（计算机应用技术专业论文）基于mplsdiffserv组播方案的研究.pdf

摘要 i p 组播能够通过共享部分链路来提高网络带宽利用率，非常适合高带 宽需求的多媒体数据传输。但是，传统i p 组播建立在“尽力而为 ( b e s t e f f o r t ) 的传输模式之上，对其所能够提供的包转发服务质量不做任 何承诺，无法满足用户的不同需求。所以，i p 组播迫切需要与更为高效的 技术相融合。 差分服务在网络上层通过行为聚合来保障服务质量，多协议标记交换 在下层把差分服务中的行为聚合映射成不同的标签来保证转发，因此，在 多协议标记交换上结合差分服务为i p 组播提供了很好的发展前景。但是， 它们的结合也会产生一些新的问题。本文就是围绕这些问题展开的。 本文首先从i p 组播的基本概念出发，对组播的关键技术、多协议标记 交换和d i f f s e r v 服务模型，以及后两者对i p 组播的支持进行了探讨。分析 了它们与i p 组播结合的优势及所带来的问题。针对这些问题，本文提出了 一种基于m p l s d i f f s e r v 网络环境的环形管理m p l s 组播树的策略：对骨 干网上组播树节点进行有效区域划分，在区域划分的基础上选出管理节 点，管理节点间形成逻辑环，而管理节点间的控制和驱动由运行在环中的 令牌来实现。策略的仿真分析表明该策略能有效解决组播树管理控制信息 的消耗大、单个管理节点失效的问题，提高了网络中组播聚合树的效率和 健壮性。最后，针对策略分域管理的特点，提出了一种适合该策略的故障 恢复机制，并对该机制进行了仿真，结果表明该机制适合分域管理策略。 关键词i p 组播，多协议标记交换，差分服务，环形管理，路径恢复 a b s t r a c t i pm u l t i c a s t ，w h i c hc a nu s eb a n d w i d t he f f e c t i v e l yb ys h a r i n gt h el i n k s ，i sa v e r ys u i t a b l ef o r t h et r a n s m i s s i o no fm u l t i m e d i ad a t a t h et r a d i t i o n a l i p m u l t i c a s tb a s eo nt h es e r v i c em o d e lo fb e s t - e f f o r t ，a n dh a v en oc o m m i t m e n tt o t h eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) o fi pp a c k e t s ，t h e r e f o r ec a n n o ts a t i s f yt h e d i f f e r e n td e m a n d so fu s e r s s o ，t h ei pm u l t i c a s tn e e d st oc o m b i n ew i t ham o r e e f f i c i e n tt e c h n i q u e d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f 珞e r v ，p r o v i d e ss e r v i c e sf r o mt h eu pl a y e rb y b e h a v i o ra g g r e g a t e s ( b a s ) m u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ，m a p st h e b a so fd i f f s e r vi n t od i f f e r e n tl a b e l si nt h el o w e rl a y e r a n dp r o t e c t st h e t r a n s m i t t i n go fq o s s oi t w i l lh a v ev e r yg o o df u t u r ef o ri pm u l t i c a s ti n n e t w o r ko fd i f f s e r vo v e rm p l s b u tt h ei n t e g r a t i o no ft h et e c h n o l o g i e sb r i n g s n e wp r o b l e m sa l s o t h i sp a p e ri st op r o b ei n t ot h e s ep r o b l e m s t h i st h e s i sb e g i n sw i t ht h eb a s i cc o n c e p to fi pm u l t i c a s t ，a n ds t u d i e st h e k e yt e c h n i q u eo fm u l t i c a s t ，m p l s ，d i f f s e r va n dt h es u p p