（通信与信息系统专业论文）二层组播技术应用研究及在acr+emd中实现.pdf

信息工程大学硕士学位论文 摘要 组播技术的突出优点在于节省带宽，并且能够有效解决用户过多带来的服务器负载过 重问题。随着近年来网络电视( p t v ) 、网络电话( v o i p ) 等宽带流媒体业务的迅速发展， 作为其支撑技术的组播技术得到更为深入的研究并广泛应用。其中，如何在交换机等二层 网络设备中实现二层组播成为研究热点之一。为此，本文以目前最为流行的两种二层组播 协议：i g m p m l d 探听和i g m p ，m l d 代理为例，重点研究在以太网交换机、汇聚接入系 统中如何实现二层组播，以适应宽带流媒体业务的发展趋势对二层网络设备的要求。 本文首先介绍了二层组播技术的发展现状，在分析了i g m p m _ d 探听协议原理的基 础上，提出一种将该协议应用于以太网交换机中的方案。同时，本文结合国家8 6 3 计划信 息技术领域高性能宽带信息网( 3 t i 吼) 专项的重大课题“大规模接入汇聚路由器( a c r ) 系统性能和关键技术研究”，依据a c r 系统结构、特性以及系统中宽带接入组播服务的控 制流程，针对在该系统下实现二层组播涉及的难点和关键技术做了深入研究，设计出一种 适用于本系统的增强型i g m p 删l d 代理方案并将其在a c r 的可扩展复用分解器( e m d ) 中具体实现，满足了m t v 业务和p c 上网组播业务的不同需求，从而有效解决了a c re m d 中的二层组播问题。最后软件模拟测试表明，方案中的p r o x y 软件系统模块在功能和性能 方面能够满足系统需求。 关键词：i g m p 亿d 探听，i g m p 舭d 代理，大规模接入汇聚路由器，可扩展复用分解 器，网络电视 第v i 页 信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w t hm p i dd e 、，e 1 0 p m 肌to f b r o a d b 髓d 蛐锄吨眦d i as e i c e s ，s u c h 嬲邛t va n dv o i p ， m l l l t i c a s t 鼬n o l o 舒h 硒b o 姐砌嘲r c h e dd e 印i ya i l da p p i i c d 耐d e l yo w m gi t sa d v a n t 薯唔e so f h i g hm n 幻嘶o f 凹咖r kb 锄撕拙锄d 恤ee 伍c i c yo fa l l e v i 撕n gs e r v 豇o v e r l o a d m 朗n 、砌l e ，h o wt oi m p l 锄e n tm l l l t i c a s tf i 】n c 吐o ni l ll a y e r - 2 l i i 】出l a y e r ) 球炯釉f kd e v i c e s 翮c h 勰g 谢t c h e sb c 蝴豁ar e s e a r c hh o t s p o t a i 1 i 1 1 9a tt h i si s s u e ，m i s 弘l p 盯m 8 i n | yd i s c 璐s 鹳 t w op o p u l a fl a y c r 2m u l t i c a s tp r o t o c o i s ，i g m p m l ds n o o p i i l ga n di g m p m l dp 埘y ，a n dp u b e m p h 勰i so nh o w 协i m p l 锄e n tl a y e r 一2m l l l 虹l s ti i le t h 锄烈s w i t c h e s 龃da c c e s sc 0 蛳帕r g i n g 玳帅m f kd e v j c c s ，粕t 0m c e tt h ed 伽趾do f 廿l ed e v e l o p m e m 慨do fb f o a d b a n ds t r e 锄i i l g n l e d i as e r v i c e s t h i s 形i p e rf i i 啦d e s 函b e sm ed c 、r c l o p m e n ts t a m so fl a y e r 2m 圳c a s tt e c b r l 0 1 0 9 y ，撇l 弘独s t l 蟛p 血c j 讲eo fi g m m 小ds n o o 咖g ，锄d 内n l l e 蛐o ，p i i t sf o j 嘲耐缸印p l i c a t i 蛐8 c h 锄eo f 娃峙即t o c o li ne t h 锄e 蜊t c h 船。