组播技术发展研究

    赵建立++陈建伟

    摘 要：随着电子商务、网络会议、视频点播等网络应用的不断发展，网络中交互的各种数据、语音和视频信息越来越多，组播技术很好地满足了上述需求。文章叙述了组播协议的产生和发展过程，并对现行的关键技术进行了介绍。

    关键词：组播；语音；视频；网络应用

    1 组播技术的概念

    当今流行的网络协议为传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）/ 网络协议（Internet Protocol，IP），其对开放式系统互联（Open System Interconnection，OSI）协议模型进行了改进，最大的成功之处就在于简洁实用。人们应用最多的是点对点的单播通信模式，即数据包从一个源点发送到一个目的节点，与之对应的，报文从源节点发出，经过网络发送到一组接收者，称之为组播。

    20世纪80年代初，斯坦福大学的一个博士生为他的导师设计分布式系统，在研究独立计算机之间的通信问题时发现，独立计算机最开始处于同一个网段中，通过二层组播进行通信。随着工作的深入研究，计算机需要跨越不同的网段进行通信，研究不得不设法在网络层解决通信问题。通过对开放式最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）协议和路由信息协议（Routing Information Protocol，RIP）的研究，发现可以把OSPF协议进行扩充，经过一系列的改进，组播扩展（Multicast OSPF，MOSPF）和距离组播适量协议（Distance Vector Multicast Routing Protocol，DVMRP）誕生了，再经过几个版本的修订最终成为Internet组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）。这些研究成果是组播技术的基础框架。

    2 组播技术的基本特点及相关术语

    IP传播分为3种方式，即单播、组播和多播。单播方式即点到点传播，数据包使用单播地址发送到目的地，N个接收者需要源发送N份报文，并且为每份报文建立单独的通道。单播传播的缺点为当用户的数量增加时，网络中将出现多份相同信息流，到每一个接收者，对处理器资源和带宽都是很大的浪费，如图1所示。

    广播方式即数据包使用广播地址发送，报文被复制成多份发送到各个网段，不管接收者是否有需求，报文都会到达网络中的每个用户，如图2所示。广播方式的缺点是极大地浪费了网络带宽，适合用户密集的网络。

    组播又称为多播，是指IP数据从一个或者一组源发出，被转发到一组特定的接收者。单播是点对点的转发数据，有多少接收者就需要由源发送多少数据，广播是不论接收者是否接收数据，源都要在整个网段进行转发，而组播的传输方式介于单播和广播之间，其既不指定接收者，也不将数据发送到网络的所有用户，如图3所示。发送者不需要知道接收者的位置，只需要将数据发送到指定的组播地址，由网络层完成余下的工作。组播的优势在于发送者只发送一份数据，并且发送者不必对接收者的信息进行维护。

    理解组播技术，需要了解一下几个基本概念。

    最短路径树（Shortest Path Tree，SPT）：也叫源树，是指报文从源到接收者所经过的路径为最短路径。最短路径对于不同的网络层协议也不同，因为不同的网络层协议有不同的管理距离和度量值，所以这个最短在不同的路由协议下意义也不同。

    共享树（Rendezvous Point Tree，RPT）：指来自不同的源地址，首先汇聚到称为汇聚点的树根，由汇聚点在发送到接收者，共享树的特点是不同的源共享汇聚点到接收者这段路径，节约了带宽。

    反向路径转发（Reverse-Path Forwarding，RPF）：路由器针在单播路由表中查找组播报文源地址的路由，如果该路由的出口就是组播报文的入接口，则RPF检查成功。该接口成为RPF接口。RPF检查的目的是防止组播报文环路。对于最短路径树和共享树检查的地址有所不同，最短路径树检查的地址是组播源的地址，而共享树检查的地址是汇聚点的地址。

    组播路由表：和单播路由表类似，组播路由表用于组播数据的转发。由于组播转发策略比较复杂，所以组播路由表包含的信息比单播路由表多，如：源地址、组地址、入接口、出接口列表等信息。

