组播技术白皮书(1)

　　摘要
　　IP 组播技术实现了 IP 网络中点到多点的高效数据传送。因为组播能够有效地节约网络带宽、降低网络负载，所以在实时数据传送、多媒体会议、数据拷贝、游戏和仿真等诸多方面都有广泛的应用。本文介绍了组播的基本概念和目前通用的组播协议，以及组播组网的基本方案；并针对组播业务需求和运营过程中面临的问题，提出了电信级的可运营、可管理的“受控组播”解决方案，包括信源管理、用户管理和组播安全控制等方面的内容。
　　
　　关键词
　　组播　　运营管理　　受控组播　　IGMP　　DVMRP　　PIM-SM　　PIM-DM　　MBGP　　MSDP
　　
　　1　　 组播概述
　　1.1组播技术的产生原因
　　传统的IP通信有两种方式：第一种是在一台源 IP 主机和一台目的 IP 主机之间进行，即单播（unicast）；第二种是在一台源 IP 主机和网络中所有其它的 IP 主机之间进行，即广播（broadcast）。如果要将信息发送给网络中的多个主机而非所有主机，则要么采用广播方式，要么由源主机分别向网络中的多台目标主机以单播方式发送 IP 包。采用广播方式实现时，不仅会将信息发送给不需要的主机而浪费带宽，也可能由于路由回环引起严重的广播风暴；采用单播方式实现时，由于 IP 包的重复发送会白白浪费掉大量带宽，也增加了服务器的负载。所以，传统的单播和广播通信方式不能有效地解决单点发送多点接收的问题。
　　
　　IP 组播是指在 IP 网络中将数据包以尽力传送（best-effort）的形式发送到网络中的某个确定节点子集，这个子集称为组播组（multicast group）。IP 组播的基本思想是，源主机只发送一份数据，这份数据中的目的地址为组播组地址；组播组中的所有接收者都可接收到同样的数据拷贝，并且只有组播组内的主机（目标主机）可以接收该数据，网络中其它主机不能收到。组播组用 D 类 IP 地址（224.0.0.0 ～ 239.255.255.255）来标识。
　　
　　1.2组播技术的市场前景
　　IP 组播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题，实现了 IP 网络中点到多点的高效数据传送，能够大量节约网络带宽、降低网络负载。作为一种与单播和广播并列的通信方式，组播的意义不仅在于此。更重要的是，可以利用网络的组播特性方便地提供一些新的增值业务，包括在线直播、网络电视、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网的信息服务领域。
　　
　　组播从 1988 年提出到现在已经经历了十几年的发展，许多国际组织对组播的技术研究和业务开展进行了大量的工作。随着互联网建设的迅猛发展和新业务的不断推出，组播也必将走向成熟。尽管目前端到端的全球组播业务还未大规模开展起来，但是具备组播能力的网络数目在增加。一些主要的 ISP 已运行域间组播路由协议进行组播路由的交换，形成组播对等体。在 IP 网络中多媒体业务日渐增多的情况下，组播有着巨大的市场潜力，组播业务也将逐渐得到推广和普及。
　　
　　2　　 组播技术的基本原理
　　组播技术涵盖的内容相当丰富，从地址分配、组成员管理，到组播报文转发、路由建立、可靠性等诸多方面。下面首先介绍组播协议体系的整体结构，之后从组播地址、组播成员管理、组播报文转发、域内组播路由和域间组播路由等几个方面介绍有代表性的协议和机制。
　　
　　2.1组播协议体系结构
　　根据协议的作用范围，组播协议分为主机-路由器之间的协议，即组播成员管理协议，以及路由器-路由器之间协议，主要是各种路由协议。组成员关系协议包括 IGMP（互连网组管理协议）；组播路由协议又分为域内组播路由协议及域间组播路由协议两类。域内组播路由协议包括 PIM-SM、PIM-DM、DVMRP 等协议，域间组播路由协议包括 MBGP、MSDP 等协议。同时为了有效抑制组播数据在二层网络中的扩散，引入了 IGMP Snooping 等二层组播协议。
　　
　　通过 IGMP 和二层组播协议，在路由器和交换机中建立起直联网段内的组成员关系信息，具体地说，就是哪个接口下有哪个组播组的成员。域内组播路由协议根据 IGMP 维护的这些组播组成员关系信息，运用一定的组播路由算法构造组播分发树，在路由器中建立组播路由状态，路由器根据这些状态进行组播数据包转发。域间组播路由协议根据网络中配置的域间组播路由策略，在各自治系统（AS，Autonomous System）间发布具有组播能力的路由信息以及组播源信息，使组播数据能在域间进行转发。
　　
　　2.2组播地址机制
　　2.2.1组播IP地址
　　IP组播地址用于标识一个 IP 组播组。IANA 把 D 类地址空间分配给组播使用，范围从 224.0.0.0　到 239.255.255.255。如下图所示（二进制表示），IP 组播地址前四位均为“1110”。
　　 　
　　2.2.2组播地址的划分
　　整个 IP 组播地址的空间划分如下图所示。
