shí)，通常由組播路由確定RPF接口。然后將RPF接口變成組播轉(zhuǎn)發(fā)緩存項(xiàng)的輸入接口。一旦RPF檢查程序使用的路由表發(fā)生變化，必須重新計(jì)算RPF接口;并更新組播轉(zhuǎn)發(fā)緩存項(xiàng)。

　　3)TTL閾值

　　每當(dāng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)包，IP包中的TTL(Time To Live)值都減1。若數(shù)據(jù)包的TTL減少到0，則路由器將拋棄該數(shù)據(jù)包。TTL閾值可用于組播路由器的各個(gè)接口，以防止在該接口上轉(zhuǎn)發(fā)低于TTL閾值的組播數(shù)據(jù)包。這樣可對(duì)組播的范圍加以控制。

　　4)管理權(quán)限邊界

　　除TTL閾值外，組播提供另一種稱為管理權(quán)限的地址機(jī)制作為邊界，以限制組播信息轉(zhuǎn)發(fā)到域外。管理權(quán)限的組播地址是從239.0.0.0到239.255.255.255，這段地址被認(rèn)為是本地分配(類似于單播中的192.168.xx.xx)，不能用于Internet。這種機(jī)制使得在Intranet內(nèi)部可重復(fù)使用組播地址，提高組播地址空間的利用率。

　　4、組播樹(shù)

　　在單播模型中，數(shù)據(jù)包通過(guò)網(wǎng)絡(luò)沿著單一路徑從源主機(jī)向目標(biāo)主機(jī)傳遞，但在組播模型中，組播源向某一組地址傳遞數(shù)據(jù)包，而這一地址卻代表一個(gè)主機(jī)組。為了向所有接收者傳遞數(shù)據(jù)，一般采用組播分布樹(shù)描述IP組播在網(wǎng)絡(luò)里經(jīng)過(guò)的路徑。

　　組播分布樹(shù)有兩種基本類型　有源樹(shù)和共享樹(shù)。

　　1)有源樹(shù)

　　有源樹(shù)也稱為基于信源的樹(shù)或最短路徑樹(shù)(Shortest Path Tree：SPT)。它是以組播源為根構(gòu)造的從根到所有接收者路徑都最短的分布樹(shù)。如果組中有多個(gè)組播源，則必須為每個(gè)組播源構(gòu)造一棵組播樹(shù)。由于不同組播源發(fā)出的數(shù)據(jù)包被分散到各自分離的組播樹(shù)上，因此采用SPT有利于網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量的均衡。同時(shí)，因?yàn)閺慕M播源到每個(gè)接收者的路徑最短，所以端到端(end-to-end)的時(shí)延性能較好，有利于流量大、時(shí)延性能要求較高的實(shí)時(shí)媒體應(yīng)用。SPT的缺點(diǎn)是：要為每個(gè)組播源構(gòu)造各自的分布樹(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)流量不大時(shí)，構(gòu)造SPT的開(kāi)銷相對(duì)較大。

　　2)共享樹(shù)

　　共享樹(shù)也稱RP樹(shù)(RPT)，是指為每個(gè)組播組選定一個(gè)共用根(匯合點(diǎn)RP或核心)，以RP為根建立的組播樹(shù)。同一組播組的組播源將所要組播的數(shù)據(jù)單播到RP，再由RP向其它成員轉(zhuǎn)發(fā)。目前，討論最多同時(shí)也是最具代表性的兩種共享樹(shù)是Steiner樹(shù)和有核樹(shù)(CBT)。

　　共享樹(shù)在路由器所需存儲(chǔ)的狀態(tài)信息的數(shù)量和路由樹(shù)的總代價(jià)兩個(gè)方面具有較好的性能。當(dāng)組的規(guī)模較大，而每個(gè)成員的數(shù)據(jù)發(fā)送率較低時(shí)，使用共享樹(shù)比較適合。但當(dāng)通信量大時(shí)，使用共享樹(shù)將導(dǎo)致流量集中及根(RP)附近的瓶頸。

　　組播，多播說(shuō)的是一個(gè)東西。他跟廣播類似，但是，只有感興趣的主機(jī)才會(huì)收到，不敢興趣的直接被網(wǎng)卡過(guò)濾掉了，而廣播不一樣，廣播報(bào)總是能到達(dá)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的。另外，組播能夠卡網(wǎng)段，到達(dá)任何網(wǎng)絡(luò)，而廣播不行。

　　做播地址有一定的范圍。