o r tf o ri pm u l t i c a s t t h e ni ta n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dp r o b l e m sw h i l ec o m b i n i n gi pm u l t i c a s t w i t hm p l sa n dd i f 裕e r y t h i sp a p e rp r o p o s e sa na n n u l a rm a n a g e m e n ts t r a t e g y f o rm u l t i c a s tt r e ei nm p l s d i f f s e r vn e t w o r k ，w h i c hs e t so f ft h eb a c k b o n e ，a n d c h o i c e sm a n a g e rn o d ei ne a c ha r e aa n dm a k et h e mt or i n g i nw h i c ht h ec o n t r o l a n dd r i v ec a r r i e so u tb yt o k e n - r i n g 。功er e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h i s t a c t i c sc a nh a v ea ne f f e c tt or e s o l v ep r o b l e m s ，s u c ha so v e r l o a da n dt h ed r o po f t h ei n f o r m a t i o no fm u l t i c a s tt r e e f i n a l l y , i ti sd i s c u s s e dt h a tt h ep a t hr e c o v e r y i nt h es t r a t e g y a n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o no ft h ep a t hr e c o v e r yi n d i c a t e st h a t t h em e c h a n i s mi ss u i t a b l ef o rt h em a n a g e m e n ts t r a t e g y k e yw o r d si pm u l t i c a s t ，m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ，a n n u l a rm a n a g e m e n t ，p a t hr e c o v e r y 原创性声明 本人声明，所呈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，除了论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，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：立卜虹 日期：三竺旦年羔月旦日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复 印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将 本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 储签名：毒导师签名丑盟日期：丝年月里日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着网络的普及，用户对网络带宽的需求也不断增大，因而i n t e m e t 已逐步由单一 的数据传送网向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。随着这种演化的 深入，网络带宽的快速消耗也日益明显，网络的带宽成了i n t e m e t 中数据传输的瓶颈。 i p 组播( m u l f i c a s t ) f 1 】作为一种优化网络带宽的技术是解决这些应用问题的一种有效方 案，它可以实现数据从一点到多点或多点到多点的传输，在组播网络中，即使用户数 量成倍增长，主干网络带宽的增加也能控制在一定的范围内。 但是，i n t e r n e t 网络规模及用户数量的迅猛发展，使得如何提高网络速度、进一步 扩展网上运行的业务种类和提高网络的服务质量成为目前人们最关心的问题。传统口 组播技术提供的是“尽力而为”( b e s t - e f f o r t ) 的服务，许多应用的要求却不止如此，例 如，股市行情需要实时、完整、安全的发布，远程会诊对数据的完整性和可靠性都较 高等。所以，i p 组播技术迫切需要与一种更为高效的技术融合，来解决对各种新兴业 务和服务质量方面的要求。 