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IP组播技术及其应用分析

 时间:2016年08月04日   来源:网太快   打印
  摘 要:本文首先主要介绍IP组播技术的产生、概念,其次结合组播网络的体系结构及协议,讨论了组播技术的特点,最后根据其应用优势列举了现阶段开展的几类IP组播业务,同时还给出了组播业务在运营管理中的相关建议。

 

一、引言

近年来,随着Internet的迅速普及和爆炸性发展,在Internet上产生了许多新的应用,其中不少是高带宽的多媒体应用,譬如网络视频会议、网络音频/视频广播、AOD/VOD、股市行情发布、多媒体远程教育、CSCW协同计算、远程会诊等。这些层出不穷的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。这就带来了带宽的急剧消耗和网络拥挤问题。为了缓解网络瓶颈,人们提出各种方案,归纳起来,主要包括以下四种:

? 增加互连带宽;

? 服务器的分散与集群,以改变网络流量结构,减轻主干网的瓶颈;

? 应用QoS机制,把带宽分配给一部分应用;

? 采用IP Multicast(译为组播、多播或多路广播,下文不加区分)技术。

比较而言,IP组播技术有其独特的优越性——在组播网络中,即使用户数量成倍增长,主干带宽不需要随之增加。这个优点使它成为当前网络技术中的研究热点之一。

二、IP组播技术的产生

IP组播的概念最早在1988年出现在Steve deering的博士论文中,并在1989年Steve deering对标准IP网络层协议进行了扩展,提出了IP组播规范;1992年3月第一次建立组播主干网MBone,IETF并成功地在组播网上举行了一次会议,才引起了人们的广泛关注。而第一个WWW浏览器出现在1990年,到1993年已发展到100个WWW站点,所以组播和WWW虽处于同一时期,但组播的发展远远慢于WWW,主要原因是IP组播通信模式需要状态相当复杂的路由器,要求路由器能提供每个群组和每个源的信息状态,并且随着Internet的越来越复杂给组播的进一步发展带来了困难。后来,出现的一些设计精巧的组播路由协议(如PIM-DM、PIM-SM等),使组播IP包能正确而又迅速地发送给成千上万的接收者,IP组播的技术和应用开始快速发展。

目前,IP组播可以运行在任意体系结构的网络之上,包括因特网、ATM、帧中继、SMDS和卫星,并许多应用领域,能应用在视频会议、多媒体、新闻发布和来自太空的远程实况广播。

三、IP组播的体系结构

3.1IP组播的概念

IP组播是利用一种协议将IP数据包从一个源传送到多个目的地,将信息的拷贝发送到一组地址,到达所有想要接收它的接收者处。IP组播是将IP数据包“尽最大努力”传输到一个构成组播群组的主机集合,群组的各个成员可以分布于各个独立的物理网络上。IP组播群组中成员的关系是动态的,主机可以随时加入和退出群组,群组的成员关系决定了主机是否接收送给该群组的组播数据包,不是某群组的成员主机也能向该群组发送组播数据包。

3.2组播的优点

随着Internet的迅速普及和爆炸性发展,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。同单播(unicast)和广播(broadcast)相比,组播效率非常高,因为任何给定的链路至多用一次,可以节省网络带宽和资源。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。

举例说明:在一个单播(unicast)环境里,视频服务器依次送出n个信息流,由网络中的用户接收,共需要nx1.5Mbit/s的带宽;如果服务器处于10Mbit/s的以太网内,6~7个信息流就占满了带宽;若在一个高速的以太网里,最多只能容纳250~300个1.5Mbit/s的视频流,所以服务器与主机接口间的容量是一个巨大的瓶颈。

在一个组播(multicast)环境里,不论网络中的用户数目有多少,服务器发出的一个视频流,由网络中的路由器或交换器同时复制出n个视频流,广播到每个用户,仅需1.5Mbit/s的带宽。

