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北京交通大学硕士学位论文 组播监听发现协议的研究与改进 摘要 随着科学技术的发展。信息已成为推动社会发展的巨大资源。而信 息领域的竞争不仅取决于信息技术的掌握，更取决于信息网络的关键技 术。信息网络无疑成为信息社会的主要传播媒体和推动社会向前发展的 巨大动力。 近年来互联网上出现了很多高带宽需求的多媒体应用，网络带宽急 剧消耗，并出现网络拥塞和延迟的问题。i p 组播技术的提出解决了此类 问题。组播是计算机网络中的一种高效的通信方式，发送者有选择地向 一组接收者发送消息，因而它在多点通信中具有不可替代的作用。由于 与单播传送方式相比，组播通信可以有效地减轻网络负担，避免资源浪 费，i p 组播技术的应用将日益普遍。 本文首先介绍了i p 组播技术产生的背景、优势以及国内外组播技术 的研究现状。其次简要介绍了i p 组播技术的基础知识、组播体系结构 和组播路由协议，并对组播组管理协议( i g m p ) 和组播监听发现协议 ( m l d ) 的工作机制进行了阐述。在第三章详细分析了组播监听发现 协议现有的实现方案及其存在的缺陷，提出了新的改进方案，并仿真验 证了改进方案的性能。最后，针对当前i p 组播技术存在问题，指出了 i p v 6 组播技术的几个发展方向。 关键词：组播互联网协议版本6 组播监听发现协议版本2 组播组管理协议版本3 北京交通大学硕士学位论文 组播监听发现协议的研究与改进 a b s t r a c t w i t l lm ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c l l l l o l o g y ，i n f b n l l a t i o n1 1 a s b e c o m et h ei m m e n s er e s o u r c et op r o m o t em ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y t h e s u c c e s si nm i sc o m p e t i t i o ni ni n f o m a t i o nf i e l dw i l ln o to n l y1 i eo n 恤eh o l d o fi o n n a t i o nt e c h n o l o g y ，b u ta l s oo nt h ek e yt e c h n o l o g yo fi n f o h n a t i o n n e 铆o r k i n f b n l l a t i o nn e 却o r kd o u b t l e s sb e c o m e sm ep r i m a r ym e d i u mo f i n f o m a 廿o ns o c i e t ya n de n o m o u sp o w e rw h i c hp r o m o t e st h e s o c i e t yt o d e v e l o pf b n v a r d i nf e c e n ty e a r s ，l o t so fn e w 印p l i c a t i o n sc o m ei n t ob e i n gt l m u 曲t l e i n t e m e t ，m o s to fw h i c ha r em u m m e d i aa p p l i c a t i o n sr e q u i r e do fv e r yh i g h b a n d 谢d m ，a n dm er 印i d l yc o n s u m eo fb a l l d 谢d t ha n dt 1 1 ec o n g e s t i o no f n e t w o r k w bm a yp u tt h ei pm t l l t i c a s ti n t ou s e ，a 1 1 di tc a nr e s o l v et 1 1 e p r o b l e m m u l t i c a s ti sah i g he m c i e n tc o m m u n i c a t i o nm o d ei nt h ec o m p u t e r n e t 、o r k i nt h em u m c a s tm o d em es e n d e r 8s e n di n f o r m a t i o nt oag r o u po f s e l e c t e dr e c e i v e r s s o ，i tp l a y sa 1 1i m p o r t a n tr 0 1 ei nm u l t i p o i n tc o m m u n i t i o n c a m p a r e dw i mt h eu n i c a s t ，m u l t i c a s tt e c h n o l o g yc a nl i g h t e ng r e a t l yn e t w o r k 