《1 引言》
1 引言
组播是将数据报送到一个组播组的所有成员的过程。节点可以动态加入和退出某个组播组。IP组播介于IP单播和IP广播之间, 能使主机将IP信息包发送到IP网络中的任何一组主机上。为此, 把IP组播信息包中的目标地址安排成特殊形式的IP地址, 称为IP组播地址。通过组播可以在一次传输中将数据报发送到多个接收者。子网 (sub-network) 中的非组播组成员可以在硬件上将组播数据报过滤掉, 减少不必要的处理开销。组播提供了一种有效的通信、传输手段, 并且充分利用网络资源。它可以使网络性能优化, 使真正的分布式应用成为可能。在经济上, 组播可节省网络和服务器的资源, 使那些用单播或广播不可行的新型增值应用 (如会议电视) 成为可能。
组播路由协议用于生成组播源到组播组所有成员间的分布树。根据组播组成员在网络中的分布情况, IP组播路由协议可分为两类:密集模式和疏松模式。密集模式组播路由协议有Distance vector multicast routing protocol (DVMRP) , Multicast open shortest path first (MOSPF) , Protocol-independent multicast-dense mode (PIM-DM) 。疏松模式组播路由协议有Core-based trees (CBT) 和Protocol-independent multicast-sparse mode (PIM-SM) 。由于PIM-SM使用显式的加入模型, 组播信息被更好地约束在确实需要它的网络部分。因此, 它不像DVMRP和PIM-DM那样低效, 更适合在广域网末端有潜在成员的组播网络。PIM-SM是组播网络域间组播路由的最好选择。
《2 协议独立组播路由的稀疏模式 (PIM-SM) 》
2 协议独立组播路由的稀疏模式 (PIM-SM)
在PIM-SM中, 组播组的成员要加入会聚点 (RP) , 周围或下游所有组成员的路由器必须向RP发送加入信息, 以加入到疏松分布树上。子网中IP地址最高的PIM-SM路由器被选为指定路由器 (DR) , 负责向RP发送删除和加入信息。当一个接收者加入某个组播组, 它通过因特网组管理协议 (IGMP) 通知指定路由器。指定路由器通过Hash函数计算这个组的RP, 并向它发送一个单播PIM加入报文, 如果必要的话, 还为该组播组创建一个转发表。
RP的信息首先是通过收集自举信息得到的。一个路由器被选为它所在域的自举路由器, 由它产生自举信息, 并在必要时动态选择自举路由器, 发布状态稳定的RP的信息。当主机要加入某个组播组时, 指定路由器用自举信息选择这个组的RP。然后, 它将组播数据报封装在PIM登记报文中, 转发给该组的RP。反过来, RP送回PIM加入信息给源的指定路由器, 允许后续的组播数据报直接发给它, 而不用装在单播数据报中。
当组成员离开组时, 指定路由器向RP发送删除消息, 分布树相应的部分就被删掉。这棵树用于转发所有该组的业务, 但这棵树不一定是最短路径。
共享树加入的第一步如图1①所示。在这一步中, 接收站点1通过IGMP成员关系报告加入到组播组G。
《图1》
图1 PIM-SM共享树加入Fig.1 The process of joining a PIM-SM shared tree
由于接收站点1是第一个加入组播组G的主机, 因此, 路由器C在它的组播路由表中为这个组播组建立一个 (*, G) 状态条目。然后, 路由器C把到接收站点1的接口放在 (*, G) 状态条目的输出接口列表中。由于路由器建立了一个新的 (*, G) 状态条目, 所以它必须向RP (路由器C使用它的单播路由表确定通向RP的接口) 发送一个PIM (*, G) 加入消息以便能够加入共享树 (图1中②所示) 。
RP收到 (*, G) 加入消息, 由于它原来没有组播组G的状态, 所以在它的组播路由表中建立一个 (*, G) 状态条目, 而且把到路由器C的链路添加到其输出接口列表。此时, 组播组G的共享树已经在RP和路由器C及接收站点1之间建立起来, 如图1③实线所示。现在, 从源S发送到RP的组播组G的任何信息都能沿着共享树下行发送到接收站点1。