“r 船e a r c ho ns y s 自o mp 髓f o 】彻锄c e 锄dk e yt e c h n 0 1 0 西e so f l l r g e a l ea c c e 豁g o i e f g e n c er o u o e r ，i sa ni n l p o r t a n tp a r to ft e r a b i t 仃a n 锄i s s i o n ，t b 劬i t r 0 1 l t i n g ，a n dt e 豫b i t 刚t c h i n g ( 3 1 n 哟，t h eh i 曲一p c m 脚咖1 c eb a d b a n di n l o 删i o nm t 衲) r k k e y 删e c t o f m e n 撕o m l8 6 3p r o g r a mo f c h i n a o n t h e b a s i so f 也er c 湖r c h ，m e p a p e rg i v e sa s p e c i 丘ca n a l y s i s o fa c rs y s t c m 缸e 趾di t s 曲撇c t c r i s t i c s 锄dt l l ec 0 咖lp r o c e 船o f b a d b 锄dc v e 玛c n tm u l d c a s ts e r v i c e s ，聆醒锄c l 他si l l _ t ot h e l a t e d 掣旧b l 锄sa n dl 【e y t h n i q u 船w h e ni m p l e m a 岫n gl a y e r - 2m u l t i c a s t ，a n df 缸a l l yd e s i 毋强柚a 血a 1 1 c e da p p i i c a t i o n s c h e m eo fl g w l dp r o x ya n da p p l i e si tt om ee x p 锄s i o nm 川t i 一锄dd e m u l t i p l e x e f ( e m d ) o f a c rs o 嬲t 0 删娥t h ed i 虢撒l tr e q l 血哪崩l 协o f 口t vs e r v i a n dm u l t i c a s ts c n ，l 诵t hp c a s c e i v e r s mt h el a s tp a r t ，n w a s i m m a t i t c s t ss h o w 恤tt h ef i m c 吐o na n dp e r f 0 1 m 锄c co f p m x y s o r w s y s 钯m m o d m e a r ea b l e t o m e c t l h es ) r s i e m d 即删 k e yw o 州s ： i g m p m l ds n o o p i n g ，i o m p m l dp r o x y ，l a r g e s c a l ea c c e s sc o n v e r g c e r o 珊c r ( a c r ) ，e 】【p 锄s i o nm u m 一锄dd 锄l l l t i p l e x c ra e m d ) ，口t v 第页 信息工程大学硕士学位论文 表目录 表1 预留的i p v 4 组播地址5 表2i p v 6 组播地址的作用域6 表3 交换机制造商中对i g m p 探听技术支持情况的问卷调查2 0 表4 方案中定时器设计列表3 2 表5i g 咿代理主要数据结构4 8 表6 札d 代理主要数据结构4 9 表7p r o x y 软件系统模块主要代码文件列表5 0 第页 信息工程大学硕士学位论文 图目录 图1 全球p t v 用户数增长预测( 来源：i s u p p l i 公司，2 0 0 6 年8 月) 1 图2 口、，6 组播地址5 图3m v 4 组播地址到m a c 地址的映射7 图4i g 伸m d 代理实现二层组播一1 0 图5i g m p v 2 报文格式ll 图6m l d v l 报文格式。1 2 图7 查询一响应过程1 4 图8i g m p m i id 探听技术应用组网模型。1 5 图9 探昕系统协议栈结构1 5 图1 0 交换机探听系统模型1 7 图l la c r 组网应用环境2 2 图1 2a c r 总体结构2 3 图1 3e m d 内部结构图2 4 图1 4a c r 系统的宽带接入服务控制流程2 5 图1 5m t v 业务流程2 6 图1 6m t v 转发表2 8 图1 7p c 上网组播转发表2 9 图1 8 系统中的i g 但m i id 报文通道示意图。3 4 图1 9m v 4 组播业务上行流程4 0 图2 0m v 6 组播业务上行流程4 l 图2 1m 、珥 ，6 组播业务下行处理流程4 2 图2 2p f o x y 软件系统模块内部结构4 3 图2 3 口t v 业务的组一端口成员状态转换图。