IP網絡組播技術的新發展

2019-11-03 09:05:38

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供稿：網友

蔣東星鄭少仁

南京通信工程學院ATM中心

　　摘要本文綜述了ip網絡中組播實現體制和技術的新發展。首先，對在IP層實現組播的體系結構——IP組播進行了深入的探討，分析、比較了IP組播兩種業務模型――標準業務模型和確定源節點業務模型，討論了IP組播存在的問題和發展趨勢。接著，對應用層實現組播的體系結構進行了討論，描述了應用層組播體制的主要功能和機制，對主要的幾個應用層組播方案進行了比較，探討了應用層組播體制的優缺點。最后對未來Internet中組播業務的實現提出了一些看法。

　　關鍵詞 Internet 組播業務 IP組播疊加網應用層組播

1 前言

　　組播(multicast)是一到多或者多到多的多方通信形式，遠程會議、交互式仿真、分布式內容系統、多方游戲等應用都對組播業務(multicast service)提出了需求。在OSI模型的網絡層或者應用層實現業務是目前組播業務的兩種實現體制，本文對這兩種體制的體系結構進行了討論，對兩種體系結構的發展及其對IP網絡體系結構的影響提出了一些看法。

2 IP組播的歷史、現狀及困境

　　1988年Deering提出了將組播的功能機制增加到數據網IP層的組播實現體系結構，這種體系結構稱為 IP組播(IP multicast)。IETF RFC1112對IP組播的業務提供的方式和形式進行了描述和定義，被看成是IP組播的標準業務模型的定義。

　　標準IP組播業務模型定義了主機和路由器IP層應有的功能機制和上層所看到的組播業務的形式。主機組(host group)是IP組播概念的核心，多個主機組成主機組，用一個IP組播地址標識，以組地址為目的地址的組播數據以IP數據報的best-effort方式轉發到主機組的各個主機。組播路由器承擔組播數據的尋路和轉發控制功能，這些路由器及鏈路在網絡中形成了一個控制組播數據傳送的邏輯結構，稱為組播轉發結構(delivery structure)，這種結構一般是樹形的結構，稱為轉發樹，在轉發樹上的組播路由器接收、復制、轉發組播數據。

　　歷經20多年的研究和發展，IP組播已經形成了較為完整的組播協議體系，包括組播主機和網絡的交互協議、組播路由協議、組播的地址管理協議等。

　　組播路由協議是IP組播協議體系中最核心的功能。IP組播路由協議的發展分成域內(intra-domain)和域間(inter-domain)兩個階段：最初的IP組播路由協議將網絡看成沒有層次結構的平面網絡，組播路由算法采用廣播方式交互協議消息，因而只能應用在IP網絡的路由自治域內，稱為域內路由協議；域間路由協議的出現是為了解決在大型的、分層的IP網絡中組播路由問題，大型IP網絡采用自治域結構形式組織網絡，域間路由協議解決了分層結構網絡的組播路由問題。

　　1992年IP組播實驗網——Mbone建立，從1992～1997年，IP組播的協議標準和部署方法在Mbone中進行研究實驗。1997年以后，分層結構網絡域間組播路由的標準化成為IP組播研究的主要領域，域間路由協議體系的部署實驗開始在Internet 2的兩個骨干網（vBNS, Abilene）中進行，從1999年中開始采用MBGP/MSDP[1,2]和PIM-SM[3]協議體系實現域間組播路由。

　　目前絕大多數面向內部網絡的路由器都實現了PIM-SM組播路由協議和IGMP協議，具有支持組播業務的能力。在一些內部網絡中，IP組播業務已經得到一些應用，比如基于IP組播建立的視頻傳輸系統可以有效地支持大規模的接收終端，但是由于對組播業務的管理還缺乏有效的解決方案，路由器的組播功能往往沒有開放。

　　隨著對IP網絡組播研究的深入，業界普遍認識到僅僅依靠標準組播業務模型無法很好地支持所有的組播應用，而大量的、可以預見的組播應用是源節點確定的應用，由此提出了采用單源組播業務模型支持單源組播應用的思想，IETF提出的 SSM（source specified multicast）[4]體系結構是基于單源組播思想的，SSM采用了嚴格的一到多業務模型。

　　SSM業務模型引入了組播通道的概念，組播通道（組播源地址，組播組）是二元組，組播源地址是唯一可以發送組播數據的源主機的IP地址，組播組是一個SSM組播地址，組播通道是組播路由器轉發組播數據報使用的信息。

　　與標準組播業務模型相比較，SSM業務模型具有以下的優點：SSM模型提供了組播接入的限制機制；組播源節點確定，路由協議實現簡化；組播組的管理由源節點管理和協調，不需要全網絡的組地址管理機制。

　　SSM業務模型提出后，迅速得到了學術界、工業界的重視和支持，實現SSM業務的協議體系研究進入了一個快速發展時期，提出了PIM-SSM和IGMPv3草案，PIM-SSM是支持SSM業務模型的組播路由協議，IGMPv3草案支持SSM業務模型。

