組播技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

呂秋云 2002/01/30

一、引言

1.1、 問題的引出

　　近年來，隨著網(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(shù)據(jù)，進(jìn)而各種媒體的融合使得網(wǎng)絡(luò)多媒體運(yùn)用層出不窮。目前，在Internet上產(chǎn)生了許多新的應(yīng)用，其中不少是高帶寬的多媒體應(yīng)用，譬如網(wǎng)絡(luò)視頻會議 (可視化IP電話會議系統(tǒng))、網(wǎng)絡(luò)音頻/視頻廣播、多媒體遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程會診，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最初是為數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計的，是典型的點(diǎn)點(diǎn)通信模式，是為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸而設(shè)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(fù)載，帶來網(wǎng)絡(luò)延時。這就帶來了帶寬的急劇消耗和網(wǎng)絡(luò)擁擠問題。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(jié)構(gòu)，IP組播技術(shù)等等，其中，IP組播技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)越性——在組播網(wǎng)絡(luò)中，即使用戶數(shù)量成倍增長，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(shè)一個企業(yè)分布于各地的子公司（兩個以上）之間需要通過Internet進(jìn)行實(shí)時的交換信息(數(shù)據(jù)，聲音，圖像)，他們的計算機(jī)可能不屬于同一物理網(wǎng)絡(luò)，甚至不屬于同一自治系統(tǒng)，這種通信的特點(diǎn)是“多點(diǎn)”式的。子公司發(fā)出的數(shù)據(jù)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(yīng)收到。這種多點(diǎn)通信方式為組內(nèi)廣播，即組播技術(shù)，也稱多播技術(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)之前先來看看TCP/IP傳送方式。TCP/IP傳送方式有三種：單播，廣播，組播。

　　單播（Unicast）傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間需要單獨(dú)的數(shù)據(jù)信道。 如果一臺主機(jī)同時給很少量的接收者傳輸數(shù)據(jù)，一般沒有什么問題。但如果有大量主機(jī)希望獲得數(shù)據(jù)包的同一份拷貝時卻很難實(shí)現(xiàn)。 這將導(dǎo)致發(fā)送者負(fù)擔(dān)沉重、延遲長、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(shù)據(jù)傳送效率。減少了主干網(wǎng)出現(xiàn)擁塞的可能性。組播組中的主機(jī)可以是在同一個物理網(wǎng)絡(luò)， 也可以來自不同的物理網(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(nèi)廣播數(shù)據(jù)包，所有在子網(wǎng)內(nèi)部的主機(jī)都將收到這些數(shù)據(jù)包。 廣播意味著網(wǎng)絡(luò)向子網(wǎng)主機(jī)都投遞一份數(shù)據(jù)包，不論這些主機(jī)是否樂于接收該數(shù)據(jù)包。然而廣播的使用范圍非常小， 只在本地子網(wǎng)內(nèi)有效，因為路由器會封鎖廣播通信。廣播傳輸增加非接收者的開銷。

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或多個發(fā)送者（組播源）發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包到多個接收者（一次的，同時的）的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 組播源把數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包。組播可以大大的節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬， 因為無論有多少個目標(biāo)地址，在整個網(wǎng)絡(luò)的任何一條鏈路上只傳送單一的數(shù)據(jù)包。 它提高了數(shù)據(jù)傳送效率。減少了主干網(wǎng)出現(xiàn)擁塞的可能性。組播組中的主機(jī)可以是在同一個物理網(wǎng)絡(luò)， 也可以來自不同的物理網(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(xiàn)組播技術(shù)的前提條件

　　實(shí)現(xiàn)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(jī)的TCP/IP實(shí)現(xiàn)支持發(fā)送和接收IP組播；

　　* 主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口支持組播；

　　* 有一套用于加入、離開、查詢的組管理協(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(yīng)用軟件；