可见,IP组播能够有效地节省网络带宽和资源,管理网络的增容和控制开销,大大减轻发送服务器的负荷,从而高性能地发送信息。 另外,组播传送的信息能同时到达用户端,时延小,且网络中的服务器不需要知道每个客户机的地址。所有的接收者使用一个网络组播地址,可实现匿名服务,并且IP组播具有可升级性,与新的IP和业务能相兼容。

3.3组播体系结构

组播网络体系结构包括:组播的基本工作原理、实现组播的条件、组播的地址分配方案及与MAC地址映射、Internet组管理协议。

3.3.1组播的工作原理

组播是允许一个或多个发送者(组播源)发送单一的数据包到多个接收者(一次的,同时的)的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组,而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。组播可以大大的节省网络带宽,因为无论有多少个目标地址,在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。

下图为基于三种通讯方式的网络结构和数据传递过程。

A、单播方式

B、组播方式

C、广播方式

从以上通讯方式可以看出:

单播(Unicast)传输:在发送者和每一接收者之间需要单独的数据信道。如果一台主机同时给很少量的接收者传输数据,一般没有什么问题。但如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时却很难实现。这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:它提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络,也可以来自不同的物理网络(如果有组播路由器的支持)。

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。然而广播的使用范围非常小,只在本地子网内有效,因为路由器会封锁广播通信。广播传输增加非接收者的开销。

3.3.2实现组播的前提条件

实现IP组播传输,则组播源和接收者以及两者之间的下层网络都必须支持组播。这包括以下几方面:

? 主机的TCP/IP实现支持发送和接收IP组播;

? 主机的网络接口支持组播;

? 有一套用于加入、离开、查询的组管理协议,即IGMP(v1,v2);

? 有一套IP地址分配策略,并能将第三层IP组播地址映射到第二层MAC地址;

? 支持IP组播的应用软件;

? 所有介于组播源和接收者之间的路由器、集线器、交换机、TCP/IP栈、防火墙均需支持组播;

目前,IP组播技术得到硬件、软件厂商的广泛支持,比如,新生产的以太网卡几乎都支持组播;Cisco的路由器不仅支持DVMRP、PIM路由协议、IGMP组管理协议,而且支持Cisco专有Cisco组管理协议CGMP,再如微软的Windows 95支持IP组播和IGMPv1,而Windows 98还支持IGMPv2。对于不支持IP组播传输的中间路由器采用IP隧道(Tunneling)技术作为过渡方案。这些说明IP组播技术的应用环境已基本具备。

四.组播技术分析

4.1组播技术特点

IP组播技术具有以下特点。

? 群地址

在组播网中,每个组播群组拥有惟一的组播地址(D类地址),一部分IP组播地址是由Internet管理机构分配的,其他的组播地址作为暂时地址被用户使用;组播数据包可以送到标识目的组机的组地址,发送者不必知道有哪些组成员,它自己不必是组成员,对组成员中主机的数目和位置也没有限制。主机不需要和组成员以及发送者商量,可以任意加入和离开组播组;使用组地址,不必知道主机指定的位置,可以找到具有此组播地址的任何资源和服务器,在动态变化的信息提供者中搜寻到需要的信息,或者发布信息到任意大小的可选用户群。

? 规模可扩展性

如果网络速率提高,广域组播网络的容量需要扩大,后来产生的组播路由算法和协议如PIM-DM、PIM-SM、CBT等都支持网络规模的扩展,而上述的群地址和动态性也是适应规模可扩展性的另一方面。

? 健壮性

IP组播网络使用的路由协议和算法能适应网络路由动态变化,它采用软件状态刷新机制,制作路由备份等方法,来维护群组成员之间的连接,加强网络的健壮性。

? 路由算法的独立性

组播路由算法和协议独立于单播路由使用的协议,但又依靠现存的单播路由表,在域内适应网络拓扑的变化,动态生成组播树。

? 组播生成树的灵活性

组播生成树的形成与发送者和接收者的分布、网络的流量状况以及组成员的动态性有关,且组播生成树也反映了不同的组播路由算法和组播应用。灵活的组播生成树有利于数据包的传送,不容易造成网络的拥塞。

