IP组播技术分析

　　近年来，随着Internet的迅速普及和爆炸性发展，在Internet上产生了许多新的应用，其中不少是高带宽的多媒体应用，譬如网络视频会议、网络音频/视频广播、股市行情发布、多媒体远程教育、大规模协同计算等。这就带来了带宽的急剧消耗和网络拥挤问题。为了缓解网络瓶颈，人们提出各种方案，其中一种是采用IP MulTIcast(组播、多播或多路广播)技术，它是一种能最大限度利用现有带宽的技术。比较而言，IP组播技术有其独特的优越性，在组播网络中，即使用户数量成倍增长，主干带宽不需要随之增加。

　　一、IP组播发展简史

　　20世纪80年代中期，斯坦福大学实施了第一次多目的通话，博士生S. E. Deering发表Host group: A mulTIcast extension to the Internet Protocol (RFC0966) 和Host extensions for IP MulTIcasTIng (RFC0988) 两篇论文。提出了IP组播的可能性。

　　1988年，D. Waltzman, C. Portridge, S. E. Deering发表题为《距离向量组播路由协议》的文章(RFC1075)，它是组播路由协议的首次实践;

　　1991年12月，S. E. Deering发表了他的博士论文《数据报互连网络中的组播路由》(RFC1112)。它奠定了组播网络体系结构和路由协议的基础。该文也成为Internet组管理协议(IGMP)的原型;

　　1994年3月，形成了OSPF协议的扩展协议MOSPF(RFC1584);

　　1995年，Cisco公司开始销售支持组播的路由器和交换机

　　1997年11月，组管理协议IGMPv2得到IETF的批准，成为标准(RFC2336);

　　1998年6月，评估可靠组播传输协议RMTP的IETF标准出台(RFC2357);

　　1998年7月，在制定IPv6地址体系标准时，确定IPv6组播地址分配方案(RFC2373)，这为组播技术在下一代Internet上的应用做出了必要的准备;

　　2000年底2001年初，人们着手制定各种组播MIB库，这标志组播技术正向可管理、可控制方向发展。

　　二、组播网络的体系结构

　　组播网络体系结构包括：组播的基本工作原理、实现组播的条件、组播的地址分配方案及与MAC地址映射、Internet组管理协议。

　　1、组播的工作原理

　　组播是一种允许一个或多个发送者(组播源)发送单一的数据包到多个接收者(一次的，同时的)的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。简单地说，

　　主机通过使用INTERNET组管理协议加入野火所个组中，并且可以动态离开组，即成员关系常有变化，路由器跟踪这种关系并试图形成一条到达组播成员的无回路路径。组播路有些已用于得到正在使用的组播组的路径上那些路由器，以及到达这些组播组的最佳路径信息。一旦报文到达目标LAN，该报文就有可能泛洪或转发到主机。三种传输方式比较如下：

　　单播(Unicast)传输：在发送者和每一接收者之间需要单独的数据信道。如果一台主机同时给很少量的接收者传输数据，一般没有什么问题。但如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时却很难实现。这将导致发送者负担沉重、延迟长、网络拥塞。为保证一定的服务质量需增加硬件和带宽。

　　组播(Multicast)传输：它提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络。

　　广播(Broadcast)传输：是指在IP子网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。广播意味着网络向子网主机都投递一份数据包，不论这些主机是否乐于接收该数据包。广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，因为路由器会隔离广播通信。广播传输增加非接收者的开销。

　　2、实现IP组播的前提条件

　　实现IP组播传输，组播源和接收者以及两者之间的下层网络都必须支持组播。即主机的TCP/IP实现支持发送和接收IP组播;主机的网络接口支持组播;有一套用于加入、离开、查询的组管理协议，即IGMP(v1,v2);有一套IP地址分配策略，并能将第三层IP组播地址映射到第二层MAC地址;支持IP组播的应用软件;所有介于组播源和接收者之间的路由器、交换机均需支持组播;Cisco的路由器不仅支持DVMRP、PIM路由协议、IGMP组管理协议，而且支持Cisco专有Cisco组管理协议CGMP，对于不支持IP组播传输的中间路由器采用IP隧道(Tunneling)技术作为过渡方案。

　　三、组播的实现

　　在IP组播技术中有四个方面的问题：首先是发送给谁的问题、其次是接收方如何接收组播信息、第三是用户主机如何通知路由器对某个组不再感兴趣、第四是路由器如何转发组播信息。

　　1、组播地址分配与MAC地址

　　在组播通信中，我们需要两种地址：一个IP组播地址和一个Ethernet组播地址。其中，IP组播地址标识一个组播组。由于所有IP数据包都封装在Ethernet帧中，所以还需要一个组播Ethernet地址。为使组播正常工作，主机应能同时接收单播和组播数据，这意味着主机需要多个IP和Ethernet地址。IP地址方案专门为组播划出一个地址范围，在IPv4中为D类地址，范围是224.0.0.0到239.255.255.255，并将D类地址划分为局部链接组播地址、预留组播地址、管理权限组播地址。

　　局部链接地址：224.0.0.0～224.0.0.255，用于局域网，路由器不转发属于此范围的IP包;

　　预留组播地址：224.0.1.0～238.255.255.255，用于全球范围或网络协议;

　　管理权限地址：239.0.0.0～239.255.255.255，组织内部使用，用于限制组播范围;