1 0 a d sa n da v o i dw a s t i n gr e s o u r c e s i ti sf o r e s e e a b l et h a tm ea p p l i c a t i o no fi p m u m c a s t 谢1 1b em o r ep o p u l 牡 a tt h eb e g i l l i l i n go ft h j sp a p e r ，m ea r i s e nb a c k 伊o u n d ，p r e d o m i n a n c eo f m u 协c a s t t e c l l t l o l o g y a r e f u l l y d i s c u s s e d s u b s e q u e n t l y ， t h e p 印e r i n 仰d u c e dm ef o l l l l d a t i o n a lk n o w l e d g eo fi pm u l t i c a s tt e c h n o l og y ，s 仃u c t u r e a 1 1 dm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l sa 1 1 d a i l a l y z c st h em e c h a n i s mo fi g m p ( i m e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) a n dm l d ( m u l t i c a s tl i s t c n e r d i s c o v e r y ) i nc h 印t e r3 ，l ec u r r e n t l yi m p l e m e n ts c h e m eo f m l dp r o t o c o l i l 北京交通大学硕士学位论文 组播监听发现西议的研究与改进 i sa n a l y s e di nd e t a i l i i lo r d e rt oo v e r c o m e 幽e s es h o n c o m i n g s ，t h j sp a p e r g i v e ns o m en e wi n l p l e m e ms c h e m e t h es c h e m e ss i m u l a t i n gr e s u h sa r e g i v e na n da n a i y z e d i nt h ee n dp r e s e n c ep r o b i e m so ft h i st e c h n i q u ea r e a n a l y z e d ，a n dw ep o i n to u tt l l er e s e a r c hd i r e c t i o n so fi p v 6m u l t i c a s t k e y w o r d s ：m u l t i c a s t i n t c 钿c tp r o t o c o lv e r s i o n6 ( 1 p v 6 ) m u n i c a s tl i s t e n e fd i s c o v e r yv e r s i o n 2 ( m l d v 2 ) i n t e m e tg r o u pm a l l a g e m e n tp r o t o c o lv e r s i o n 3 ( i g m p v 3 ) i i i 北京交通大学硕士学位论文组播监听发现协议的研究与改进 独创性说明 本人声明所呈交的论文是我个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的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北 京交通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 示了谢意。 签名：日期 潲a 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。论文中所有创新和成果归北京交通大学电信学院i p 网络实验室和 华为技术有限公司共同所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版 权所有，违者必究。 签名：盎盎磋导师签编 印 也 北京交通大学硕士学位论文 组播监听发现协议的研究与改进 第一章绪论 本章系统介绍了i p v 4 和i p v 6 技术发展趋势、i p 组播技术的背景、 优势和意义以及组播技术的发展简史。并且在当前发展趋势的基础上综 述了国内外组播技术的发展现状。最后阐述了本论文的主要工作以及研 究该课题的重要意义。 1 1 研究背景 1 1 1 i p 、r 4 与i n r 6 技术 随着信息产业的迅速发展，信息资源已成为促进科技发展和社会进 步的巨大动力，信息资源竞争刚集中体现在“国家信息基础设施( n i i ) ” 的建设和应用上。