組播技術(shù)及應用系統的實(shí)現

呂秋云 2002/01/30

一、引言

1.1、 問(wèn)題的引出

　　近年來(lái)，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，使得各種單一媒體相繼成為網(wǎng)絡(luò )傳輸中的數據，進(jìn)而各種媒體的融合使得網(wǎng)絡(luò )多媒體運用層出不窮。目前，在Internet上產(chǎn)生了許多新的應用，其中不少是高帶寬的多媒體應用，譬如網(wǎng)絡(luò )視頻會(huì )議 (可視化IP電話(huà)會(huì )議系統)、網(wǎng)絡(luò )音頻/視頻廣播、多媒體遠程教育、遠程會(huì )診，而傳統網(wǎng)絡(luò )最初是為數據傳輸而設計的，是典型的點(diǎn)點(diǎn)通信模式，是為保證數據可靠傳輸而設計的，所用的傳輸協(xié)議多為點(diǎn)到點(diǎn)的協(xié)議。其所具有的特點(diǎn)將增加網(wǎng)絡(luò )發(fā)送負載，帶來(lái)網(wǎng)絡(luò )延時(shí)。這就帶來(lái)了帶寬的急劇消耗和網(wǎng)絡(luò )擁擠問(wèn)題。為了緩解網(wǎng)絡(luò )瓶頸， 人們提出各種方案：增加互連帶寬，改變網(wǎng)絡(luò )流量結構，IP組播技術(shù)等等，其中，IP組播技術(shù)有其獨特的優(yōu)越性——在組播網(wǎng)絡(luò )中，即使用戶(hù)數量成倍增長(cháng)，主干帶寬不需要隨之增加。

　　組播技術(shù)可形象的描述如下：　

　　假設一個(gè)企業(yè)分布于各地的子公司（兩個(gè)以上）之間需要通過(guò)Internet進(jìn)行實(shí)時(shí)的交換信息(數據，聲音，圖像)，他們的計算機可能不屬于同一物理網(wǎng)絡(luò )，甚至不屬于同一自治系統，這種通信的特點(diǎn)是“多點(diǎn)”式的。子公司發(fā)出的數據希望其他子公司都能收到，而總部發(fā)出的指示全體子公司都應收到。這種多點(diǎn)通信方式為組內廣播，即組播技術(shù)，也稱(chēng)多播技術(shù)，多目網(wǎng)關(guān)技術(shù)。

1.2、TCP/IP傳送方式

　　組播技術(shù)是TCP/IP傳送方式的一種。在我們討論組播技術(shù)之前先來(lái)看看TCP/IP傳送方式。TCP/IP傳送方式有三種：?jiǎn)尾ィ瑥V播，組播。

　　單播（Unicast）傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間需要單獨的數據信道。 如果一臺主機同時(shí)給很少量的接收者傳輸數據，一般沒(méi)有什么問(wèn)題。但如果有大量主機希望獲得數據包的同一份拷貝時(shí)卻很難實(shí)現。 這將導致發(fā)送者負擔沉重、延遲長(cháng)、網(wǎng)絡(luò )擁塞；為保證一定的服務(wù)質(zhì)量需增加硬件和帶寬。

　　組播（Multicast）傳輸：它提高了數據傳送效率。減少了主干網(wǎng)出現擁塞的可能性。組播組中的主機可以是在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò )， 也可以來(lái)自不同的物理網(wǎng)絡(luò )（如果有組播路由器的支持）。

　　廣播（Broadcast）傳輸：是指在IP子網(wǎng)內廣播數據包，所有在子網(wǎng)內部的主機都將收到這些數據包。 廣播意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )向子網(wǎng)主機都投遞一份數據包，不論這些主機是否樂(lè )于接收該數據包。然而廣播的使用范圍非常小， 只在本地子網(wǎng)內有效，因為路由器會(huì )封鎖廣播通信。廣播傳輸增加非接收者的開(kāi)銷(xiāo)。