　　* 所有介于組播源和接收者之間的路由器、集線器、交換機(jī)、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IP組播地址和一個Ethernet組播地址。其中，IP組播地址標(biāo)識一個組播組。 由于所有IP數(shù)據(jù)包都封裝在Ethernet幀中，所以還需要一個組播Ethernet地址。為使組播正常工作， 主機(jī)應(yīng)能同時接收單播和組播數(shù)據(jù)，這意味著主機(jī)需要多個IP和Ethernet地址。 IP地址方案專門為組播劃出一個地址范圍，在IPv4中為D類地址，范圍是224.0.0.0到239.255.255.255， 并將D類地址劃分為局部鏈接組播地址、預(yù)留組播地址、管理權(quán)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(zhuǎn)發(fā)屬于此范圍的IP包；

　　預(yù)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(quán)限地址：239.0.0.0～239.255.255.255，組織內(nèi)部使用，用于限制組播范圍；

　　D類地址的最后28比特沒有結(jié)構(gòu)化，即沒有網(wǎng)絡(luò)ID和主機(jī)ID之分。響應(yīng)某一個IP多播地址的主機(jī)構(gòu)成一個主機(jī)組，主機(jī)組可跨越多個網(wǎng)絡(luò)。主機(jī)組的成員數(shù)是動態(tài)的，主機(jī)可以通過IGMP協(xié)議加入或離開某個主機(jī)組。IP多播地址影射到以太網(wǎng)地址的方法見下圖。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IP多播地址影射到一個以太網(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(jī)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查詢本地子網(wǎng)中是否有屬于某個組播組的主機(jī)。

　　* 加入組播組

　　當(dāng)某個主機(jī)加入某一個組播組時，它通過“成員資格報告”消息通知它所在的IP子網(wǎng)的組播路由器，同時將自己的IP模塊做相應(yīng)的準(zhǔn)備， 以便開始接收來自該組播組傳來的數(shù)據(jù)。如果這臺主機(jī)是它所在的IP子網(wǎng)中第一臺加入該組播組的主機(jī)， 通過路由信息的交換，組播路由器加入組播分布樹。

　　* 退出組播組

　　在IGMP v1中，當(dāng)主機(jī)離開某一個組播組時，它將自行退出。組播路由器定時(如120秒) 使用“成員資格查詢” 消息向IP子網(wǎng)中的所有主機(jī)的組地址（224.0.0.1）查詢，如果某一組播組在IP子網(wǎng)中已經(jīng)沒有任何成員， 那么組播路由器在確認(rèn)這一事件后， 將不再在子網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)該組播組的數(shù)據(jù)。與此同時，通過路由信息交換， 從特定的組播組分布樹中刪除相應(yīng)的組播路由器。 這種不通知任何人而悄悄離開的方法， 使得組播路由器知道IP子網(wǎng)中已經(jīng)沒有任何成員的事件延時了一段時間，所以在IGMP v2.0中，當(dāng)每一個主機(jī)離開某一個組播組時， 需要通知子網(wǎng)組播路由器，組播路由器立即向IP子網(wǎng)中的所有組播組詢問，從而減少了系統(tǒng)處理停止組播的延時。

　　* 組播路由協(xié)議

　　要想在一個實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)組播數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，必須在各個互連設(shè)備上運(yùn)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：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(kuò)展而來，兩者都使用距離向量算法得到網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅲ煌幵谟赗IP根據(jù)路由表前向轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)， 而DVMRP則是基于RPF。為了使新加入的組播成員能及時收到組播數(shù)據(jù)，DVMPR采用定時發(fā)送數(shù)據(jù)包給所有的LAN的方法， 然而這種方法導(dǎo)致大量路由控制數(shù)據(jù)包的擴(kuò)散，這部分開銷限制了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大。另一方面，DVMRP使用跳數(shù)作為計量尺度， 其上限為32跳，這對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也是一個限制。目前提出了分層DVMRP，即對組播網(wǎng)絡(luò)劃分區(qū)域， 在區(qū)域內(nèi)的組播可以按照任何協(xié)議進(jìn)行，而對于跨區(qū)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銷。