“国家信息基础设施”是一个集通信网络、计算机、 数据库以及日用电子产品于一体的电子信息网络。“国家信息基础设施” 实施的重点则是新一代高速信息网络的建设和应用。 目前计算机信息网络主要是i p 网络，所使用的协议是i p 网络协议， 其简单性和强大的互联性为i n t e m 武的普及发展做出了重要的贡献。目 前广泛使用的是i p v 4 网络协议，它为i n t e m e t 提供基本通信机制，由此 可见i p v 4 的设计是非常成功的。但是随着i n t e m e t 的迅速发展，网络规 模急剧膨胀，信息量飞速上升，新应用层出不穷，“h t e m e t 正在成为其 自身巨大成功的受害者”。3 2 位地址长度的i p v 4 协议，因其地址空间匮 乏、安全性差、移动性差、q o s 服务质量差以及配置复杂等种种问题， 成为限制i n t e m e t 发展的瓶颈，已经无法满足下一代高速信息网络的需 求。 当今全球广泛应用的以i p v 4 协议为基础的互联网，理论上有4 0 亿 ! ! 塞奎望查兰堡主竺垡堡奎望塑苎堕垄堡堡望塑里圣量! ! ! l 当今全球广泛应用的以i p v 4 协议为基础的互联网，理论上有4 0 亿 个地址，但是在考虑到各种因素之后实际上只有一半地址可用，按照目 前的发展趋势，并且考虑未来几年因为3 g 终端、家庭网络等发展对i p 地址的巨大需求，那么在2 0 0 8 年到2 0 1 5 年之间全球互联网公用地址将 全部耗尽。而中国作为世界上人口最多的国家，拥有的i p 地址数量却 比不上美国一所大学。据c n n i c 介绍，i p 地址按照a b c d e 分为五类， 所代表的数量从多到少，分给中国的地址大多数是c 、d 类i p 地址， 而数量最多的a 、b 类i p 地址几乎没有。“这是由于历史原因造成的， 因为国际互联网就是从美国兴起并以美国为中心发展起来的”。客观上 的不平等，造成了网络在中国发展的诸多限制。到中国举办奥运会的 2 0 0 8 年，如果我们还使用i p v 4 网络协议，那么我们将没有足够的互联 网地址来支撵众多的计算机设备、移动终端上网。 1 9 9 2 年，下一代互联网络协议( i p n g ) 制订的讨论就已经开始。1 9 9 5 年，互联网工程任务组( i e t f ) 采用简单i m e m e t 协议( s i p p ) 作为i p n g 的制订基础。】p n g 被i n t e m e t 编号管理局( j a n a ) 正式赋予版本号6 ， 即i p v 6 。1 9 9 6 年，口v 6 的基本协议规范发布。1 9 9 8 年修订版发布。i p v 6 具有足够使用的网络地址空闯、良好的移动性和安全性以及便于配置等 优点川【2 1 ，成为人们探讨下一代网络发展时首先关注的焦点，成为互联 网产业化的必然要求。正是基于这种情况，近年来国内外各研究机构相 继开始了对i p v 6 及相关技术的研究工作。 国际上众多机构研究i p v 6 的内容和重点不同，各具优势。曰本、韩 国、美国、欧洲等地区在战略与政策、立项与资助、研发与试验和国际 合作等方面都采取了相应的积极措施，极大地推动了i p v 6 的发展。在 国际上，1 9 9 6 年，工e t f 建立了全球范围的i p v 6 实验床6 b o n e ( i p v 6 b a c k b o n e ) ，一个重要的目标是实现i p v 6 与网络中现行的i p v 4 协议兼 北京交通大学硕士学位论文 组播监听发现协议的研究与改进 容，欧洲、美洲、亚洲的许多国家和组织都已经加入了6 b o n e ：1 9 9 8 年，面向实用的全球性i p v 6 研究和教育网f 6 n ，i p v 6r e s e a r c ha 1 1 d e d u c a t i o n n e 咖r k ) 启动，建立了以a t m 交换机为中心的i p v 6 洲际网络； 1 9 9 9 年以后，p v 6 协议基本确定；2 0 0 0 年，i e t f 确定i p v 6 进入实用 阶段，并指定6 b o n e 作为对商用i p v 6 地址申请者进行评估的平台。随 着新业务的发展，全球i p v 6 的需求会越来越高，争夺i p v 6 市场也将更 加重要。1 9 9 9 年，由c i s c o 、3 c o m 、l u c e n t 、n o 眦1 、m i c r o s o f i 和n o k i a 等公司联合发起成立了i p v 6 论坛，每年举行2 3 届i p v 6 全球峰会。 到目前为止，i p v 6 论坛分别在法国、加拿大、日本、美国、西班牙和中 国召开了i p v 6 全球峰会，对推动i p v 6 在世界的发展和普及起了巨大的 推动作用。 中国对i p v 6 的需求动力来自于地址资源的匮乏与危机。中国通信及 互联网市场的高速增长、中国对下一代网络强烈的需求以及中国具各的 下一代互联网产业中争取主动权与发言权的基本实力，这些因素导致中 国应尽早启动以i p v 6 为基础核心协议的下一代网络建设。中国i p 标准 组主席蒋林涛说：“信息产业部技术发展政策中已经明确，i p v 6 在中国 是势在必行的”。