　　從因特網中IP組播的應用現狀看，盡管經過了20多年的發展，IP組播并沒有取得預期的成功。一方面，因特網中的網絡極少開放IP組播業務，至今還沒有全因特網范圍的組播業務；另一方面，基于IP組播的上層應用也屈指可數，相對于WWW等新的體系結構，IP組播的發展非常緩慢。

　　從因特網發展的過程和IP網絡的體系結構看，阻礙IP組播業務發展的主要因素為：

　　IP組播體系結構缺乏可擴展性。路由器需要為每個活動的組維護路由狀態信息，而且這些組播地址不能聚合，網絡中大量的活動組將需要路由器巨大的存儲和處理開銷。此外，組播組成員的動態使網絡必須動態維護路由狀態，更增加了組播路由器的處理開銷。

　　開放的IP組播模型在開放的因特網環境中難以支持有效的管理和控制機制。標準的IP組播業務模型是一種any source、any receiver的開放模型，任何節點都可以創建組，可以向組發送數據，節點可以加入任何感興趣的組接收數據，發送節點不知道具體的單個接收節點，接收節點也不需要知道發送數據的節點。在這種模型下，接入控制、組管理、組地址的協調機制一直沒有有效的解決方案.

　　IP組播還沒有清晰的商業費用模型，網絡運營商之間有不同的利益取向。目前骨干網運營商以帶寬使用獲得收益，對承載的是IP單播業務還是IP組播業務沒有必要區分，也就沒有動力在路由器中增加對IP組播的支持。

3 應用層組播

　　面對IP組播業務在因特網中的困境，一些研究者開始反思IP組播體系結構本身的問題，提出將復雜的組播功能放在端系統實現的新思想。端系統實現組播業務的思想是將組播作為一種疊加的業務，實現為應用層的服務，因此，端系統組播又稱為應用層組播(application layer multicast)。圖1顯示了應用層組播在IP體系結構中所處的位置。應用層組播網的節點是組播成員主機，數據路由、復制、轉發功能都由成員主機完成，成員主機之間建立一個疊加在IP網絡之上的、實現組播業務邏輯的功能性網絡，稱為疊加網（overlay network），主機基于自組織算法建立和維護疊加網。圖2示意了應用層組播的基本思想及其與IP組播的差別，IP組播的數據沿著物理鏈路復制和轉發，而應用層組播的數據則在主機實現復制和轉發，數據報沿著邏輯鏈路轉發，多跳邏輯鏈路可能經過同一條物理鏈路。

　　自組織算法是端系統組網的核心功能和機制，自組織算法的主要功能包括：周期性地交換節點狀態信息，通報組成員狀態；周期性地收集網絡邏輯連接的帶寬、時延等動態參數；動態地調整疊加網拓撲。

　　直觀上，端系統實現組播功能可以避開網絡層實現組播功能的許多難題：一是應用層組播的狀態在主機系統中維護，不需要路由器保持組的狀態，解決了業務的擴展性問題，網絡可以支持大量的組播組。二是組播應用可以隨時部署，不需要網絡設備的升級和功能擴展。三是可以簡化組播的控制、可靠等功能的實現，建立在網絡連接之上的應用層組播可以使用TCP、UDP服務，如可以利用TCP的可靠和擁塞控制簡化組播的可靠和擁塞控制。

　　當然，應用層組播也有許多局限：一是端系統對IP網絡的了解有限，節點參與組網時，只能通過探測獲得一些網絡性能參數，選取的邏輯鏈路難以優化；二是主機不了解IP網絡的拓撲結構，只能通過帶寬和時延等外在的特性參數，以啟發式的方式建立疊加網，邏輯鏈路不能較好地利用質量較好的底層網絡資源，疊加網的多條鏈路可能經過同一條物理鏈路。

4 應用層組播的研究現狀和進展

　　應用層組播思想提出后的短短幾年內，多個研究機構開展了應用層組播體系結構的研究項目，如：ESM(end system multicast)[5]、YOID[6]、Scattercast[7]、Overcast[8]、ALMI[9]、HM（host multicast）[10]等，我們首先對這幾個項目進行簡單的介紹，然后做一個比較。

（1）ESM

　　ESM是CMU(卡耐基·梅隆大學)開展的一個端系統組播研究項目，是目前為止最成功的一個項目。2000年，ESM的研究表明，在端系統中實現組播功能的體系結構是可行的，可以支持組成員在幾百范圍內、分布稀疏的、較小規模的多方通信。2001年，通過在因特網中實際運行基于ESM的視頻會議，驗證了ESM采用的自組織協議可以在動態的、異構的因特網中支持較小規模的視頻應用。

　　Narada是ESM的組網協議。Narada協議首先在組播成員之間建立一個網狀的疊加網, 然后在疊加網上運行組播路由協議，建立一棵組播轉發樹。通過動態探測網絡狀態，Narada動態地對疊加網進行維護和改良。

（2）YOID

　　YOID是ACIRI(AT&T Center for Internet Research at ICSI) 研究中心在2000年提出的,基于應用層組播的一整套內容分發的解決方案，包括了應用層組播之上的可靠、安全、擁塞控制等機制。YMTP(YOID multicast tree PRotocol)是YOID體系的核心，是一種自組織的拓撲管理協議，將主機組織成網狀網和共享的組播轉發樹。

