IP多播技術

2019-11-03 09:05:51

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供稿：網友

　　摘要：多播通信是現在的一大網絡熱點技術。本文主要敘述了ip多播技術的基本概念，多播的編址，Internet組管理協議（IGMP），多播路由算法和已有的多播選路協議，以及正在研究的新多播選路協議。還介紹了多播中的主要問題：安全問題和QoS問題，并簡要多播應用現狀及前景。

　　關鍵詞：多播組多播路由多播樹

1.引言

　　隨著Internet的發展，出現了如視頻點播、電視會議、遠程學習、計算機協同工作等新的業務。用傳統的點到點通信方式，不僅浪費大量的網絡帶寬，而且效率很低。一種有效地利用現有帶寬的技術就是多播技術。多播是一種點到多點（和多點到多點）的通信方式，即多個接收者同時接收一個源發送的相同信息。

　　在多播中，組的概念是十分重要的。由多播的定義可知，多播報文是從一個源發到一組目的結點。在IP多播中，多播組有一ID號叫做多播組ID號，它指定了發送報文的目的組，這些ID號實際上是D類IP地址。若一個主機想要接收發到一個特定組的多播報文，它需要監聽發往那個特定組的所有報文。為解決Internet上多播報文的選路，主機需通過通知其子網上的多播路由器來加入一個組，多播中采用Internet組管理協議（IGMP）來達到此目的，離開組也要用IGMP。這樣，網絡上的多播路由器就知道網絡上的多播組成員，并由此決定是否向它們的網絡上轉發多播報文。當一個多播路由器收到一個多播分組時，它檢查報文的ID，僅當那個組有成員時才向其轉發。IGMP提供了在轉發多播報文到目的地的最后階段所需信息。多播路由器之間相互交換信息，這些信息是從與它們直接相連的主機的組成員中搜集的。多播路由器間交換路由信息的算法有“泛洪”，“生成樹”，“反向路徑廣播”“反向路徑多播”等，有些算法被用于動態多播路由協議中，如距離矢量多播路由協議（Distance Vector Multicast Routing PRotocol，DVMRP）、多播開放式最短路由優先協議（Multicast Open Shortest Path First，MOSPF）,核心樹協議（Core-Based Tree，CBT）,獨立于點到點協議的多播協議（Protocol Independent Multicast，PIM）等。從通過這些協議中取得的路由信息，多播路由器要決定是否向它們的網絡上轉發分組。最后，處于葉子節點的路由器要查看與其特定組相連的物理網絡上是否有成員，并決定是否轉發分組。

　　本文下一部分介紹多播編址，以及它們與MAC層地址的轉換，然后是IGMP，再討論路由算法和協議，最后，介紹了多播基干(Mbone)和多播的前景。

2.多播組

2.1編址

　　IP有三種基本類型的地址：單播，廣播和多播。單播地址用于傳輸一個報文到一個單獨的目的節點；廣播地址用于傳輸一個報文到子網上的所有節點；多播地址用于傳送一個報文到可能不在同一子網上的一組目的節點。

2.2Internet組管理協議（IGMP）

　　IGMP是多播路由器用來了解多播組成員信息的協議，它主要使用兩種類型的報文：組成員查詢報文和組成員報告報文。多播路由器周期性地發送組成員查詢報文，以了解相連的子網上哪些組有成員。查詢報文發送到所有的主機組。主機響應一成員報告報文，報告它們所屬的多播組。當一個主機加入一個新的組時，它應立即發送一個加入報文，而不是等待一個查詢，以防萬一它是那個組的第一個成員。

　　當主機作為某個組的成員開始收到信息后，多播路由器就會周期性地對該組進行查詢，檢查組內的成員是否還參與其中，只要還有一個主機仍在參與，多播路由器就繼續接收數據。當所有的主機都離開了組后，多播路由器會收到一個IGMP的“離開”消息報文，多播路由器就會馬上查詢組中是否還有活動的組成員。如果有活動的組成員，多播路由器就繼續轉發數據；如果沒有，就不再轉發數據。

3.多播路由算法及協議

　　實現多播通信的最普遍的方法是構造樹型路由，這是因為樹型路由有以下兩個優點：1）分組以并行方式沿樹枝到達不同的接收者；2）分組的復制僅在分叉處進行，使得網絡中所傳送的分組數最少。