1 9 9 6 年，中国也开始了对i p v 6 的研究工作。1 9 9 8 年， 中国国家教育科研网( c e 鼢忸t ) 加入6 b o n e ，建立i p v 6 实验床，成为其 骨干成员；1 9 9 9 年，中国国家教育科研网与诺基亚合作，建立了i i l t e m e t 6 合作项目，在全国范围内使用诺基亚提供的i p 路由器和i p v 6 软件建 立了i p v 6 实验网络。2 0 0 0 年6 月，北方交通大学( 现北京交通大学) i p 网络实验室研制出了国内第一台具有自主知识产权的i p v 6 路由器。 2 0 0 2 年，中国科学技术部8 6 3 计划( 国家高技术研究发展计划) 制订 的多个课题都和i p v 6 技术相关。中国科学院、国家计划委员会、国家 自然科学基金委员会都分别启动了i p v 6 研究和实施计划。由于i p v 6 协 北京交通大学硕士学位论文组播监听发现协议的研究与改进 议一系列标准都是新颁布不久，国内i p v 6 协议研究主要集中在中科院 计算技术研究所、北京邮电大学、清华大学和中国科学技术大学等高校。 虽然i p v 6 网络协议研究已经超过1 0 年，国际标准组织也已经制定 了各种i p v 6 路由协议的标准，但是i p v 6 还只是处于研究阶段，还没有 大规模商用。i p v 6 作为下一代i n t e r n e t 的核心，深受各企业和研究机 构的重视，各种i p v 6 产品陆续推出。并且i p v 6 作为新一代的网络互联 协议，其先进性和灵活性得到了越来越多的认可。随着p v 6 技术的日 渐成熟，已经能够较为成功的解决i p v 4 所存在的问题，并且必将会成 为下一代互联网的标准【3 】。 1 1 2 组播技术研究背景与意义 近年来，由于信息网络的发展，在i n t e m e t 上产生了大量的需求高 带宽的新业务。例如网络电视、电话会议、远程多媒体教学等，随之而 来的是网络流量和带宽需求的增加。而传统网络最初是为数据传输而设 计的，其通信模式是点到点。由于大量用户使用的多媒体信息具有内容 重复率高、数据量大、点到多点的业务特性，如果在传统网路上开展上 述新业务，将会导致带宽急剧消耗、带宽利用率降低以及网络拥挤问题。 在这种情况下，组播( m u l t i c a s t ) 技术应运而生，由于组播技术独 一无二的特性，使用组播技术构建网络，能够提高了带宽利用率，避免 了重复发送相同的组播数据包造成的网络资源的浪费，减少了主干网出 现拥塞的可能性。在一定程度上从减少网络流量这个方面缓解了带宽紧 张和带宽利用率低的问题。这种特性使得组播成为当今网络技术研究的 重点之一。 对于当前开展的多媒体业务，组播技术和单播技术相比具有独一无 北京交通大学硕士学位论文 蛔播监听发现协议的研究与改进 二的优势。图l l 和图1 2 为一点对多点通信中应用单播和组播两种传 输方式。 图1 i 单播通信 图1 2 组播通信 北京交通大学硕士学位论文 组播监听发现协议的研究与改进 单播传输：在发送节点和每一个接收主机之间需要独立的网络信 道。如果发送节点同时给少量的接收主机传输数据，一般没有什么问题； 但如果同时给大量接收主机发送相同的数据包，这将使发送节点和沿途 路由器负担加重，同时导致网络带宽消耗剧增和网络带宽利用率降低。 组播传输：组播是一种优化使用带宽的路由技术，允许i p 数据流从 一个源或多个源发送到多个目的地。组播源将组播数据包发送往组播组 地址，只有加入到该组播组的主机才能够接收到组播数据包。组播技术 能在很大程度上节省网络带宽资源，因为无论有多少个接收主机，无论 其是否在同一个物理网络中，在整个网络的组播树上，对于内容的组播 数据包只传递一份，只有在分支节点路由器上组播数据包才会被复制并 且向具有接收主机的端口转发。 1 2 国内外组播技术研究现状 1 2 1 国外组播技术研究现状 1 9 8 8 年，i p 组播的概念最早是由斯坦福大学的s t e v ed e e r i n g 博士 提出、并发表了两篇论文：对互联网协议的组播扩展( am u l t i c a s t e ) ( t e n s i o nt ot 1 1 ei n t e m e tp r o t o c 0 1 ) ( r f c 0 9 6 6 ) 和对i p 组播的主机扩展 ( h o s te x t e n s i o n sf o ri pm m t i c a s 廿n g ) ( r f c 0 9 8 8 ) 。 1 9 8 8 年，d w a l t z m a l l ，c p o r 晡d g e ，s e d e 甜n g 发表论文：距离向 量组播路由选择协议( d i s t a n c ev e c t o rm u l t i c a s tr o 埘n gp r o t o c 0 1 ) ( r f c l 0 7 5 ) 。文中提出了新的组播体系结构：将组播的运行机制增加 到数据网i p 层。这种体系结构称为i p 组播，它是组播路由协议的首次 实践。 