4.2组播技术要点

4.2.1.IP组播地址分配

在组播网内,一个组播群组指定为一个D类地址。使用点分十进制表示发来描述组播地址的范围是:224.0.0.0到239.255.255.255,但是地址224.0.0.0是保留的,它不能赋给任何群组。

在组播通信模型中,需要两种新型地址:一个IP组播地址和一个Ethernet组播地址,IP组播地址表示一组接收者,它们要接收发给整个组的数据;由于IP包封装在Ethernet帧内,所以还需要一个Ethernet组播地址。为使组播模型正常工作,主机应能同时接收单播和组播数据,主机需要多个IP地址和Ethernet地址,其中单播IP和Ethernet地址用于单播通信,而Ethernet组播地址用于组播通信。如果主机不准备接收组播地址,就设置为零组播地址。所以,单播和组播地址之间的主要差异在于每个主机都有一个惟一的单播地址,组播地址则不然。

4.2.2 IGMP

在一个组播路由器建立路由,传送其组播群组成员关系信息之前,它必须确定在本地网络上有一个或多个主机是否加入了某个组播群组。为此,组播路由器和实现组播的主机必须使用互连网组管理协议(IGMP,Internet Group Management Protocol)来进行群组成员关系信息的通信。利用IGMP,组播路由器可判断在与自己连接的任何一个网络上,是否存在组播组的一些成员,如存在组成员,组播路由器便可加入一个特定的组播组,并将组播数据转发给加入该组的主机。因此,IGMP被主机用来通知直连的路由器,令其加入一个组播组,使组播网具有动态性和灵活性。

4.2.3二层组播相关协议

IP网络的二层组播相关协议包括IGMP Snooping和CGMP。

IGMP Snooping通过交换机去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,放在组播CAM表项中。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。

CGMP(Cisco Group Management Protocol)是Cisco基于客户机/服务器模型开发的私有协议,它将运行在路由器和交换机上,允许成员关系信息从路由器到交换机进行通信。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。

4.2.4.IP组播路由协议

IP组播路由协议分为域内协议和域间协议。域内协议包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP、CBT等。域间协议包括MBGP、MSDP、BGMP等。在路由式网络中,对于传递组播信息流,一个至关重要的问题是IP组播路由协议,它克服了利用单播通信模型传递组播信息带来的带宽瓶颈,减少了发送相同数据信息到多个接收者的通信费用,这也是IP组播应用得到发展的主要原因。组播网内数据的流动必须根据组播路由协议建立生成树,使发送源和组播组成员之间形成一条单独的转发路径,确保每个数据包都能转发到目的地。

根据网络中主机的分布,IP 组播域内路由协议一般可以分为两类。第一类称为密集型模式,这种模式指组播成员在网络中密集分布,有足够的带宽,所以密集协议通过扩散技术传播信息至整个网络,它包括DVMRP、MOSPF和PIM-DM,属于数据驱动型;第二类称为松散型模式,这种模式指组播成员在网络中分散分布,没有足够的带宽,例如广域网或用户使用ISDN线上网,但松散型模式并不意味群组有很少的成员,只不过它们是分散分布的,它包括CBT和PIM-SM。此时,使用扩散技术将浪费带宽,通过发出加入请求申请,在含有集中点或核心点的空生成树上添加树枝形成组播生成树,属于接收者驱动型。使用DVMRP、MOSPF组播路由协议时,单播路由协议相应必须使用RIP、OSPF,这就造成了一定的局限性,DVMRP使用距离向量路由协议建立生成树,MOSPF使用链路状态数据库建立生成树;PIM和CBT独立于单播路由协议,但依赖于单播路由表,其中PIM-SM和CBT有一个集中点或核心,连接源和接收者之间的各个路由器而形成路由。