i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 建议了很多服务模型和机制来提高网络的 服务质量，主要有：集成服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 2 1 区分服务( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 【3 】和多协议标记交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) 【4 j 等。i e t f 目前正致力于m p l s 支持口组播标准的制定，已在r f c 3 3 5 3 中提出m p l s 环境中的i p 组播以及d i f f s e ! n ，通过d s c p ( d i f f s e r vc o d ep o i n t ) 提供的业务流粒度应 用于组播【5 1 。由于集成服务和区分服务都是工作在传输层，多协议标签交换协议工作在 链路层和网络层，且区分服务较集成服务有其自身的优势。所以，有效结合m p l s 标 签技术以及d i f 毽e r v 模型的简单信令技术以大幅度提高和完善i p 网络的服务质量是骨 干网技术上被普遍看好的技术。因此，本课题将基于m p l s d i i i s e r v 组播方案的研究 作为研究重点。 1 2 国内外研究现状 1 i p 组播 伴随着基于网络的应用，如i p 电话、视频会议、分布式交互系统及软件更新等的 出现和广泛使用，组播技术变得越来越重要，因为它能够解决“点对多点，“多点对 硕士学位论文第一章绪论 多点的闯题，实现i p 网络上的高效数据传输，有效地降低网络负担，节约网络带宽。 在2 0 世纪8 0 年代早期，组播主要限制在局域网环境，许多局域网技术如以太网 和令牌环网等对组播提供了较好的支持。直到2 0 世纪8 0 年代后期，d e e i i n g 提出了将 组播的功能机制增加到数据网i p 层的组播实现体系结构。随后组播主干网( m b o n e ： m u l t i c a s tb o n e ) 阎世，并且i e t f 在1 9 9 2 年3 月利用它成功地举行了一次网络会议， 从此组播技术引起了人们的广泛关注，并促使人们对它的各方面进行深入的研究。 越来越多的设备供应商在其产品中增加了对组播技术的支持。全球主要的网络设 备厂商、电信运营公司和i n t e m e t 服务提供商都积极地参与和推动这项技术的发展，其 中包括c i s c o 、l u c e n t 、3 c o r n 、a 1 披t 、s p r i n t 、u u n e t 、阿尔卡特、华为、中兴等，他 们共同致力于p 组播协议标准的开发、应用、推广，以及项目的实施和互通。 历经2 0 多年的研究和发展，i p 组播已经形成了较为完整的组播协议体系，包括组 播地址分配、组管理协议和组播路由协议等。其中组播路由协议收集用来确定组播路 由的网络中的相关状态信息，这些状态信息包括网络的拓扑结构、链路和路由器的负 载程度、链路和路由器的信息是否有效以及网络中路由器的类别等。目前，研究人员 提出了很多组播路由协议，并应用于目前的i n t e r n e t 网络。 实现组播路由的最普遍的方法是构造组播路由树。组播协议使用两种树：有源树 ( s o u r c e - s p e c i f i c t r e e ) 和共享树( s h a r e d t r e e ) 。各种组播路由协议的不同主要在于它 们建立组播树的方式不同【5 8 】。 2 m p l s 技术 2 0 世纪9 0 年代中期，a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 技术得到很好的发展及 应用，a t m 交换机因其数据交换速度大大高于路由器的转发速度，被认同为数据通信 中的骨干设备。如何将终端用户的i p 数据在a t m 上传输成为当时亟待解决的问题。 针对这一问题，c i s c o 、i p s i l o n 、i b m 、t o s h i b a 等几家公司均提出了自己的新技术及新 产品。这些技术方案相互融合，产生了m p l s 技术。 1 9 9 7 年初，i e t f 批准成立m p l s 工作组，开始了m p l s 标准的制定工作。该工 作组已经确定了m p l s 的工作机制，解决了多种交换式路由技术的兼容性问题，提供 了可扩展性较好的交换式路由技术，同时加强了在流量工程及与光纤传输融合等应用 技术方面的研究，产生了相应的r f c 文挡。 2 0 0 0 年3 月，为了更好的研究发展m p l s 技术，以l u c e n t 公司为首的有关机构联 合成立了m p l s 论坛。论坛主要关注流量工程( t e ) 、虚拟专用网( v p n ) 和基于类 别的服务( c o s ) 等方面的内容。2 0 0 1 年起，m p l s 进入深入发展和广泛研究阶段， 大量有关的草案和提议相继出现。