4 5 图2 4p c 上网组播业务的组端口成员状态转换图4 5 图2 51 0 gl a n 汇聚接口板中i g m p 报文的内部帧封装格式4 7 图2 61 0 g l a n 汇聚接口板中m l d 报文的内部帧封装格式4 7 图2 7i g m p 代理主要数据关系4 8 图2 8m l d 代理主要数据关系4 9 图2 9 测试代码通过编译5 1 图3 0 功能测试加入组播组 图3 l 功能测试离开组播组5 3 第v 页 原创性声明 本人声明所提交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢豹地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写 过的研究成果，也不包含为获得信息工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文 学位论文 作者指导 学位论文版权使用授权书 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：三丛丝塑整篁至鱼塑窒堡垒垒竺竺里主窒型 学位论文作者签名：盏垒鱼 日期：7 呷年妒月压日 作者指导教师签名：隧鱼j 日期：弘4 净午月，广日 信息工程大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 随着因特网用户数量的急速增长和网络业务类型的日趋多样化，人们逐渐认识到宽带 应用才是真正支撑宽带网络发展的力量源泉，也是宽带网络运营商的效益来源。基于中高 速网络的流媒体( s n 蛐gm e d i a ) 技术由此诞生，它的诞生和发展推动了互联网整体架 构的革新，转变了传统呆板的内容表现形式。随着宽带网络的建设，用户对宽带网络的使 用也开始向娱乐、影视欣赏等方向转移【l 】。流媒体业务中最具有代表性的是网络电视 ( 刀町v ) 和网络电话( v o 口) ，它们发展势头迅猛，正面冲击现代电信系统。m t v 甚至被 电信和广电两大行业认为是未来宽带网络业务所承载的杀手级应用【2 】。如图l 所示，据市场 研究公司i s u p p l i 预测，到2 0 1 0 年全球i p t v 用户将超过6 3 0 0 万，与2 0 0 5 年2 4 0 万相比，增长 2 6 倍，年均复合增长率( c a g r ) 高达9 2 1 1 3 】。 2 0 0 4 2 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 2 0 0 92 0 1 0 年份 图1 全球i p t v 用户数增长预测( 来源：i s u p p l i 公司，2 0 0 6 年8 月) 针对这种情况，网络设备的承载能力要不断增强，大容量高速接入汇聚技术在下一代 高速互联网络中必将发挥重要作用，而作为宽带流媒体业务支撑技术的网络组播技术【4 】也 需要进一步发展。 为此，科技部发布国家8 6 3 计划信息技术领域高性能宽带信息网( 3 t f 赋) 专项重大课 题“大规模接入汇聚路由器( a c r ) 系统性能和关键技术研究”。a c r 是3 t i l e t 的关键设 备，不仅具有常规大容量高性能双栈核心路由器的宽带i p 、，4 ，v 6 组网功能，而且具有大规 模用户接入汇聚功能，主要提供面向用户级以及面向服务提供商的多样化接入方式，保证 大规模的用户直接接入骨干高速网络，实现m t v 、v o i p 等宽带业务【5 1 。本文的研究就是 结合该项目，在研究当前二层组播技术的基础上，设计一种满足a c r 系统要求的二层组 第1 页 阳的如 加 m o k阻。掣井v皿旺 信息工程大学硕士学位论文 播方案并最终实现。 1 2 本文的主要研究内容 本文主要目的在于研究当前最为流行的二层组播技术：i g m p ，m l d 探听和i g m p ， 缸d 代理，并结合“大规模接入汇聚路由器( a c r ) 系统性能和关键技术研究”这一国家s 6 3 计划重大课题，围绕a c r 系统中的可扩展复用分解器e m d 【6 】如何对口t v 业务和p c 上网 组播业务的组播流量进行过滤的问题，从理论、设计及实现三方面进行研究。本文的主要 研究内容如下； 分析i g a 但倍d l d 和i g m p m l d 探听技术的协议原理与工作过程，针对i g m m l d 探听技术提出一种在以太网交换机中的应用方案，主要包括系统结构模型的提出、 协议状态机驱动事件的描述； 在分析a c re m d 系统结构及系统特性的基础上，结合用户对口业务的快速 频道切换要求，依据系统中i p t v 业务和p c 上网组播业务的服务控制流程，考虑 在本系统中实现二层组播的难点和关键技术； 设计增强型l g h 佃倍d l d 代理方案，合理地进行软、硬件任务划分和模块接口设计， 基于i g m p m l d 协议改进定时器设计以解决系统大规模用户特性带来的问题，并 通过实现代理报告聚合机制解决系统中p c 上网组播业务的r 印o nf 1 0 0 d i n g 问题； 针对口阻、r 业务和p c 上网组播业务，分别给出i p v 4 、，6 中具体的上下行实现流程 以及p r o x y 软件系统模块中的状态机的实现；并通过软件模拟测试，验证了p r o x y 软件系统模块的功能和性能。 