　　多播路由就是尋找從源到一組目的節點的一棵樹，信息沿著此樹傳送到所有的接收者。成組多播則是尋找一組樹的集合，每一棵樹對應一個節點的多播路由。

　　目前在構建多播樹的算法中，主要有泛洪(Flooding)，生成樹(Spanning Tree,ST),最短路徑樹（Shortest Path Tree,SPT）,最小生成樹（Minimum Spanning Tree,MST），最大帶寬樹（Maximum Bandwidth Tree,MBT），反向路徑廣播（Reverse Path Broadcasting,RPB），裁剪的反向路徑廣播（Truncated Reverse Path Broadcasting,TRPB），Steiner樹(Steiner Tree,ST),受限Steiner樹（Constrained Steiner Tree,CST）,反向路徑多播（Reverse Path Multicasting,RPM）和核心樹（Core-Based Tree,CBT）等算法。

　　Internet上的多播主要用兩種類型的選路協議。第一種叫作多播內部網關協議（Muticast Interior Gateway Protocol，MIGP），多播路由器用來在一個自治系統內進行通信。如距離矢量多播路由協議（DVMRP），多播開放式最短路由優先協議（MOSPF）,核心樹協議（CBT）,獨立于點到點協議的多播協議（PIM）。第二種是邊界路由器用來在自治系統（AS）間進行通信的協議，如邊界網關多播協議（Border Gateway Multicast Protocol,BGMP）。

　　在上面介紹的多播路由算法中，只有一部分用于實際中。DVMRP和MOSPF使用最短路徑樹，而CBT和BGMP使用核心樹來進行多播，PIM則用核心樹或反向最短路徑樹。以下介紹DVMRP，MOSPF,CBT,PIM等協議。還介紹了幾種新的協議，明確要求單個源的協議EXPRESS(Explicitly Requested Single Source)和SM(Simple Multicast)。

3.1距離矢量多播路由協議（DVMRP）

　　DVMRP是在Mbone上使用的多播路由協議，它使用RPM來構建多播樹。DVMRP為每條通信鏈路指定了一個尺度和閾值。尺度指定了鏈路的路由代價并用以構建反向最短路徑樹，閾值是一個多播分組需要轉發到一給定鏈路的最小生存時間（TTL）。閾值可用來限制多播分組的傳播范圍，在DVMRP中，多播路由器與它們的鄰近多播路由器周期性地交換路由信息。多播路由器利用從鄰近多播路由器得到的路由信息建立自己的多播路由表。

　　隨著Mbone的飛速發展，由DVMRP而導致的大量路由控制分組定期在網絡中的傳播限制了網絡規模的擴大。于是提出了分層DVMRP 的概念，即將Mbone分成多個區域進行分層管理，區域內的多播通信可按任何協議進行，而區域之間的多播通信由邊界路由器按DVMRP協議進行。這樣，就減少了路由控制信息的開銷。

3.2開放式最短路徑優先多播協議（MOSPF）

　　MOSPF是利用點到點的鏈路狀態數據庫，以OSPF為基礎的多播路由協議。在OSPF中，鏈路狀態數據庫是通過五種不同類型的鏈路狀態通告分組（Link-State Advertise ments,LSA）來建立的。LSA分組就是“描述路由器或網絡的本地狀態的數據單元。對路由器來說，這包括路由器的接口和鄰近接口的狀態。每個鏈路狀態通告用泛洪算法在選路域中傳播?！盡OSPF通過加入一類新的LSA分組，叫組成員LSA分組，來對OSPF進行擴展。在MOSPF中，路由器用IGMP來了解相連的網絡上的組成員信息，并用泛洪算法在自治系統內傳播組成員LSA分組。因此，路由器通過使用鏈路狀態數據庫，可為自治系統內的任何節點建立最短路徑樹。當路由器收到多播分組時，它根據分組中的源計算最短路徑樹，并沿此樹轉發分組。為了節約路由器的CPU和內存資源，MOSPF可按需求執行算法，即只有當路由器收到一個信源關于一個組的的第一個分組時，才執行路由算法。這種做法的缺點是對第一個分組的時延較大。

3.3核心樹協議（CBT）

　　在一個有許多活動的多播組的大型網絡上，DVMRP就不適用了，有兩個原因。第一，如果網絡中有成千上萬個節點，而只有少數的節點屬于多播組，用RPM傳播第一個分組的花銷就特別大。第二，每個多播路由器都要記住每個（源，組）對，當多播組和源增加時，這操作起來就很難了。CBT就是為了克服DVMRP的這些缺點而提出的。在CBT中，樹枝從樹的核心處發出。這些樹枝由別的路由器組成，這些路由器組成了從與主機直接相連的路由器和核心之間的最短路徑。CBT減少了路由器中的多播路由表的大小，因為它只需為每個活動的組存儲路由信息，而不是為每個活動的源組對。一旦核心路由器確定了，不在CBT上的路由器就可向核心路由器發出加入/請求報文，再由核心路由器在每一跳建立路由表。這樣，CBT就建立了一棵共享的核心樹。

