多層交換組播技術概論

2019-11-05 01:34:45

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供稿：網友

　　一、組播技術的前景和應用
　　在寬帶網絡的建設和運營中，業務是先導，是核心已經是不爭的事實。其中，組播業務作為未來最具潛力的業務之一，得到了前所未有的重視。隨著寬帶技術的不斷發展，FTP、HTTP、SMTP等傳統數據業務已經難以滿足人們對信息業務的需求，視頻點播、遠程教學、新聞發布、網絡電視等業務將成為新一輪運營競爭的焦點。這類新型業務的特點是，由一個服務器（媒體流服務器）發布信息，接收端數量很大，可能成千上萬個，而且具體數目不固定。
　　對于此類業務，可采用傳統的客戶服務器（C/S）模型解決：
　　在媒體流服務器上啟動媒體流播放進程，作為服務器；
　　當客戶端想接受某媒體流服務器數據時，通過給出該媒體流服務器的ip地址，與媒體流服務器建立連接（如TCP 連接等）；
　　媒體流服務器維護一個客戶列表，采用輪循方式向每個客戶發送媒體流。
　　不難看出，這一解決方案存在以下兩個缺陷：
　　當客戶數目很大時，媒體流服務器可能無法勝任，這是由于這種媒體流與傳統的窄帶業務（如HTTP等）不同，它需要很高的傳輸帶寬，服務器必須維護每個客戶信息；
　　嚴重浪費網絡資源，相同的數據可能在網上傳播很多次，在一些帶寬較低的鏈路上，極可能引起嚴重的通信瓶徑。
　　組播技術非常適合這一新型業務，并具有下列優點：
　　媒體流服務器不必知道某個客戶端的存在，它只負責按組播地址將媒體流播放出去即可，而且僅僅播放一份；
　　媒體流數據在網上僅僅傳送一份即可，即使有成千上萬個客戶端；
　　客戶端不必向媒體流服務器注冊，假如希望接收某媒體流服務器的數據時，只需加入該媒體流服務器所播放的數據所在的多播組即可。
　　二、組播的體系結構
　　如圖1所示，組播協議分為主機與路由器之間的組成員關系協議和路由器與路由器之間的組播路由協議。組成員關系協議包括IGMP（互連網組治理協議）。組播路由協議分為域內組播路由協議和域間組播路由協議，域內組播路由協議包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP等，域間組播路由協議包括MBGP、MSDP等。同時，為了有效抑制組播數據在鏈路層的擴散，還引入了IGMP Snooping、HGMP等二層組播協議。
　　　

　　圖1 組播的體系結構
　　其中，IGMP負責建立并維護路由器直聯網段的組成員關系信息；域內組播路由協議根據IGMP維護的這些組播組成員關系信息，運用一定的組播路由算法構造組播分發樹進行組播數據包轉發；域間組播路由協議在各自治域間發布具有組播能力的路由信息以及組播源信息，使組播數據在域間進行轉發。
　　三、組播IP地址
　　IP組播地址用于標識一個IP組播組。IANA把D類地址空間分配給IP組播，范圍從224.0.0.0到239.255.255.255，如表1所示（二進制表示），IP組播地址前四位均為1110。
　　　

　　表1 D類組播地址
　　在所有的D類IP地址中又進行了如圖2所示的劃分。
　　　

　　圖2 組播地址劃分
　　不難看出，從224.0.0.0至224.0.0.255被IANA保留為網絡協議使用。
　　例如：
　　244.0.0.1 全主機組
　　244.0.0.2 全多播路由器組
　　244.0.0.3 全DVMRP路由器組
　　244.0.0.5 全OSPF路由器組
　　在這一范圍的多播包不會被轉發出本地網絡，也不會考慮多播包的TTL值。地址從239.0.0.0至239.255.255.255作為治理范圍地址，保留為私有內部域使用。
　　如圖3所示，以太網和FDDI的MAC地址01:00:5E:00:00:00到01:00:5E:7F:FF:FF用于將三層IP組播地址映射為二層地址，即IP組播地址中的低23位放入IEEE MAC地址的低23位。IP組播地址有28位地址空間，但只有23位被映射到IEEE MAC地址，這樣會有32個IP組播地址映射到同一MAC地址上。
　　　

