組播路由協議及其應用

2019-11-04 12:06:39

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供稿：網友

　　當代社會已經進入信息時代，網絡技術在飛速發展。

由于視頻會議、推送技術、大規模協作計算、為用戶群進行軟件升級、用于培訓和企業報告的共享白板式的多媒體應用、網絡代理、鏡像和高速緩存站點等等應用，都依靠于從一個主機向多個主機或者從多個主機向多個主機發送同一信息的能力，而在Internet上分發的數目可能達數十萬臺，這些都需要更高的帶寬，并且大大超出了單播的能力。一種能最大限度地利用現有帶寬的有力武器是ip組播技術，這項技術已獲得了包括AT＆T、HP、IBM、Intel、Microsoft、Cisco和3Com等業界有影響的眾多廠商的支持。
　　
　　一、單播與廣播
　　
　　傳統的點對點單播通信，在發送方和每一接收方需要單獨的數據通道。在這種通信方式下，源IP主機向指定的目標IP主機發送信息包。IP信息包中的目標地址就是IP網絡中惟一的主機地址。從一臺主機送出的每個數據包只能傳送給一個目標主機，通過路由器或交換機將這些IP信息包從源主機發送到目標主機。在源主機和目標主機之間的路徑上的每一個路由器都維護由單播路由協議生成的單播路由信息庫，并根據數據包中的IP目標地址在單播路由信息庫中查找單播包轉發路徑。這種傳送方式稱為單播。
　　
　　
　　在單播方式下，假如有另外的多個用戶希望同時獲得這個數據包的拷貝是不可能的。發送信息的主機必須向每個希望接收此數據包的用戶發送一份單獨的數據包拷貝。這種巨大的冗余會帶來很大的代價，首先，會給發送數據的源主機帶來沉重的負擔，因為它必須對每個要求都做出響應，這使得負擔過于沉重主機的響應會大大延長。其次對路由器和交換機的性能也提出了更高的要求，治理人員被迫購買本來不必要的硬件和帶寬來保證一定的服務質量。
　　
　　
　　在IP通信另一個領域是IP廣播，在這里，源主機向一個網段中的所有IP主機發送IP信息包。IP廣播包的目標地址的主機部分被設置成全“1”，網絡部分設置成當前子網地址。在一些例子中，主機部分設置為全“0”，但是這種形式的IP廣播地址通常不再使用。
　　
　　IP網絡的主機（包括路由器）都能識別以IP廣播地址作為目標地址的信息包，一個子網中的所有IP主機都接收地址為本子網的廣播地址的信息包。除非非凡配置，路由器一般不會轉發IP廣播信息包，這樣，IP廣播通信通常被限制在本地的子網內。而假如路由器轉送這些廣播，那么，路由回環將很可能引起一場嚴重的廣播風暴。而且廣播的主要的缺點就是每個廣播都要發送數據至所有機器，消耗了所有機器上的資源，即使數據要被網絡中大多數機器所丟棄。
　　
　　二、組播化解矛盾
　　
　　解決上述這些IP單播和IP廣播問題的辦法是構建一種具有組播能力的網絡，答應路由器一次將數據包復制到多個通道上。采用組播方式，單臺服務器能夠對幾十萬臺主機機同時發送連續數據流而無延時。組播發送方只要發送一個信息包而不是很多個，所有目的地同時收到同一信息包，更及時，更同步，可以把信息發送到任意不知名目的地，能減少網絡上傳輸的信息包的總量。網絡成本變得相當低廉，可達到從未有過的傳送能力。
　　
　　
　　IP組播通信介于IP單播和IP廣播通信之間，并且能使主機發送IP信息包到IP網絡中任何一組特定的主機上。這些主機都具有一種特定的IP地址，稱之為IP組播組地址。支持組播的路由器會轉發IP組播信息包至所有具有該組播地址的主機的接口上。單播與組播的區別如附圖所示。
　　
　　從圖中可以清楚的看出，單播傳送發送數據的多個拷貝，每個拷貝發送到一個接收者，主機輪流發送數據的拷貝，網絡分別將它們轉發至每個接收者，主機一次只能發送至一個接收者。而組播傳送則只把發送數據的一個拷貝發送到多個接收者，主機發送數據的一個拷貝，可同時發送到多個接收者。網絡在每個接收者的最后一個路由器或主機復制它，在一個給定的網絡上每一個包只傳送一次。
　　
　　三、IP組播技術簡介
　　