二、組播技術(shù)

2.1、組播技術(shù)的原理

　　組播是一種允許一個(gè)或多個(gè)發(fā)送者（組播源）發(fā)送單一的數據包到多個(gè)接收者（一次的，同時(shí)的）的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。 組播源把數據包發(fā)送到特定組播組，而只有屬于該組播組的地址才能接收到數據包。組播可以大大的節省網(wǎng)絡(luò )帶寬， 因為無(wú)論有多少個(gè)目標地址，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的任何一條鏈路上只傳送單一的數據包。 它提高了數據傳送效率。減少了主干網(wǎng)出現擁塞的可能性。組播組中的主機可以是在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò )， 也可以來(lái)自不同的物理網(wǎng)絡(luò )（如果有組播路由器的支持）。

　　其網(wǎng)絡(luò )模型如下圖所示：

2.2、實(shí)現組播技術(shù)的前提條件

　　實(shí)現IP組播傳輸，則組播源和接收者以及兩者之間的下層網(wǎng)絡(luò )都必須支持組播。這包括以下幾方面：

　　* 主機的TCP/IP實(shí)現支持發(fā)送和接收IP組播；

　　* 主機的網(wǎng)絡(luò )接口支持組播；

　　* 有一套用于加入、離開(kāi)、查詢(xún)的組管理協(xié)議，即IGMP（v1,v2）；

　　* 有一套IP地址分配策略，并能將第三層IP組播地址映射到第二層MAC地址；

　　* 支持IP組播的應用軟件；

　　* 所有介于組播源和接收者之間的路由器、集線(xiàn)器、交換機、TCP/IP棧、防火墻均需支持組播；

2.3、組播地址

　　在組播通信中，我們需要兩種地址：一個(gè)IP組播地址和一個(gè)Ethernet組播地址。其中，IP組播地址標識一個(gè)組播組。 由于所有IP數據包都封裝在Ethernet幀中，所以還需要一個(gè)組播Ethernet地址。為使組播正常工作， 主機應能同時(shí)接收單播和組播數據，這意味著(zhù)主機需要多個(gè)IP和Ethernet地址。 IP地址方案專(zhuān)門(mén)為組播劃出一個(gè)地址范圍，在IPv4中為D類(lèi)地址，范圍是224.0.0.0到239.255.255.255， 并將D類(lèi)地址劃分為局部鏈接組播地址、預留組播地址、管理權限組播地址。

　　局部鏈接地址：224.0.0.0～224.0.0.255，用于局域網(wǎng)，路由器不轉發(fā)屬于此范圍的IP包；

　　預留組播地址：224.0.1.0～238.255.255.255，用于全球范圍或網(wǎng)絡(luò )協(xié)議；

　　管理權限地址：239.0.0.0～239.255.255.255，組織內部使用，用于限制組播范圍；

　　D類(lèi)地址的最后28比特沒(méi)有結構化，即沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )ID和主機ID之分。響應某一個(gè)IP多播地址的主機構成一個(gè)主機組，主機組可跨越多個(gè)網(wǎng)絡(luò )。主機組的成員數是動(dòng)態(tài)的，主機可以通過(guò)IGMP協(xié)議加入或離開(kāi)某個(gè)主機組。IP多播地址影射到以太網(wǎng)地址的方法見(jiàn)下圖。因為IP多播地址的高5位未影射，因此，影射的以太網(wǎng)地址不是唯一的，共有32個(gè)IP多播地址影射到一個(gè)以太網(wǎng)地址。

2.4、組播協(xié)議：

　　組播協(xié)議主要包括組管理協(xié)議（IGMP）和組播路由協(xié)議（密集模式協(xié)議（如DVMRP，PIM-DM）、稀疏模式協(xié)議（如PIM-SM，CBT） 和鏈路狀態(tài)協(xié)議（MOSPF））