1 3 本文的结构和安捧 本文各章的内容安排如下： 第一章：简要介绍了课题背景、研究内容以及论文的组织结构。 第二章：介绍了组播技术的相关概念以及二层组播技术的发展现状，对目前流行的 g 1 订r p 、c g m p 、1 0 m p 彻探听以及i q 胛舭d 代理等四种二层组播技术的特点和适用 环境作了着重分析。 第三章：在分析i g m p ，m i d 工作原理的基础上，研究了i g m p m l d 探听技术的工作 原理，描述了用户加入组播组、离开组播组在交换机侧的实现过程，并进一步提出一种在 以太网交换机中实现i g m p m l d 探听的应用方案，重点提出了系统模型以及分析了触发 协议状态机运行的两种驱动事件。 第四章：分析了a c re m d 的系统结构，以i p t v 业务和p c 上网组播业务的服务流 程为依据，探讨了在该系统中实现i g m p m l d 代理的难点和关键技术，主要包括软、硬 件任务的划分、定时器的设计以及代理报告聚合机制的实现方法，并针对系统大规模用户 第2 页 信息工程大学硕士学位论文 的特点提出了基于i g 佃m d 协议的定时器改进设计。此外，针对实际应用中可能发生 的报文丢失情况，方案进行了详细分析并给出相应对策。 第五章：在第四章的基础上，详细介绍了增强型i g m p m 缸d 代理系统在a c re m d 中的实现，针对a c re m d 中的口t v 业务和p c 上网组播业务分别设计i g m p 籼代理 上下行处理流程，给出报文的内部帧封装格式，设计了p 0 x y 软件系统模块中的主要数据 结构，并给出软件模拟测试结果。 最后对全文进行总结，指出了目前在研究和实现方面还存在的一些问题和不足，并提 出下一步的研究方向。 第3 页 信息工程大学硕士学位论文 2 1 组播概述 第二章二层组播技术现状分析 1 9 8 8 年，斯坦福大学的博士生s d 血1 9 提出了网络层组播的概念和框架，随后在r j c 1 1 1 2 对i p 组播业务的方式提供了最初的描述和定义，被当作m 组播的标准业务模型的定义。 此后的十多年中，随着组播协议的增加和组播技术的应用，组播网络体系逐步完善。 组播是一种允许一个或多个发送者( 组播源) 同时发送单一的数据包到多个接收者的 网络技术。组播的思想是：组播源把一份数据包发送到特定的节点子集，这个子集称为组 播组，数据包内的目的i p 地址为组播地址，属于该组播组的所有目标主机都可以接收到同 样的数据拷贝，而其它主机则不能收到此组播数据。组播与传统的单播通信方式相比有以 下显著优点： 节省网络带宽资源，即使用户数量成倍增加，主干带宽不需要随之增加； 有效解决用户数量增加带来的服务器负载过重问题，从而为互联网服务供应商降 低了成本； 适用于分布式应用； i p 组播的实现除了需要路由器、主机等设备的支持，还要包括两部分关键技术：组播 地址管理和m 组播协议，p 组搔协议又可以分为组成员管理协议和组播路由协议。下面 分别予以讨论。 2 1 1 组播地址 2 1 1 1 4 组播地址 因特网编号分配机构( i a n a ) 把d 类地址空间分配给m v 4 组播使用，范围从2 2 4 0 0 o 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。当i p 层收到组播数据报文时，根据组播目的地址查找组播转发表， 对报文进行转发。口v 4 组播地址空间划分如下1 7 1 嘲： 2 2 4 0 o 0 2 2 4 o o 2 5 5 地址范围被i a n a 预留，地址2 2 4 o 0 o 保留不做分配，其 它地址供路由协议及拓扑查找和维护协议使用。该范围内的地址属于本地网络范 畴，不论生存时间字段( 1 1 几) 值是多少，都不会被路由器转发，表1 给出了该 字段内已经注册的部分地址及其含义： 2 2 4 o 1 o 2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5 是全局范围地址，该范围内也有部分地址被i a n a 预留 给一些组播应用，例如：2 3 2 o o o 砣3 2 2 5 5 2 5 5 2 5 5 用于源特定组播( s s m ) ，2 3 3 o ，o o 2 3 3 。2 5 5 。2 5 5 2 5 5 定义为g l o p 地址，仅供拥有自治系统编号的组织使用； 2 3 9 o o o 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 地址范围为本地管理组播地址( 删s h 鲥v c l ys c o p e d 第4 页 信息工程大学硕士学位论文 仅在特定的本地范围内有效。 