北京交通大学硕士学位论文组播监听发现协议的研究与改进 1 9 8 9 年s t e v cd e e 曲g 对标准i p 网络层协议进行了扩展，提出了i p 组播规范； 1 9 9 1 年，i p 组播的主机扩展( h o s te x t e n s i o n sf o ri pm u l t i c a s t i n g ) ( r f c l l l 2 ) 由s e d e e r i n g 起草提出，替代了r f c 0 9 8 8 。r f c l l l 2 对 i p 组播的业务提供的方式和形式进行了描述和定义，被当作是i p 组播 的标准业务模型的定义。它不仅奠定了组播网络体系结构和路由协议的 基础，也成为i n t e m e t 组管理协议i g m p ( i n t e m e tg r o u pm a l l a g e m e n t p r o t o c 0 1 ) 的原型。 1 9 9 2 年i n t e m e t 工程特别小组( m t f ) 定义和发布了一个组播的网 络标准，建立口组播实验网m b o n e ，该网运行d v m r p ( d i s t 孤c e v e c t o r m l l l t i c 勰tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 协议，在m b o n e 上进行i p 组播的协议标准和 部署方法的研究实验。由于i e t f 成功的在m b o n e 组播网上使用组播举 行了一次会议，引起人们的广泛关注，随着m b o n e 的研究，其它多种 域内多播协议相继被提出。 1 9 9 4 年，形成了对o s p f 协议的扩展协议m o s p f ( m u l t i c a s t e x 把n s i o n st oo s p f ) ( r f c l 5 8 4 ) 。 1 9 9 6 年，出现了对于删的组播网络支持协议( s u p p o r tf o r m u l t i c a s t o v e r u n i3 o ，3 1b a s e d a t m n e t w o r k s ) ( r f c 2 0 2 2 ) 。 1 9 9 7 年，有核树( c b t 、，2 ) 组播路由版本2 ( c o r eb a s e dt r e e s ( c b t v e r s i o n2 ) m u l t i c a s tr o u t i n g ) 标准形成( i 强c 2 1 8 9 ) ；i n t e m e t 组管理协 议i g m p v 2 ( i m e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ，v r s i o n2 ) ( r f c 2 3 3 6 ) 得到i e t f 的批准；此时组播网络的规模不断增加，一层网络拓扑结构 显示出了不可扩展、不稳定等一系列的缺点。因此分层的拓扑结构出现， 分层结构网络域间组播路由的标准化成为了i p 组播研究的主要领域。 目前域间组播路由协议有m b g p ( m u l t i p r o t o c o le x t e n s i o n st ob g p 4 ) 、 北京交通大学硕士学位论文组播监听发现协议的研究与改进 m s d p ( m l l l t i c a s ts o u r c ed i s c o v c r yp r o t o c 0 1 ) 、b g m p ( b o r d e rg a t e w a y m u h i c a s tp r o t o c 0 1 ) 、m a s c ( m u l t i c a s t a d d r e s s s e tc l a i m ) 。 1 9 9 8 年，评估可靠组播传输协议刚t p ( i e t fc r i t e r i af o re v a l u a t i n g r e i i a b l em u l t i c a s tt r a n s p o r ta 1 1 da p p l i c a t i o np r o t o c o l s ) 的i e t f 标准出台 ( r f c 2 3 5 7 ) ：i e t f 制定i p v 6 地址体系标准时，确定p v 6 组播地址分 配方案( i pv e r s i o n6a d 出e s s 吨觚拙e c t u r e r h i n d e n ，s d e e 血g ) ( r f c 2 3 7 3 ) ，该方案为组播技术在下一代i m e m e t 上的应用做出了必要 的准备。 1 9 9 9 年，组播地址动态客户分配协议m a d c a p ( m u l t i c a s t a d d r e s s d y n a m i cc l i e n ta l l o c a t i o np r o t o c 0 1 ) ( r f c 2 7 3 0 ) 由c i s c o 、a r & t 和 m i c r o s o f c 制定出台；域间组播路由协议体系的部署实验开始在i i l t e m e t 2 的两个骨干网( v b n s ，a b i l e n e ) 中进行，采用m b g p m s d p 和p i m s m 协议体系实现域间组播路由。 