　　以太网组播MAC地址映射方法： IP组播帧都使用以0X0100.5EXX.XXXX的24位前缀开始的MAC层地址，但只有其中的一半MAC地址可以被IP组播使用，剩下的MAC地址空间的23位作为第三层IP组播地址进入第二层MAC地址的映射使用。由于第三层IP组播的28位地址不能映射到只有23位的可用MAC地址空间，造成有32:1的地址不明确，所以主机CPU必须对收到的每一个组播数据包做出判断。这增加了主机CPU的开销。此外，还产生抑制第二层局域网交换的组播扩散问题。

　　2、组管理协议IGMP

　　主机使用IGMP通知子网组播路由器，希望加入组播组;路由器使用IGMP查询本地子网中是否有属于某个组播组的主机。

　　1)加入组播组

　　当某个主机加入某一个组播组时，它通过“成员资格报告”消息通知它所在的IP子网的组播路由器，同时将自己的IP模块做相应的准备，以便开始接收来自该组播组传来的数据。如果这台主机是它所在的IP子网中第一台加入该组播组的主机，通过路由信息的交换，组播路由器加入组播分布树。

　　加入之后，接收方主机的网络接口卡开始侦听与组播组地址相关的组播MAC地址，路由器把发送方的信息包一跳一跳地发送到有接受者的网段上去，局域网路由器根据信息包中的组地址转换成与之相关的MAC地址，接收方侦听到这个地址，收到信息包后，将IP层的组播数据包取出传向上层。

　　2)退出组播组

　　在IGMP v1中，当主机离开某一个组播组时，它将自行退出。组播路由器定时使用“成员资格查询” 消息向IP子网中的所有主机的组地址(224.0.0.1)查询，如果某一组播组在IP子网中已经没有任何成员，那么组播路由器在确认这一事件后，将不再在子网中转发该组播组的数据。与此同时，通过路由信息交换，从特定的组播组分布树中删除相应的组播路由器。这种不通知任何人而悄悄离开的方法，使得组播路由器知道IP子网中已经没有任何成员的事件延时了一段时间，在IGMP v2.0中，当每一个主机离开某一个组播组时，需要通知子网组播路由器，组播路由器立即向IP子网中的所有组播组询问，从而减少了系统处理停止组播的延时。

　　3、组播转发

　　1)逆向路径转发(Reverse Path Forward: RPF)

　　当组播数据包到达路由器时，路由器作RPF检查，以决定是否转发或抛弃该数据包，若成功则转发，否则抛弃。RPF检查过程如下：

　　检查数据包的源地址，以确定该数据包经过的接口，是否在从源到此的路径上;

　　若数据包是从可返回源主机的接口上到达，则RPF检查成功，转发该数据包到输出接口表上的所有接口，否则RPF检查失败，抛弃该数据包。

　　2)组播转发缓存

　　对于每一个输入组播数据包进行RPF检查会导致较大的路由器性能损失。因此，建立组播转发缓存时，通常由组播路由确定RPF接口。然后将RPF接口变成组播转发缓存项的输入接口。一旦RPF检查程序使用的路由表发生变化，必须重新计算RPF接口;并更新组播转发缓存项。

　　3)TTL阈值

　　每当路由器转发组播数据包，IP包中的TTL(Time To Live)值都减1。若数据包的TTL减少到0，则路由器将抛弃该数据包。TTL阈值可用于组播路由器的各个接口，以防止在该接口上转发低于TTL阈值的组播数据包。这样可对组播的范围加以控制。

　　4)管理权限边界

　　除TTL阈值外，组播提供另一种称为管理权限的地址机制作为边界，以限制组播信息转发到域外。管理权限的组播地址是从239.0.0.0到239.255.255.255，这段地址被认为是本地分配(类似于单播中的192.168.xx.xx)，不能用于Internet。这种机制使得在Intranet内部可重复使用组播地址，提高组播地址空间的利用率。

　　4、组播树

　　在单播模型中，数据包通过网络沿着单一路径从源主机向目标主机传递，但在组播模型中，组播源向某一组地址传递数据包，而这一地址却代表一个主机组。为了向所有接收者传递数据，一般采用组播分布树描述IP组播在网络里经过的路径。

　　组播分布树有两种基本类型　有源树和共享树。

　　1)有源树

　　有源树也称为基于信源的树或最短路径树(Shortest Path Tree：SPT)。它是以组播源为根构造的从根到所有接收者路径都最短的分布树。如果组中有多个组播源，则必须为每个组播源构造一棵组播树。由于不同组播源发出的数据包被分散到各自分离的组播树上，因此采用SPT有利于网络中数据流量的均衡。同时，因为从组播源到每个接收者的路径最短，所以端到端(end-to-end)的时延性能较好，有利于流量大、时延性能要求较高的实时媒体应用。SPT的缺点是：要为每个组播源构造各自的分布树，当数据流量不大时，构造SPT的开销相对较大。

　　2)共享树

　　共享树也称RP树(RPT)，是指为每个组播组选定一个共用根(汇合点RP或核心)，以RP为根建立的组播树。同一组播组的组播源将所要组播的数据单播到RP，再由RP向其它成员转发。目前，讨论最多同时也是最具代表性的两种共享树是Steiner树和有核树(CBT)。

　　共享树在路由器所需存储的状态信息的数量和路由树的总代价两个方面具有较好的性能。当组的规模较大，而每个成员的数据发送率较低时，使用共享树比较适合。但当通信量大时，使用共享树将导致流量集中及根(RP)附近的瓶颈。

　　组播，多播说的是一个东西。他跟广播类似，但是，只有感兴趣的主机才会收到，不敢兴趣的直接被网卡过滤掉了，而广播不一样，广播报总是能到达网络协议层的。另外，组播能够卡网段，到达任何网络，而广播不行。

　　做播地址有一定的范围。