目前，基于a t m 网络上的m p l s 应用己经趋于成熟， 基于帧中继的m p l s 应用正在发展，国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ，i t u ) 提出了m p l s 的扩展通用多协议标 己交换f 6 】，以便覆盖包括由i t u 2 硕士学位论文 第一章绪论 定义的基于波长交换的自动光线网络在内的各类物理通信子网。 m p l s 技术，是一种综合利用了网络边缘的i p 路由和网络核心的交换优点的交换 技术。它不仅支持多种网络层上的协议，如i p v 4 、i p v 6 、i p x 、a p p l e t a l k 等，还同时 可以兼容第二层上的多种链路技术，如a t m 、f r 、p p p 等，故称为“多协议”；此外， 网络中的各节点工作时是依据数据分组自身携带的标记来进行分组交换的，所以称为 “标记交换一。使用m p l s ，服务提供商不但可以提供i p 服务给用户，而且为日益扩大 的i n t e r n e t 带来好处：通过将i p 的优先级别与a t m 交换机中的不同服务等级队列相映 射，能为用户提供端对端的q o s 保障。 c i s c o 、n o r t e l 、j u n i p e r 、中兴和华为等国内外的大型网络设备生产商都已推出了支 持m p l s 的a t m 交换机和全方位支持m p l s 的核心路由设备。目前也已在一些部门 中实际应用，如我国铁通、网通的全国主干网就已大量采用了m p l s 。 3 d i f f s e r v 服务模型 d i f f s e r v 将i p 分组头中的t o s 7 】字段重新定义为d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 字段。 每个d s 值规定了分组在网络中传送的性能，称之为“每一跳行为”( p e r - h o pb e h a v i o r ， p h b ) 【8 】。这样，区分服务为具有相同p h b 的分组提供相同的服务，并称之为“行为 集合 ( b e h a v i o r a g g r e g a t e s ，b a ) 。核心路由器的功能比较简单，无需进行分组的分类 和调节，只需根据分组的d s 字段得到p h b 值，再据此通过调度和缓冲区管理来实现 p h b 即可。因为复杂的功能都集中到边界，所以区分服务具有很好的可扩展性。文献 【9 】介绍了定义在d i f f s e r v 网络中的a s s u r e df o r w a r d i n g 及e x p e d i t e df o r w a r d i n g 作为两 种主要的q o s 类型对i p 组播的支持。 4 m p l s 与d i f j f s e 的结合 d i t t s e r v 从上层提供业务分类及保障服务质量，m p l s 在下层把d i f f s e r v 中的行为 聚合映射成不同的标签，利用m p l s 的支持保证q o s 的转发，因此m p l s 与d i f f s e r v 的结合具有很好的发展前景。 m p l s 网络要支持d i f f s e r v ，必须提供一种方法来确保标记有不同d s c p 的分组在 网络中的每个l s r ( l a b e ls w i t c h i n gp a t h ) 上都接受到适当的q o s 处理。但d s c p 被 携带在i p 头中，而l s r 在传送分组时不检查该i p 头。因此需要用某种方法从标签头 中确定适当的p h b 。要实现这个目的，有两种方法：e l s p ( e x p - l n f e r r e d l s p ) l l o j 和 l - l s p ( l a b e l - o n l y - i n f e r r e d l s p ) 。 国内外有许多对m p l s 与d i f f s e r v 协同工作的研究，文献【9 1 2 】中将m p l s 同 d i f f s e r v 一起用来在i p 网络中提供q o s 服务，将d s 字节的设置融入m p l s 的标签分 配过程中，使m p l s 的标签就具备区分分组服务质量的能力。a b d u l l a h 在其博士论文 中提出了一种公平共享策略，它使用d i t t s e r v 的流量调节机制解决拥塞控制和q o s 问 题，并比较了其在i p 和m p l s 平台上的性能【b l 。 3 硕士学位论文第一章绪论 国内也有一些，刘剑等人提出了一种新型d i f f o v e rm p l s 模型，主要是对e l s p 进行扩展，通过可行性分析阐述其是一种功能完善的i pq o s 模型h 】；林庆维、程巍等 介绍了一种自动信令m p l sd i f f s c r v 结合的可行性的试验平台，为m p l sd i f f s c r v 的自 动信令的实现提供了一种思路【1 5 】；刘硕提出了一种动态负载平衡的方法，利用m p l s 的显式路由将d i f f s c r v 几种业务在多条l s p 上平衡传输，降低了延迟和队长提高了吞 吐量【1 6 1 ；缪宇成等对现有支持m p l s 上的区分业务方案进行了比较，提出了在l i n u x 下面的一个通用实现，基于这个实现，可提供一种比以往方案更为灵活的构架，并允 