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通过组播源的发现,域之间可以互相知道存在的每一个域内的组播源,从而建立从组播源到组播接收者的组播分发树。
3.对以太网交换机的要求
组播技术的出现对以太网交换机也提出了一定的要求。
在堆叠以太网交换机时,如果仅仅把组播报文当作广播报文进行泛洪式传播的话,势必造成局域网中不必要的流量。
解决这个问题有两种成熟技术可供选择:
IGMP窃听和CGMP。
它们都是为了解决老式交换机无法知道组播组成员分布的问题。
IGMP窃听是使交换机具有第三层意识,窃听主机和路由器之间发送的IGMP消息,从而确定组成员所在的位置。
CGMP则是通过路由器和交换机之间的协议交互而使交换机了解组成员分布,但CGMP是Cisco的专有协议。
组播的高层协议
IP组播不能保证数据的可靠传输,可能会出现报文的丢失、乱序、重复的情况。
针对不同类型的应用,人们开发了相应的协议来支持。
1.流媒体应用中的常见协议
流媒体的应用是组播重要的应用,譬如音频和视频的播放、视频会议、远程教学等,都属于这一范畴。
针对于这种类型的应用有一整套的协议支持。
RTP是用于Internet上针对多媒体数据流的一种传输协议。
它既可以使用单播,也可以使用组播作为下层传输协议。
RTP被设计为一对一或一对多的情况下工作,主要提供了时间信息和实现流同步,通常使用UDP来传送数据。
RTCP属于RTP协议的一部分,它提供了流量控制和拥塞控制服务。
RTSP是由RealNetworks和Netscape共同提出的一个开放的标准,它扩展了现有的Web架构,提供了一种可控制的音频、视频的点播服务。
它是应用层的协议,与HTTP很相似,HTTP传送HTML,而RTP传送的是多媒体数据。
RSVP是Internet上的资源预留协议,使用RSVP预留一部分网络资源(即带宽),能在一定程度上为流媒体的传输提供QoS。
RSVP技术在可扩展性上倍受质疑,因此目前还仅限于小型内部网上使用。
2.可靠组播协议
流媒体应用中,对少量丢失组播报文不是很敏感。
然而对于数据组播应用来说,组播的可靠性是十分重要的。
如组播报文差错恢复、所有组播接收者收到的报文数量一致、顺序一致、实时性等。
这方面的研究是一个热点,目前还没有统一的标准,IETF正在努力推出标准,也有很多组织在积极地开发自己的协议。
常见协议有:
SRM、MDP、BimodelMulticast等。
可靠组播的应用前景是非常广泛的,在可靠的媒体流发布、经卫星信道的信息发布、机场空中管制系统、股票行情的发布、大型分布式网站的数据更新、分布式数据库的同步、分布式对象间消息的传递、军事战场指挥系统,甚至网络游戏等,都有这一技术的应用领域。
组播技术应用现状与未来
着眼于组播技术良好的表现和广阔的应用前景,许多服务提供商先行一步,获利不菲。
意大利的FastWeb、香港的香港宽带(HKBN)、瑞典的Bredbandsbolaget(B2)就是其中的佼佼者。
一般运营商提供电话会议、电视和视频点播服务,向商业用户提供视频会议和其他视频流服务。
在实践中,组播情况下可以向3万个用户传送电视节目,而不会引起网络流量的激增。
如果使用单播技术,所需的网络带宽是难以想象的。
目前,IP组播技术在商业应用中还面临着一些需要解决的问题,如组播服务的收费方式和方法;
组播网络的监控;
组播成员的身份认证;
如何保证组播的QoS;
采用何种商业模式向用户推销组播服务等。
但可以预见的是,人们日益认识到组播技术所带来的优点和长处,组播技术必将成为人们工作和生活中不可缺少的网络技术之一。
组播协议详细介绍
2008-04-0421:
17
一、概述
1、组播技术引入的必要性
随着宽带多媒体网络的不断发展,各种宽带网络应用层出不穷。
IPTV、视频会议、数据和资料分发、网络音频应用、网络视频应用、多媒体远程教育等宽带应用都对现有宽带多媒体网络的承载能力提出了挑战。
采用单播技术构建的传统网络已经无法满足新兴宽带网络应用在带宽和网络服务质量方面的要求,随之而来的是网络延时、数据丢失等等问题。
此时通过引入IP组播技术,有助于解决以上问题。
组播网络中,即使组播用户数量成倍增长,骨干网络中网络带宽也无需增加。
