IP網絡組播技術的新發展

2019-11-04 22:41:22

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供稿：網友

　　1 前言
　　
　　組播(multicast)是一到多或者多到多的多方通信形式，遠程會議、交互式仿真、分布式內容系統、多方游戲等應用都對組播業務(multicast service)提出了需求。在OSI模型的網絡層或者應用層實現業務是目前組播業務的兩種實現體制，本文對這兩種體制的體系結構進行了討論，對兩種體系結構的發展及其對ip網絡體系結構的影響提出了一些看法。
　　
　　2 IP組播的歷史、現狀及困境
　　
　　1988年Deering提出了將組播的功能機制增加到數據網IP層的組播實現體系結構，這種體系結構稱為 IP組播(IP multicast)。IETF RFC1112對IP組播的業務提供的方式和形式進行了描述和定義，被看成是IP組播的標準業務模型的定義。
　　
　　標準IP組播業務模型定義了主機和路由器IP層應有的功能機制和上層所看到的組播業務的形式。主機組(host group)是IP組播概念的核心，多個主機組成主機組，用一個IP組播地址標識，以組地址為目的地址的組播數據以IP數據報的best-effort方式轉發到主機組的各個主機。組播路由器承擔組播數據的尋路和轉發控制功能，這些路由器及鏈路在網絡中形成了一個控制組播數據傳送的邏輯結構，稱為組播轉發結構(delivery strUCture)，這種結構一般是樹形的結構，稱為轉發樹，在轉發樹上的組播路由器接收、復制、轉發組播數據。
　　
　　歷經20多年的研究和發展，IP組播已經形成了較為完整的組播協議體系，包括組播主機和網絡的交互協議、組播路由協議、組播的地址治理協議等。
　　
　　組播路由協議是IP組播協議體系中最核心的功能。IP組播路由協議的發展分成域內(intra-domain)和域間(inter-domain)兩個階段：最初的IP組播路由協議將網絡看成沒有層次結構的平面網絡，組播路由算法采用廣播方式交互協議消息，因而只能應用在IP網絡的路由自治域內，稱為域內路由協議；域間路由協議的出現是為了解決在大型的、分層的IP網絡中組播路由問題，大型IP網絡采用自治域結構形式組織網絡，域間路由協議解決了分層結構網絡的組播路由問題。
　　
　　1992年IP組播實驗網——Mbone建立，從1992～1997年，IP組播的協議標準和部署方法在Mbone中進行研究實驗。1997年以后，分層結構網絡域間組播路由的標準化成為IP組播研究的主要領域，域間路由協議體系的部署實驗開始在Internet 2的兩個骨干網（vBNS, Abilene）中進行，從1999年中開始采用MBGP/MSDP[1,2]和PIM-SM[3]協議體系實現域間組播路由。
　　
　　目前絕大多數面向內部網絡的路由器都實現了PIM-SM組播路由協議和IGMP協議，具有支持組播業務的能力。在一些內部網絡中，IP組播業務已經得到一些應用，比如基于IP組播建立的視頻傳輸系統可以有效地支持大規模的接收終端，但是由于對組播業務的治理還缺乏有效的解決方案，路由器的組播功能往往沒有開放。
　　
　　隨著對IP網絡組播研究的深入，業界普遍熟悉到僅僅依靠標準組播業務模型無法很好地支持所有的組播應用，而大量的、可以預見的組播應用是源節點確定的應用，由此提出了采用單源組播業務模型支持單源組播應用的思想，IETF提出的 SSM（source specified multicast）[4]體系結構是基于單源組播思想的，SSM采用了嚴格的一到多業務模型。
　　
　　SSM業務模型引入了組播通道的概念，組播通道（組播源地址，組播組）是二元組，組播源地址是唯一可以發送組播數據的源主機的IP地址，組播組是一個SSM組播地址，組播通道是組播路由器轉發組播數據報使用的信息。
　　
　　與標準組播業務模型相比較，SSM業務模型具有以下的優點：SSM模型提供了組播接入的限制機制；組播源節點確定，路由協議實現簡化；組播組的治理由源節點治理和協調，不需要全網絡的組地址治理機制。
　　
　　SSM業務模型提出后，迅速得到了學術界、工業界的重視和支持，實現SSM業務的協議體系研究進入了一個快速發展時期，提出了PIM-SSM和IGMPv3草案，PIM-SSM是支持SSM業務模型的組播路由協議，IGMPv3草案支持SSM業務模型。
　　
　　從因特網中IP組播的應用現狀看，盡管經過了20多年的發展，IP組播并沒有取得預期的成功。一方面，因特網中的網絡極少開放IP組播業務，至今還沒有全因特網范圍的組播業務；另一方面，基于IP組播的上層應用也屈指可數，相對于WWW等新的體系結構，IP組播的發展非常緩慢。
　　
　　從因特網發展的過程和IP網絡的體系結構看，阻礙IP組播業務發展的主要因素為：
　　
　　IP組播體系結構缺乏可擴展性。路由器需要為每個活動的組維護路由狀態信息，而且這些組播地址不能聚合，網絡中大量的活動組將需要路由器巨大的存儲和處理開銷。此外，組播組成員的動態使網絡必須動態維護路由狀態，更增加了組播路由器的處理開銷。
　　
　　開放的IP組播模型在開放的因特網環境中難以支持有效的治理和控制機制。標準的IP組播業務模型是一種any source、any receiver的開放模型，任何節點都可以創建組，可以向組發送數據，節點可以加入任何感愛好的組接收數據，發送節點不知道具體的單個接收節點，接收節點也不需要知道發送數據的節點。在這種模型下，接入控制、組治理、組地址的協調機制一直沒有有效的解決方案.
　　
　　IP組播還沒有清楚的商業費用模型，網絡運營商之間有不同的利益取向。目前骨干網運營商以帶寬使用獲得收益，對承載的是IP單播業務還是IP組播業務沒有必要區分，也就沒有動力在路由器中增加對IP組播的支持。
　　
　　3 應用層組播
　　
　　面對IP組播業務在因特網中的困境，一些研究者開始反思IP組播體系結構本身的問題，提出將復雜的組播功能放在端系統實現的新思想。端系統實現組播業務的思想是將組播作為一種疊加的業務，實現為應用層的服務，因此，端系統組播又稱為應用層組播(application layer multicast)。圖1顯示了應用層組播在IP體系結構中所處的位置。應用層組播網的節點是組播成員主機，數據路由、復制、轉發功能都由成員主機完成，成員主機之間建立一個疊加在IP網絡之上的、實現組播業務邏輯的功能性網絡，稱為疊加網（overlay network），主機基于自組織算法建立和維護疊加網。圖2示意了應用層組播的基本思想及其與IP組播的差別，IP組播的數據沿著物理鏈路復制和轉發，而應用層組播的數據則在主機實現復制和轉發，數據報沿著邏輯鏈路轉發，多跳邏輯鏈路可能經過同一條物理鏈路。
　　
　　自組織算法是端系統組網的核心功能和機制，自組織算法的主要功能包括：周期性地交換節點狀態信息，通報組成員狀態；周期性地收集網絡邏輯連接的帶寬、時延等動態參數；動態地調整疊加網拓撲。
　　
　　直觀上，端系統實現組播功能可以避開網絡層實現組播功能的許多難題：一是應用層組播的狀態在主機系統中維護，不需要路由器保持組的狀態，解決了業務的擴展性問題，網絡可以支持大量的組播組。二是組播應用可以隨時部署，不需要網絡設備的升級和功能擴展。三是可以簡化組播的控制、可靠等功能的實現，建立在網絡連接之上的應用層組播可以使用TCP、UDP服務，如可以利用TCP的可靠和擁塞控制簡化組播的可靠和擁塞控制。
　　　 IP網絡組播技術的新發展