2 0 0 0 年，各种组播m i b 库开始被制订，这标志组播技术正向可管 理、可控制方向发展。 2 0 0 1 年，支持i p v 6 的组播测试网络m 6 b o n e 建成 钔，网络运行组 播路由协议p i m s m 。在m 6 b o n e 上可以测试和开发i p v 6 组播技术相关 的软件和设备。目前全球已有很多站点连接到m 6 b o n e 上，但是因为只 有很少的设备能够运行i p v 6 组播路由协议，因此m 6 b o n e 是一个虚拟 覆盖网络。在m 6 b o n e 需要配置隧道才能连接m 6 b o n e 路由器。 2 0 0 2 年，制订了r f c 3 3 5 3 ，i p 组播在多协议标记交换环境的概述 ( o v e i e wo f i p m u h i c a s t i l l a m u l t i - p m t o c o l l a b e ls w i t c m n g ( m p l s ) e n v i r o n m e n t ) ，表明组播技术在m p l s 网络上开始研究和使用。 2 0 0 3 年，对于组播监听发现协议的源地址选择( s o u r c ea d d r c s s s e l e c t i o n f o r t l l e m u h i c a s t l i s t e n e r d i s c o v e r y p m t o c 0 1 ) ( r f c 3 5 9 0 ) 制订， 北京交通大学碉士学位论文组播监昕发现协议的研究与改进 显示出i p v 6 相关的组播技术正在加快研究步伐。 2 0 0 4 年，组播监听发现协议m l d v 2 ( m u l t i c a s tl i s t e n e rd i s c o v e r y v e r s i o n2f o ri p v 6 ) ( i 盯c 3 8 l o ) 为代表的，涉及到i p v 6 和组播技术的 i c 出台了十多个，由此看出组播技术和口v 6 已经获得了业界的青睐。 组播技术除了在m t f 制订的标准中倍受关注，也同样获得了通信 设备商的鼎力支持。新生产的以太网卡几乎都支持组播、j u n i p e r 的m 1 6 0 骨干路由器、c i s c o 公司的c a t a l y s t 系列路由器、a v i c i 的t s r 交换路由 器以及n o r t e ln e 撕o r k 的p a s s p o n 路由器均己支持组播路由协议 ( d v m r p 、p i m s m 、p i m d m ) 和i g m p 组管理协议。 鉴于组播技术独特的优点、广阔的应用前景以及通信设备商的重 视。瑞典的b r e d b 姐d s b o l a g e t 、意大利的f a s t w 曲和香港的香港宽带 ( 啪n ) 等许多网络业务运营商都已经成为组播业务推广的开拓者。 一些大公司也成为组播业务的受益者：c i s c o 公司已经用i p 仃v 来进行 实时视频流组播，用于公司内部的会议和培训；微软公司每个月都要用 组播技术传播多媒体数据流。目前i p 组播可以运行在任意体系结构的 网络之上，包括因特网、a t m 、帧中继。 1 2 2 国内组播技术研究现状 随着国际上组播技术研究的不断开展和深入，我国各大通信设备 商、科研院所和高校成为国内组播技术研究的主力军。 在国内通信设备商生产的网络设备中，神州数码公司的路由交换 机、华为公司的q u i d w a y 系列路由交换机、迈普通信公司的路由交换机、 中兴公司z x r l o 核心路由器和网捷网络公司的第三层交换机等均已支 持i p 组播路由协议。 北京交通大学硕士学位论文 组播监听发现协议的研究与改进 国内的各大电信运营商如中国电信、中国联通、中国网通、中国移 动等也都开始了宽带网络上的组播技术的试验。组播技术在国内被看好 的应用是网络电视( i p t v ) ，电信运营商对网络电视的热情是开始真正 启动这个行业的发展引擎。2 0 0 4 中国电信集团内部已经将i p t v 圈定为 2 0 0 5 年的业务重点。另一大固定网络运营商中国网通同样在i p t v 业务 上走得很快。2 0 0 4 年1 1 月，中国网通召开了i p t v 城域网组播方案研 讨会，重点是解决网络中视频传输、特别是城域网视频流分发困难的问 题，中兴、上海贝尔阿尔卡特、西门子、华为、u t 斯达康、港湾、烽 火均在与会名单之列。中国网通已经将口t v 作为明年发展的重点，前 期则在个别省市进行实验，由华为和u t 斯达康提供设备的在沈阳的试 验环境已经获得了好评。这些无疑给组播的实用化提供了很好的借鉴， 网络流媒体应用将刺激组播技术的发展。 目前，各大高校也已经成为组播技术研究的先行者。1 9 9 9 年，清华 大学网络中心参加国家8 6 3 课题“基于高速i p 网的多媒体远程教育示 范系统”，负责基于组播视频会议技术的多点实时授课系统；东南大学、 华南理工和清华大学合作承担国家8 6 3 课题“i p v 6 示范网络的建设及其 关键技术的研究”。