組播技術發(fā)展研究

1、    組播技術發(fā)展研究    趙建立+陳建偉摘 要：隨著電子商務、網(wǎng)絡會議、視頻點播等網(wǎng)絡應用的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡中交互的各種數(shù)據(jù)、語音和視頻信息越來越多，組播技術很好地滿足了上述需求。文章敘述了組播協(xié)議的產生和發(fā)展過程，并對現(xiàn)行的關鍵技術進行了介紹。關鍵詞：組播；語音；視頻；網(wǎng)絡應用1 組播技術的概念當今流行的網(wǎng)絡協(xié)議為傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol，tcp）/ 網(wǎng)絡協(xié)議（internet protocol，ip），其對開放式系統(tǒng)互聯(lián)（open system interconnection，osi）協(xié)議模型進行了

2、改進，最大的成功之處就在于簡潔實用。人們應用最多的是點對點的單播通信模式，即數(shù)據(jù)包從一個源點發(fā)送到一個目的節(jié)點，與之對應的，報文從源節(jié)點發(fā)出，經(jīng)過網(wǎng)絡發(fā)送到一組接收者，稱之為組播。20世紀80年代初，斯坦福大學的一個博士生為他的導師設計分布式系統(tǒng)，在研究獨立計算機之間的通信問題時發(fā)現(xiàn)，獨立計算機最開始處于同一個網(wǎng)段中，通過二層組播進行通信。隨著工作的深入研究，計算機需要跨越不同的網(wǎng)段進行通信，研究不得不設法在網(wǎng)絡層解決通信問題。通過對開放式最短路徑優(yōu)先（open shortest path first，ospf）協(xié)議和路由信息協(xié)議（routing information protocol，ri

3、p）的研究，發(fā)現(xiàn)可以把ospf協(xié)議進行擴充，經(jīng)過一系列的改進，組播擴展（multicast ospf，mospf）和距離組播適量協(xié)議（distance vector multicast routing protocol，dvmrp）誕生了，再經(jīng)過幾個版本的修訂最終成為internet組管理協(xié)議（internet group management protocol，igmp）。這些研究成果是組播技術的基礎框架。2 組播技術的基本特點及相關術語ip傳播分為3種方式，即單播、組播和多播。單播方式即點到點傳播，數(shù)據(jù)包使用單播地址發(fā)送到目的地，n個接收者需要源發(fā)送n份報文，并且為每份報文建立單獨的通道。

4、單播傳播的缺點為當用戶的數(shù)量增加時，網(wǎng)絡中將出現(xiàn)多份相同信息流，到每一個接收者，對處理器資源和帶寬都是很大的浪費，如圖1所示。廣播方式即數(shù)據(jù)包使用廣播地址發(fā)送，報文被復制成多份發(fā)送到各個網(wǎng)段，不管接收者是否有需求，報文都會到達網(wǎng)絡中的每個用戶，如圖2所示。廣播方式的缺點是極大地浪費了網(wǎng)絡帶寬，適合用戶密集的網(wǎng)絡。組播又稱為多播，是指ip數(shù)據(jù)從一個或者一組源發(fā)出，被轉發(fā)到一組特定的接收者。單播是點對點的轉發(fā)數(shù)據(jù)，有多少接收者就需要由源發(fā)送多少數(shù)據(jù)，廣播是不論接收者是否接收數(shù)據(jù)，源都要在整個網(wǎng)段進行轉發(fā)，而組播的傳輸方式介于單播和廣播之間，其既不指定接收者，也不將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡的所有用戶，如圖3所

5、示。發(fā)送者不需要知道接收者的位置，只需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的組播地址，由網(wǎng)絡層完成余下的工作。組播的優(yōu)勢在于發(fā)送者只發(fā)送一份數(shù)據(jù)，并且發(fā)送者不必對接收者的信息進行維護。理解組播技術，需要了解一下幾個基本概念。最短路徑樹（shortest path tree，spt）：也叫源樹，是指報文從源到接收者所經(jīng)過的路徑為最短路徑。最短路徑對于不同的網(wǎng)絡層協(xié)議也不同，因為不同的網(wǎng)絡層協(xié)議有不同的管理距離和度量值，所以這個最短在不同的路由協(xié)議下意義也不同。共享樹（rendezvous point tree，rpt）：指來自不同的源地址，首先匯聚到稱為匯聚點的樹根，由匯聚點在發(fā)送到接收者，共享樹的特點是不同的源

6、共享匯聚點到接收者這段路徑，節(jié)約了帶寬。反向路徑轉發(fā)（reverse-path forwarding，rpf）：路由器針在單播路由表中查找組播報文源地址的路由，如果該路由的出口就是組播報文的入接口，則rpf檢查成功。該接口成為rpf接口。rpf檢查的目的是防止組播報文環(huán)路。對于最短路徑樹和共享樹檢查的地址有所不同，最短路徑樹檢查的地址是組播源的地址，而共享樹檢查的地址是匯聚點的地址。組播路由表：和單播路由表類似，組播路由表用于組播數(shù)據(jù)的轉發(fā)。由于組播轉發(fā)策略比較復雜，所以組播路由表包含的信息比單播路由表多，如：源地址、組地址、入接口、出接口列表等信息。3 組播技術的發(fā)展歷程3.1 組播架構的形