针对域间组播路由有两类解决方案:短期方案和长期方案。短期方案包括三个协议MBGP/MSDP/PIM-SM:MBGP(组播边缘网关协议),用于在自治域间交换组播路由信息;MSDP(组播信源发现协议),用于在ISP之间交换组播信源信息;以及域内组播路由协议PIM-SM。长期方案目前讨论最多的是MASC/MBGP/BGMP,它建立在现有的组播业务模型上,其中MASC实现域间组播地址的分配、MBGP在域间传递组播路由信息、BGMP完成域间路由树的构造。此外还有一些组播路由策略,如PIM-SSM(特定信源协议无关组播)等,建立在其他的组播业务模型上。目前只有短期方案MBGP/MSDP/PIM-SM是成熟的,并在许多的运营商中广泛使用。

五、IP组播技术在多媒体数据传输方面的优势

由于多媒体业务在网络传输时有着很大的数据吞吐量,如果使用端对端的IP单播技术进行数据的多点传送,首先,服务器必须始终保持在侦听状态,以了解每一个动态加入的客户端的服务请求,而套接字的侦听非常消耗系统的CPU资源,过于频繁的侦听容易造成系统的不稳定,同时还会影响数据传输的实时性,最终影响数据传输的服务质量(QoS);其次,服务器面对不同的客户端的同一服务请求,需要进行重复发送,N个客户端需要占用N倍的网络带宽资源,极大地浪费了网络带宽资源,如果控制不力,还会引起广播风暴,造成系统全面崩溃。

因此,在网络带宽环境能够无限满足多媒体数据传输需要的前提下,点对点传送和组播在性能上无本质差异,但是,这种理想状态基本上不会出现,否则除了研究网络带宽以外,其它的网络技术就失去了研究的基础和意义。我们设想在10BASE-T的局域网环境下,当只有2个或单个客户机提出视频服务请求时,二者无明显性能差异;当有3个至5个客户机提出服务请求时,二者之间的差异就比较显著,采用点对点传送方式的服务器明显已经力不从心,网络丢包和延迟比较严重,接收端数据明显滞后、不连续;当有5个以上的客户机提出服务请求时,就造成了广播风暴,系统处于崩溃的边缘。

由此可见,IP组播技术在多媒体数据传输方面具有很大的优势,当某个IP站点向网络中的多个IP站点发送同一视频数据时,IP组播技术可以减少不必要的重叠发送,与多次点对点的单播(Unicast)相比,减轻了系统和网络的负担,提高了CPU资源和网络带宽的利用率,极大地改善了视频数据传输的实时性。参与通信的各主机不论是源站点还是目的站点均使用同一程序,无客户机和服务器之分,从而具有对等性。

六、现阶段开展的组播业务

n IP TV网络电视业务

IP TV网络电视业务是在多媒体通信网络上传输电视节目的高带宽服务。网络支持数以百计的全国性网络电视频道,数以万计的全省性网络电视频道。

IP TV网络电视业务和传统电视业务类似。不同之处是电视节目的接收端不再是我们传统的电视机,而是电脑。网络节目的传输不是使用传统的HFC网络,而是使用Internet。IP TV网络电视与传统电视相比,优势在于电视频道数量的极大丰富,电视节目的覆盖区域的扩大,电视台运营成本的下降。

n IP Radio业务

IP Radio网络广播电台业务是在多媒体通信网络上传输电台广播节目的高带宽服务。网络支持数以百计的全国性网络广播电台频道;支持数以万计的全省性网络广播电台频道。

IP Radio网络广播电台业务和传统广播电台业务类似。不同之处是电台广播节目的接收端不再是我们传统的收音机,而是电脑。网络节目的传输不是使用传统的微波,而是使用Internet。IP Radio网络广播电台与传统广播电台相比,优势在于电台广播频道数量的极大丰富,电台广播节目的覆盖区域的扩大,电台运营成本的下降。

n IP会议电视业务

IP会议电视业务是在利用电视、计算机技术及设备,通过网络在两地或多地之间召开会议的一种可视通信业务。出席会议的人员通过会议电视系统,既可以听到对方的声音,又可以在屏幕上看到与会者的形象动作,还可以通过控制系统,传送图表,文件等资料,如同面对面的交流。通信网络支持数以百计的全国性会议电视Channel数量;支持数以万计的全省性会议电视Channel数量。