　　* 組管理協(xié)議IGMP

　　主機使用IGMP通知子網(wǎng)組播路由器，希望加入組播組；路由器使用IGMP查詢(xún)本地子網(wǎng)中是否有屬于某個(gè)組播組的主機。

　　* 加入組播組

　　當某個(gè)主機加入某一個(gè)組播組時(shí)，它通過(guò)“成員資格報告”消息通知它所在的IP子網(wǎng)的組播路由器，同時(shí)將自己的IP模塊做相應的準備， 以便開(kāi)始接收來(lái)自該組播組傳來(lái)的數據。如果這臺主機是它所在的IP子網(wǎng)中第一臺加入該組播組的主機， 通過(guò)路由信息的交換，組播路由器加入組播分布樹(shù)。

　　* 退出組播組

　　在IGMP v1中，當主機離開(kāi)某一個(gè)組播組時(shí)，它將自行退出。組播路由器定時(shí)(如120秒) 使用“成員資格查詢(xún)” 消息向IP子網(wǎng)中的所有主機的組地址（224.0.0.1）查詢(xún)，如果某一組播組在IP子網(wǎng)中已經(jīng)沒(méi)有任何成員， 那么組播路由器在確認這一事件后， 將不再在子網(wǎng)中轉發(fā)該組播組的數據。與此同時(shí)，通過(guò)路由信息交換， 從特定的組播組分布樹(shù)中刪除相應的組播路由器。 這種不通知任何人而悄悄離開(kāi)的方法， 使得組播路由器知道IP子網(wǎng)中已經(jīng)沒(méi)有任何成員的事件延時(shí)了一段時(shí)間，所以在IGMP v2.0中，當每一個(gè)主機離開(kāi)某一個(gè)組播組時(shí)， 需要通知子網(wǎng)組播路由器，組播路由器立即向IP子網(wǎng)中的所有組播組詢(xún)問(wèn)，從而減少了系統處理停止組播的延時(shí)。

　　* 組播路由協(xié)議

　　要想在一個(gè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現組播數據包的轉發(fā)，必須在各個(gè)互連設備上運行可互操作的組播路由協(xié)議。 組播路由協(xié)議可分為三類(lèi)：密集模式協(xié)議（如DVMRP，PIM-DM）、稀疏模式協(xié)議（如PIM-SM，CBT） 和鏈路狀態(tài)協(xié)議（MOSPF），下面分別介紹各個(gè)協(xié)議的工作原理。

　　* 距離向量組播路由協(xié)議（Distance Vector Multicast Routing Protocol：DVMRP）

　　DVMRP由單播路由協(xié)議RIP擴展而來(lái)，兩者都使用距離向量算法得到網(wǎng)絡(luò )的拓撲信息，不同之處在于RIP根據路由表前向轉發(fā)數據， 而DVMRP則是基于RPF。為了使新加入的組播成員能及時(shí)收到組播數據，DVMPR采用定時(shí)發(fā)送數據包給所有的LAN的方法， 然而這種方法導致大量路由控制數據包的擴散，這部分開(kāi)銷(xiāo)限制了網(wǎng)絡(luò )規模的擴大。另一方面，DVMRP使用跳數作為計量尺度， 其上限為32跳，這對網(wǎng)絡(luò )規模也是一個(gè)限制。目前提出了分層DVMRP，即對組播網(wǎng)絡(luò )劃分區域， 在區域內的組播可以按照任何協(xié)議進(jìn)行，而對于跨區域的組播則由邊界路由器在DVMRP協(xié)議下進(jìn)行，這樣可大大減少路由開(kāi)銷(xiāo)。