　　當然，應用層組播也有許多局限：一是端系統對IP網絡的了解有限，節點參與組網時，只能通過探測獲得一些網絡性能參數，選取的邏輯鏈路難以優化；二是主機不了解IP網絡的拓撲結構，只能通過帶寬和時延等外在的特性參數，以啟發式的方式建立疊加網，邏輯鏈路不能較好地利用質量較好的底層網絡資源，疊加網的多條鏈路可能經過同一條物理鏈路。
　　
　　4 應用層組播的研究現狀和進展
　　
　　應用層組播思想提出后的短短幾年內，多個研究機構開展了應用層組播體系結構的研究項目，如：ESM(end system multicast)[5]、YOID[6]、Scattercast[7]、Overcast[8]、ALMI[9]、HM（host multicast）[10]等，我們首先對這幾個項目進行簡單的介紹，然后做一個比較。
　　
　　（1）ESM
　　
　　ESM是CMU(卡耐基·梅隆大學)開展的一個端系統組播研究項目，是目前為止最成功的一個項目。2000年，ESM的研究表明，在端系統中實現組播功能的體系結構是可行的，可以支持組成員在幾百范圍內、分布稀疏的、較小規模的多方通信。2001年，通過在因特網中實際運行基于ESM的視頻會議，驗證了ESM采用的自組織協議可以在動態的、異構的因特網中支持較小規模的視頻應用。
　　
　　Narada是ESM的組網協議。Narada協議首先在組播成員之間建立一個網狀的疊加網, 然后在疊加網上運行組播路由協議，建立一棵組播轉發樹。通過動態探測網絡狀態，Narada動態地對疊加網進行維護和改良。
　　
　　（2）YOID
　　
　　YOID是ACIRI(AT&T Center for Internet Research at ICSI) 研究中心在2000年提出的,基于應用層組播的一整套內容分發的解決方案，包括了應用層組播之上的可靠、安全、擁塞控制等機制。YMTP(YOID multicast tree PRotocol)是YOID體系的核心，是一種自組織的拓撲治理協議，將主機組織成網狀網和共享的組播轉發樹。
　　
　　（3）Scattercast
　　
　　2000年，Berkeley大學的Y.Chawache在其博士論文中提出了Scattercast的體系結構。這是一種基于應用層組播實現因特網大規模廣播業務的體系結構。其思想是在因特網中部署支持廣播業務的服務器，稱為Scattercast Proxy節點，應用層組播將這些服務器組織成一個因特網廣播業務的支撐網，支持用戶規模巨大的Internet 廣播和軟件分發應用。 Scattercast體系結構包括應用層組播機制、應用層組播之上的傳輸層機制以及內容請求的實現機制。Gossamer是Scattercast體系結構的自組織組網協議。
　　
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