　　CBT為每個組建立一棵傳遞樹，在核心處傳遞并被發送分組到多播目的節點的節點共享。對于稀疏組的情況，CBT并不像RPM一樣，需要偶爾廣播。然而，這種好處是CBT通過為每個多播組強加一棵共享樹來實現的。由于通信量來自所有的源，以及它在靠近核心時都通過同一鏈路，CBT將導致通信量的集中及核心路由器附近的瓶頸。

3.4PIM協議

　　PIM的的出發點是，在廣域網內同時支持共享樹與SPT，并能完成二者之間的靈活轉換，集中了二者的優點同時避免了它們的缺點，在組成員稀疏時，構造共享樹傳遞，避免分組的廣播開銷；在組成員密集時，以廣播形式傳遞數據，然后從樹上刪除不存在接收節點的分支。PIM有兩種模式：稀疏模式（PIM-SM）和密集模式(PIM-DM)。

　　當網絡中接收者的分布很散或多播組被廣域網分隔開時，就用PIM-SM協議。它定義了一個集合點(Rendezvous Point,RP)來連接接收者和發送者。有組成員的路由器通過發送明確的加入報文來加入一棵PIM-SM樹，而DVMRP則是通過修剪反向最短路徑樹來產生多播樹。當接收者要發數據時，它先將數據發給RP，再由RP發到組中；而當接收者想要接收數據時，它需要向集合點路由器注冊。

　　當發送者和接收者非常接近，且只有一部分發送者和許多接收者時，適合用PIM-DM協議。它屬于數據驅動型協議，使用SPT構建多播樹。它直接使用單播路由算法給出的路由表轉發數據，但獨立于單播協議。

3.5邊界網關多播協議（BGMP）

　　邊界路由器使用BGMP來在不同的AS間進行多播通信。BGMP由兩部分組成，MIGP和BGMP。邊界路由器使用MIGP來加入AS內的MIGP協議，用BGMP來在與別的邊界路由器之間建立核心樹。核心樹的根是一個AS而不是一個路由器。

　　BGMP使用TCP作為其傳輸協議，邊界網關在它們之間建立TCP連接，并交換BGMP報文。當組成員變化時，邊界網關間就發送加入或修剪報文。因為從一個多播源到目的節點的最短路徑與共享樹使用的路徑不同，BGMP也允許邊界網關將一個源指定的分支連到核心樹上。

3.6最新的協議

　　在以上的協議中，存在的主要問題是：第一，沒有機制來估計多播組的大小。第二，沒有機制來限制未授權的發送者向多播組中發送數據和未授權的接收者從多播組中接收數據。第三，該模型要求諸如MASC(Multicast Address Set Claim)之類的協議來分配全球唯一的多播組地址。下面的協議就是為解決這些問題而提出的。

　　明確要求單個源的協議（EXPRESS）,是支持信道模型的IP多播的擴展。一個信道由一個明確指定的源和多個用戶組成。EXPRESS為每個信道（S，M）建立源指定的樹，S是源的IP地址，M是多播地址。EXPRESS并不要求協議分配全球唯一的多播地址，因為一個信道由多播地址和源節點的IP地址來識別。通過源來分配一個信道的密鑰，未授權的主機就受到了限制。EXPRESS也提供了計算一個多播組中成員的數量的方法。

　　簡單多播協議(SM)構建的是以核心節點為根的共享樹，它在組成員的加入、離開，數據傳輸和多播樹的維持方面同CBT類似。SM同CBT的主要區別在于它們如何解決多播地址的分配問題，SM的每個多播組由(C,M)來識別，C是多播樹上的核心路由器的地址，M是一個多播地址。多播組的識別信息附在加入請求報文和數據報文里。由于多播組由多播地址和核心節點的IP地址來共同識別，故全球地址的管理也不是很難。

4.Mbone

　　為了測試多播協議和應用程序，研究者們希望能找到一個方法，使得無需將整個Internet上的設備轉換成能支持多播的設備就能使用多播應用程序，這就導致了Mbone的誕生。Mbone是一個跨越幾個洲的志愿者共同進行試驗、合作的成果。它其實是一個建立在Internet上的虛擬網絡，使用隧道來穿過不支持多播的網絡。通過隧道，多播分組就能通過Internet中無多播能力的部分，達到目的節點?！　≡贛bone中，最初的選路協議僅使用DVMRP?，F在，盡管在Mbone中還使用了別的路由協議，如MOSPF、PIM，但是多數路由器還是使用DVMRP。

　　現在，IETF、NASA和其它研究組都用Mbone來研究和測試多播協議和服務，還把Mbone用于通過Internet多播的多媒體會議，桌面會議，甚至多播實時音樂會。加入Mbone的站點數一直在迅速增長。

