Networking 版 (精华区)

发信人: roxxe.bbs@bbs.cqupt.edu.cn (guitar), 信区: Networking
标  题: 组播技术及应用系统的实现
发信站: 幽幽黄桷兰 (Mon Jun 16 10:36:26 2003)
转信站: SMTH!maily.cic.tsinghua.edu.cn!news2.uestc.edu.cn!CQUPT

一、引言
1.1、 问题的引出
近年来，随着网络技术的发展，使得各种单一媒体相继成为网络传输中的数据，进而各
种媒体的融合使得网络多媒体运用层出不穷。目前，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 (可视化IP电话会议系统)、网络
音频/视频广播、多媒体远程教育、远程会诊，而传统网络最初是为数据传输而设计的，
是典型的点点通信模式，是为保证数据可靠传输而设计的，所用的传输协议多为点到点
的协议。其所具有的特点将增加网络发送负载，带来网络延时。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：增加互连带宽，改变网
络流量结构，IP组播技术等等，其中，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。
组播技术可形象的描述如下：　　
假设一个企业分布于各地的子公司（两个以上）之间需要通过Internet进行实时的交换
信息(数据，声音，图像)，他们的计算机可能不属于同一物理网络，甚至不属于同一自
治系统，这种通信的特点是"多点"式的。子公司发出的数据希望其他子公司都能收到，
而总部发出的指示全体子公司都应收到。这种多点通信方式为组内广播，即组播技术，
也称多播技术，多目网关技术。
1.2、TCP/IP传送方式
组播技术是TCP/IP传送方式的一种。在我们讨论组播技术之前先来看看
TCP/IP传送方式。TCP/IP传送方式有三种：单播，广播，组播。
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（如果有组播路由
器的支持）。
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。然而广播的使用范围非常小， 只在本地子网内有效，因为路由器会封锁广
播通信。广播传输增加非接收者的开销。
二、组播技术
2.1、组播技术的原理
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。组播可以大大的节省网络带宽， 因为无论有多少个目
标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。 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（如果有组播路由器的支持）。
其网络模型如下图所示：
2.2、实现组播技术的前提条件
实现IP组播传输，则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。这包括
以下几方面：
* 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、集线器、交换机、TCP/IP栈、防火墙均需支
持组播；
2.3、组播地址
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IPv
4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；
D类地址的最后28比特没有结构化，即没有网络ID和主机ID之分。响应某一个IP多播地址
的主机构成一个主机组，主机组可跨越多个网络。主机组的成员数是动态的，主机可以
通过IGMP协议加入或离开某个主机组。IP多播地址影射到以太网地址的方法见下图。因
为IP多播地址的高5位未影射，因此，影射的以太网地址不是唯一的，共有32个IP多播地
址影射到一个以太网地址。
2.4、组播协议：
组播协议主要包括组管理协议（IGMP）和组播路由协议（密集模式协议（如DVMRP，PIM
-DM）、稀疏模式协议（如PIM-SM，CBT） 和链路状态协议（MOSPF））
* 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。
* 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。
