IP多播技術(shù)及其應(yīng)用

2019-11-04 22:41:01

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供稿：網(wǎng)友

　　隨著全球互聯(lián)網(wǎng)（Internet）的迅猛發(fā)展，上網(wǎng)人數(shù)正以幾何級數(shù)快速增長，以因特網(wǎng)技術(shù)為主導(dǎo)的數(shù)據(jù)通信在通信業(yè)務(wù)總量中的比列迅速上升，因特網(wǎng)業(yè)務(wù)已成為多媒體通信業(yè)中發(fā)展最為迅速、競爭最為激烈的領(lǐng)域。Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸和處理能力的大幅提高，使得網(wǎng)上應(yīng)用業(yè)務(wù)越來越多，非凡是視音頻壓縮技術(shù)的發(fā)展和成熟，使得網(wǎng)上視音頻業(yè)務(wù)成為Internet網(wǎng)上最重要的業(yè)務(wù)之一。
　　在Internet上實現(xiàn)的視頻點播（VOD）、可視電話、視頻會議等視音頻業(yè)務(wù)和一般業(yè)務(wù)相比，有著數(shù)據(jù)量大、時延敏感性強、持續(xù)時間長等特點。因此采用最少時間、最小空間來傳輸和解決視音頻業(yè)務(wù)所要求的網(wǎng)絡(luò)利用率高、傳輸速度快、實時性強的問題，就要采用不同于傳統(tǒng)單播、廣播機(jī)制的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)及QoS服務(wù)保證機(jī)制來實現(xiàn)，而ip多播技術(shù)是解決這些問題的要害技術(shù)。
　　一、IP多播技術(shù)的概念
　　IP多播（也稱多址廣播或組播）技術(shù)，是一種答應(yīng)一臺或多臺主機(jī)（多播源）發(fā)送單一數(shù)據(jù)包到多臺主機(jī)（一次的，同時的）的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。多播作為一點對多點的通信，是節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效方法之一。在網(wǎng)絡(luò)音頻/視頻廣播的應(yīng)用中，當(dāng)需要將一個節(jié)點的信號傳送到多個節(jié)點時，無論是采用重復(fù)點對點通信方式，還是采用廣播方式，都會嚴(yán)重浪費網(wǎng)絡(luò)帶寬，只有多播才是最好的選擇。多播能使一個或多個多播源只把數(shù)據(jù)包發(fā)送給特定的多播組，而只有加入該多播組的主機(jī)才能接收到數(shù)據(jù)包。目前，IP多播技術(shù)被廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)音頻/視頻廣播、AOD/VOD、網(wǎng)絡(luò)視頻會議、多媒體遠(yuǎn)程教育、“push”技術(shù)（如股票行情等）和虛擬現(xiàn)實游戲等方面。
　　二、IP多播技術(shù)的基礎(chǔ)知識
　　1． IP多播地址和多播組
　　IP多播通信必須依靠于IP多播地址，在IPv4中它是一個D類IP地址，范圍從224.0.0.0到239.255.255.255，并被劃分為局部鏈接多播地址、預(yù)留多播地址和治理權(quán)限多播地址三類。其中，局部鏈接多播地址范圍在224.0.0.0~224.0.0.255，這是為路由協(xié)議和其它用途保留的地址，路由器并不轉(zhuǎn)發(fā)屬于此范圍的IP包；預(yù)留多播地址為224.0.1.0~238.255.255.255，可用于全球范圍（如Internet）或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；治理權(quán)限多播地址為239.0.0.0~239.255.255.255，可供組織內(nèi)部使用，類似于私有IP地址，不能用于Internet，可限制多播范圍。
　　使用同一個IP多播地址接收多播數(shù)據(jù)包的所有主機(jī)構(gòu)成了一個主機(jī)組，也稱為多播組。一個多播組的成員是隨時變動的，一臺主機(jī)可以隨時加入或離開多播組，多播組成員的數(shù)目和所在的地理位置也不受限制，一臺主機(jī)也可以屬于幾個多播組。此外，不屬于某一個多播組的主機(jī)也可以向該多播組發(fā)送數(shù)據(jù)包。
　　2．多播分布樹
　　為了向所有接收主機(jī)傳送多播數(shù)據(jù)，用多播分布樹來描述IP多播在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)穆窂健６嗖シ植紭溆袃蓚€基本類型：有源樹和共享樹。
　　有源樹是以多播源作為有源樹的根，有源樹的分支形成通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)接收主機(jī)的分布樹，因為有源樹以最短的路徑貫穿網(wǎng)絡(luò)，所以也常稱為最短路徑樹（SPT）。共享樹以多播網(wǎng)中某些可選擇的多播路由中的一個作為共享樹的公共根，這個根被稱為匯合點（RP）。共享樹又可分為單向共享樹和雙向共享樹。單向共享樹指多播數(shù)據(jù)流必須經(jīng)過共享樹從根發(fā)送到多播接收機(jī)。雙向共享樹指多播數(shù)據(jù)流可以不經(jīng)過共享樹。