简单来说,成百上千的组播应用用户和一个组播应用用户消耗的骨干网带宽是一样的,从而最大限度的解决目前宽带应用对带宽和网络服务质量的要求。
2、IP网络数据传输方式
组播技术是IP网络数据传输三种方式之一,在介绍IP组播技术之前,先对IP网络数据传输的单播、组播和广播方式做一个简单的介绍:
单播(Unicast)传输:
在发送者和每一接收者之间实现点对点网络连接。
如果一台发送者同时给多个的接收者传输相同的数据,也必须相应的复制多份的相同数据包。
如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时,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:
在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接。
如果一台发送者同时给多个的接收者传输相同的数据,也只需复制一份的相同数据包。
它提高了数据传送效率。
减少了骨干网络出现拥塞的可能性。
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每一个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。
所以广播的使用范围非常小,只在本地子网内有效,通过路由器和交换机网络设备控制广播传输。
二、组播技术
1、IP组播技术体系结构
组播协议分为主机-路由器之间的组成员关系协议和路由器-路由器之间的组播路由协议。
组成员关系协议包括IGMP(互连网组管理协议)。
组播路由协议分为域内组播路由协议及域间组播路由协议。
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链路层的扩散,引入了IGMPSnooping、CGMP等二层组播协议。
IGMP建立并且维护路由器直联网段的组成员关系信息。
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进行组播数据包转发。
域间组播路由协议在各自治域间发布具有组播能力的路由信息以及组播源信息,以使组播数据在域间进行转发。
2、组播IP地址
组播IP地址用于标识一个IP组播组。
IANA把D类地址空间分配给IP组播,其范围是从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。
八位组
(1)八位组
(2)八位组(3)八位组(4)
1110XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
3、组成员关系协议(IGMP)
IGMP协议运行于主机和与主机直接相连的组播路由器之间,主机通过此协议告诉本地路由器希望加入并接受某个特定组播组的信息,同时路由器通过此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。
IGMP有三个版本,IGMPv1由RFC1112定义,目前通用的是IGMPv2,由RFC2236定义。
IGMPv3目前仍然是一个草案。
IGMPv1中定义了基本的组成员查询和报告过程,IGMPv2在此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。
这里着重介绍IGMPv2协议的功能。
IGMPv2通过查询器选举机制为所连网段选举唯一的查询器。
查询器周期性的发送普遍组查询消息进行成员关系查询;
主机发送报告消息来应答查询。
当要加入组播组时,主机不必等待查询消息,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。
通过上述IGMP机制,在组播路由器里建立起一张表,其中包含路由器的各个端口以及在端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的成员的端口上转发数据报文。
至于数据报文在路由器之间如何转发则由路由协议决定,IGMP协议并不负责。
4、网络二层组播相关协议
网络二层组播相关协议包括IGMPSnooping,IGMPProxy和CGMP协议。
IGMPSnooping的实现机理是:
交换机通过侦听主机发向路由器的IGMP
成员报告消息的方式,形成组成员和交换机接口的对应关系;
交换机根据该对应关系将收到组播数据包只转给具有组成员的接口。
IGMPProxy与IGMPSnooping实现功能相同但机理相异:
IGMPsnooping只是通过侦听IGMP的消息来获取有关信息,而IGMPProxy则拦截了终端用户的IGMP请求并进行相关处理后,再将它转发给上层路由器。
CGMP(CiscoGroupManagementProtocol)是Cisco基于客户机/服务器模型开发的私有协议,在CGMP的支持下,组播路由器能够根据接收到的IGMP数据包通知交换机哪些主机何时加入和脱离组播组,交换机利用由这些信息所构建的转发表来确定将组播数据包向哪些接口转发。
GMRP是主机到以太网交换机的标准协议,它使组播用户可以在第二层交换机上对组播成员进行注册。
5、组播路由协议(PIM-SM)
众多的组播路由协议中,目前应用最多的协议是PIM-SM稀疏模式协议无关组播。
在PIM-SM域中,运行PIM-SM协议的路由器周期性的发送Hello消息,用以发现邻接的PIM路由器,并且负责在多路访问网络中进行指定路由器(DR)的选举。
这里,DR负责为其直连组成员朝着组播分发树根节点的方向发送"
加入/剪枝"
消息,或是将直连组播源的数据发向组播分发树。
PIM-SM显式的加入机制
PIM-SM通过建立组播分发树来进行组播数据包的转发。
组播分发树分为两种:
以组G的RP为根的共享树(SharedTree)和以组播源为根的最短路径树(ShortestPathTree)。
PIM-SM通过显式的加入/剪枝机制来完成组播分发树的建立与维护。
如上图所示:
当DR收到一个发自接收端的加入(Join),它就会向着组G的RP方向逐跳组播发出一个(*,G)加入信息用以加入共享树;
源主机向组发送组播数据时,源的数据被封装在注册消息内,并由其DR单播至RP,RP再将源的解封装数据包沿着共享树转发到各个组成员;
RP朝着源方向向第一跳路由器发送(S,G)加入信息,用以加入此源的最短路径树,这样源的数据包将沿着其最短路径树不加封装地发送到RP;
当第一个组播数据沿此树到达时,RP向源的DR发送注册-停止消息,以使DR停止注册封装过程。
此后,这个源的组播数据不再注册封装,而是先沿着源的最短路径树发送到RP,再由RP将其沿着共享树转发到各个组成员。
当不再需要组播数据时,DR向着组G的RP逐跳组播剪枝消息用以剪枝共享树。
PIM-SM中还涉及到其根节点RP的选择机制。
PIM-SM域内配置了一个或多个候选自举路由器(Candidate-BSR)。
应用一定的规则从中选出自举路由器(BSR)。
PIM-SM域中还配置了候选RP路由器(Candidate-RP),这些候选RP将包含了它们地址及可以服务的组播组等信息的包单播至自举路由器。
BSR定期生成包括一系列候选RP以及相应的组地址的"
自举"
消息。
"
消息在整个域中逐跳发送。
路由器接收并保存这些"
若DR从直连主机收到了某组的成员关系报告后,如果它没有这个组的路由项,DR将使用一个hash算法将组地址映射至一个可以为该组服务的候选RP。
然后DR将朝RP方向逐跳组播"
若DR从直连主机收到组播数据包,如果它没有这个组的路由项,DR将使用hash算法将组地址映射至一个可以为该组服务的候选RP。
然后DR将组播数据封装在注册消息中单播到RP。
三、组播地址详解
IP组播和单播的目的地址不同,IP组播的目的地址是组地址——D类地址.
D类地址是从224.0.0.0到239.255.255.255之间的IP地址
其中224.0.0.0到224.0.0.255是被保留的地址
224.0.0.1表示子网中所有的组播组;
即全部设备:
ALL-devices
224.0.0.2表示子网中的所有路由器;
即全部路由器:
ALL-routers
224.0.0.5表示OSPF(OpenShortestPathFirst)路由器;
ALLSPFRouters
224.0.0.6表示OSPF指定路由器-DR;
ALLDRouters
224.0.0.9表示RIP.v2发送路由更新的组播地址;
224.0.0.12表示DHCP(DynamicHostConfigurationProtocol)服务器.
