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组播技术研究
组播技术研究
曹佳鲁士文
摘要本文从组播路由、组播安全可靠性、组播拥塞控制等方面论述了IP组播的研究现状和相关标准。
为了解决IP组播过于依赖底层网络基础设施的问题,现在应用层组播已成为一个新的研究热点,本文也叙述了应用层组播的发展状况。
关键字IP组播、应用层组播、组播路由、组播安全可靠性、组播协议
1引言
随着网络技术的不断发展,FTP、HTTP、SMTP等传统数据业务已经难以满足人们对信息业务的需求,视频点播、远程教学、新闻发布、视频会议等业务在应用中变得日益重要。
这类业务的特点是,信息在一个组内以一对多或者多对多的形式进行传输。
例如新闻发布-信息由一个服务器发布,大量不固定的接收端接收。
如果采用单播方式来传输这些信息(如图1(a)),那么发送源就必须维护每个客户信息。
当客户数目很多时,对于发送源来说还需要很高的传输速率。
另外,相同的数据可能在同一个链路上传输多次,消耗大量的网络带宽。
因此需要一种专门的组传输机制,这就是组播。
组播可以在网络的各个层次上实现:
物理层(例如,卫星、以太网)、网络层(IP组播)(如图1(b))、应用层(覆盖组播/应用层组播)(如图1(c))。
本文主要叙述IP组播和覆盖组播这两种传输机制。
(a)单播(b)IP组播(c)覆盖组播
图1组通讯的单播、IP组播、应用层组播实现示意图
2IP组播
目前致力于组播研究的国际研究组织很多,其中IETF(Internet工程任务组)下属的组播工作组有:
IDMR、PIM、MSEC、RMT、MAGMA和SSM。
IDMR工作组致力于完成域间的组播路由;PIM工作组主要研究域内组播路由;MSEC工作组主要研究组播安全方面的内容,保证只有合法成员才可以得到组通讯内容,合法的组成员可以进行源认证和内容认证、抵抗拒绝服务攻击、组密钥管理和组策略管理;RMT工作组负责可靠组播传输的标准化工作;MAGMA工作组研究组播和任播(anycast)机制,其中涉及组播成员的认证、访问控制等等,这一点与MSEC工作组的工作类似;SSM工作组负责定义特定信源组播机制。
这些工作组的分工不是十分明显。
比如负责组播安全的MSEC通常需要与具体实现安全的IPSec等工作组交融,与诸如PIM,RMT,IDRM,MAGMA工作组进行联系。
总体上,根据这些工作组的分工可以将组播的研究领域大致分成:
组播路由、安全组播、可靠组播和特定源组播。
表1列出了几个典型的RFC(RequestForComments)文件,详细信息可参考
http:
//www.faqs.org/rfcs/np.html。
表1几个典型的关于组播的RFC文件
领域
RFC
描述
组管理
RFC3376
IGMPv3
组播路由
RFC2362
PIM-SM
RFC2189
CBTv2
RFC1075
DVMRP
RFC1584
MOSPF
RFC3913
BGMP
安全组播
RFC1949
可扩展的密钥发布
RFC2627
组播的密钥管理
RFC3740
安全组播框架
RFC3830
MIKEY
支持多媒体传输的密钥管理
可靠组播
RFC3453
基于FEC的可靠组播
RFC3048
针对大量数据传输的可靠组播
指定源组播协议
RFC3569
指定源组播协议概述
IP组播技术是一项很实用的技术,有众多的厂商和Internet业务提供商参与推动这项技术的发展。
他们还成立了一个论坛型的组织“IP组播倡议组织(IPMI)”。
成员包括差不多所有全球主要的网络设备厂商、不少电信运营公司和ISP,如Cisco、朗讯、3Com,阿尔卡特、AT&T、Sprint、UUNET等几十家。
他们共同致力于IP组播协议标准的开发、应用、推广、项目实施和互通。
早在1988年Deering就提出了IP组播机制。
它是最早的、最有效的组播传输机制。