　　圖3 組播地址映射
　　四、組播運營現狀
　　隨著寬帶網絡的普及，寬帶上網的人數也迅速膨脹，通過專線、DSL技術和光纖以太網等接入方式提供2M、百兆甚至千兆的寬帶業務已經實現，但傳統的瀏覽方式根本無法充分享用如此大的帶寬資源，致使骨干網流量只有20%-30%。面對網絡帶寬和用戶數量都已初具規模的現狀，如何發展能夠產生利潤的“Killer application”，尤其是組播業務成為當務之急?？上驳氖?，China Net已經開始進行組播測試，不久將推出相應業務。但是，我們必須看到，組播運營在目前還存在著一定的困難，主要是缺乏有效的用戶治理功能，具體表現為：
　　認證難：組播協議不提供用戶認證功能，用戶可隨意地加入或離開；
　　計費難：組播協議不涉及計費，加上組播源無法得知用戶何時加入或離開，也無法統計某時間段到底有多少用戶在收看組播節目，因此無法進行準確的計費；
　　治理難：組播源缺乏有效的治理手段去控制組播信息在網上傳遞的范圍和方向。
　　為了解決這些困難，迫切需要對組播功能進行優化和改進，以適應網絡的運營現狀，組播業務治理（可控組播）技術應運而生?？煽亟M播技術主要包含信源控制、用戶控制和安全控制三個方面。
　　1、信源控制
　　信源治理是指在組播流進入骨干網絡之前，組播業務控制設備區分合法和非法的媒體服務器，轉發合法的組播信息流，阻斷非法的組播信息流。同時，對于信源發出的組播流量進入網絡的速度（CAR）和優先級（MARK）進行控制，從而控制組播業務的開通、類型、帶寬和對非法信源的過濾。
　　在網絡規模比較大的情況下，手工配置組播信源治理信息是一項非常復雜的工作，為此華為公司采用iTellin/Quidway業務治理平臺實現組播信源治理，可以非常輕易地完成信源治理配置，增加和刪除信源控制表項，保證整個網絡表項的一致性，如圖4所示。
　　　

　　圖4 iTellin/Quidway業務治理平臺實現組播信源治理的原理圖
　　2、用戶控制
　　用戶控制是指二層設備首先根據Web、802.1X、PPPoE等認證方式對用戶的組播權限進行驗證：假如驗證通過，則由二層設備接收用戶的IGMP加入/離開信息，并建立相應的轉發表項，答應用戶接收組播流量；否則，丟棄用戶的IGMP報文，禁止用戶接收組播流量。
　　認證通過后，iTellin/Quidway業務治理平臺可為該用戶建立一個組播訪問規則表項，用戶只能訪問授權的組播服務。當用戶加入某個組播組，二層設備首先在Quidway業務治理平臺進行業務認證：假如認證通過，則由二層設備生成到用戶的組播通道；否則禁止用戶加入。認證計費流程如圖5所示。
　　　

　　圖5 用戶認證計費流程
　　因此，二層設備與Quidway業務治理系統結合起來，可在全網范圍內進行用戶的認證和授權，如圖6所示。
　　　

　　圖6 二層設備與Quidway結合實現全網用戶的認證和授權
　　3、安全控制
　　在標準的組播業務中，接受者可以加入任意組播組。也就是說，組播樹的分支不可控，信源不知道組播樹的范圍和方向，安全性較低。為了實現對某些較重要信息的保護，必須控制其擴散的范圍，華為靜態組播樹即可滿足此類需求。靜態組播樹業務首先必須對組播樹進行配置，控制組播樹的范圍和方向，不接收范圍之外的動態組播成員的加入請求，保證組播信源的報文在規定的范圍內擴散，如圖7所示。
　　

　　圖7 華為靜態組播樹結構
　　五、展望
　　寬帶化是信息高速網絡架構的重點，許多企業網都實現了寬帶化，架構以IP為基礎的無阻塞數據承載平臺。
　　網絡的寬帶化已經不僅僅是使人們能夠在寬廣的信息高速公路上順暢地進行交流，而是越來越多地希望寬帶網絡能夠帶來更直觀、更豐富的多媒體信息。組播技術為多媒體業務的開展提供了基礎傳送技術。目前，組播的域內技術已基本成熟，域間技術也在不斷完善。
　　通過組播技術可以開展流媒體、視訊等寬帶增值業務，業務的順利開展與治理能力、監控性能密切相關。作為組播國標制定的主要承擔單位，華為公司將努力推動組播技術的發展，并結合在業務運營治理方面的理解和經驗積累，提供不斷完善的可治理的受控組播解決方案。

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