《3 PIM-SM的隐患及其解决》
3 PIM-SM的隐患及其解决
《3.1PIM-SM的隐患》
3.1PIM-SM的隐患
从上面可以看到, 在PIM-SM协议中, RP扮演着相当重要的角色。几乎所有的PIM-SM的操作都要通过RP来进行。RP在PIM-SM中的地位至关重要。这样, 由于PIM-SM对它的依赖太多, 很容易使它成为整个系统的单个失效点。现有的PIM-SM机制每个组播组只用一个RP来建立共享树转发组播包。RP失效会引起很严重的问题, 而恢复过程很复杂, 要用新的RP重新构造组播发送树。在新的组播发送树建立之前, 肯定会有丢包的情况发生。同时, 随着源和接收者的增多, RP上会引起阻塞, 通过这个RP的组播包会经历更多的延时。
因此, 现有的PIM-SM机制不够健全。RP的失效会引起严重的包丢失和性能异常, 这对像流式媒体这样的应用来说是不可接受的。
《3.2多个RP——隐患的解决》
3.2多个RP——隐患的解决
每个组使用多个RP机制来解决PIM-SM的上述隐患。在该机制中, 每个源向多个RP注册并向它们发送组播包, 但接收者只加入一个RP。如果一个RP失效, 加入该RP的接收者将不能到达这个RP, 然后, 它就加入另一个替补的RP。而源则无须采取特别的行动。为了支持多个RP, 源为每个RP设置出接口表项, 而接收者则为每个RP设置入接口表项, 建立了从源到多个RP及从多个RP到组播组的接收者的组播发送树。这些组播发送树可以预先建立以便在主RP失效时迅速恢复。
为支持多个RP机制, PIM-SM需要做一些修改。
《3.2.1 新的控制消息和定时器》
3.2.1 新的控制消息和定时器
1) 加入/删除消息
为了支持多个RP, 在加入/删除消息时不仅是一个RP地址, 而是对应组播组的多个RP地址及组播组地址。同时为每个RP设置一个优先级。这样, 每个RP收到加入消息时, 知道是哪个组播组的加入及自己在该组RP列表中的地位。
2) 存活消息
组播组的各个RP定期向组内的其他RP 发送存活消息, 以宣告自己是活动的, 这样, 优先级比自己低的RP就不会转发组播包, 如果自己收到优先级更高的存活消息, 也不转发组播包。在存活消息中有组播组地址、RP自己的IP地址及其优先级。
3) 定时器
为了支持多个RP的机制, 要增加两种新的定时器。a.组播组的各个RP为优先级高于自己的RP设置一个定时器, 以监测它们的活动情况。如果, 所有这些定时器都到期, 该RP就担负起转发组播组数据包的任务。b.组播组的各个RP为自己设置一个发送存活消息的定时器。一旦该定时器到期, 就发送自己的存活消息。如果在该定时器未到期之前RP收到优先级比自己高的RP的存活消息, 就重置自己的存活消息定时器, 这样就抑制了自己的存活消息, 减少了网络上不必要的开销。
《3.2.2 RP的行为》
3.2.2 RP的行为
1) 多个RP的选择
在PIM-SM协议中, 组播组到RP的影射是通过Hash函数
Value (G, M, C (i) ) = (1 103 515 245×
( (1 103 515 245 × (G&M) +
12 345) XOR C (i) ) + 12 345) mod 231 (1)
来实现, 其中C (i) 是侯选RP地址, G为组播组地址, M是自举消息中的Hash掩码。Hash掩码允许几个连续的组播组 (如4个) 影射到同一个RP。将结果排在前N位的侯选RP作为组播组G的RP, 而RP的个数由网络管理者依具体情况确定。
2) 为RP设置优先级
由式 (1) 中的算法得出的N个RP之间要有优先级的区别, 以便确定谁负责转发组播组的数据报, 谁只接收数据包而并不转发。RP的优先级由以下规则确定:
a. N个RP中那些路由更精确的RP优先级高;
b. 在规则a中比较结果相同的RP, 按式 (1) 计算, 结果大的RP优先级高;
c. 经过规则a和规则b 的比较, 有些RP的优先级仍然相同, 则IP地址小的优先级高。