　　 　
　　其中：
　　
　　224.0.0.0 到 224.0.0.255 地址范围被 IANA 预留，地址 224.0.0.0 保留不做分配，其它地址供路由协议及拓扑查找和维护协议使用。该范围内的地址属于局部范畴，不论生存时间字段（TTL）值是多少，都不会被路由器转发；
　　
　　224.0.1.0 到 238.255.255.255 地址范围作为用户组播地址，在全网范围内有效。其中233/8 为 GLOP 地址。GLOP 是一种自治系统之间的组播地址分配机制，将 AS 号直接填入组播地址的中间两个字节中，每个自治系统都可以得到 255 个组播地址；
　　
　　239.0.0.0 到 239.255.255.255 地址范围为本地管理组播地址（administratively scoped addresses），仅在特定的本地范围内有效。
　　
　　当 IP 层收到组播数据报文时，根据组播目的地址查找组播转发表，对报文进行转发。
　　
　　2.2.3IP 组播地址到 MAC 地址的映射
　　IANA 将 MAC 地址范围 01:00:5E:00:00:00 ~ 01:00:5E:7F:FF:FF 分配给组播使用，这就要求将28位的 IP 组播地址空间映射到 23 位的 MAC 地址空间中，具体的映射方法是将组播地址中的低 23 位放入 MAC 地址的低 23 位，如下图所示。
　　 　
　　由于 IP 组播地址的后 28 位中只有 23 位被映射到 MAC 地址，这样会有 32 个 IP 组播地址映射到同一 MAC 地址上。
　　
　　2.3组播成员管理
　　2.3.1IGMP ( Internet Group Management Protocol )
　　IGMP 协议运行于主机和与主机直接相连的组播路由器之间，IGMP 实现的功能是双向的：一方面，通过 IGMP 协议，主机通知本地路由器希望加入并接收某个特定组播组的信息；另一方面，路由器通过 IGMP 协议周期性地查询局域网内某个已知组的成员是否处于活动状态（即该网段是否仍有属于某个组播组的成员），实现所连网络组成员关系的收集与维护。通过 IGMP，在路由器中记录的信息是某个组播组是否在本地有组成员，而不是组播组与主机之间的对应关系。
　　
　　到目前为止，IGMP 有三个版本。IGMPv1（RFC1112）中定义了基本的组成员查询和报告过程；目前通用的是 IGMPv2，由 RFC2236 定义，在 IGMPv1 的基础上添加了组成员快速离开的机制；IGMPv3 中增加的主要功能是成员可以指定接收或指定不接收某些组播源的报文。以下着重介绍 IGMPv2 协议的原理。
　　
　　IGMPv2 的原理如下图所示：
　　
　　当同一个网段内有多个组播路由器时，IGMPv2 通过查询器选举机制从中选举出唯一的查询器。查询器周期性地发送通用组查询消息进行成员关系查询；主机发送报告消息来响应查询。主机发送报告消息的时间有随机性，当检测到同一网段内有其它成员发送同样的消息时，则抑制自己的响应报文。如果有新的主机要加入组播组，不必等待查询器的查询消息，而是主动发送报告消息。当要离开组播组时，主机发送离开组消息；收到离开组消息后，查询器发送特定组查询消息来确定是否所有组成员都已离开。对于作为组成员的路由器而言，其行为和普通的主机一样，响应其它路由器的查询。
　　
　　通过上述机制，在组播路由器里建立起一张表，其中记录了路由器的各个接口所对应的子网上都有哪些组的成员。当路由器接收到某个组 G 的数据报文后，只向那些有 G 的成员的接口上转发数据报文。至于数据报文在路由器之间如何转发则由路由协议决定，不是 IGMP 协议的功能。
　　
　　2.3.2二层环境中组成员管理的实现
　　IGMP 组播成员管理机制是针对第三层设计的，在第三层，路由器可以对组播报文的转发进行控制，只要进行适当的接口配置和对 TTL 值的检测就可以了。但是在很多情况下，组播报文要不可避免地经过一些二层交换设备，尤其是在局域网环境里。如果不对二层设备进行相应的配置，则组播报文就会转发给二层交换设备的所有接口，这显然会浪费大量的系统资源。IGMP 监听（IGMP Snooping）可以解决这个问题。
　　
　　IGMP 监听的工作原理如下：
　　
　　主机发出 IGMP 成员报告消息，这个消息是给路由器的；在 IGMP 成员报告经过交换机时，交换机对这个消息进行监听并记录下来，形成组成员和接口的对应关系；
　　
　　交换机在收到组播数据报文时，根据组成员和接口的对应关系，仅向具有组成员的接口转发组播报文。
　　
　　IGMP 监听可以解决二层环境中的组播报文泛滥问题，但要求交换机具有提取第三层信息的功能；其次，要求交换机对所有的组播报文进行监听和解读，这会产生很多的无效工作；此外，组播报文监听和解读工作也会占用大量的 CPU 处理时间。
　　
　　2.4组播报文转发
　　与单播报文的转发相比，组播报文的转发相对复杂。一方面，组播路由类型与单播路由不同，是点到多点的一棵路由树；另一方面组播报文转发的