5.多播中的主要問題

5.1安全問題

　　IP多播使用無連接的協議UDP來避免響應風暴。由于UDP是一個無連接的協議，它不使用ACK或NACK來確保可靠傳送，多播也不能被防火墻檢測到，因此，最普通的防火墻類型（應用程序網關）不能對多播進行安全認證。

5.2 QoS問題

　　在多媒體環境中，少數分組的丟失是可以接受的，但是，在商業處理和文件傳輸中，這就不能接受了。在視頻和聲音的多播中，也只能容忍很小的丟失，但隨著用戶的增加，保護數據流量的質量問題就很突出了。多播需要可靠和迅速的傳送，這樣就可減少分組的丟失和延遲。一般分組的延遲是由于低層的協議引起的，如以太網、ATM和令牌環網通過發送它們到目的端來處理分組，就很容易導致遲延。

　　由于在數據鏈路上的每一個路由器都會檢查每一個分組的信息，所以這種延遲可以發生在所有的路由IP網絡。通常在源端和目的端之間存在幾個媒體服務器來連接不同的網絡。當分組從一個路由器到另一個路由器時，每一個路由器上的協議都決定分組到達下一個路由器的最短路徑，這也很容易導致分組在到達目的端時發生延遲。

　　在多播中，應用程序需要控制它們收到的數據的QoS。區別網絡服務的主要參數是：安全性、帶寬、延遲、抖動和錯誤率等。網絡主干也需要支持QoS協議，以便路由器和集線器可以集中的、時間精確的業務流傳遞。根據網絡的安全級別、帶寬、延遲（等待時間）、抖動、錯誤率和成本等其它QoS參數提供有區別的網絡服務。另外，QoS技術也提供了不同的方法，使不同的傳播類型能在一個網絡中共享路徑。這些傳播類型包括：恒定比特率（CBR）、可變比特率（VBR）和可用比特率（ABR）。

　　資源保留協議（RSVP）是QoS可能實現的主要協議。RSVP是在IPv4或IPv6的頂端運行的Internet傳輸控制協議，它的實施在后臺完成，而不是在數據傳送的路徑中。RSVP允許主機要求來自于用特定的應用程序數據流或流程的網絡指定的服務質量。例如，基于平均的最大的帶寬、最大的接收遲延、優先隊列以及其它參數，主機可以指定一個特定的網絡服務級別。路由器也使用RSVP沿路徑傳遞QoS要求給所有節點，并建立和維護提供這些要求的服務的位置。

6.多播的應用現狀及前景

　　在國外，多播得到了很廣泛的應用。微軟公司每個月都要用多播技術傳播多媒體數據流；Cisco公司已經用IP/TV來進行實時視頻流多播，用于公司內部的會議和培訓；美國田納西州的Promus飯店已經使用StarBurst通信公司的軟件，通過衛星鏈路向所屬分店分發軟件升級和數據更新信息；MCI公司以及BBN Planet公司等一些ISP正在有限的基礎上進行多播試驗，包括UUNET Technologies在內的供應商已經開始向客戶提供多播服務，Digital Xpress公司通過衛星經銷多播服務。

　　多播是一項非常實用的技術，隨著Internet對多播的進一步支持，以及許多廠商和ISPs對多播的推動，多播的發展越來越迅速。并且，由國際上主要的網絡設備商、電信公司和ISPs組成了一個國際性論壇“IP多播倡議組織（IPMI）”。它的目的是與IETF中的多播工作組一起制定IP多播標準，并加速這些標準的采用。隨著多播技術的進一步完善，以及更多高效、實用的多播應用程序被開發出來，多播將獲得更加廣泛的應用。

參考文獻：

[1]V.P.Kompella,J.C.Pasquale,and G.C.Polyzo. Multicast Routing for Multimedia Communication. IEEE/ACM Trans.Net ,1993,pp.286-92.

[2] J.May. Multicast Extension to OSPF . Internet draft ,1998.

[3]T.Ballardie. Core Based Trees(CBT version 2) Multicast Routing. RFC2189,Sept,1997.

[4]S.E.Deering. Host Extensions for IP Multicasting. RFC1112,Aug,1989.

[5]D.Thaler, D.estrin, and D.Meyer. Border Gateway Multicast Protocol(BGMP) :Protocol specification. Internet draft ,Feb,1999.

[6]H.Holbrock and D.Cheriton. IP Multicast Channels:EXPRESS Support for Large-Scale Single-Source applications. Proc,ACM SIGCOMM’99,Sept,1999.

[7]R.Perlman et al. Simple Multicast : A Design for Simple, Low-Overhead Multicast. Internet draft,Feb,1999.

[8] Kevin C.Almeroth. The Evolution of Multicast: From the Mbone to Interdomain Multicast to Internet2 Deployment. IEEE Network, Jan/Feb ,2000.

摘自《電信快報》

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