3) RP决定是否转发组播包
每个RP都接收来自源的组播包, 但是RP要根据自己在当前活动的RP中的优先级地位来决定是否转发组播包, 只有优先级最高的RP, 才开始转发组播包。
每个RP收到来自源的PIM注册消息后, 要向源发出 (S, G) 加入消息, 在自己的组播转发表入接口列表上加上到源的接口。在收到来自其他路由器 (如某个接收者的DR) 的 (S, G) 加入消息后, 也在自己的组播转发表出接口列表上加上相应的接口。
RP收到带有RP列表及RP优先级的加入消息后, 知道自己在该组播组RP中的地位。每个RP定期向其他的RP发送存活消息。同时它也接收其他RP发来的存活消息。每个RP为优先级大于自己的RP设置一个存活定时器, 每次收到来自优先级大于自己的RP的存活消息, 相应的存活定时器复位。如果该RP所有的存活定时器都到期, 则它就开始转发该组播组的数据包。如果在一段时间以后, 它又收到优先级比自己高的存活消息, 就立即停止转发组播包, 由优先级高的RP转发。
4) 防止RP之间的频繁切换
在实际的应用中, 可能有这样的情况:优先级高的RP状态很不稳定, 一会儿可以收到它的存活消息, 一会儿又收不到, 这样, 优先级低的RP就在收不到存活消息时转发组播数据报, 收到存活消息后又切换到高优先级的RP。在这种情况下, RP之间的切换过于频繁, 也不利于组播接收者的接收。为了避免这种情况, 设置优先级低的RP, 只有它连续收到高优先级的RP的多个存活消息后, 才认为该RP状态已经稳定, 切换到该RP。
《3.2.3 DR及中间路由器的行为》
3.2.3 DR及中间路由器的行为
DR收到组播组G的一个加入请求后, 用式 (1) 算法找出N个RP。然后分别向这N个RP发送式 (1) 中的加入消息, 建立到这N个RP的组播路径。当然, 通往各RP的组播路径是不同的。这样中间路由器要为不同的RP建立 (S, G, RPi) 表项, 以便相应的RP在负责转发时提供组播路径。
《3.2.4 一个例子》
3.2.4 一个例子
下面用图2所示的网络来说明多个RP机制。
如图2所示, 组播组G的源S向它的第一跳路由器D发送组播包。D根据式 (1) 找出2个RP——RP1和RP2, 其中RP1优先级高于RP2。然后D分别向RP1和RP2发送注册消息, 随后, RP1和RP2分别加入到以S为根的发送树。
接收站点在接收组播组G的数据包时向DR发送加入请求, DR根据式 (1) 找出2个RP:RP1和RP2, 并分别建立到它们的路径。而中间路由器B建立 (S, G, RP2) 的转发表项, 而C则建立 (S, G, RP1) 的转发表项。
开始时, 由于RP1优先级高, 由它负责转发组播包, RP2只是接收来自S的组播包, 并不转发它。同时, RP1和RP2定期向对方发送存活消息以示自己处于活跃状态。如果由于某种原因RP1失效, 它就不会发出存活消息。经过一段时间后, RP2为RP1设置的定时器到期, RP2就认为RP1失效, 开始转发来自S的组播包。
为了防止从RP1向RP2切换过程中的数据丢失, 在RP2将数据进行缓存。并用类似滑动窗口的机制来管理缓存。从源发来的数据被缓存在RP2 (大小为N个包) 上的滑动窗口中。滑动窗口的机制:在窗口没有满时, 所有进来的包都被存储;当窗口满时, 如果再进来一个包, 这时窗口前移。
检测到RP1失效后, RP2取代RP1的位置。此时它还是要将进来的数据包缓存在滑动窗口中。为了避免缓存溢出, 可以设置一个门限 (比如窗口的一半) , 一旦超过此门限, RP2向源发送消息, 让源减小发送速率。状态稳定后, RP2停止向源发送消息, 正常运行。
《3.3多个RP的优点》
3.3多个RP的优点
多个RP机制可以带来如下的好处:负载均衡、可提供分类业务及容错性能。
在PIM-SM共享树机制中, RP是源和接收者之间的中间点。随着接收者的增多, RP的压力太大。如果经过RP的负载过重, 那么延时和丢包就不可避免。在多个RP的机制下, 每个RP负责转发一定数目的接收者的数据包, 就可以在RP之间实现负载均衡。
