IP组播协议

IP组播协议随着宽带的发展，多媒体的相关服务需求的日益增长刺激了IP组播技术的普及和发展，成为新一代网络的不可缺少的关键技术。目前的IP组播技术已经相当成熟，这意味着运营商和企业已经可以通过该技术获得经济效益了。成熟的IP组播组网1．主机和组播路由器之间的组播技术IGMP是惟一可选的协议，路由器通过使用该协议与主机进行通信，以了解局域网上的组播组，主机通过向路由器发送消息告诉路由器它希望“听”到哪个组的报文。目前，成熟的版本为2，IETF工作组正在开发版本3。2．路由协议对于大型的IP组播网，第三层的IP路由协议一般要分为域内组播协议和域间组播协议。域内由运营商或企业自行管理，域间通过共同的约定域间组播协议实现域间的组播。（1）域内组播路由协议包括DVMRP、PIM-DM、PIM-SM、MOSPF和CBT。随着技术的进步和市场的选择，其中的PIM-SM协议脱颖而出，成为广泛支持的组播协议。该协议的“显示加入”特性只会向需要组播报文的网络传播报文，同时组播源到接收者的网络延迟小，正是这两点因素使之成为域内组播协议的首选。另外，占有市场份额最大的Cisco仅支持PIM-SM和PIM-DM，而PIM-DM由于其带有“广播”的特点，不适合大型网络，因此Cisco也推荐使用该协议作为域内组播协议。（2）域间路由协议MBGP对BGP进行了一些扩展使之适合于多种协议的路由交换，但目前主要用于组播。该协议增加了路由信息的状态，每一条路由可以标记为是单播的还是组播的路由。这样就可以为组播维护其路由信息和状态，解决域间的组播路由问题。要完成域间组播，除了要使用MBGP解决路由问题，对于PIM-SM域互联还要辅助使用MSDP，该协议如其名字一样主要用于解决不同域之间的组播源的发现问题。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）1110XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX3、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