　　組播首先要解決發送給誰的問題。按不同應用項目（如體育、文藝、娛樂或學習等）進行分組，組成員要向組播路由器通過IGMP協議進行注冊登記，用戶主機發出請示，提出具體組播地址。IP組播的地址采用D類IP地址確定組播的組。在Internet的“小數點”表示法中，組播地址范圍是從224.0.0.0到234.255.255.255。為發送一份IP組播數據包，發送者要確定一個合適的組播地址，這個地址代表一個組。然后，組播數據通過普通的IP發送操作發送出去。
　　
　　
　　其次要解決的問題是如何接收組播信息，有時在同一網段中有多個組播組的成員。對于信息的發送方來說相當簡單，但接收方卻十分復雜。為了能夠正確地接收感愛好的組播信息數據包，主機上的應用首先要申請特定組播組的成員。這種申請通過Internet組治理協議（Internet Group Management PRotocol，IGMP）傳送到本網段上的路由器完成，如有必要，相關的信息還可能要傳送到發送方的路由器，這取決于使用的組播路由協議。
這一步完成，接收主機的網絡接口卡開始偵聽與新組播組地址相關的數據鏈路層組播地址。路由器把由發送方送來的組播數據包一跳一跳地發送到有接收者的網段上的路由器，局域網路由器根據組播信息包中的組地址轉換出與它相關的數據鏈路層地址，并用這個地址建立數據鏈路層的報文。接收方的網絡接口卡和網絡驅動程序偵聽這個地址，收到該組播包后，將IP層的組播數據包取出，傳向上層TCP／IP協議堆棧，從而使數據適合用戶的應用。
　　
　　
　　第三個問題是用戶主機在注銷對某個組的愛好時如何通知組播路由器。假如接收方使用的是IGMPv2，會主動地通知路由器離開。但假如是IGMPv1主機，注銷就不會通知路由器，這時服務器要在一定時間后向本網段發出查詢，接收主機的應答，若無用戶應答，路由器就認為不再有接收者，不會再向該網段上轉發組播信息。
　　
　　
　　第四個問題是組播信息的轉發，要根據所使用的組播路由協議建立組播轉發樹。根據該轉發樹進行組播信息的轉發，當某個處于轉發樹中的路由器收到一個組播信息后，對要轉發的組播包進行拷貝和轉發。假如路由器為最后一跳，組播包就以廣播的方式傳送到該網段中各主機接收者。
　　
　　
　　對于IP組播的研究早在80年代就已經開始有許多組播路由協議已經投入使用。像PIM（Protocol Independent Muiticast）、MBGP（Muticast Border Gateway Protocol）以及DVMRP（Distance Vector Multicast Routing Protocol）等協議的應用都比較廣泛，但是目前還沒有一種可靠的組播協議已經具備了處理大范圍的組分發、發送者要求的反饋或各種類型使用路由器應用的能力。
　　
　　四、IP組播的特點
　　
　　與單播應用相比，使用IP組播技術分發信息經常能從本質上減少整個網絡帶寬的需求，一個典型的例子就是音頻與視頻網。這些例子經常用來說明IP組播的優點，體現在以下幾個方面。
　　
　　1．帶寬
　　
　　對于音頻與視頻網來說，大量的用戶經常要在大致相同的時間里訪問相同的信息，假如使用IP單播，網絡帶寬的消耗就會呈線性增長。由于典型的MPEG-2視頻信息流需要大約1Mbps～5Mbps的帶寬用于流暢且逼真的影像，顯然用IP組播來發送節目是一種明智的選擇。因為重復數據流被單一傳送所代替，從而使得網絡帶寬得到了更有效地使用。
　　
　　
　　2．服務器負載
　　
　　
　　假如音頻與視頻網的網絡運營商繼續使用單播傳送機制，隨著用戶的增長，它將需要不斷增加它的實時音頻服務器的能力和數量以滿足連接用戶的增長。當服務器負載增加到一定程度，服務器就不能再發出信息流。假如運營商使用IP組播來發布它們的節目，那么就不需要購買越來越多高性能的服務器以滿足客戶數目的增長。很明顯IP組播提供的主要優勢在于通過大大減少需要轉發和處理的數據量，從而降低了所需服務器性能。
　　
　　3．分布式應用
　　
　　在IP單播的情況下，隨著需求與應用的增長，多點應用不太可能，因為單播通信中的客戶數量不能無限增長。而組播幾乎不受客戶數量增長的限制。
　　
　　盡管在網絡里使用IP組播會帶來許多好處，但是像任何技術一樣，這項技術也有其局限性和不盡如人意的地方，包括不可靠的信息包傳送和組播信息包的復制。
　　