　　* 開(kāi)放式組播最短路徑優(yōu)先協(xié)議（Multicast Open Shortest Path First：MOSPF）

　　MOSPF是一種基于鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，是對單播OSPF協(xié)議的擴展。同OSPF類(lèi)似，MOSPF定義了三種級別的路由：

　　a、 OSPF區域內組播路由：用于了解各網(wǎng)段中的組播成員，構造（源網(wǎng)絡(luò )S，組G）對的SPT；

　　b、 MOSPF區域間組播路由：用于匯總區域內成員關(guān)系，并在自治系統（AS）主干網(wǎng)（區域0）上發(fā)布組成員關(guān)系記錄通告，實(shí)現區域間組播包的轉發(fā)。

　　c、 OSPF AS 間組播路由：用于跨AS的組播包轉發(fā)。

　　* 協(xié)議無(wú)關(guān)組播（Protocol Independent Multicast：PIM）

　　PIM由IDMR（域間組播路由）工作組設計，顧名思義，PIM不依賴(lài)于某一特定單播路由協(xié)議， 它可利用各種單播路由協(xié)議建立的單播路由表完成RPF檢查功能，而不是維護一個(gè)分離的組播路由表實(shí)現組播轉發(fā)。 由于PIM無(wú)需收發(fā)組播路由更新，所以與其它組播協(xié)議相比，PIM開(kāi)銷(xiāo)降低了許多。 PIM的設計出發(fā)點(diǎn)是在Internet范圍內同時(shí)支持SPT和共享樹(shù)，并使兩者之間靈活轉換，因而集中了它們的優(yōu)點(diǎn)提高了組播效率。 PIM定義了兩種模式：密集模式(Dense-Mode)和稀疏模式（Sparse-Mode）。

　　* 有核樹(shù)組播路由協(xié)議（Core-Based Trees: CBT）

　　CBT的基本目標是減少網(wǎng)絡(luò )中路由器組播狀態(tài)，以提供組播的可擴展性。為此，CBT被設計成稀疏模式（與PIM-SM相似）。 CBT使用雙向共享樹(shù)，雙向共享樹(shù)以某個(gè)核心路由器為根，允許組播信息在兩個(gè)方向流動(dòng)。 這一點(diǎn)與PIM-SM不同（PIM-SM中共享樹(shù)是單向的，在RP與組播源之間使用SPT將組播數據轉發(fā)到RP）， 所以CBT不能使用RPF檢查，而使用IP包頭的目標組地址作檢查轉發(fā)緩存。這就要求對CBT共享樹(shù)的維護就需非常小心， 以確保不會(huì )產(chǎn)生組播路由循環(huán)。

三、組播技術(shù)的應用系統實(shí)現可視化Ip電話(huà)會(huì )議系統

　　上面討論了組播技術(shù)的各個(gè)技術(shù)細節，下面我們以多媒體應用可視化Ip電話(huà)會(huì )議系統為例來(lái)探討組播技術(shù)在應用系統的實(shí)現。

　　可視化Ip電話(huà)會(huì )議系統: 是利用計算機，多媒體通信技術(shù)和設備，通過(guò)傳輸信道在兩地或多個(gè)地點(diǎn)之間開(kāi)會(huì )的一種通信手段。在召開(kāi)會(huì )議時(shí)，處于兩地或不同地點(diǎn)的與會(huì )代表，既可以聽(tīng)到對方的聲音，又可以看到對方的形象，同時(shí)還能看到對方會(huì )議室的場(chǎng)景，以及在會(huì )議中展示的事物、圖片、表格、文件等，縮短了與會(huì )代表的距離，使大家好像在同一會(huì )議室參加會(huì )議一樣。它的廣泛應用必然產(chǎn)生巨大的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。系統結構簡(jiǎn)圖如下：