表l 预留的i p v 4 组播地址 预留组播地址( 部分)含义 2 2 4 o o o 基准地址( 保留) 2 2 4 0 0 1 子网上的所有系统 2 2 4 0 0 2 子网上的所有i g m p v 2 路由器 2 2 4 o o 3 预留 2 2 4 0 o 4 d v m 喂p 路由器 2 2 4 o o 5 o s p f 路由器 2 2 4 o 0 6o s p f 指派路由器 2 2 4 o o 7 s t 路由器 2 2 4 0 0 8 s t 主机 2 2 4 0 o 9 l u p v 2 路由器 2 2 4 o o 1 0 i g r p 路由器 2 2 4 o o 1 1移动代理 2 2 4 0 o 1 2 d h c p 服务器中继代理 2 2 4 o 0 1 3 所有p i m 路由器 2 2 4 0 0 1 4r s v p 封装 2 2 4 0 o 1 5 所有c b t 路由器 2 2 4 0 0 2 2 子网上的所有i g m p v 3 路由器 2 1 。1 2i p v 6 组播地址 i p v 6 组播地址格式如图2 所示唧。 图2 i p v 6 组播地址 前8 b i t 表示该地址为组播地址。 f i a g s ：标志字段，高三位f i a g 为标志保留，初始化时设置为o 。第四位f l a g 为o 时 表明一个永久组播地址，由全球i n 钯n l e t 地址编号权威机构进行分配；为1 时表示 一个临时组播地址。 s c d p c ：作用域字段，用于限制组播组的作用域。该字段可能的值参见表2 。 g u di d ：用于确定组播组，在给定的区域范围内，可以是永久的，也可以是暂 时的。对于永久分配的组播地址，其含义独立于其区域值。 对于l | 每时组播地址，只有在给定的作用域才有意义，即某个站点的本地站点临时组播 地址与另一个站点具有相同g f o u pi d 的组无关，与另一个作用域内具有相同g r o 叩i d 的 临时组无关，与使用相同g r o u pm 的永久组无关。 第5 页 信息工程大学硕士学位论文 表zi p 、，6 组播地址的作用域 作用域意义 o 保留( r e s e r v e d ) 1 本地接口作用域( i n t e 晌c e - l o c a ls c o p e ) 2 本地链路作用域( l i n k - l d c a ls o o p c ) 4 本地管理作用域( a d m i n - l o ls c o p e ) 5 本地站点作用域( s 峙l o c a ls c o p e ) 8 本地组织作用域( o 唱i z a t i o n l o c a ls c 叩e ) e 全局作用域( g l o b a ls c o p e ) f 保留( r c s e r v e d ) 其它未指定 2 1 2 组成员管理协议 组成员管理协议工作在路由器与其直连子网内的主机之间，主要功能是在主机和路由 器之间交换必要的信息，使路由器知道在其直接的子网内有哪些主机需要提供组播服务。 i p v 4 中的组成员管理协议是i g m p ( h 渤n e tg f o u pm 锄a g e m e n tp r o t o c o l ，因特网组成 员管理协议) 。该协议目前有三个版本：i g m p 、，l 【i o 】中对m 组播业务提供的方法和形式进 行描述和定义，被认为是口组播的标准业务模型的定义；i g m p v 2 【l l 】在i g 枷1 的基础 上做了改进，主要增加了组成员快速离开的机制，是目前最常用的组成员管理协议； i g m ，3 l l2 】中增加了源过滤功能，使得组播组成员可以指定接收或者拒绝某些组播源的报 文，目前尚未被网络设备广泛支持。 在运行口v 6 的9 网络里，m l d ( m u m c a s tl i s t e n 盱d i s c o v e r y ，组管理协议组播侦听发现 协议) 取代了原来的在i p v 4 网络中使用的i g l 订p 协议。目前m l d 协议有两个版本：m l d v l f l 3 】 和m l d v 2 【1 4 】，分别对应于i 国t p 、r 2 和i g m p v 3 。 2 1 3 组播路由协议 组播路由协议可以分为域内组播路由协议和域问组播路由协议。域内组播路由协议根 据i g m m l d 维护的组成员关系信息，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。根据网络的实际情况，组播路由协议可以分成两大类：密集模式和稀疏模 式。