D类地址是动态分配和恢复的瞬态地址.每一个组播组对应于动态分配的一个D类地址;
当组播组结束组播时,相对应的D类地址将被回收,用于以后的组播.在D类地址的分配中,IETF建议遵循以下的原则:
全球范围:
224.0.1.0~238.255.255.255;
有限范围:
239.0.0.0~239.255.255.255;
本地站点范围:
239.253.0.0~239.253.0.16;
本地机构范围:
239.192.0.0~239.192.0.14.
D类的地址空间是专为IP组播地址而定义的。
每个组播地址都落在从224.0.0.0到239.255.255.255的空间范围内。
该地址空间中的一部分被保留,被某些特殊的组功能、一些人们熟知的组播应用以及某些管理范畴的组播程序所使用。
其余的地址部分可在需要进行组播传送时动态分配。
IP组播抵制可以被映射到电气电子工程师协会(IEEE)所规定的802MAC组播地址上。
这种映射的实现过程时,取出IP组播地址的低23位,并将其添加导游IANA制定的特殊前缀01-11-5E之后。
将IP组播组的地址映射到IEEE802MAVC层的组播地址,是需要进行组播传送的主机能够利用某些网络接口卡的硬件组播功能。
D类地址的格式如图2
因为D类IP的前5个比特是不被使用的,所以映射可以将多个IP所点广播组关联到同一个IEEE-802地址。
因此,D类IP地址映射到有效的MAC层多点广播地址的比率为32:
1。
例如IP主机组地址224.10.8.5和234.138.8.5有相同的01-00-5E-0A-8-5的MAC地址。
可是,因为它们有不同的IP主机组地址,所以这两组仍保持独立。
组播地址的获取方式有两种,即静态获取和动态获取。
动态获取时会议系统用到的组播地制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、算法推导方式、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支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。
静态获取指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,但是如果有两个此类系统运行,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。
因此如果要采用这种方式,需将各个监控系统所用的组播地质记录在案,以便为今后开发更多的组播应用时分配合适的地址。
组播数据流路由
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:
组管理协议(IGMP)、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)。
组播用户通过IGMP加入组播组,用户可以登记加入多个组播组和用户直接相连的组播路由器。
如果用户已经退出组播组或关机,则组播路由器会自动地在组播树上进行剪枝和嫁接的过程,以保证组播信息的到达以及网络带宽的合理利用。
组播路由的关键是为每一个组播组建立组播树,组播树的形成可根据组播协议的不同而不同。
目前有两种构建组播树的技术:
源组播树和共享树。
源组播树是通过一向被称为反向路径转发(RPF)的技术而构造出来的。
如果数据包到达了一条本地路由其认为是回到数据包源去的最短路经链路,路由器将向除进入接口之外的所有其它接口转发该数据包。
如果数据包到达的接口不再返回到源去的最短路经上,那么该书举报将被丢弃。
这种方法为每个潜在的源或子网建立一个组播树。
这些组播树产生于与源站点直连子网的、基于源的传送树。
共享书使用分布中心并建立单个多点广播树。
共享树算法建立一个被组内所有成员共享的共享树,它允许对不同的组定义不同的共享树。
源组播树是从信息员开始构建组播树,而共享树是通过一个中心形成到各组播组成员的组播树,组播源将有关信息发送到中心点进行组播。
源组播书适用于组播的站点比较密集、组播数据比较多的情况,可以使每一个组播树数据报都能够以最优的方式到达接收站。
密集模式下的典型路由协议是密集模式下的独立组播PIM-DM(Protocol-Inde-pendentMulticast-DenseMode)、开放最短路经路由协议的组播扩展MOSPF(ExtensiomtoOpenShortestPathFirst)。
共享书适用于组站点比较稀疏、组播数据比较少的情况,可以减少路由器的路由信息交换和形成的开销。
目前,流行的稀疏模式组播路由协议是稀疏模式下得PIM-SM协议(Protocol-IndependentMulticast-SparseMode)和有核树CBT(Core-BasedTrees.
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