在IP组播中,每个组播会话通过一个组播地址([IPv4]224.0.0.0~239.255.255.255;[IPv6]FF:
:
)标识,即每个组播组对应一个组播地址。
于是每个源发方只需要向相应的组播地址传输一次报文,就可以保证所有的组成员都收到这个报文,如图1(b)所示。
其中,组播路由器(图中的圆圈)负责路由、复制和转发组播报文。
IP组播避免了在链路上传输重复报文,从而节省了网络带宽,可实现高效的组播通讯。
2.1相关的基本协议:
组管理协议和组播路由协议
在IP组播通讯中需要完成两个方面的基本工作:
组播成员如何加入组播,如何将组播信息路由到每个接收者那里去。
这样就产生了两类基本的协议:
组管理协议和组播路由协议。
IGMP用于主机与边缘组播路由器之间。
主机使用IGMP消息通知本地的边缘组播路由器它想加入的组,即通知相应组的组播地址。
组播路由器通过IGMP协议来维护一个组播成员列表,并且定期发送“成员询问”消息来探寻表中的各个成员是否仍然存在。
在IGMPv2中,增加了退出通知这一功能。
一旦组播路由器知道了所在域是否存在组播成员,就可以通过组播路由协议来决定是否加入到相应组通讯中,即是否进入组播的转发树中。
此时需要组播路由协议。
它运行于组播路由器之间,负责构建转发树和路由组播包。
按照组播路由协议使用的范围可以分为域内组播路由协议和域间组播路由协议。
其中域内组播路由协议包括DVMRP(距离向量组播路由协议)、MOSPF(最短路径优先组播)、PIM-SM、PIM-DM(密集模式协议无关组播)和CBT(核心树协议)等;域间组播路由协议包括MBGP(组播边缘网关协议)等。
为了将组播数据传送到所有的组成员,组播路由器之间需要建立和维护组播转发树。
因此按照构建转发树方法的不同可以分成有源树和共享树协议。
有源树协议需要为同一个组播会话中的每个组播源构建一个最短路经组播生成树;而共享树协议需要在网络中选取某一点作为公共的根节点,然后再构建一棵生成树,各个组播会话的组播数据均沿着一个公共的转发树发送。
显然,有源树协议的构造、维护代价比较大,但是传输过程中每个组播源都可以获得自己最佳的传输路径。
图2IP组播路由协议的分类
DVMRP是第一个在MBONE(组播试验床)上得到普遍使用的组播路由协议,它是一个洪泛剪枝协议。
DVMRP在RIP协议的基础上扩展了组播功能。
与RIP协议不同的是,RIP计算路由器到目的地的最佳下一跳,而DVMRP根据路由器到源方向的上一跳的信息来构建转发树。
DVMRP协议首先通过发送探测消息来发现邻居,然后通过路由交换来进行路由选择和确定上下游依赖关系。
PIM_DM使用“扩散与剪枝”机制来建立和维护转发树。
路由器周期性地发送Hello消息,以发现相邻的PIM路由器,并且负责在多路访问网络中选举指定路由器,然后根据单播路由表的信息来确定上下游依赖关系。
PIM_DM与DVMRP十分类似,当组播源第一次发送组播报文时,使用TRPB算法沿着源的组播转发树向下转发组播数据包。
MOSPF是OSPF协议的一个扩展,它通过OSPF路由表来获得网络拓扑。
MOSPF路由器除了进行组播路由选择外,还要进行正常的OSPF单播路由选择。
像OSPF一样,MOSPF也是使用层次路由,包括区内组播路由、区间组播路由、自治系统间组播路由。
一种流行的组播体系结构是基于IGMPv3、DVMRP、MOSPF、PIM-SM和MBGP这些协议构建的。
2.2可靠组播
当前,支持IP组播的标准传输层协议只有UDP(用户数据报协议),因而组播报文的传输是不可靠的。
IP层的Multicast通信只提供尽力型服务,不保证组播数据报文的可靠传输。
研究高效和可靠的可靠组播(RM:
ReliableMulticast)机制,完成类似单播服务中TCP的可靠传输功能,成为最近五年来IP组播协议研究中的重要方向。
对RM机制的研究比对TCP可靠机制的研究要困难得多,其根本的原因是应用程序对可靠性的要求差异很大,不可能设计出一个可以满足所有应用要求的RM协议模型,所以每个协议都要针对一个应用类型进行设计。