　　會(huì )議的組織，召開(kāi)，管理由主會(huì )場(chǎng)來(lái)完成。因此，主會(huì )場(chǎng)的視頻，聲音，通知，指示，下達的文件資料各分會(huì )場(chǎng)都應該收到。當某分會(huì )場(chǎng)發(fā)言時(shí)，其視頻，聲音同樣要傳送給其他會(huì )場(chǎng)。（如下圖所示）上述所有動(dòng)作的完成依賴(lài)組播技術(shù)。通過(guò)組播技術(shù)把主會(huì )場(chǎng)的各種數據發(fā)送到參加會(huì )議的分會(huì )場(chǎng)中，而且把發(fā)言分會(huì )場(chǎng)的視音頻數據發(fā)送給其他會(huì )場(chǎng)：即主會(huì )場(chǎng)和發(fā)言分會(huì )場(chǎng)的各種數據只要在網(wǎng)上發(fā)送一次，其他會(huì )場(chǎng)都將收到此數據，（這就是有別于點(diǎn)對點(diǎn)通信方式的地方）而與這兩個(gè)會(huì )場(chǎng)在同一網(wǎng)段卻不參加會(huì )議的非成員不會(huì )收到數據（只要設備支持，這也是有別于廣播的地方）。因此，當會(huì )議成員增加時(shí)，不會(huì )產(chǎn)生信息傳輸量劇增，帶來(lái)無(wú)法忍受的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)和抖動(dòng)。

　　根據上面對組播技術(shù)的討論我們可以得出要實(shí)現可視化IP電話(huà)會(huì )議必須解決如下幾個(gè)方面問(wèn)題:

3.1、組播地址

　　根據上面的討論我們知道應用系統中可采用組播地址的范圍是：224.0.1.0～238.255.255.255。那么在我們的應用系統中應如何使用組播地址呢？有兩種方法使用組播地址：靜態(tài)設置，動(dòng)態(tài)獲取。

　　* 靜態(tài)獲取：

　　在會(huì )議系統中設置好組播地址,以后永遠不變。這種方式雖然比較簡(jiǎn)單，在目前會(huì )議系統使用不多時(shí)沒(méi)有問(wèn)題，但是如果有兩個(gè)此類(lèi)會(huì )議系統運行，或使用相同組播地址的不同系統運行（由于沒(méi)有統一管理組播地址，開(kāi)發(fā)商互相不知道），那就會(huì )出現無(wú)法解決的沖突。因為本應屬于兩個(gè)不同的組卻由于使用相同的組播地址而合為一組。這對于將來(lái)會(huì )議系統的廣泛應用是不可行的。

　　* 動(dòng)態(tài)獲取：

　　會(huì )議系統用到的組播地址是不定的，只在運行時(shí)臨時(shí)確定。動(dòng)態(tài)獲取組播地址的方法大概有三種：通告方式獲取，算法推導方式取得，采用Internet組播地址動(dòng)態(tài)分配體系結構（RFC2908）。

　　通告方式獲取：當會(huì )議系統建立時(shí)，先偵聽(tīng)10-20分鐘左右，以確定當前已使用的組播地址，防止沖突。

　　算法推導：根據本地的特殊條件，通過(guò)一定的算法，求出當前使用的組播地址。

　　采用上述三種方式獲取組播地址可有效防止地址沖突問(wèn)題。雖然比較復雜，也較耗費資源，但是有利于將來(lái)的多媒體應用的擴展。

3.2、網(wǎng)絡(luò )設置：

　　由于我們以前的Internet應用大多集中于數據的交換、共享，因此在目前的

　　通信方式中，主要采用的是單播和廣播，對組播的考慮不是很多。但隨著(zhù)多媒體應用（視頻，音頻）的發(fā)展，要求Internet網(wǎng)絡(luò )必須很好的支持組播，這也是會(huì )議系統得以運行的前提條件。因此，所有介于組播源和接收者之間的路由器、集線(xiàn)器、交換機、TCP/IP棧、防火墻均需支持組播。