用多个RP的机制可以提供较小程度的QoS支持。可以有选择的放置RP, 使每个RP负责不同类型的业务。接收者可以根据业务的要求选择不同的RP。如图3所示, 接收者对带宽和时延要求高时, 可选择RP1, 而在接收者对带宽和时延要求不高时, 可选择RP2。当业务类型发生变化, 导致业务要求变化时, 可在RP之间切换。
在需要高度有保证的应用中, 只有一个RP是不行的。这时多个RP机制的优点就显现出来了。一旦负责转发的RP失效, 经过很短的一段时间后, 其他的RP就会检测到这种情况, 于是有新的RP担负起转发组播包的责任。这就为系统提供了很好的容错性能。
《3.4多个RP的折衷考虑和开销》
3.4多个RP的折衷考虑和开销
《3.4.1 多个RP机制的折衷考虑》
3.4.1 多个RP机制的折衷考虑
为了提高PIM-SM机制的可靠性, 正在转发的RP失效后, 经过很短的时间, 由另外RP担负起转发组播包的责任, 在上述的RP机制中作了如下的折衷:
1) 为了让替补的RP迅速的开始转发, 源向所有的RP发送组播包, 而所有的RP也接收组播包。并没有一个机制来通知源只向正在转发的RP发送组播包, 这是为了减少RP切换的延时。
2) 在中间路由器也为各个RP建立了 (S, G, RPi) 的转发表项, 而不是只为正在转发的RP建立转发表项。这是为了在替补的RP开始转发组播包时, 中间路由器无须临时再建立转发表项, 减少组播包的发送延时。
《3.4.2 多RP机制的开销 采用多个RP机制需要增加一些开销:》
3.4.2 多RP机制的开销 采用多个RP机制需要增加一些开销:
1) 在加入/删除消息不仅有一个RP的信息, 而还有组播组中其他的RP的信息, 还要有它们的优先级。
2) 在RP之间有定期的存活消息要传送和处理。每个RP都要接收组播包, 要监测其他RP的活动情况, 并作出自己是否要转发的决定。
3) 源要向每个RP发送组播包。为了把组播包传给不同的RP, 在中间路由器上要建立相应的转发表项。
4) 为了防止数据的丢失, 在不负责转发的RP上要对组播包进行缓存。
在实际的应用中, 用两个RP已经足够, 因此它所带来的开销也不大, 是一 种有很好应用前景的机制。
《4 PIM-SM的实现》
4 PIM-SM的实现
为了在Linux环境下支持组播路由协议, 系统内核和组播程序要协调工作, 以完成处理和转发组播数据报的功能。
内核的基本功能就是根据组播的转发缓存转发组播数据包。而组播程序则负责处理从其他路由器和内核来的控制消息, 并通过陷阱或系统调用来维护组播转发缓存。组播程序还根据PIM-SM协议的要求维护组播路由表中的定时器。
《4.1数据处理流程》
4.1数据处理流程
当内核收到一个IP报, 用ip-intr ( ) 进程处理。进程ip-intr ( ) 基于目的地址和报文的IP协议号将包发送到合适的处理状态机。在此, 只关注以下几种情况:
1) 如果报文是组播报, 它先通过内核的组播转发状态机ip-mforward ( ) , 如果该报文的入接口与内核的转发表中的一项匹配, 报文就沿着相应表项的出接口发送出去。否则, 如果源和组不匹配, 那么, 缓存的报文丢失, 产生一个内部错误的控制信息。
2) 如果报文是PIM-SM报 (如它的协议号为IPPROTO-PIM) , 它被传给内核的PIM状态机pim-input, 然后按顺序由raw-input传给socket队列。
3) 如果报文是IGMP报 (如它的协议号为IPPROTO-IGMP) , 它传给内核的PIM状态机igmp-input, 然后按顺序由raw-input传给socket队列。
《4.1.1 组播数据报的处理流程》
4.1.1 组播数据报的处理流程
设有一个来自源S的组播组G的数据报到达PIM组播路由器的X接口, PIM组播路由器上的PIM-SM程序对该数据报的处理流程如图4所示。
1) 流程到①时, 组播路由器上有 (S, G) 表项, 而且该表项的入口为接口 X, 说明组播包是由SPT树接收到, 然后将组播包发往该表项的出口列表, 需要时发送 (S, G) RPT剪枝或向RP发送登记消息。