　　3．逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)
　　逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)（RPF）是多播路由協(xié)議中多播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程的基礎(chǔ)，其工作機(jī)制是當(dāng)多播信息通過有源樹時，多播路由器檢查到達(dá)的多播數(shù)據(jù)包的多播源地址，以確定該多播數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的接口是否在有源的分支上，假如在，則RPF檢查成功，多播數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)；假如RPF檢查失敗，則丟棄該多播數(shù)據(jù)包。
　　4．Internet多播主干（MBONE）網(wǎng)絡(luò)
　　Internet多播主干（MBONE）網(wǎng)絡(luò)是由一系列相互連接的子網(wǎng)主機(jī)和相互連接支持IP多播的路由器組成。它可以看成是一個架構(gòu)在Internet物理網(wǎng)絡(luò)上層的虛擬網(wǎng)，在該虛擬網(wǎng)中，多播源發(fā)出的多播信息流可直接在支持IP多播的路由器組之間傳輸，而在多播路由器組和非多播路由器組之間要通過點對點隧道技術(shù)進(jìn)行傳輸。
　　三、IP多播路由及其協(xié)議
　　1． IP多播路由的基本類型
　　多播路由的一種常見的思路就是在多播組成員之間構(gòu)造一棵擴(kuò)展分布樹。在一個特定的“發(fā)送源，目的組”對上的IP多播流量都是通過這個擴(kuò)展樹從發(fā)送源傳輸?shù)浇邮苷叩模@個擴(kuò)展樹連接了該多播組中所有主機(jī)。不同的IP多播路由協(xié)議使用不同的技術(shù)來構(gòu)造這些多播擴(kuò)展樹，一旦這個樹構(gòu)造完成，所有的多播流量都將通過它來傳播。
　　根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中多播組成員的分布，總的說來IP多播路由協(xié)議可以分為以下兩種基本類型。第一種假設(shè)多播組成員密集地分布在網(wǎng)絡(luò)中，也就是說，網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)的子網(wǎng)都至少包含一個多播組成員，而且網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠大，這種被稱作“密集模式”（Dense-Mode）的多播路由協(xié)議依靠于廣播技術(shù)來將數(shù)據(jù)“推”向網(wǎng)絡(luò)中所有的路由器。密集模式路由協(xié)議包括距離向量多播路由協(xié)議（DVMRP：Distance Vector Multicast Routing PRotocol）、多播開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議（MOSPF：Multicast Open Shortest Path First）和密集模式獨立多播協(xié)議（PIM-DM：Protocol-Independent Multicast-Dense Mode）等。
　　多播路由的第二種類型則假設(shè)多播組成員在網(wǎng)絡(luò)中是稀疏分散的，并且網(wǎng)絡(luò)不能提供足夠的傳輸帶寬，比如Internet上通過ISDN線路連接分散在許多不同地區(qū)的大量用戶。在這種情況下，廣播就會浪費許多不必要的網(wǎng)絡(luò)帶寬從而可能導(dǎo)致嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)性能問題。于是稀疏模式多播路由協(xié)議必須依靠于具有路由選擇能力的技術(shù)來建立和維持多播樹。稀疏模式主要有基于核心樹的多播協(xié)議（CBT：Core Based Tree）和稀疏模式獨立協(xié)議多播（PIM-SM：Protocol-Independent Multicast-Sparse Mode）。
　　2．密集模式協(xié)議
　?。?）距離向量多播路由協(xié)議（DVMRP）
　　第一個支持多播功能的路由協(xié)議就是距離向量多播路由協(xié)議。它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在多播骨干網(wǎng)MBONE上。
　　DVMRP為每個發(fā)送源和目的主機(jī)組構(gòu)建不同的分布樹。每個分布樹都是一個以多播發(fā)送源作為根，以多播接受目的主機(jī)作為葉的最小擴(kuò)展分布樹。這個分布樹為發(fā)送源和組中每個多播接受者之間提供了一個最短路徑，這個以“跳數(shù)”為單位的最短路徑就是DVMRP的量度。當(dāng)一個發(fā)送源要向多播組中發(fā)送消息時，一個擴(kuò)展分布樹就根據(jù)這個請求而建立，并且使用“廣播和修剪”的技術(shù)來維持這個擴(kuò)展分布樹。