IP 会议电视业务和传统会议电视业务类似。不同之处是IP会议电视传输不再是使用会议电视专用网络,而是使用了Internet。IP 会议电视与传统会议电视相比,优势在于会议电视Channel数量的极大丰富,会议电视的覆盖区域的扩大,线路速率没有了64kbit/s、128kbit/s和384kbit/s、2.048Mbit/s、6Mbit/s的速率限制,会议电视的运营成本的下降。IP会议电视在任何一个会场都可以显示所有会场的图像并成为大会中心,进行自由讨论。只要有充足的带宽,可以支持上百个会场同时举行会议。而目前使用较多的一般视频会议系统,只能同时支持4个会场显示,且相关配套设施价格昂贵。而传统的电视电话会议,不仅通信费用高,且多是单点传播。

n IP网上课室组播业务

IP网上课室组播业务是在利用电视、计算机技术及设备,通过通信网络在两地或多地之间进行培训和教育的一种可视通信业务。参加学习的人员通过网上课室系统,既可以听到老师的声音,又可以在屏幕上看到老师的形象动作,还可以通过控制系统,传送图表,文件等学习资料,如同与老师面对面的交流。通信网络支持数以百计的全国性网上课室;支持数以万计的全省性网上课室。

IP 网上课室组播和传统网上课室类似。不同之处是IP网上课室组播使用了Internet组播功能。IP 网上课室与传统的网上课室相比,优势在于通过组播技术,骨干网上网络流量大减,网络课室的覆盖区域的扩大,网络教育科目的极大丰富,网上教育的运营成本的下降。

n IP组播数据传输业务

IP组播数据传输业务是通过网络向电信大客户提供有服务质量的组播数据网络传输业务。从而可以大大减少电信多媒体通信网络的拥挤程度,通过给相应的大客户组播数据包赋予高优先级的方式,可以在减少网络资源消耗的同时实现相应的网络SLA服务质量。该通信网络支持数以百计的组播数据传输通道。支持数以万计的组播数据传输通道。

IP 组播数据传输和传统网络数据传输类似。不同之处是IP组播数据传输使用了组播技术。IP组播数据传输与传统网络数据传输相比,优势在于通过组播技术,骨干网上网络流量大减,相关组播数据可以赋予高优先级,得到SLA服务。网络数据传输的运营成本的下降。

七、组播运营管理思考

组播具有良好的扩展性,对于一个网络电视节目来说,无论有多少个接收者,视频服务器只需发送一个视频流,网络设备也只需要转发一个视频流。这种良好的扩展性源于:

在组播分发树的分支上只传送一个视频流,在离用户最近的设备进行报文复制工作,即在组播分发树的分叉处进行报文复制。组播组地址标识所有接收者的集合,组播源不必维护接收者的IP地址,只需向组地址发送数据即可。IGMP维护三层设备直连网段是否有邻居,而非有哪些邻居。像IGMP协议一样,大部分组播路由协议只维护有没有,而非有哪些的信息。 但是,这种扩展性造成了对最终接收者信息、源信息的不明确,给组播的运营、管理带来了极大的困难:

■ 组播协议中没有提供用户认证支持,用户可以随意加入一个组播组,并可以任意离开。组播源无法知道用户何时加入、何时退出,无法统计出某个时间网络上共有多少个用户在接收组播流量。组播源也缺少有效的手段控制组播信息在网络上传送的方向和范围。

■ 组播协议在安全上也没有提供可靠的保证。在网络上的任何用户都可以作为组播源发送组播流量,在组播系列协议中缺乏对组播源可靠的控制。在一个支持组播的网络中,存在组播节目冲突问题,也存在非法组播源传播的问题。

因此,尽管组播技术具备开展新业务的许多优势,并且协议日臻完善,但开展组播业务还面临着组播用户认证、组播信源安全性和组播流量扩散安全性等问题。结合目前网络的特点、组播技术和应用的实际情况, 可以考虑运用可控组播技术(包括组播信源管理、组播用户管理和组播安全控制),有效的解决了当前组播业务开展所遇到的各种问题。

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