在该项目中，他们承担了i p v 6 组播技术的研究，成 功地将m b o n e 中著名的音频会议工具v a t 移植到i p v 6 的环境下，并 自行开发了支持i p v 6 的组播服务器m c a s n n p 3 。根据i e t f 制订的组播 地址分配体系，他们还开发了组播地址动态分配服务器，用于对 c e r n e t 华东( 北) 地区提供i p v 4 和i p v 6 组播地址的分配和管理，为组 播应用的展开( 例如远程教育) 提供了支持。 2 0 0 1 年，清华大学、复旦大学、东南大学和华南理工大学基于隧道 技术，依托c e 鼢咂t 高速主干网共同参加了“基于高速i p 网的多媒体 远程教育示范系统”的演示，这是我国首例在国内主干网上基于组播 北京交通大学硕士学位论文 组播监听发现协议的研究与改进 的视频会议实验。 2 0 0 2 年，在c e r n e t 主干网上首次开通我国广域网组播服务。 我们北京交通大学i p 网络实验室是国内研究i p v 6 技术开始较早的 单位之一，在九十年代末自主研制了i p v 4 路由器，并且在2 0 0 0 年研制 成果国内第一台i p v 6 路由器。关于组播技术研究也已经开展数年，并 取得了巨大的成果。目前i p 网络实验室是国内唯一家能够将基于i p v 6 的组播路由协议p i m s m 运行在三种操作系统( f r e e b s d 、l m u ) ( 和 v x w o r k s ) 的单位，此项成果在国内具有领先意义。 2 0 0 4 全球i p v 6 高峰在中国举行，中国首个i p v 6 演示网络一i p v 6 s h o w n e t 在论坛期间亮相，据该网络的总集成商一天地互连信息技术有 限公司介绍，这一网络将是运营商即将展开的c n g i 大规模网络建设与 应用的预演。口v 6s h o 计忸t 演示内容包括网络演示和应用演示两大部 分，其中网络部分演示了i p v 6 组播服务等。 世界上第一个w w w 浏览器的出现是在1 9 9 0 年，到1 9 9 3 年已经发 展到1 0 0 个w w w 站点，组播虽然和w w w 处于同一时期，但是组播 的发展已经被甩在了后面，主要原因是i p 组播通信模式需要状态相当 复杂的支持组播的路由器，要求路由器能提供每个组群和每个源的信息 状态，并且随着i n t e m e t 的越来越复杂给组播的进一步发展带来了困难。 但是进入1 9 9 9 年以来。一些精巧的能够使组播i p 数据包正确而又迅速 的发给成千上万个接收者的组播路由协议的出现，以及商业上的机遇给 i p 组播技术的应用和发展提供良好的环境，掀起了组播研究的高潮。 1 3 选题意义 随着多媒体业务的不断发展，i p 组播技术越来越显示出其优越性 北京交通大学硕士学位论文 组播监听发现协议的研究与改进 已经受到了国内外的广泛关注。i e t f 在制订i p v 6 标准时保留了组播， 而取消了广播；在i p v 4 中组播只是作为一个功能的扩展而不是i p v 4 必 须的功能，因此i p v 4 节点不一定要支持组播，而在口v 6 协议中，所有 的设备都必须支持组播。 在i p 组播模型中，主机和路由器之间采用组管理协议进行消息的交 互。路由器之间采用组播路由协议来建立分发组播包的途径组播分布 树。根据这个树，路由器得出转发分组的一条唯一的途径。 组播组管理协议分为i g m p ( 针对i p v 4 的组管理协议) 和m l d ( 针 对i p v 6 的组管理协议) 。组播路由协议根据组管理协议所收集的数据库 来判断在本地子网上是否存在组播接收者，保证组播接收者收到其所请 求的组播报文。当前应用的组播路由协议分为a s m 和s s m 两种模式， 针对不同的模式对运行的组管理协议也有不同的要求。当前支持i p v 4 的组管理协议i g m p v l 、i g m p v 2 和支持i p v 6 的组管理协议m l d v l ( 组 播监听发现) 适合于a s m 模式的组播路由协议。支持i p v 4 的i g m p v 3 和支持i p v 6 的m l d v 2 具有源过滤特性，能够适用于s s m 的组播路由 协议。 现有的组播组管理协议( i g m p v 3 和m l d v 2 ) 存在的主要问题就是， 对运行的组播路由协议不区分模式( a s m 还是s s m ) 都进行相同的处 理，导致运行这种协议的查询路由器效率的降低。 本论文的主要目的是针对现有组播组管理协议和组播监听发现协 议存在的问题，研究能够更加适合未来基于i p v 6 的s s m 模式和a s m 模式的组播路由协议的组管理协议，能够减轻查询路由器负担、提高查 询路由器效率、为组播路由协议提供更好的接入服务、为i p v 6 网络组 播业务的实现、应用与商业化提供支持。本论文的内容已经申请国家专 利保护，在组播技术研究方面具有重要意义。 北京交通大学硕士学位论文组播监听发现协议的研究与改进 1 4 主要工作和论文结构 第一章绪论 系统介绍了口v 4 和i p v 6 技术发展趋势、i p 组播技术的背景、优势 和意义以及组播技术的发展简史。并且在当前发展趋势的基础上综述了 国内外组播技术的发展现状。