2) 流程到②时, 组播路由器上有 (*, G) 表项, 而且该表项的入口为接口X, 说明组播包是由RPT树接收到, 然后将组播包发往该表项的出口列表, 需要时向RP发送登记消息。
3) 流程到③时, 组播路由器上有 (S, G) 表项, 而且该表项的入口不是接口X, 而此时SPT树是活动的, 应该由SPT树转发组播包, 这时该包丢掉。
4) 流程到④时, 组播路由器上有 (S, G) 表项, 而且该表项的入口不是接口X, 而此时SPT树不是活动的, 这时要看RPT树是否活动。
5) 流程到⑤时, 组播路由器上有 (*, G) 表项, 而且该表项的入口不是接口X。这时, 如果组播路由器和S直接相连, 就在组播路由表中建立 (S, G) 表项并向RP发送登记消息, 否则, 由于RPF检查不通过, 对该包不作任何处理。
6) 流程到⑥时, 组播路由器上没有组G的转发表项。这时, 如果组播路由器和S直接相连, 就在组播路由表中建立 (S, G) 表项并向RP发送登记消息, 否则, 对该包不作任何处理。
《4.2.2 PIM-SM加入消息的处理流程》
4.2.2 PIM-SM加入消息的处理流程
设PIM组播路由器从它的X接口上接收到PIM-SM加入消息, 该PIM-SM加入消息中的加入列表含有源S。PIM组播路由器上的PIM-SM程序对它的处理流程如图5所示。
1) 流程到①时, WC (通配符) 位和RPT位均为1, 因此这是一个加入 (*, G) 的加入消息。如果没有 (*, G) 表项就创建它, 并向组G的RP发送 (*, G) 加入, 将接口X添加到该表项的出口列表上。
2) 流程到②时, WC (通配符) 位和RPT位均未置位, 且没有 (S, G) 转发表, 因此这是一个新的源加入 (S, G) 。创建 (S, G) , 并向S发送 (S, G) 加入消息, 将接口X添加到该表项的出口列表上。
3) 流程到③时, WC (通配符) 位和RPT位均未置位, 但是有 (S, G) 转发表, 且 (S, G) 转发表的RPT位为1, 因此这是源S重新加入 (S, G) 的RPT。向S发送 (S, G) 加入消息, 将接口X添加到该表项的出口列表上。
4) 流程到④时, WC (通配符) 未置位, RPT置位, 但是有 (S, G) 转发表, 且 (S, G) 转发表的RPT位为1, 这是 (S, G) RPT的加入更新, 将接口X添加到该表项的出口列表上。
5) 流程到⑤时, WC (通配符) 未置位, 但是有 (S, G) 转发表, 且 (S, G) 转发表的RPT位为0, 这是 (*, G) RPT的加入更新, 将接口X添加到该表项的出口列表上。
《4.2对多个RP的支持》
4.2对多个RP的支持
为了支持多个RP, 在以上的PIM-SM实现的基础上还要做如下修改:
1) 源的第一跳路由器和接收者的DR要建立到多个RP的路径, 源为每个RP设置出接口表项, 而接收者则为每个RP设置入接口表项。
2) 每个RP上有进程处理收到的带有RP列表和优先级的加入消息, 还要有进程设置定时器, 定期发送存活消息, 并根据其他RP的活动情况决定自己是否转发组播包。
3) 中间路由器要有进程为不同的RP设置不同的转发表项。
4) 在不负责转发的RP上要有进程对组播包进行缓存。
这些修改可支持多个RP机制, 实现更好的可靠性。
《5 结语》
5 结语
IP组播将在Internet上扮演重要的角色, 是未来Internet的必选项, 而不是可选项。它允许应用开发者给网络增加很多功能而无须对网络做显著的改动。
开发IP组播应用并不难, 为了发送组播数据报, 可将数据发往该组播地址, 如果要将它发往本地网以外, 可将其TTL值增加。为了接收组播数据报, 可加入相应的组播组。但是, 让IP 组播在组成复杂的网络上很好的运行并不简单, 现在很多网络上采用了MPLS技术, 在这样的网络上实现组播也是一个新的课题。提供可靠的、安全的数据传输并解决域间组播路由的问题, 还有很多工作要做。
京公网安备 11010502051620号