许多种不同的方案如e l s p 和l l s p 的共存【i 巧；徐韬提出了一种基于m p l s 区分服务 的故障修复算法【1 8 】；杨挺提出一种新型满足多q o s 需求的全网络静态路由算法，算法 以均衡网络负载来提高网络传输性能【1 9 】；鹿凯宁等提出了一种优化的简单多类路由机 制，给出了具体的算法，并研究了其在m p l s 网络中的实现，给出了实现方案【2 0 】；此 外就是在移动i p 网络中也引入m p l s 和d i f f s c r v 技术，唐丽均探讨了在移动i p 网络 中如何引入m p l s 和d i f f s e r v 技术，提出一种基于m p l s 的层次移动i p 网络中支持 d i f f s c r v 的体系结构1 2 。 5 m p l s 组播的研究现状 近年来，对m p l s 组播的探索和研究也成为一个热点问题，i e t f 工作组提出了一 个组播框架文档【5 1 ，此文档提供了一个在m p l s 环境下配置i p 组播的框架，综述了问 题的各个方面，但并未提供一个完整的m p l s 组播解决方案。针对在m p l s 环境下配 置i p 组播出现的问题，产生了一些m p l s 组播算法，如边界路由器组播【2 2 l 、标记聚 集算法【2 4 1 、m p l s 组播树算法f 2 5 舶】等，这些算法采用不同的实现机制，但还没有一种 算法成为m p l s 环境下口组播的标准协议。此外，还有一些框架的提出，如单向组播 共享树建立l s p 的框架【2 7 ，2 吼，将i p 组播扩展到m p l s 流量工程的框架等。 1 3 研究目的及内容 本课题在深入研究m p l s 、d i f f s c r v 技术以及两者对l p 组播的支持基础上，提出 适合组播方案的设计模型，结合现有的m p l s 支持的组播模型和机制，将d i f f s e r v 体 系结构与m p l s 网络技术相结合大幅度优化网络性能，为用户提供性能更好的服务。 课题的研究内容如下： ( 1 ) 研究现有的m p l s 骨干网络上的组播方案。主要考察点为协议对q o s 的支持 和整个网络的资源利用情况，以便能保证流量工程的需求。骨干网络上组播树管理节 点的资源利用情况将是整个模拟考察的重点。 ( 2 ) 在分析组播方案的基础之上，针对其单个管理节点带来的不足，提出一种在 m p l s d i f f s c r v 骨干网构建组播树的改进方案。首先分析组播树构建技术，并分析基于 4 硕士学位论文 第一章绪论 组播树单点管理所带来的不足，由此提出一种改进的策略一种基于环形管理组播 树的策略，在这种策略下能实现全局信息的交互，但却可以减少主干网( m p l s 域) 上管理信息流量、避免单节点的过载实现负载均衡并提高整个骨干网的健壮性。 ( 3 ) 研究所提出策略的模拟实现。采用n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t i o n ) 2 9 3 对所提出的 方案中的关键技术进行仿真，以测试方案的性能和效果。n s 2 提供了一个开放的环境， 它采用阶层性的模拟方式和离散事件驱动的模拟机理，使用户能够建立新的协议和配 备，并且具有丰富的统计量收集和分析功能，能够将细节定义并模拟出来。 ( 4 ) 针对课题中环形管理m p l s 组播树策略的分域管理的特点，提出一种适合该 策略的故障恢复机制，并对该机制进行仿真。 1 4 本文章节安排 论文包括六章，各个章节的内容安排如下： 第一章绪论，主要介绍了课题研究背景，简要介绍了课题开展所涉及到的技术 及研究现状，最后叙述了主要研究内容。 第二章i p 组播技术。本章将详细介绍i p 组播技术，包括其工作原理，实现口 组播的关键技术，并分析目前i p 组播技术存在的一些问题及解决方案。 第三章多协议标记交换和区分服务。本章详细介绍课题所涉及到的另外两项关 键技术，即m p l s 和d i f f s e r v 。首先，介绍m p l s 协议的基本原理、工作机制、相关 的概念和术语等，以及在m p l s 网络环境下组播的研究问题及已提出的一些解决方案； 其次，介绍d i f f s c r v 服务，包括区分服务的体系结构、工作机制，以及在d i f f s c r v 模 型下组播所涉及到的相关问题和已提出的相关方案；最后将介绍了m p l s 网络平台对 d i f f s c r v 服务的支持，及对相关协议的扩展。 第四章环形管理m p l s 组播树的策略。本章将在介绍分析当前组播策略的基础 之上，提出一种基于m p l s d i f f s c r v 网络环境的环形管理m p l s 组播树的策略。然后， 通过分析和对n s 2 的扩展，仿真模拟该策略的实现。最后通过实验结果分析策略的主 要性能。 第五章环形管理m p l s 组播树中的路径恢复机制。结合本课题基于环形管理 m p l s 组播树的方案特点，提出了一种基于域的故障路径恢复机制，并对其性能做了 分析，为环形管理m p l s 组播树的方案提供了支持。 第六章总结。总结了论文的工作，给出继续研究的方向。 