　　擴(kuò)展分布樹構(gòu)建過程中的選擇性發(fā)送多播包的具體運作是：當(dāng)一個路由器接收到一個多播包，它先檢查它的單播路由表來查找到多播組發(fā)送源的最短路徑的接口，假如這個接口就是這個多播包到達(dá)的接口，那么路由器就將這個多播組信息記錄到它的內(nèi)部路由表（指明該組數(shù)據(jù)包應(yīng)該發(fā)送的接口），并且將這個多播包向除了接受到該數(shù)據(jù)包的路由器以外的其他臨近路由器繼續(xù)發(fā)送。假如這個多播包的到達(dá)接口不是該路由器到發(fā)送源的最短路徑的接口，那么這個包就被丟棄。這種機(jī)制被稱為“反向路徑廣播”（Reverse-Path Broadcasting）機(jī)制，保證了構(gòu)建的樹中不會出現(xiàn)環(huán)，而且從發(fā)送源到所有接受者都是最短路徑。。
　　對子網(wǎng)中密集分布的多播組來說DVMRP能夠很好的運作，但是對于在范圍比較大的區(qū)域上分散分布的多播組來說，周期性的廣播行為會導(dǎo)致嚴(yán)重的性能問題。DVMRP不能支持大型網(wǎng)絡(luò)中稀疏分散的多播組。
　　（2）多播開放最短路徑優(yōu)先（MOSPF）
　　開放最短路徑優(yōu)先（OSPF）是一個單播路由協(xié)議，它將數(shù)據(jù)包在最小開銷路徑上進(jìn)行路由傳送，這里的開銷是表示鏈路狀態(tài)的一種量度。除了路徑中的跳數(shù)以外，其他能夠影響路徑開銷的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)還有負(fù)載平衡信息、應(yīng)用程序需要的QoS等。
　　MOSPF是為單播路由多播使用設(shè)計的。MOSPF依靠于OSPF作為單播路由協(xié)議，就象DVMRP也包含它自己的單播協(xié)議一樣。在一個OSPF/MOSPF網(wǎng)絡(luò)中每個路由器都維持一個最新的全網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。這個“鏈路狀態(tài)”信息被用來構(gòu)建多播分布樹。
　　每個MOSPF路由器都通過IGMP協(xié)議周期性的收集多播組成員關(guān)系信息。這些信息和這些鏈路狀態(tài)信息被發(fā)送到其路由域中的所有其他路由器。路由器將根據(jù)它們從臨近路由器接收到的這些信息更新他們的內(nèi)部連接狀態(tài)信息。由于每個路由器都清楚整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就能夠獨立的計算出一個最小開銷擴(kuò)展樹，將多播發(fā)送源和多播組成員分別作為樹的根和葉。這個樹就是用來將多播流從發(fā)送源發(fā)送到多播組成員的路徑。
　?。?）獨立多播密集模式協(xié)議（PIM-DM）
　　獨立多播協(xié)議（PIM）是一種標(biāo)準(zhǔn)的多播路由協(xié)議，并能夠在Internet上提供可擴(kuò)展的域間多播路由而不依靠于任何單播協(xié)議。PIM有兩種運行模式，一種是密集分布多播組模式，另一個是稀疏分布多播組模式，前者被稱為獨立多播密集模式協(xié)議（PIM-DM），后者被稱為獨立多播稀疏模式協(xié)議（PIM-SM）。
　　PIM-DM有點類似于DVMRP，這兩個協(xié)議都使用了反向路徑多播機(jī)制來構(gòu)建分布樹。它們之間的主要不同在于PIM完全不依靠于網(wǎng)絡(luò)中的單播路由協(xié)議而DVMRP依靠于某個相關(guān)的單播路由協(xié)議機(jī)制，并且PIM-DM比DVMRP簡單。
　　PIM-DM協(xié)議和所有的密集模式路由協(xié)議一樣也是數(shù)據(jù)驅(qū)動的。但是既然PIM-DM不依靠于任何單播路由協(xié)議，路由器某個接收端口（就是返回到源的最短路徑的端口）接收到的多播數(shù)據(jù)包被發(fā)送到所有下行接口直到不需要的分枝從樹中被修剪掉。DVMRP在樹構(gòu)建階段能夠使用單播協(xié)議提供的拓?fù)鋽?shù)據(jù)有選擇性的向下行發(fā)送數(shù)據(jù)包，PIM-DM則更加傾向于簡單性和獨立性，甚至不惜增加數(shù)據(jù)包復(fù)制引起的額外開銷。
　　2．稀疏模式多播路由協(xié)議
　　當(dāng)多播組在網(wǎng)絡(luò)中集中分布或者網(wǎng)絡(luò)提供足夠大帶寬的情況下，密集模式多播路由協(xié)議是一個有效的方法，當(dāng)多播組成員在廣泛區(qū)域內(nèi)稀疏分布時，就需要另一種方法即稀疏模式多播路由協(xié)議將多播流量控制在連接到多播組成員的鏈路路徑上，而不會“泄漏”到不相關(guān)的鏈路路徑上，這樣既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，又能夠有效的控制網(wǎng)絡(luò)

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