密集模式默认许多子网至少包含一个成员，且带宽充裕，依靠n o o d i n g 技术把信息传 播给其它路由器，典型的密集模式路由协议有：d v 涮1 5 】( d i s t a n c e 、惋t o rm l l l t i c a s t r 0 u t i n 窖p r o t o c o l ，距离向量组播路由协议) 、m o s p f l l 6 j ( m u l 如a s te x 衄塔i o mt 00 s p f ，组 播扩展o s p f 协议) 和p 以- d m i l ( p r 咖li n d e p e n d e mm m l i c a s t d e n s em o d e ，密集模 式下的协议无关组播协议) ；稀疏模式默认所有机器都不需要收组播包，只有明确指定需 要的才转发，典型的稀疏模式路由协议有：c b t 【l 叼( c o f eb a s e dt r e 船m l l l 廿c a s tr o u t i n g p m t o c 0 1 ，核心基干树协议) 和p 讧s m l l 州( p m t o c o lh d 印e n d c n tm i l l d c a s t s p 黜m 0 d e ， 稀疏模式下的协议无关组播协议) 。 第6 页 信息工程大学硕士学位论文 域间组播路由协议解决大型、分层结构网络的组播路由问题。域间组播路由协议在各 个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，目前主要包括m b g p 【2 0 1 ( m 山巾r 0 岫c o lb o r d c rq i l c w a yp r o t o c o l ，多协议边界网关协 议) 和b g m p 【2 1 】( b o r d 盯g 呛w a ym i l l 6 c a s tp r 咖c o l ，边界网关组播协议) 。m b g p 协议是 一种b g p 4 ( b o r d e rq l 垂e w a yp f o t o c o l ，边界网关协议) 的扩展机制，这种机制能够使b g p 4 携带多种网络层协议( 如i p v 6 ，i p x 等网络层协议) 的路由信息；这种扩展机制是向后兼 容的：支持这种扩展的路由器能够和不支持扩展的路由器完全交互。b g m p 为活动的组播 组建立共享树，且允许接收域根据需要建立源特定的域问分支，以便于信息分布。 2 2 二层组播技术 主机通过以太网交换机进行通信时，以太网控制器通常根据数据帧的目的m a c 查找 源以太网端口的m a c 表，从找到的目的端口转发数据。如果数据帧的目的m a c 不在其 m a c 表中，以太网控制器将以广播方式把此数据帧发送到所有端口。由于传统的以太网 交换机是通过自动“学习”的过程存储m a c 地址，而组播m a c 不能作为源m a c 出现在 数据帧中，因此交换机对组播数据只能以广播方式洪泛到各个端口，从而造成网络带宽资 源的浪费。基于此方面的考虑，出现了二层组播技术，即在链路层交换环境中的组播技术。 二层组播技术主要涉及组播m 地址到m a c 地址的映射问题和二层组播协议。 2 2 1 组播口地址到m a c 地址的映射 i a n a 将m a c 地址范围0 1 ：o o ：5 e ：o o ：o o ：0 0 0 1 ：o o ：5 e ：7 f ：f f ：f f 分配给组播使用。 i p v 4 组播地址到组播m a c 地址的映射方法如图3 所示。从图上看出，由于一个m v 4 组播 地址的后2 8 位中只有2 3 位被映射到4 8 位m a c 地址中，导致有2 - 3 2 个m v 4 组播地址 映射到同一m a c 地址上。这种多对一的地址映射可能引起交换机的m a c 地址转发表的 同一条表项为多个m v 4 组播组服务，从而引起不必要的数据流转发。针对该问题，有些高 端交换机采用基于m 地址转发，从而取代了传统的基于m a c 地址转发的做法。 ，地- r 组播地址 互至j i i i 三 臣至至! j i i 国臣亘垂! j ! ! 堑习臣垂至i j i ! 垂口 。龇产斗 尸 4 甜童m a c 地址 i 竺竺! ii 竺竺! ! ! 型! ii 竖婴ii 婴婴li 型型 图3i p v 4 组播地址到m a c 地址的映射 i p 、，6 组播地址到4 8 位组播m a c 地址的映射方法与上述方法类似，i p v 6 组播地址表 示组播组的1 1 2 位i d 号只有后3 2 位被映射到m a c 地址，8 0 位没有参与映射，导致 2 ”* 1 2 e 2 4 个口v 6 组播地址映射到同一m a c 地址上。鉴于此，转发口v 6 组播数据时， 第7 页 信息工程大学硕士学位论文 基于口v 6 地址比基于对应的m a c 地址转发的效率要高的多。 2 2 2 二层组播协议 目前较为流行的二层组播协议有g 加r p ( g a i 冲m l l l t i c a s tr c g i s 仕a t i o np r o t o c o l ，g a i 冲 组播注册协议) 、c g m p ( c i s c og r o l l pm 黝g e m e n tp 似o c o l ，c i s c o 组管理协议) 、l g m p m l d s o 曲呜( 1 g m p m l d 探听) 和i g m p m i dp r o x y ( i g m p 肿l d 代理) 。 