（3）Scattercast

　　2000年，Berkeley大學的Y.Chawache在其博士論文中提出了Scattercast的體系結構。這是一種基于應用層組播實現因特網大規模廣播業務的體系結構。其思想是在因特網中部署支持廣播業務的服務器，稱為Scattercast Proxy節點，應用層組播將這些服務器組織成一個因特網廣播業務的支撐網，支持用戶規模巨大的Internet 廣播和軟件分發應用。Scattercast體系結構包括應用層組播機制、應用層組播之上的傳輸層機制以及內容請求的實現機制。Gossamer是Scattercast體系結構的自組織組網協議。

（4）Overcast

　　Overcast是在Cisco公司支持下開展的一個研究項目，是解決因特網內容分布的一個體系結構，實現可靠的組播業務。通過在網絡中戰略性地部署Overcast節點，然后由應用層組播機制將該節點組成一個骨干轉發網絡，能夠以可靠的方式實現內容的分發。Overcast和Scattercast思想類似，采用在網絡邊界部署應用層組播節點組成一個業務網絡的策略，兩者在實現應用層組網的機制不同，并且Overcast側重于實現組播數據的可靠分發。

（5）ALMI

　　ALMI是美國華盛頓大學St.Louis分校計算機系從2000年開始進行的研究項目，提出了將應用層組播作為端系統基礎服務功能的體系結構。ALMI設計了在操作系統的套接口(socket)之上，以中間件(middleware)的形式向上層應用提供組播服務的結構，中間件實現自組織組網、組播復制和轉發功能，在組播成員節點之間組成一個應用層組播網。ALMI研究組以java代碼實現了中間件的原型。

　　ALMI的自組織協議在組成員節點之間建立和維護一棵共享的最小代價生成樹(minimum spanning tree)，支持組規模較小的多方通信。ALMI可以針對上層的應用需求構建不同性能的疊加網。

（6）HM

　　美國密西根大學電子工程與計算機科學系2000年開始的端主機系統組播(end-host multicast)項目提出了host-multicast體系結構。

　　HM的基本思想是通過應用層組播來橋接IP組播，連接分布在因特網中多個IP組播島中的組成員，實現IP組播跨越因特網的數據分發。

　　同一個網的IP組播組成員選舉一個成員作為代理，代理節點之間通過應用層組播機制建立一個連接各個IP組播網的骨干網，橋接進出網絡的IP組播數據。HM框架的其它部分包括網絡服務的獲取、IP組播地址的轉換等實現IP組播橋接的功能體系。

從各種方案面向的上層應用、支持的組規模、組網時考慮連接的參數等幾個方面對以上方案進行了比較，如表1所示。

　　在已經提出的各種應用層組播體系結構中，除了HM之外，其它的方案都面向特定的上層應用。此外，在因特網中，一些內容服務供應商采用的分布式內容服務系統實際也采用了應用層組播技術，將內容服務器通過應用層組播連接成一個分布式的系統。

5 對應用層組播發展的一些看法

　　當前，應用層組播的研究還處于起步階段。目前的各種應用層組播體系結構是某種應用的解決方案，這些體系結構支持的應用不同，組網協議的性能側重點不同。

　　如果針對多種不同特點的組播應用，在網絡中部署多種不同的應用層組播協議，那么將來的主機中需要實現多種應用層組播協議。因此我們認為，建立一個可以復用、可靈活配置的支持多種業務的應用層組播服務層將是一個主要的發展方向。

從目前的研究成果看，以中間件的形式實現應用層組播業務是一種可行的結構。我們認為，通過定義應用層組播業務模型，明確應用層組播的各個功能機制并建立一個標準化的框架，可以建立一個以中間件形式存在的、標準的、可配置和復用的、靈活的應用層組播基礎設施。

6 結束語

　　根據對IP組播體系結構局限性的分析，我們認為，IP組播在公眾網中部署的前景并不樂觀。當然，IP組播作為一種很高效率的組通信實現體系結構，可以在專用網絡中廣泛應用，或者作為公眾網絡中一種受限的業務提供給特定的用戶。在IP組播體系結構進一步發展和完善后，可以在公眾網絡中針對特定用戶開放IP組播業務。

　　目前網絡發展的總體趨勢是：網絡業務多層次實現，骨干網業務簡單高速。核心網只提供單一的IP單播業務，而其它在網絡核心中難以實現的功能遷移到網絡的邊緣或者網絡端系統，是保持IP網絡核心簡單高效的根本。疊加網層將成為未來網絡體系結構中一個重要的業務實現層次，而將來的網絡也將有可能通過提供某些基本的業務，比如向上層提供組成邏輯鏈路的物理鏈路信息或者網絡的拓撲信息，專門支持疊加網業務的實現。隨著應用層組播研究的深入，最終將通過疊加網層實現一個功能強大的，支持多種組播應用的組播業務。

----《電信科學》