　　* 開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(kuò)展。同OSPF類似，MOSPF定義了三種級別的路由：

　　a、 OSPF區(qū)域內(nèi)組播路由：用于了解各網(wǎng)段中的組播成員，構(gòu)造（源網(wǎng)絡(luò)S，組G）對的SPT；

　　b、 MOSPF區(qū)域間組播路由：用于匯總區(qū)域內(nèi)成員關(guān)系，并在自治系統(tǒng)（AS）主干網(wǎng)（區(qū)域0）上發(fā)布組成員關(guān)系記錄通告，實(shí)現(xiàn)區(qū)域間組播包的轉(zhuǎn)發(fā)。

　　c、 OSPF AS 間組播路由：用于跨AS的組播包轉(zhuǎn)發(fā)。

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

　　PIM由IDMR（域間組播路由）工作組設(shè)計，顧名思義，PIM不依賴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(hù)一個分離的組播路由表實(shí)現(xiàn)組播轉(zhuǎn)發(fā)。 由于PIM無需收發(fā)組播路由更新，所以與其它組播協(xié)議相比，PIM開銷降低了許多。 PIM的設(shè)計出發(fā)點(diǎn)是在Internet范圍內(nèi)同時支持SPT和共享樹，并使兩者之間靈活轉(zhuǎn)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）。

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

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

三、組播技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化Ip電話會議系統(tǒng)

　　上面討論了組播技術(shù)的各個技術(shù)細(xì)節(jié)，下面我們以多媒體應(yīng)用可視化Ip電話會議系統(tǒng)為例來探討組播技術(shù)在應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

　　可視化Ip電話會議系統(tǒng): 是利用計算機(jī)，多媒體通信技術(shù)和設(shè)備，通過傳輸信道在兩地或多個地點(diǎn)之間開會的一種通信手段。在召開會議時，處于兩地或不同地點(diǎn)的與會代表，既可以聽到對方的聲音，又可以看到對方的形象，同時還能看到對方會議室的場景，以及在會議中展示的事物、圖片、表格、文件等，縮短了與會代表的距離，使大家好像在同一會議室參加會議一樣。它的廣泛應(yīng)用必然產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如下：

　　會議的組織，召開，管理由主會場來完成。因此，主會場的視頻，聲音，通知，指示，下達(dá)的文件資料各分會場都應(yīng)該收到。當(dāng)某分會場發(fā)言時，其視頻，聲音同樣要傳送給其他會場。（如下圖所示）上述所有動作的完成依賴組播技術(shù)。通過組播技術(shù)把主會場的各種數(shù)據(jù)發(fā)送到參加會議的分會場中，而且把發(fā)言分會場的視音頻數(shù)據(jù)發(fā)送給其他會場：即主會場和發(fā)言分會場的各種數(shù)據(jù)只要在網(wǎng)上發(fā)送一次，其他會場都將收到此數(shù)據(jù)，（這就是有別于點(diǎn)對點(diǎn)通信方式的地方）而與這兩個會場在同一網(wǎng)段卻不參加會議的非成員不會收到數(shù)據(jù)（只要設(shè)備支持，這也是有別于廣播的地方）。因此，當(dāng)會議成員增加時，不會產(chǎn)生信息傳輸量劇增，帶來無法忍受的網(wǎng)絡(luò)延時和抖動。

　　根據(jù)上面對組播技術(shù)的討論我們可以得出要實(shí)現(xiàn)可視化IP電話會議必須解決如下幾個方面問題:

3.1、組播地址

　　根據(jù)上面的討論我們知道應(yīng)用系統(tǒng)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(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)如何使用組播地址呢？有兩種方法使用組播地址：靜態(tài)設(shè)置，動態(tài)獲取。

　　* 靜態(tài)獲取：

　　在會議系統(tǒng)中設(shè)置好組播地址,以后永遠(yuǎn)不變。這種方式雖然比較簡單，在目前會議系統(tǒng)使用不多時沒有問題，但是如果有兩個此類會議系統(tǒng)運(yùn)行，或使用相同組播地址的不同系統(tǒng)運(yùn)行（由于沒有統(tǒng)一管理組播地址，開發(fā)商互相不知道），那就會出現(xiàn)無法解決的沖突。因為本應(yīng)屬于兩個不同的組卻由于使用相同的組播地址而合為一組。這對于將來會議系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用是不可行的。

　　* 動態(tài)獲�。�

　　會議系統(tǒng)用到的組播地址是不定的，只在運(yùn)行時臨時確定。動態(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(dǎo)方式取得，采用Internet組播地址動態(tài)分配體系結(jié)構(gòu)（RFC2908）。