2 2 2 1g m r p 协议 0 r p 是g 舢冲( g 舶c i i ca t 仃i b u t er e g i 咖蛞p r o t o 砌，通用属性注册协议) 的一种 应用。c 後r p 和g 瑚妞定义在m e e8 0 2 1 p 中。g a r p 提供了一种通用机制，供交换机等 桥接局域网的设备注册或者注销某些属性，这些属性可以是组播m a c 地址、端口过滤模 式和虚拟局域网( v l a n ) 标识符等。g m r p 的实现基于( 浚r p 工作机制，用于维护交换 机中的动态组播注册信息，更新本地的组播注册信息，并通知其它交换杌。 g m r p 进行组播注册时直接使用m a c 组播地址，并且还可以注册端口的默认属性， 除了通常的m a c 组播地址外，还可以注册端口默认的组过滤行为，即是否转发所有组播 组，是否转发所有未注册的组播组。当有某台主机想加入一个口组播组时，它利用g m r p 发送一个加入该组播组的信息到交换设备，在( 认i 冲协议的支持下，交换设备在相应端口 的发送数据库中设置关于这条信息的过滤器。当一个服务器开始发布一个组播信息到某组 播组时，目的地址一方的交换设备会收到含有指定组m a c 地址的数据包，然后它就会根 据发送数据库过滤器的过滤条件进行硬件查找，最后将数据包发送给接收者。由于交换机 知道每个组播组成员的m a c 地址，因此该发送过程快速而准确圈。 q d r p 的特点在于只需要主机和交换机参与，不涉及路由器，从而减轻了路由器的负 担。另外，g m i 冲的运行对硬件的依赖性很小，在不同的硬件平台上容易实现移植。 2 2 2 2c g m p 协议 c g m p 是c i s c 0 公司的私有协议，专属c i s c o 交换机和路由器。主要用来限定只向与 i p 组播客户机相连的端口转发m 组播数据包。这些客户机自动加入和离开接收碑组播流 量的组，交换机根据请求动态改变其转发行为。 一旦c g m p 被激活使用，它能自动识别与c g m p c 印a b l e 路由器连接的端口。c g m p 通过缺省方式被激活，它支持最大为6 4 的p 组播组注册。支持c g m p 的组播路由器周期 性地发送c g m p 加入信息，用来通告自己执行网络交换行为。接收交换机保存信息，并设 置一个类似于路由器保持时间的定时器。交换机每接收一个c g a 佃加入信息，定时器也随 其及时更新。当路由器保持时间终止时，交换机负责将所有知道的组播组移出c a 胛。 c o m p 结合i g m p 信息共同实现动态分配c i s c oc 砬d y s t 交换机端口过程，从而i p 组 播流量只被转发给与i p 组播客户机相连的那些端口。由于c g m p c a p a b l e 琅组播路由器看 到所有i g m p 数据包，因此它可以通知交换机特定主机何时加入或离开口组播组。当 第8 页 信息工程大学硕士学位论文 c a 旧c 印a b l e 路由器接收一个i g m p 控制数据包时，它会创建一个包含请求类型( 加入 或离开) 、组播组地址和主机有效m a c 地址等的c g m p 数据包。然后路由器将c g m p 数 据包发送到所有c 删y s t 交换机都知道的地址上。当交换机接收c g m p 数据包时，交换机 负责转换数据包同时更改组播组的转发行为。至此，该组播流量只被发送到与适当碑组播 客户机相连的那些端口。该过程是自动实现的，无需用户参与。 c g m p 主要提供以下服务： 允许口组播数据包被交换到具有坤组播客户机的端口： 将网络带宽保存在用户字段，避免转播不必要的i p 组播流量； 不需要改变终端主机系统； 在为交换网络中的每个组播组创建独立v l a n 时不会产生额外开销口3 】。 c g m p 对交换机性能影响较小，原因是交换机接收处理的都是来自路由器的低速率帧。 不过该协议的不足之处也很明显，由于它是c i s c o 公司的私有协议，专属c i s c o 交换机和 路由器，对现有网络拓扑进行扩展时需要考虑与其它设备协议的兼容性。 2 2 2 3i g m p m l d 探听协议 i g 伸m l d 探听唧】的工作原理是使交换机具有第三层意识，通过窃听主机和路由器之 间的i m 仰籼消息构建二层组播转发表，将收到的组播数据包只转发给存在组成员的 接口。 i m 佃倍d l d 探听是高端交换机使用最为普遍的二层组播转发技术之一，因此在第三章 中将对其进行详细原理分析并提出以太网交换机中应用此技术的一种实现方案。 2 2 - 2 4i g m p ，m l d 代理协议 i g m p ，m l d 代理1 2 5 】仅适用于边缘设备( 即末梢网络) 中，要求网络拓扑为树状，通常 树根节点设备与组播业务的基础设施相连。支持i g 诬，m l d 代理的交换设备有上行接口 和下行接口。