組播在MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)

2019-11-05 01:08:09

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供稿：網(wǎng)友

1 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，公眾對信息的消費急劇增長，各種寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用如ip TV、視頻會議、網(wǎng)絡(luò)音頻應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用、多媒體遠(yuǎn)程教育等有了廣闊的市場前景。同時，大量的帶寬消耗對網(wǎng)絡(luò)運營商在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源基礎(chǔ)上如何提供高效、穩(wěn)定的服務(wù)提出了挑戰(zhàn)。

單純地增加帶寬不是解決問題的要害，應(yīng)尋求一種適應(yīng)此類一對多模型的技術(shù)來緩解對帶寬的壓力，組播便是這種技術(shù)。在組播網(wǎng)絡(luò)中，即使組播用戶數(shù)量成倍增長，骨干網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)帶寬也無需增加。MPLS（MultiPRotocol Label Switching，多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)）是繼IP技術(shù)以來的下一代廣域網(wǎng)傳輸技術(shù)，它是一種充分利用數(shù)據(jù)標(biāo)簽引導(dǎo)數(shù)據(jù)包在開放的通信網(wǎng)絡(luò)上高速、高效傳輸?shù)男录夹g(shù)，它是在一個無連接的網(wǎng)絡(luò)中引入連接模式，從而減少了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，并且兼容現(xiàn)有各種主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能大大降低網(wǎng)絡(luò)成本，在提高IP業(yè)務(wù)性能的同時，能確保網(wǎng)絡(luò)通信的服務(wù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴＝M播技術(shù)與MPLS VPN技術(shù)的結(jié)合將為運營商提供一個前所未有的多業(yè)務(wù)發(fā)展空間。

2 組播與MPLS VPN簡介

IP數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中以3種方式傳輸：

單播（Unicast）傳輸：發(fā)送方和每一接收方需要單獨的數(shù)據(jù)通道。在這種通信方式下，源IP主機向指定的目標(biāo)IP主機發(fā)送數(shù)據(jù)包，從一臺主機送出的每個數(shù)據(jù)包只能傳送給一個目標(biāo)主機，通過路由器或交換機將這些IP數(shù)據(jù)包從源主機發(fā)送到目標(biāo)主機。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(shù)據(jù)包的拷貝是不可能的。發(fā)送信息的主機必須向每個希望接收此數(shù)據(jù)包的用戶發(fā)送一份單獨的數(shù)據(jù)包拷貝。這種巨大的冗余會帶來很大的代價，首先，會給發(fā)送數(shù)據(jù)的源主機帶來沉重的負(fù)擔(dān)，因為它必須對每個要求都做出響應(yīng)，這使得主機的響應(yīng)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(wù)質(zhì)量。

廣播（Broadcast）傳輸：發(fā)送方和每一接收方共享一個數(shù)據(jù)通道。在這種通信方式下，源IP主機向一個直接廣播地址發(fā)送數(shù)據(jù)包，這意味著目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的所有主機不論是否需要該數(shù)據(jù)都必須處理此廣播數(shù)據(jù)包，對于不需要此數(shù)據(jù)的主機來說是一種負(fù)擔(dān)。組播（Multicast）傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間實現(xiàn)點對多點網(wǎng)絡(luò)連接。假如一個發(fā)送者同時給多個接收者傳輸相同的數(shù)據(jù)，也只需復(fù)制一份相同的數(shù)據(jù)包。它提高了數(shù)據(jù)傳送效率，減少了骨干網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的可能性，同時不會對其他主機造成影響。

綜上所述，組播與單播相比，使用IP組播技術(shù)分發(fā)信息經(jīng)常能從本質(zhì)上減少整個網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求；與廣播相比，IP組播技術(shù)可以有效減少對聯(lián)網(wǎng)主機性能的影響，尤其是在多媒體流應(yīng)用中組播的優(yōu)勢更加明顯。

其一是帶寬優(yōu)勢：對于音頻與視頻網(wǎng)來說，大量的用戶經(jīng)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(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗就會呈線性增長需求，由于典型的MPEG-2視頻信息流需要大約1～5 Mbps的帶寬用于流暢且逼真的影像，顯然用IP組播來發(fā)送節(jié)目是一種明智的選擇。因為重復(fù)數(shù)據(jù)流被單一傳送所代替，從而使得網(wǎng)絡(luò)帶寬得到了更有效地使用。

其二是服務(wù)器負(fù)載優(yōu)勢：假如音頻與視頻網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)運營商繼續(xù)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(wù)器的能力和數(shù)量以滿足連接用戶的增長需求。當(dāng)服務(wù)器負(fù)載增加到一定程度，服務(wù)器就不能再發(fā)出信息流。假如運營商使用IP組播來發(fā)布它們的節(jié)目，就不需要購買越來越多高性能的服務(wù)器以滿足客戶數(shù)目的增長。很明顯IP組播的主要優(yōu)勢在于通過大大減少需要轉(zhuǎn)發(fā)和處理的數(shù)據(jù)量，從而降低了所需服務(wù)器性能。

其三是分布式應(yīng)用優(yōu)勢：在IP單播的情況下，隨著需求與應(yīng)用的增長，多點應(yīng)用不太可能，因為單播通信中的客戶數(shù)量不能無限增長。而組播幾乎不受客戶數(shù)量增長的限制。從以上3種傳輸模式比較中可以看出，多媒體流應(yīng)用以組播傳輸為最佳。