　　通告方式獲�。寒�(dāng)會議系統(tǒng)建立時，先偵聽10-20分鐘左右，以確定當(dāng)前已使用的組播地址，防止沖突。

　　算法推導(dǎo)：根據(jù)本地的特殊條件，通過一定的算法，求出當(dāng)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題。雖然比較復(fù)雜，也較耗費(fèi)資源，但是有利于將來的多媒體應(yīng)用的擴(kuò)展。

3.2、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置：

　　由于我們以前的Internet應(yīng)用大多集中于數(shù)據(jù)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。但隨著多媒體應(yīng)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，這也是會議系統(tǒng)得以運(yùn)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、集線器、交換機(jī)、TCP/IP棧、防火墻均需支持組播。

　　在路由器上要安裝相應(yīng)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組播地址動態(tài)分配體系結(jié)構(gòu)，還應(yīng)配置相應(yīng)的組播地址分配服務(wù)器。

　　目前絕大多數(shù)集線器、交換機(jī)只是簡單的把組播數(shù)據(jù)當(dāng)成廣播來發(fā)送接收。

　　假設(shè)某網(wǎng)段某一成員參加會議（采用會議系統(tǒng)），則處于同一網(wǎng)段（由交換機(jī)、集線器連接）的其他非會議成員其實(shí)都可收到多媒體流。這樣，非會議成員的真正可使用帶寬將急劇下降；如果有多個類似的會議系統(tǒng)（組）同時存在，那么將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，直至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。同時，由于數(shù)據(jù)流被廣播，很可能會被其他非法成員利用，造成安全隱患。因此，在當(dāng)今流行的用交換機(jī)組建園區(qū)網(wǎng)，小區(qū)網(wǎng)、專用局網(wǎng)Intranet的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮到將來多媒體應(yīng)用發(fā)展將會帶來的安全問題和帶寬問題。

3.3、防火墻：

　　可視化IP電話會議系統(tǒng)運(yùn)行在Internet上，我們必須要考慮防火墻的問題。由于目前病毒泛濫，為了保護(hù)自身的安全，許多機(jī)構(gòu)用一臺防火墻計算機(jī)作為在公用互聯(lián)網(wǎng)和本機(jī)構(gòu)的專用網(wǎng)，即內(nèi)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設(shè)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話的形式組成的，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(quán)的參與者），此外"單播通訊之間的"信任"必須建立在每一個參與者的"可信任"之上，也必須建立在數(shù)據(jù)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其參與者，而應(yīng)該是依賴數(shù)據(jù)。特別是組播通訊是通過對包數(shù)據(jù)授權(quán)而進(jìn)行授權(quán)的，例如使用數(shù)字簽名--這種數(shù)據(jù)是專門加過密的，所以組播間的信任是通過這些數(shù)據(jù)的神圣的信任關(guān)系來建立的。

　　為了處理組播安全問題，防火墻應(yīng)該做三件事情：

　　* 支持所選擇的組播安全策略。（這個策略建立了正在等候的準(zhǔn)備轉(zhuǎn)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防火墻轉(zhuǎn)發(fā)的組播群（和相應(yīng)的UDP口）組成的安全集合。

　　* 動態(tài)地作出決定何時需要轉(zhuǎn)發(fā)每一個侯選組。組播組是動態(tài)變化的，只有確定有必要轉(zhuǎn)發(fā)時它才會轉(zhuǎn)發(fā)。

　　* 通過防火墻轉(zhuǎn)發(fā)每一個侯選組的數(shù)據(jù)�！∮脕磙D(zhuǎn)發(fā)侯選組播包的實(shí)際機(jī)制將有賴于防火墻的實(shí)質(zhì)，普通的防火墻設(shè)置使用兩個站點(diǎn)：intranet的部分，外部internet部分。這種情況下，組播包可在兩節(jié)點(diǎn)間使用管道協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)（再到另一側(cè)重新組播）。

四、總結(jié)

　　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(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)解決的問題組播地址、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、防火墻進(jìn)行了深入的闡述。

計算機(jī)世界網(wǎng) 2002/01/30