5 硕士学位论文 第二章p 组播技术 2 1lp 组播概述 第二章 lp 组播技术 随着i n t e r n e t 网络的迅速普及和发展，近年来在i n t e m e t 上产生了许多新的应用， 其中不少是对带宽需求较高的多媒体应用，比如网络视频会议、网络音频视频广播、 股市行情发布、多媒体远程教育、远程会诊，以及方兴未艾的网络游戏等等。这些应 用的发展导致了主干网带宽的急剧消耗和网络拥挤等问题。为了解决这些问题，人们 提出了各种解决方案，归纳起来，主要有以下几种。 ( 1 ) 增加主干网络带宽。 ( 2 ) 改变网络流量结构，减轻主干网络负担，将主干网络业务分流支干网络，比 如城域网。 ( 3 ) 应用流量管理机制，实行服务分层和分级，保证某些业务的带宽需求，如差 分服务。 ( 4 ) i p 组播技术，减轻主干网络负担。 其中，口组播技术能够在不改变当前网络结构的前提下，即使用户大量增加，主 干网络上的带宽需求也能控制在一定的范围内。特别适用于需要占用大量带宽资源的 视频及音频应用。正是由于这些特点，作为计算机网络技术的一个研究方向，组播技 术从诞生之日起一直被研究与完善，并不断向前突破，通过与新的技术组合继续发展。 2 2ip 组播的工作原理 i p 组播技术能使数据发送者一次仅发送一个单一的数据包到一组特定的目的用 户，它将i p 分组发送到网络上的一组主机而不是到所有的主机，只有加入到组播组成 为组成员的主机才能接收到数据包，所以有效地节约了带宽。 组播首先要解决数据发送给谁的问题。按不同项目的分组，组成员通过i n t e m e t 组管理协议( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，i g m p ) 向组播路由器注册登记，获 得一个组地址。发送一个口组播数据包，发送者要确定一个合适的组播地址，这个地 址代表一个组播组。 ” 其次要解决的是如何接收组播信息。当同一网段中有多个组播组的成员时，对于 消息的发送方来说很简单，但是接收方却十分复杂。为了能够正确的接收感兴趣的组 播信息数据包，主机上的应用首先要申请成为特定组播组的成员。然后，主机的网络 6 硕士学位论文第二章m 组播技术 接口开始侦听与组播组地址相关的数据链路层组播地址。接收方的网卡和网络驱动程 序侦听到从本地路由器处转发过来的这个地址后，接收该组播包，将i p 层的数据报文 取出，传向t c p i p 协议栈，处理后交给应用程序。 另外，用户主机退出某个组播组的时候如何通知组播路由器也是应该考虑的问题。 如果接收方使用的是i g m p v 2 ，用户程序会自动通知路由器退出该组，若该路由器下没 有该组的用户则该路由器会继续通知它的上游至发送方路由器；如果使用的是 i g m p v l ，退出不会通知路由器，直到组中数据服务器的定时轮询，接收主机应答，若 无用户应答，路由器就认为该网段中不再有接收者，不再向此网段转发组播包。 最后要考虑的问题就是组播信息的转发。使用组播路由协议建立组播转发树，然 后按组播树建立的路径进行组播信息的转发，当某个处于转发树中的路由器收到一个 组播信息后，要对转发的组播包进行拷贝和转发。如果路由器为最后一跳，组播包就 以广播的方式传送到该网段中的各个主机接收者。 2 3ip 组播的关键技术 2 3 1ig m p 协议 i n t e r a c t 组管理协议( i g m p ) 是因特网协议家族中的一个组播协议，用于口主机 向任一个直接相邻的路由器报告他们的组成员情况。i g m p 信息封装在p 报文中，其 在i p 包中的协议号为20 i g m p 现有三种版本，即i g m p v l 、i g m p v 2 3 0 1 和i g m p v 3 1 3 1 1 。 ( 1 ) i g m p v l ：主机可以加入组播组，但没有离开信息。路由器使用基于超时的机 制去发现其成员不关注的组。 ( 2 ) i g m p v 2 ：该协议修正了v 1 中不包含离开信息的缺陷，允许组中成员迅速向 路由协议报告其终止情况。 ( 3 ) i g m p v 3 ：与以上两种协议相比，该协议允许主机指定它要接收通信流量的主 机对象。来自网络中其它主机的流量是被隔离的。i g m p v 3 也支持主机阻止那些来自 于非要求的主机发送的网络数据包。 2 3 2 组播路由协议 组播路由协议是组播网络节点间的一种协商机制，用于在组播网络节点问建立组 播数据包的转发树。它可以为每个特定的( 源，组) 会话建立独立的转发树，属于特 定( 源，组) 的数据包将沿着该转发树由数据源发往接收的各个组成员。 组播路由协议按其成员分布可分为：密集模式协议和稀疏模式协议。密集模式的 7 硕+ 学位论文第二章口组播技术 路由协议主要有：距离矢量组播路由协议( d i s t a n 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 o l ， d v m r p ) ，组播开放式最短路由优先协议( m u l f i e a s to p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ，m o s p f ) ， 密集模式下的独立组播协议( p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t - d e n s em o d e ，p i m d m ) 等。 