协议要综合考虑应用的服务要求、应用的可扩展性能和应用所处的网络环境,并利用通信流的特点提供高性能、低开销的RM通信服务。
RM的核心问题是如何根据组播通信过程中丢失分组报文的情况来迅速、高效地恢复丢失的报文,使得接收者接收到正确、有序的报文。
这里主要涉及缓冲区的管理和对应答帧的处理。
RM必须在报文恢复的性能和代价之间折衷。
其算法主要包括RM错误恢复算法和拥塞控制算法两部分。
评价RM性能的要素有两个方面:
一是数据吞吐率,即发送有用数据同冗余数据和控制报文的比例;二是恢复的时延。
最理想的RM算法应当使吞吐率最大,而恢复的时延最小。
目前主要有三类RM组播协议:
云状可靠组播协议、环状可靠组播协议和树状可靠组播协议。
云状可靠组播协议直接利用IP组播协议所建立的组播转发树,根据谁负责发现错误的原则这类协议又可分为:
基于发送方的可靠组播协议和基于接收方的可靠组播协议。
在基于发送方的可靠组播协议中发送源在发送数据包时加上序列号,接收节点收到正确的数据包后就发送ACK消息给发送源。
这种方式类似于TCP,如果接收节点比较多,在发送源附近可能会出现ACK消息爆炸。
早期一些协议采用这种方式,如XTP。
在基于接收方的可靠组播协议中,发送源在发送数据包时加上序列号,接收节点负责核对是否收到数据包,如果发现有丢包,向发送源发送NACK消息,发送源重新发送丢失的包。
这种方式可以支持更多的节点,而且操作容易。
SRM、MFTP、RAMP、LBRM等属于这类协议。
环状可靠组播协议仿照令牌环网的设计方案,利用令牌来保证成功发送。
特点是可靠性高、效率高。
缺点是管理复杂,不支持接收节点数量较大的组播,只适合200个节点以下的网络发送。
环状可靠组播协议有:
TRP、RMP等。
树状可靠组播协议将所有的接收节点组成层次式的树状结构,由树状顶层向下一层发送,依此类推,并负责确认下一层是否收到。
这样就可以支持大量的组播组成员,但是在管理接收节点回送的确认信息时会造成额外的管理开销和麻烦。
现在用于大规模通信的可靠组播协议基本上采用这种方式。
TMTP、RMTP和TRAM属于这类协议。
2.3安全组播
IP组播通讯不能简单地利用单播安全机制。
首先,身份认证不再局限于一对一的形式,而是一个群组成员相互认证的形式,所以群组成员的认证机制必须具有可扩展性。
第二,IP组播是一个开放的传输系统,任何非组成员都可以随时向组播组发送垃圾信息,因此组播通讯容易受到DOS(拒绝服务)类型的攻击,导致正常的组播业务质量下降;还有一些伪造的IGMP信息会对组播路由器产生一定的影响。
因此有必要进行传送认证,只允许合法的组成员在组内传送信息。
第三,组播传输过程中的成员不确定,允许组成员的动态加入退出。
这样就要求保证后向安全(以使退出组的成员无法访问当前正在进行的组通讯)和前向安全(一个新加入的组成员无法访问以前的通信内容),所以组会话密钥需要根据组成员的变化情况随时更新。
第四,由于组播大多用来传输海量的多媒体信息,很多应用具有实时要求,因此可能需要更有效的数据加密机制。
总之,安全IP组播通讯除了一些传统的数据传输加密,对安全还有特殊的要求,涉及到安全数据传输机制、安全密钥管理机制和组成员的控制。
对此,人们也进行了大量的研究工作。
表1列出了一些IETF颁布的安全组播协议标准。
2.4拥塞控制
同可靠组播相同,一种组播的拥塞控制协议不可能满足所有的需求,必须针对不同的应用设计不同的协议。
需求的多样性导致了组播拥塞控制协议指标的多样性。
其中有两个重要的评价目标:
可扩展性和TCP友好。
可扩展性是指随着组规模的增大,拥塞控制协议在性能下降前可以支持的用户数量,主要受到任务复杂性、反馈爆炸问题、LPM(losspathMulticast)问题和网络随机延迟等4个因素的影响
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