* 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(如120秒)
 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，所以在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。
* 组播路由协议
要想在一个实际网络中实现组播数据包的转发，必须在各个互连设备上运行可互操作的
组播路由协议。 组播路由协议可分为三类：密集模式协议（如DVMRP，PIM-DM）、稀疏
模式协议（如PIM-SM，CBT） 和链路状态协议（MOSPF），下面分别介绍各个协议的工作
原理。
* 距离向量组播路由协议（Distance Vector Multicast Routing Protocol：DVMRP）
DVMRP由单播路由协议RIP扩展而来，两者都使用距离向量算法得到网络的拓扑信息，不
同之处在于RIP根据路由表前向转发数据， 而DVMRP则是基于RPF。为了使新加入的组播
成员能及时收到组播数据，DVMPR采用定时发送数据包给所有的LAN的方法， 然而这种方
法导致大量路由控制数据包的扩散，这部分开销限制了网络规模的扩大。另一方面，DV
MRP使用跳数作为计量尺度， 其上限为32跳，这对网络规模也是一个限制。目前提出了
分层DVMRP，即对组播网络划分区域， 在区域内的组播可以按照任何协议进行，而对于
跨区域的组播则由边界路由器在DVMRP协议下进行，这样可大大减少路由开销。
* 开放式组播最短路径优先协议（Multicast Open Shortest Path First：MOSPF）
MOSPF是一种基于链路状态的路由协议，是对单播OSPF协议的扩展。同OSPF类似，MOSPF
定义了三种级别的路由：
a、 OSPF区域内组播路由：用于了解各网段中的组播成员，构造（源网络S，组G）对的
SPT；
b、 MOSPF区域间组播路由：用于汇总区域内成员关系，并在自治系统（AS）主干网（区
域0）上发布组成员关系记录通告，实现区域间组播包的转发。
c、 OSPF AS 间组播路由：用于跨AS的组播包转发。
* 协议无关组播（Protocol Independent Multicast：PIM）
PIM由IDMR（域间组播路由）工作组设计，顾名思义，PIM不依赖于某一特定单播路由协
议， 它可利用各种单播路由协议建立的单播路由表完成RPF检查功能，而不是维护一个
分离的组播路由表实现组播转发。 由于PIM无需收发组播路由更新，所以与其它组播协
议相比，PIM开销降低了许多。 PIM的设计出发点是在Internet范围内同时支持SPT和共
享树，并使两者之间灵活转换，因而集中了它们的优点提高了组播效率。 PIM定义了两
种模式：密集模式(Dense-Mode)和稀疏模式（Sparse-Mode）。
* 有核树组播路由协议（Core-Based Trees: CBT）
CBT的基本目标是减少网络中路由器组播状态，以提供组播的可扩展性。为此，CBT被设
计成稀疏模式（与PIM-SM相似）。 CBT使用双向共享树，双向共享树以某个核心路由器
为根，允许组播信息在两个方向流动。 这一点与PIM-SM不同（PIM-SM中共享树是单向的
，在RP与组播源之间使用SPT将组播数据转发到RP）， 所以CBT不能使用RPF检查，而使
用IP包头的目标组地址作检查转发缓存。这就要求对CBT共享树的维护就需非常小心， 
以确保不会产生组播路由循环。
三、组播技术的应用系统实现--可视化Ip电话会议系统
上面讨论了组播技术的各个技术细节，下面我们以多媒体应用--可视化Ip电话会议系统
为例来探讨组播技术在应用系统的实现。
可视化Ip电话会议系统: 是利用计算机，多媒体通信技术和设备，通过传输信道在两地
或多个地点之间开会的一种通信手段。在召开会议时，处于两地或不同地点的与会代表
，既可以听到对方的声音，又可以看到对方的形象，同时还能看到对方会议室的场景，
以及在会议中展示的事物、图片、表格、文件等，缩短了与会代表的距离，使大家好像
在同一会议室参加会议一样。它的广泛应用必然产生巨大的社会效益和经济效益。系统
结构简图如下：
会议的组织，召开，管理由主会场来完成。因此，主会场的视频，声音，通知，指示，
下达的文件资料各分会场都应该收到。当某分会场发言时，其视频，声音同样要传送给
其他会场。（如下图所示）上述所有动作的完成依赖组播技术。通过组播技术把主会场
的各种数据发送到参加会议的分会场中，而且把发言分会场的视音频数据发送给其他会
场：即主会场和发言分会场的各种数据只要在网上发送一次，其他会场都将收到此数据