稀疏模式的路由协议主要有：稀疏模式下的独立组播协议( p r o t o c o li n d e p e n d e n t m u l t i c a s t - s p a r s em o d e ，p i m s m ) ，核心树组播协议( c o r e b a s et r e e ，c b t ) 等。 2 3 3 组播转发树的种类 在单播模型中，数据包通过网络沿着单一路径从源主机向目标主机传递，但在组 播模型中，组播源向某一组地址传递数据包，而这一地址却代表一个主机组。为了向 所有接收者传递数据，一般采用组播分布树描述m 组播在网络里经过的路径。组播分 布树主要有有源树和共享树两种。 1 有源树 有源树又称为最短路径树( s h o r t e s tp a t h t r e e ，s p t ) ，它是以组播源为根所构造的， 从根到所有接收者路径都最短的分布树。如果组中有多个组播源，则必须为每个组播 源构造一棵组播树。由于不同组播源发出的数据包被分散到各自分离的组播树上，因 此采用s p t 有利于网络中数据流量的均衡。同时，因为从组播源到每个接收者的路径 最短，所以端到端的时延性能较好，有利于流量大、时延性能要求较高的实时媒体应 用。s p t 的缺点是要为每个组播源构造各自的分布树，当数据流量不大时，构造的开 销较大。 2 共享树 共享树又称为r p 树( r e n d e z v o u sp o i n tt r e e ) ，是指为每个组播组选定一个共用汇 合点( r e n d e z v o u sp o i n t ，i 冲) 以r p 为根节点建立的组播树。同一组播组的组播源将 所要进行组播传输的数据单播到汇合点r p ，再由r p 向其它成员转发。目前，讨论最 多同时也是最具代表性的两种共享树是s t e i n e r 树和有核树c b t 。 ( 1 ) s t e i n e r 树是总代价最小的分布树，它使连接特定图( g r a p h ) 中的特定组，它 使连接特定图中的特定组成员所需的链路数最少。s t e i n e r 树只是一种理论模型，而非 实用工具。目前，出现了许多s t e i n e r 树的次优启发式生成算法。 ( 2 ) l i p 树的代表是有核树( c b t ：c o r eb a s e dt r e e s ) ，它是由根到所有组成员的 最短路径合并而成的树。c b t 是一棵双向的树，它上面的任何一个组成员都可以作为 一个组播数据源。 共享树在路由器所需存储的状态信息数量和路由树的总代价两个方面具有较好的 性能。当组播组的规模较大而每个成员的数据发送率较低时，使用共享树方式比较适 合。但当通信量大时，使用共享树将导致流量集中在根( r p ) 附近而成为网络的瓶颈。 8 硕士学位论文第二章口组播技术 2 3 4 组播地址 一、 i p 通过d 类地址来支持组播，每个d 类地址标识一个组主机f 3 2 】。i p v 4 中组播分 配的地址范围为2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，即d 类保留地址。组播的i p v 4 和i p v 6 的地址格式如图2 1 所示。 i p v 4 组播地址格式 b i t t 意0i234 3 1 l p v 6 组播地址格式 b i t 位 。012345678 1 11 2 1 51 6 1 2 7 图2 - 1i p v 4 和i p v 6 下组播的地址格式 2 4ip 组播存在的缺陷 1 不可靠数据包传送 和口单播一样，i p 组播是天生不可靠的。而且，由于i p 组播默认是一对多的通 信方式，它不使用t c p 所固有的端到端机制，m 组播数据包典型使用用户数据报协议 u d p ，而u d p 是一种“尽力而为协议。因此，i p 组播应用必定会遇到数据包丢失、 延迟、重复和乱序等问题。 迄今为止，尽管在广域网环境中已经存在许多可靠组播协议，包括可靠组播协议 ( r e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o l ，r m p ) 、可扩展可靠组播( s c a l a b l er e l i a b l em u l t i e a s t ， s r m ) 、基于日志的可靠组播( l o g - b a s e dr e l i a b l em u l t i c a s t ，l b r m ) 和可靠组播传输 协议( r e l i a b l em u l t i c a s tt r a n s p o r tp r o t o c o l ，r m t p ) ，但组播的可靠性研究仍然是国际 上对组播研究的重点课题之一。 2 组播的安全性 安全组播就是只有注册的发送者才可以向组发送数据；只有注册的接收者才可以 接收组播数据。然而i p 组播很难保证这一点。 首先，i p 组播使用u d p ，任何主机都可以向某个组播地址发送u d p 包，并且低 层组播机构将传送这些u d p 包给所有组成员。