目前MPLS VPN技術(shù)可以說是一項最熱門的技術(shù)和應(yīng)用，它可以分為二層MPLS VPN和三層MPLS VPN兩類。二層MPLS VPN：L2 MPLS VPN的目的是在IP網(wǎng)絡(luò)上提供類似ATM和FR的專用連接，服務(wù)提供商只為用戶提供傳統(tǒng)的二層鏈路（如ATM，F(xiàn)R，以太網(wǎng)等），并將相應(yīng)的鏈路標(biāo)識（ATM VPI/VCI，F(xiàn)R DLCI，以太網(wǎng)的VLAN ID）映射到一條MPLS LSP上穿越運營商的核心網(wǎng)絡(luò)，用戶在這樣的專有連接上自己組織路由結(jié)構(gòu)。

三層MPLS VPN：三層MPLS VPN是一種基于MPLS技術(shù)的IP VPN，是在網(wǎng)絡(luò)路由和交換設(shè)備上應(yīng)用MPLS技術(shù)，簡化核心路由器的路由選擇方式，利用結(jié)合傳統(tǒng)路由技術(shù)的標(biāo)記交換實現(xiàn)的IP虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。MPLS VPN適用于對服務(wù)質(zhì)量、服務(wù)等級劃分、網(wǎng)絡(luò)資源的利用率、網(wǎng)絡(luò)的可靠性有較高要求的VPN業(yè)務(wù)。

MPLS是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)IP網(wǎng)中的QoS與流量工程的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，所以，當(dāng)所需建立的網(wǎng)絡(luò)對于這些功能有所要求時，尤其是當(dāng)面向的是對服務(wù)質(zhì)量有較高要求的實時業(yè)務(wù)時，則應(yīng)當(dāng)選用MPLS作為實現(xiàn)IP VPN的隧道協(xié)議。 3組播在MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)

以往，在VPN中實現(xiàn)組播通信的唯一方法是把組播通信量封裝在單播數(shù)據(jù)包中通過GRE（Generic Route Encapsulation，通用路由封裝）隧道來傳輸。應(yīng)用這種方式，參與組播通信的各站點必須完成點對點的GRE隧道連接，當(dāng)增加站點時此站點必須與各站點間建立點對點連接，這將帶來擴展性問題。而提供組播支持的MPLS VPN就沒有此類問題。

組播MPLS VPN是通過把組播路由信息帶入路由轉(zhuǎn)發(fā)表來實現(xiàn)對組播支持的。當(dāng)客戶邊界（CE）路由器轉(zhuǎn)發(fā)的組播通信量或組播控制信息到達(dá)提供商邊界（PE）路由器時，PE路由器查詢組播VPN路由轉(zhuǎn)發(fā)表（MVRF）進行轉(zhuǎn)發(fā)決策。那么，服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)是如何區(qū)分不同VPN來完成組播通信量和組播控制信息的傳遞的呢？

一組可互傳組播通信量MVRF構(gòu)成一個組播域。舉例來說，一個客戶的組播域可涵蓋此客戶傳遞特定組播通信量的所有的客戶邊緣路由器。組播VPN為每個組播域建立一個靜態(tài)的默認(rèn)組播分配樹（MDT），此MDT定義了組播域中傳輸組播通信量的提供商邊界路由器之間的路徑。對于高帶寬應(yīng)用的組播類型如視頻，還提供一種動態(tài)MDT稱為數(shù)據(jù)組播分配樹（Date MDT），當(dāng)組播流量超過某一設(shè)定值時動態(tài)MDT被建立，這樣組播流量可以沿著一條優(yōu)化路徑流動。下面舉例說明組播在MPLS VPN中的傳輸過程。如圖1所示，提供商MPLS核心由P1，P2，P3，P4 4臺路由器組成，它們分別連接各自的提供商邊界路由器，客戶邊界路由器通過PE路由器提供的VPN通道相互連接。VPN客戶A由站點a，b，c組成，VPN客戶B由站點a，b組成。客戶A的默認(rèn)組播分配樹（MDT）包括P1，P2和P4及相連的PE路由器，由于P3路由器只與其他客戶有關(guān)不被包括在內(nèi)。在客戶A的組播應(yīng)用中站點 b連接組播服務(wù)器O。假設(shè)客戶A站點a的一個成員希望加入組播實例，如圖1所示，主機M發(fā)出IGMP組加入請求，客戶邊界路由器CE1轉(zhuǎn)發(fā)請求至PE1，提供商邊界路由器PE1沿著此組播域的默認(rèn)組播分配樹將組播加入請求轉(zhuǎn)發(fā)至組播資源所在的提供商邊界路由器PE2，PE2轉(zhuǎn)發(fā)加入請求至客戶邊界路由器CE2，這時CE2開始向PE2轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)，PE2則沿著默認(rèn)組播分配樹轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)的同時PE2監(jiān)測到組播流量超出建立數(shù)據(jù)組

播分配樹的設(shè)定值，PE2將沿著默認(rèn)組播分配樹向客戶A的組播域中的所有PE路由器通告數(shù)據(jù)組播分配樹建立信息，經(jīng)一短暫間隔，PE2開始沿著數(shù)據(jù)組播分配樹傳輸組播流量。由于只有PE1發(fā)出組播請求，因而只有PE1加入數(shù)據(jù)組播分配樹并接收流量。

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