上行接口仅有一个，即在树的根节点方向的接口，又称为“主机接口”；下 行接口可以有一个或者多个，凡是不在树根节点方向的接口都是下行接口，又称为路由器 接口。i g m p ，m l d 代理的实现机理是代理设备通过拦截用户和路由器之间的i g m p m 缸d 报文建立组播转发表，代理设备的上行接口执行主机的角色，下行端口执行路由器的角色 【2 5 1 。 典型的i g m p 倍d l d 代理应用如图4 所示。i g m p m l d 代理的特点在于不必考虑网络 拓扑的变化，与组播路由协议相互独立，减轻路由器上的处理负担，提高转发效率，且便 于配置和管理。该技术已经成为宽带接入服务器标准关键技术之一，如在d s l a m ( 数字 用户线路接入复用器) 可以基于该技术实现m 组播1 2 6 】。 第9 页 信息工程大学硕士学位论文 2 3 本章小结 图4i g l 舻m l d 代理实现二层组播 近年来，妒t v 业务、v o 业务、i p 会议业务、p 网上课堂等组播业务发展迅速，交 换机对组播数据洪泛的传统方式带来的网络带宽资源浪费问题已经不容忽视，因此针对数 据链路层的二层组播技术应运而生。本章针对二层交换机技术发展现状，尤其对当前流行 的g r p 、c g m p 、i g m p m 皿d 探听协议和i g 伸倍d l d 代理协议作了简单介绍，并说明 了它们的特点和适用条件。 第1 0 页 信息工程大学硕士学位论文 第三章i g 御池d 探听在以太网交换机中的实现 i g p 侏d l d 探听技术在近几年被商用交换机制造商引入市场并不断完善，被认为是当 前局域网交换机上抑制组播信息扩散最常用的方法。该技术基于i g m 醐m d 协议，但交 换机本身并不运行i g 伊限d ，而是通过探听路由器和主机之间传送的i m 但m l id 报文 动态注册二层组播信息。当交换机探听到有用户加入某组播组时，在组播转发表中加入该 用户对应的端口号：当交换机探听到用户离开某组播组时，将对应端口号从表项中删除。 交换机通过探听机制维护二层组播转发表，对组播数据按照该表项转发，从而抑制了组播 数据的扩散。 基于i g m p 肌l d 协议以及目前声明实现该协议的某些交换机制造商提供的一些情况， i g m p m l d 探听协议于2 0 0 6 年5 月首次形成l 强c 驯，但该文档只是从协议控制层面和数 据层面针对i g m p v 2 m l d | v 1 报文转发和组播数据的转发提出了一些规则，并没有固定的 协议规程或者具体的状态机，因此，在该技术的实现中可以灵活设计。本章在研究了相关 理论材料的基础上，提出一种在以太网交换机上应用此技术的方案。方案中的系统模型与 探听报告聚合机制的实现方法对进一步推广在交换机应用此技术有一定的参考价值。 3 1 基本数据格式 3 1 1i g m p 报文格式 i g m p 报文封装在i p 包内，m 首部协议域为2 ，t t l 值为1 ，并且包含口路由器告警 选项【拥。i 研衄v 2 的报文格式如图5 所示；i g 枷p v l 报文格式与其相比略有不同，表现在 ，i 帅e 字段的前4 b i t 被分出来表示版本号，m 觚r e s pt 缅e 字段尚处于未使用状态；i g h 但v 3 的报文格式与它们差异较大，增加了实现源过滤功能的字段。 图5i g m p v 2 报文格式 i g l 旧忱报文格式说明： ( 1 ) 聊e ：8 b “，i g m p 报文类型。 0 】【1 1 ：查询报文。又分为两种类型：1 、通用查询( g c m lq i l e f y ) ，用来对 所有组播组进行组成员查询；2 、组特定查询( g r 咖p _ s p e c i 缸q i 嘲y ) ，针对特 定的组播组进行组成员查询。 0 ) 【1 2 ：i g m p v l 成员关系报告( 为了向后兼容v 1 ) 。 第l l 页 信息工程大学硕士学位论文 0 】【1 6 ：i g m p h v 2 成员关系报告。 0 ) 【1 7 ：i g 瑚p 、r 2 离开报文。 ( 2 ) m a ) 【r e s pt _ 埘e ：8 b i t ，最大响应延迟。只对查询报文才有意义，它描述了在发 送一个响应消息前的最大允许时间( 以1 1 0 秒为单位) 。在其它类型的报文中， 它将被发送设置为o ，并被接收方忽略。路由器可以通过调节该值来调整一个 子网内1 0 m p 消息拥塞冲突的程度。 ( 3 ) c h e c k s u m ：1 6 b i t ，校验和。整个i g m p 包的二进制反码和的二进制反码，用于 数据报文的校验。 ( 4 ) g r o u p a d d r c s s ：3 2 b i t ，组播组的m 地址。当用于通用查询时，该字段置为0 ， 并被接收方忽略；在组特定查询报文中，该字段被置为特定的组播组地址。在 离开报文中，该字段为要报告或者离开的组的组播m 地址。 3 1 2m l d 报文格式 在运行m v 6 的网络里，m