最后阐述了本论文的主要工作以及研究该 课题的重要意义。 第二章组播技术基础 全面介绍了i p 组播体系结构、i p 组播基础知识、组播路由协议和 组管理协议等。并针对目前存在的两大类组播路由协议进行分析比较、 指出其各自的优缺点并介绍与之相对应的组管理协议i g m p 和组播监 听发现协议m l d 。 第三章i g m p v 3 和m l d v 2 改进方案 对组管理协议i g m p v 3 和组播监听发现涛议m l d v 2 进行深入的研 究、针对其适用的组播路由协议的类型和协议存在的不足提出新的改进 方案。因为组管理协议i g m p v 3 与组播监听发现协议m l d v 2 在运行机 制上是相同的，其区别主要是i g m p v 3 是针对i p v 4 的组播，而m l d v 2 是针对i p v 6 的组播。本论文的新的改进方案即适合i g m p v 3 ，也适合 m l d v 2 ，所以改进方案针对m l d v 2 进行阐述。 第四章改进方案仿真和分析 对提出的改进方案的两个性能( 源列表过滤情况、分析接收主机分 布和内存占用情况) 进行仿真和分析，进而得出仿真结论。 第五章总结与展望 讨论了i p v 6 组播以及组播组管理协议和组播监听发现协议下一步 的发展和研究方向。 北京交通大学硕士学位论文组播监听发现协议的研究与改进 第二章i p 组播技术基础 本章全面介绍了i p 组播体系结构、i p 组播基础知识、组播路由协 议和组管理协议等。并针对目前存在的两大类组播路由协议进行分析比 较、指出其各自的优缺点并介绍与之相对应的组管理协议i g m p 和组播 监听发现协议m l d 。 2 1 i p 组播体系结构 2 1 1i p 组播体系结构 网络组播技术体系结构是以组播分发树为核心，由三大部分组成： 组播接收者发现、组播源发现和拓扑发现。组播接收者发现使用组播监 听发现协议m l d ( m u l t i c a s tl i s t e n e rd i s c o v e r y ) 或者使用组播组管理协 议i g m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) ：自治域内的组播源发 现使用协议无关组播稀疏模式p i m - s m ( p r o t o c o lh l d e p e n d e n t m u l t i c a s t s p 甜s em o d e ) 协议；自治域间组播源发现使用组播源发现协 议m s d p ( m u l t i c a s ts o u r c ed i s c o v e r yp r o t o c o i ) 协议：自治域内拓扑发 现使用开放最短路径优先o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 等单播路由 协议；自治域间的拓扑发现使用m b g p ( m u l t i p r o t o c o le x t c n s i o n st o b g p 4 ) 协议。 组播路由协议根据组播源信息、接收者信息、网络拓扑( 源和接收 者间连接关系) 信息，运用一定的组播路由算法在组播路由器上构造组 播自治域内或跨自治域的组播分发树，使组播技术体系结构的各个部分 形成一个整体。组播路由器之间采用组播路由协议来建立和更新维护组 播分发树，并根据组播分发树得出复制和分发组播报文的路径，保证组 北京交通大学硕士学位论文 组播监听发现协议的研究与改进 播数据包从上到下沿着组播分发树到达组播接收者。在组播自治域间， p i m - s m 根据这些信息构建组播分发树，藉此完成跨自治域的组播数据 转发。在自治域内，组播分发树的构建则使用p i m s m 协议、距离矢量 组播路由协议d i u m 冲( d i s t a l l c ev e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 协 议、协议无关组播密集模式p i m d m ( p r o t o c o li n d e d e n d e n t m u l t i c a s t d e n s em o d e ) 协议、有核树组播路由协议c b t ( c o r eb a s e d t r e e sm u l t i c a s tr o u t 血g ) 或者开放组播最短路径优先m o s p f ( m u l t i c a s t o p e ns h o n e s tp a _ t hf i r s t ) 协议等。组播体系结构如图2 1 所示： 图2 1 组播体系结构图 北京交通大学硕士学位论文组播监听发现协议的研究与改进 2 1 2i p 组播地址和组播组 2 1 2 1i p 组播组 i p 组播通信必须使用i p 组播地址，即组播组地址。使用同一个i p 组播地址接收组播数据包的所有接收者构成了一个主机组( 用于标识多 点通信业务中所有接收者的集合) ，也称为组播组。 在组播网络中，每个组播组拥有唯一的组播地址；组播数据包可以 被发送到加入组播组的( 具有组播组地址) 接收者，发送者没有必要是 组成员、不需要知道有哪些组播组成