    3 组播技术的发展历程

    3.1 组播架构的形成

    1985年9月，Steve与其导师提出了支持IP组播的扩展模型，明确了Internet 组管理协（Internet Group Management Protocol，IGMP）概念。12月，Steve将此概念提交给了IETF，而后经过两次更新该组播模型，重新定义了IGMP的报文类型。IGMP模型只定义了一个IP网段内IP主机如何接收和发送组播报文，而组播报文跨越不同网段的转发没有定义，此方面的工作已经被独立为组播路由技术。1989年8月，RFC1112作为IGMPv1的规范被广泛接受，这是组播发展历程中的一个重要里程碑。

    3.2 组播路由技术的发展

    1992年，研究者对OSPF协议进行了扩充以支持IP组播，又过了两年，MOSPF协议被研究出来，并被定义为标准化。该文档描述了对OSPF版本2的扩展，通过增加新的链路状态广播（Link-State Advertisement，LSA）支持SPF算法。

    1993年，研究者提出了基于核心树的组播路由协议技术，该技术不再基于源在网络中构建最短路径树，而是创建一个虚拟的汇聚节点，到相同目的地组地址的数据包流向汇聚节点，再由汇聚节点转发到最终用户。

    随着组播路由协议的不断发展，研究者提出了一种与单播路由协议无关的组播协议—域间组播路由（Protocol Independent Multicast，PIM）。该协议非常明确地指出与网络层运行何种路由协议无关，PIM只关心接收者和组播源的相关信息，不需要对网络层的路由信息进行维护，不仅降低了路由的复杂性，而且减小了设备资源。在研发PIM的过程中参考了以前的组播技术和转发方式，将组播分为密集模式（Dense Mode，DM）和稀疏模式（Sparse Mode，SM）。密集模式采用推送的方式，在网络中周期性地进行泛洪和剪枝，而稀疏模式是在网络中创建一个汇聚节点，组播源向汇聚节点注册，通过最短路径树传送流量，接收者通过直连路由器向汇聚节点加入，利用共享树转发组播流量。

    PIM-DM和PIM-SM技术的成功，使得以前的技术基本被淘汰。但是PIM仍然是一个区域内的技术，而域间组播协议解决了组播源和接收者不在同一个区域的情况，该协议通过策略控制对源的信息进行发布，也可以应用在域内满足某些特殊的需求。MSDP的应用场景中一般都会有PIM-DM和PIM-SM。

    1997年，随着RFC2236被IETF批准，IGMPv2标准形成了，IGMPv2版本对IGMPv1版本进行了兼容，并且对IGMPv1的版本进行了改进，例如增加了主机离开的消息报文，当主机离开时，会发送离开消息报文，对响应时间进行了改进，并且还可以对指定组进行查询。

    伴随着IPv6技术的发展，在制定IPv6地址体系标准的同时，对IPv6协议的主机组播协议也进行了相应的升级，用MLDv1协议取代了IGMPv2协议，MLDv1协议加入到了组播协议。

    3.3 指定源组播和IGMPv3协议

    随着对组播协议的研究，一种新型的服务模型被提出，这种模型被称为源特定组播（Source Specific Multicast，SSM），而老的模型被称为ASM。模型SSM可以同时对特定源和目的组提供服务，由于应用层通常需要组播源地址和组地址，所以这对于大多数数据流量应用更方便和高效。在跨域组播的应用中，也不再需要MSDP去维护活动员的信息，但是需要对IGMPv2进行升级，而升级的IGMPv3解決的就是可以指定组播源。同时，组播侦听者发现（Multicast Listener Discovery，MLD）协议的版本也升级到版本2，同样解决了相同的问题。

    4 结语

    组播技术是在网络中的应用越来越广泛，在很多场景下具有不可替代的优势，组播技术可以成倍地节约网络带宽，这非常符合建设节约社会的要求。本文可以帮助读者对组播技术有一些简单的了解，为深入学习组播技术提供了入门指导。

    [参考文献]

    [1]董庆阳，李毓麟，谢峰.IP组播技术[J].数据通信，1998（3）：18-21.

    [2]LAWRENCE B，陆雪莹，蒋慧.TCP/IP详解卷2：实现[M].北京：机械工业出版社，2000.

    [3]李炳彰.IP组播技术研究与实现[J]无线电通信技术，2005（1）：32-35.