　　在路由器上要安裝相應的軟件：組管理協(xié)議軟件，組播路由協(xié)議軟件等等。

　　如果要采用RFC2908--Internet組播地址動(dòng)態(tài)分配體系結構，還應配置相應的組播地址分配服務(wù)器。

　　目前絕大多數集線(xiàn)器、交換機只是簡(jiǎn)單的把組播數據當成廣播來(lái)發(fā)送接收。

　　假設某網(wǎng)段某一成員參加會(huì )議（采用會(huì )議系統），則處于同一網(wǎng)段（由交換機、集線(xiàn)器連接）的其他非會(huì )議成員其實(shí)都可收到多媒體流。這樣，非會(huì )議成員的真正可使用帶寬將急劇下降；如果有多個(gè)類(lèi)似的會(huì )議系統（組）同時(shí)存在，那么將導致網(wǎng)絡(luò )擁塞，直至網(wǎng)絡(luò )癱瘓。同時(shí)，由于數據流被廣播，很可能會(huì )被其他非法成員利用，造成安全隱患。因此，在當今流行的用交換機組建園區網(wǎng)，小區網(wǎng)、專(zhuān)用局網(wǎng)Intranet的網(wǎng)絡(luò )設計中，應充分考慮到將來(lái)多媒體應用發(fā)展將會(huì )帶來(lái)的安全問(wèn)題和帶寬問(wèn)題。

3.3、防火墻：

　　可視化IP電話(huà)會(huì )議系統運行在Internet上，我們必須要考慮防火墻的問(wèn)題。由于目前病毒泛濫，為了保護自身的安全，許多機構用一臺防火墻計算機作為在公用互聯(lián)網(wǎng)和本機構的專(zhuān)用網(wǎng)，即內部局網(wǎng)Intranet網(wǎng)之間的安全性網(wǎng)關(guān)。目前的防火墻大多基于單播通訊來(lái)設計的，而組播與單播的原理是有很大不同的：

　　單播通訊是由一對參與者會(huì )話(huà)的形式組成的，因此搞清楚單播通訊的安全性是基于這些參與者（每位被授權的參與者），此外"單播通訊之間的"信任"必須建立在每一個(gè)參與者的"可信任"之上，也必須建立在數據的"可信任"上。

　　組播的范圍有隨意性，它含蓋了不同集合的參與者，有的可能還不知道這些參與者是否具有資格。（這是它的特點(diǎn)，而不是BUG），因此組播的安全性不能依賴(lài)其參與者，而應該是依賴(lài)數據。特別是組播通訊是通過(guò)對包數據授權而進(jìn)行授權的，例如使用數字簽名--這種數據是專(zhuān)門(mén)加過(guò)密的，所以組播間的信任是通過(guò)這些數據的神圣的信任關(guān)系來(lái)建立的。

　　為了處理組播安全問(wèn)題，防火墻應該做三件事情：

　　* 支持所選擇的組播安全策略。（這個(gè)策略建立了正在等候的準備轉發(fā)的特殊的組播群），組播策略是由特殊的一組受允許通過(guò)防火墻轉發(fā)的組播群（和相應的UDP口）組成的安全集合。

　　* 動(dòng)態(tài)地作出決定何時(shí)需要轉發(fā)每一個(gè)侯選組。組播組是動(dòng)態(tài)變化的，只有確定有必要轉發(fā)時(shí)它才會(huì )轉發(fā)。

　　* 通過(guò)防火墻轉發(fā)每一個(gè)侯選組的數據。　用來(lái)轉發(fā)侯選組播包的實(shí)際機制將有賴(lài)于防火墻的實(shí)質(zhì)，普通的防火墻設置使用兩個(gè)站點(diǎn)：intranet的部分，外部internet部分。這種情況下，組播包可在兩節點(diǎn)間使用管道協(xié)議轉發(fā)（再到另一側重新組播）。

四、總結

　　本文對組播技術(shù)做了全面的介紹，并對組播技術(shù)在實(shí)際的應用系統應解決的問(wèn)題組播地址、網(wǎng)絡(luò )設置、防火墻進(jìn)行了深入的闡述。

計算機世界網(wǎng) 2002/01/30