其次，i n t e r n e t 缺少对于网络层的访问 控制。第三，组成员可以随时加入退出组播组。这几点使组播安全性问题同组播的可 9 硕士学位论文 第二章口组播技术 靠性问题一样难以解决。 ： 总的来说，安全组播可分为集中式和分布( 分层) 式密钥管理体系。目前，对于 组播安全性问题己有n a i v e 密钥管理、n o r t e l 框架等解决方案。m a t t h e wj m a y e r 等人 提出了安全组播评估标准，回顾并讨论了安全组播体系结构、组密钥管理和信源认证 等问题。然而现有的解决方案都不同程度的存在不足，安全组播仍然是一个技术难点。 2 5 本章小结 本章主要介绍了i p 组播技术，首先分析了i p 组播产生的原因，然后在分析p 组 播工作原理的基础之上，详细介绍了实现i p 组播所需的关键技术，包括i g m p 协议、 组播路由协议、组播树的种类和组播的地址分配等。最后分析了i p 组播中存在的一些 问题，并总结了一些解决方案。 1 0 硕士学位论文 第三章多协议标记交换和区分服务 第三章多协议标记交换和区分服务 早期的i n t e r n e t 提供的是一种尽力而为( b e s t e f f o r t ) 的服务：i p 网尽量把数据包 从源转发到目的端，但对所能够提供的q o s 不做任何承诺，而许多新出现的网络业务， 对带宽、延迟等有一定的要求，这些新业务要求i p 网提供网络服务质量保证。 m p l s 和d i f f s e r v 是两个与i pq o s 相关的标准。本章将对m p l s 和d i f f s e r v 的技 术和结构特点加以介绍，并讨论二者的结合。 3 1 多协议标记交换 i n t e m e t 用户在近些年中的爆炸性增长，为i n t e m e t 服务提供商提供了巨大的商业 机会，同时也对其骨干网络提出了更高的要求。异步传输模式( 御r m ) 技术采用而向 连接的通信方式，综合了分组交换和电路交换的优点，为用户提供了良好的q o s ，但 实现过于复杂，应用价格高，难于为大众所接受。同时，由于实际的网络中人们已经 普遍采用i p 技术，纯a t m 网络已经不可能，现有a t m 的使用也一般都是用来承载i p 。 如此，m 技术和a t m 技术在各自的发展领域中都遇到了实际困难，彼此都需要借助对 方以求得进一步发展，所以这两种技术的结合有着必然性。m p l s 就是为了综合利用 交换技术和路由技术的优点而产生的。 3 1 1 m p l s 基本原理 m p l s 的核心是标记交换。在m p l s 域的入口处，每个数据包被赋于一个标记 ( l a b e l ) ，而在m p l s 域的内部，路由器只需根据数据包携带的标记对其进行转发， m p l s 简化的核心路由器的处理机制，大大地提高了数据包转发的效率。 1 基本概念和术语 m p l s 中涉及了很多基本的概念和术语，为了后面更好地阐述问题，现将一些最 基本的术语介绍如下： ( 1 ) f e c ( 转发等价类) f e c ( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s e s ) 是m p l s 技术的基础。m p l s 实际上是一 种分类转发的技术，它将具有相同转发特性( 源或目的地相同、使用的转发路径相同、 具有相同的服务等级、给定相同的丢弃优先级等) 的分组归为一类，这种类别就称为 转发等价类，属于相同转发等价类的分组在m p l s 域中将获得完全相同的处理。 硕士学位论文第三章多协议标记交换和区分服务 ( 2 ) 标签( l a b e l ) 标签是一个简短而长度固定的标识符。用于识别转发等价类f e c ，在m p l s 中将 一个标签指派给一个f e c 称为标签绑定( b i n d i n g ) ，通常只具有本地意义。标签在数 据包标签栈中的位置参考格式【3 3 1 ，如图3 1 所示。 ol234567890l234567890l2345678901 l a b e l ：l a b e lv a l u e ，2 0 惋t s e x p ：e x p e r i m e n t a lu s e ，3 b i t s s -b o t t o mo fs t a c k ，l b i t s t t l ：t i m et ol i v e ，8 b i t s 图3 - 1m p l s 标签格式 ( 3 ) 标签交换路由器l s r ( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) l s r 是m p l s 网络中的基本元素，由两部分组成：控制单元和转发单元。控制单 元负责标签的分配、路由的选择、标签转发表的建立、标签交换路径的建立、拆除等 工作。而转发单元则依据标签转发表对收到的分组进行转发。 ( 4 ) 标签分发协议l d p ( l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) l d p 为m p l s 的信令与控制协议瞰l ，用于建立相邻l s r 间的信息