　　五、組播在企業中的應用
　　
　　
　　通常人們想到IP組播就會想到視頻會議和視頻點播。盡管第一個使用的IP組播網絡經常是視頻網絡，但視頻只是許多IP組播應用之一。IP組播在其他領域應用的也很廣泛。
　　
　　
　　1．多媒體應用
　　
　　
　　一些出色的IP組播多媒體應用程序已經被開發出來，答應通過IP組播實現多對多的音頻或音頻／視頻會議。除音頻與視頻之外，還有一種基于Unix的白板工具，它答應用戶共享公共的電子白板。
　　
　　
　　2．數據分發
　　
　　
　　數據分發是IP組播應用的另一個領域。通過使用IP組播，公司可以采用“推”的模式進行文件和數據庫更新。這項技術答應公司天天夜里向他們的遠程辦公室發布新的信息，比如價格和產品信息。企業可使用軟件通過衛星鏈路向所屬分公司分發軟件升級和數據更新消息。一次性向所有的分公司傳送一種數據，而不是依次向每個分公司重發，節省了時間和通信費用。
　　
　　
　　3．實時數據組播
　　
　　
　　實時數據傳送是使IP組播深受歡迎的又一應用領域。一個好的例子是將股票信息發送到交易大廳的工作站。
　　
　　
　　通過指定不同的財務分類（債券、運輸、藥品等等）給不同的組播組，交易員能使用他們的工作站來接收他們感愛好的實時金融數據。
　　
　　
　　IP組播目前在該領域已獲得了一定范圍的商業應用。例如企業可在其企業網上使用組播向各個部門分發市場數據。這樣做的優點是：假如使用單播系統出現故障時，數據被備份下來，而后當故障排除時，網絡上的所有數據存儲器開始重發它們備份的數據。這可能再度堵塞網絡，從而可能使故障情況再次發生，造成網絡停止運行一段時間，然后又再次備份數據。而假如采用組播，這些數據風暴就少多了，因為組播的第一次重發操作是很有效的。
　　
　　
　　4．游戲和仿真
　　
　　
　　IP組播非常適合于網絡游戲或者仿真應用的使用。
雖然很多的游戲和仿真支持聯線的方式進行游戲，事實上所有這些應用使用單播，是點對點的連接。IP組播可用于有大量參與者的游戲和仿真。參與的計算機只需進入IP組播組就開始發送和接受游戲及仿真數據。
　　
　　
　　由于更多IP網絡將變成組播網絡，人們期望更多的游戲和仿真應用開發者把IP組播用于范圍更大的仿真。不久的將來，成千上萬的玩家通過Internet在游戲里同時戰斗將不再是不可思議的事。
　　
　　
　　六、組播設備
　　
　　
　　要在網絡上實現組播應用必須要有相應組播設備的支持。按照組播協議的分類在三層的組播協議主要有DVMRP、PIM和IGMP等，而在二層的組播協議主要用CGMP（Cisco Group Management Protocol）和IGMP監聽。三層組播協議主要用于組播信息的轉發，二層組播協議主要用于抑制局域網上多余的組播信息，在路由器以及多層交換機上一般實現三層的組播協議，而在不具備多層交換的交換機上一般只能實現二層組播協議。
　　
　　
　　當前已經有大量通信設備制造商的設備支持組播路由協議，如Cisco系統公司的所有交換設備、3Com公司的交換機、Enterasys公司的交換式路由器、神州數碼網絡的路由交換機、華為公司的quidway系列路由交換機、中興公司ZXR10核心路由器、邁普通信的路由交換機和網捷網絡的第三層交換機等。假如需要在網絡上實現組播功能，可以選用上述廠家的產品。
　　
　　
　　例如，Cisco系統公司的Catalyst 2948G-L3第三層交換機的所有端口支持線速IP組播。隨著組播應用（例如Microsoft NetShow和NetMeeting）被更加廣泛的實施，端到端組播支持變得越來越重要，其中組播路由協議是統一的端到端組播解決方案的有機組成部分。Catalyst 2948G-L3支持PIM疏松和密集模式以及與DVMRP傳統應用程序間的互操作性。Catalyst 2948G-L3提供對IGMPv1/2支持，為集成IP組播和Catalyst核心交換機，提供CGMP服務器功能。這些協議對IP組播客戶機以及有效的處理必不可少，節約了帶寬和客戶端的CPU資源。
　　
　　
　　雖然IP組播的概念很早就被提出，但是直到現在它的能力才被充分熟悉。目前組播技術應用的增長十分快速，而且這種趨勢正在加快，但是IP組播仍然是一項新出現的技術，雖然組播具有很大的優點和優點，但是和所有新技術一樣有其自身的局限性和一些問題，因此在組播領域還需要進行大量的工作。

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