，（这就是有别于点对点通信方式的地方）而与这两个会场在同一网段却不参加会议的
非成员不会收到数据（只要设备支持，这也是有别于广播的地方）。因此，当会议成员
增加时，不会产生信息传输量剧增，带来无法忍受的网络延时和抖动。
根据上面对组播技术的讨论我们可以得出要实现可视化IP电话会议必须解决如下几个方
面问题:
3.1、组播地址
根据上面的讨论我们知道应用系统中可采用组播地址的范围是：224.0.1.0～238.255.2
55.255。那么在我们的应用系统中应如何使用组播地址呢？有两种方法使用组播地址：
静态设置，动态获取。
* 静态获取：
在会议系统中设置好组播地址,以后永远不变。这种方式虽然比较简单，在目前会议系统
使用不多时没有问题，但是如果有两个此类会议系统运行，或使用相同组播地址的不同
系统运行（由于没有统一管理组播地址，开发商互相不知道），那就会出现无法解决的
冲突。因为本应属于两个不同的组却由于使用相同的组播地址而合为一组。这对于将来
会议系统的广泛应用是不可行的。
* 动态获取：
会议系统用到的组播地址是不定的，只在运行时临时确定。动态获取组播地址的方法大
概有三种：通告方式获取，算法推导方式取得，采用Internet组播地址动态分配体系结
构（RFC2908）。
通告方式获取：当会议系统建立时，先侦听10-20分钟左右，以确定当前已使用的组播地
址，防止冲突。
算法推导：根据本地的特殊条件，通过一定的算法，求出当前使用的组播地址。
采用上述三种方式获取组播地址可有效防止地址冲突问题。虽然比较复杂，也较耗费资
源，但是有利于将来的多媒体应用的扩展。
3.2、网络设置：
由于我们以前的Internet应用大多集中于数据的交换、共享，因此在目前的
通信方式中，主要采用的是单播和广播，对组播的考虑不是很多。但随着多媒体应用（
视频，音频）的发展，要求Internet网络必须很好的支持组播，这也是会议系统得以运
行的前提条件。因此，所有介于组播源和接收者之间的路由器、集线器、交换机、TCP/
IP栈、防火墙均需支持组播。
在路由器上要安装相应的软件：组管理协议软件，组播路由协议软件等等。
如果要采用RFC2908--Internet组播地址动态分配体系结构，还应配置相应的组播地址分
配服务器。
目前绝大多数集线器、交换机只是简单的把组播数据当成广播来发送接收。
假设某网段某一成员参加会议（采用会议系统），则处于同一网段（由交换机、集线器
连接）的其他非会议成员其实都可收到多媒体流。这样，非会议成员的真正可使用带宽
将急剧下降；如果有多个类似的会议系统（组）同时存在，那么将导致网络拥塞，直至
网络瘫痪。同时，由于数据流被广播，很可能会被其他非法成员利用，造成安全隐患。
因此，在当今流行的用交换机组建园区网，小区网、专用局网Intranet的网络设计中，
应充分考虑到将来多媒体应用发展将会带来的安全问题和带宽问题。
3.3、防火墙：
可视化IP电话会议系统运行在Internet上，我们必须要考虑防火墙的问题。由于目前病
毒泛滥，为了保护自身的安全，许多机构用一台防火墙计算机作为在公用互联网和本机
构的专用网，即内部局网Intranet网之间的安全性网关。目前的防火墙大多基于单播通
讯来设计的，而组播与单播的原理是有很大不同的：
单播通讯是由一对参与者会话的形式组成的，因此搞清楚单播通讯的安全性是基于这些
参与者（每位被授权的参与者），此外"单播通讯之间的"信任"必须建立在每一个参与者
的"可信任"之上，也必须建立在数据的"可信任"上。
组播的范围有随意性，它含盖了不同集合的参与者，有的可能还不知道这些参与者是否
具有资格。（这是它的特点，而不是BUG），因此组播的安全性不能依赖其参与者，而应
该是依赖数据。特别是组播通讯是通过对包数据授权而进行授权的，例如使用数字签名
--这种数据是专门加过密的，所以组播间的信任是通过这些数据的神圣的信任关系来建
立的。
为了处理组播安全问题，防火墙应该做三件事情：
* 支持所选择的组播安全策略。（这个策略建立了正在等候的准备转发的特殊的组播群
），组播策略是由特殊的一组受允许通过防火墙转发的组播群（和相应的UDP口）组成的
安全集合。
* 动态地作出决定何时需要转发每一个侯选组。组播组是动态变化的，只有确定有必要
转发时它才会转发。
* 通过防火墙转发每一个侯选组的数据。　用来转发侯选组播包的实际机制将有赖于防
火墙的实质，普通的防火墙设置使用两个站点：intranet的部分，外部internet部分。
这种情况下，组播包可在两节点间使用管道协议转发（再到另一侧重新组播）。
四、总结
本文对组播技术做了全面的介绍，并对组播技术在实际的应用系统应解决的问题组播地
址、网络设置、防火墙进行了深入的阐述。