7、成1985年9月，steve與其導師提出了支持ip組播的擴展模型，明確了internet 組管理協(xié)（internet group management protocol，igmp）概念。12月，steve將此概念提交給了ietf，而后經(jīng)過兩次更新該組播模型，重新定義了igmp的報文類型。igmp模型只定義了一個ip網(wǎng)段內ip主機如何接收和發(fā)送組播報文，而組播報文跨越不同網(wǎng)段的轉發(fā)沒有定義，此方面的工作已經(jīng)被獨立為組播路由技術。1989年8月，rfc1112作為igmpv1的規(guī)范被廣泛接受，這是組播發(fā)展歷程中的一個重要里程碑。3.2 組播路由技術的發(fā)展1992年，研究者對ospf協(xié)議進行了擴充以

8、支持ip組播，又過了兩年，mospf協(xié)議被研究出來，并被定義為標準化。該文檔描述了對ospf版本2的擴展，通過增加新的鏈路狀態(tài)廣播（link-state advertisement，lsa）支持spf算法。1993年，研究者提出了基于核心樹的組播路由協(xié)議技術，該技術不再基于源在網(wǎng)絡中構建最短路徑樹，而是創(chuàng)建一個虛擬的匯聚節(jié)點，到相同目的地組地址的數(shù)據(jù)包流向匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點轉發(fā)到最終用戶。隨著組播路由協(xié)議的不斷發(fā)展，研究者提出了一種與單播路由協(xié)議無關的組播協(xié)議域間組播路由（protocol independent multicast，pim）。該協(xié)議非常明確地指出與網(wǎng)絡層運行何種路由協(xié)議無

9、關，pim只關心接收者和組播源的相關信息，不需要對網(wǎng)絡層的路由信息進行維護，不僅降低了路由的復雜性，而且減小了設備資源。在研發(fā)pim的過程中參考了以前的組播技術和轉發(fā)方式，將組播分為密集模式（dense mode，dm）和稀疏模式（sparse mode，sm）。密集模式采用推送的方式，在網(wǎng)絡中周期性地進行泛洪和剪枝，而稀疏模式是在網(wǎng)絡中創(chuàng)建一個匯聚節(jié)點，組播源向匯聚節(jié)點注冊，通過最短路徑樹傳送流量，接收者通過直連路由器向匯聚節(jié)點加入，利用共享樹轉發(fā)組播流量。endprintpim-dm和pim-sm技術的成功，使得以前的技術基本被淘汰。但是pim仍然是一個區(qū)域內的技術，而域間組播協(xié)議解決了組

10、播源和接收者不在同一個區(qū)域的情況，該協(xié)議通過策略控制對源的信息進行發(fā)布，也可以應用在域內滿足某些特殊的需求。msdp的應用場景中一般都會有pim-dm和pim-sm。1997年，隨著rfc2236被ietf批準，igmpv2標準形成了，igmpv2版本對igmpv1版本進行了兼容，并且對igmpv1的版本進行了改進，例如增加了主機離開的消息報文，當主機離開時，會發(fā)送離開消息報文，對響應時間進行了改進，并且還可以對指定組進行查詢。伴隨著ipv6技術的發(fā)展，在制定ipv6地址體系標準的同時，對ipv6協(xié)議的主機組播協(xié)議也進行了相應的升級，用mldv1協(xié)議取代了igmpv2協(xié)議，mldv1協(xié)議加入到

11、了組播協(xié)議。3.3 指定源組播和igmpv3協(xié)議隨著對組播協(xié)議的研究，一種新型的服務模型被提出，這種模型被稱為源特定組播（source specific multicast，ssm），而老的模型被稱為asm。模型ssm可以同時對特定源和目的組提供服務，由于應用層通常需要組播源地址和組地址，所以這對于大多數(shù)數(shù)據(jù)流量應用更方便和高效。在跨域組播的應用中，也不再需要msdp去維護活動員的信息，但是需要對igmpv2進行升級，而升級的igmpv3解決的就是可以指定組播源。同時，組播偵聽者發(fā)現(xiàn)（multicast listener discovery，mld）協(xié)議的版本也升級到版本2，同樣解決了相同的問題。4 結語組播技術是在網(wǎng)絡中的應用越來越廣泛，在很多場景下具有不可替代的優(yōu)勢，組播技術可以成倍地節(jié)約網(wǎng)絡帶寬，這非常符合建設節(jié)約社會的要求。本文可以幫助讀者對組播技術