基于PIM-SM組播的園區網IPTV的架構與實現

朱維嘉，郭曉，帥千鈞

(中國傳媒大學 計算機與網絡中心，北京 100024)

基于PIM-SM組播的園區網IPTV的架構與實現

朱維嘉，郭曉，帥千鈞

(中國傳媒大學 計算機與網絡中心，北京 100024)

MPEG2編碼的視音頻TS流直接封裝在UDP的組播數據包中，通過IP承載網發送給接收用戶，組播協議PIM-SM通過生成(*，G)和(S，G)表項實現RPT/SPT轉發組播數據包，TCAM結構支持系統的硬件轉發。系統實現在園區網內IPTV的組播方式轉發，滿足用戶需求的同時對網絡系統本身無影響。

PIM-SM；RP；DR；RPT；SPT；RPF；(*，G)；(S，G)；IIF；OIF

1 引言

IPTV是向家庭用戶提供包括數字電視在內的多種交互式服務的嶄新技術。用戶在家可以通過計算機或者網絡機頂盒+普通電視機來接收IPTV，對于園區網絡來說，利用組播來傳輸IPTV是一種可行的方法，稀疏模式獨立組播協議PIM-SM不依賴于特定的單播路由協議，適用于較大范圍網絡。

本文對PIM-SM協議[1]基于RPT/SPT的算法進行深入研究，并搭設實際系統來實現IPTV在PIM-SM網絡中的硬件轉發。

2 系統設計

如圖1，將數字信號TS流輸入復用器生成多路節目的TS流輸出到視頻網關進行UDP/IP包封裝，每路節目對應一個多播地址，再進入到PIM-SM網絡中進行傳輸，用戶端接收經VLC解碼即可觀看。

3 基于RPT/SPT的算法研究

PIM-SM有兩種樹狀結構，一種是基于RP的共享樹叫RPT(RP Tree)，一種是基于源的SPT(Shortest-path tree)，這兩種組播轉發樹提供了組播發送者到接收者之間的轉發線路。PIM-SM協議通過建立和維持RPT樹和SPT樹來保證組播數據包的合理轉發。單播路由表的變動、接收組播組用戶的加入和離開、超過策略閥值等都可能造成RPT/SPT的變化從而造成組播流轉發路徑的變化。

圖1 系統結構圖

PIM-SM協議的算法策略是默認沿著RPT轉發組播數據流，根據策略觸發切換成SPT繼續轉發數據流。

組播數據包在進行轉發時，遵循最長匹配原則，如果存在(S，G)表項，先查詢匹配(S，G)，如果沒有(S，G)，再查詢匹配(*，G)，匹配上相應表項后，再做入端口檢查，只有從正確方向發來的數據才能被轉發，從其他接口過來的數據被認為無效。

3.1 鄰居發現和DR選舉

PIM-SM通過對外發送HELLO消息來發現并維護鄰居關系，PIM路由器中每個配置的三層接口都會對外發送HELLO消息，HELLO數據包的目的地址是組播地址224.0.0.13，當同一個網段所有PIM路由器都接收HELLO消息來發現和維護鄰居消息，建立鄰居關系后PIM路由器才會接收其他的PIM控制消息，從而創建組播路由表項，建立維護組播分發樹。PIM鄰居的變化將導致網絡中組播拓撲的變化從而導致組播分發樹發生變化。

一個網段可能有多個PIM路由器，一般會選出一臺作為本網段的DR(Designated Router，指定路由器)，DR主要有兩個作用，在連接組播源的共享網段，DR負責向RP發送Register登記信息；在連接組成員的網段，DR負責向RPT樹發送JOIN信息。

3.2 RPT的生成

表1 PIM Join/Prune數據包格式

如表1所示，Join/Prune數據包中，對于組播組G，包含的JOIN/PRUNE Source address 有三種類型，本文后面將包含這三種類型源地址的Join/Prune數據包寫成 Join/Prune(G，RP，SWR)、Join/Prune(G，S，SR)和Join/Prune(G，S，S)

當用戶申請接收組播組G的數據流時，接收用戶直連網絡上的DR會接收到一個申請加入組播組G的IGMP數據包，會檢查本地組播路由表，如果沒有相應表項，則創立(*，G)表項，并將申請用戶所在的端口加到組播輸出端口OIF(outgoing interface)中，同時DR向表向輸入端口IIF(incoming interface)發送一個JOIN數據包，如圖1，這里IIF端口是根據單播路由計算出來的前往RP的轉發端口，JOIN數據包的目的IP地址是224.0.0.13，當上一級DR收到以后，如果本身存在(*，G)表項，則將收到JOIN數據包的端口加入到OIF中，如果本身不存在(*，G)，則生成(*，G)同時再向RF的IIF端口發送JOIN 數據包。最終接受組播組G用戶直連的DR加入到組播組G的RPT中。

圖1 PIM JOIN

3.3 組播源S的登記

如果組播源S連接，則與組播源相連網絡的DR直接向RP發出PIM-register 單播數據包，如圖2，連接源S的DR同時會生成(S，G)表項，如果存在(*，G)且OIF≠Null，則復制(*，G)OIF端口到(S，G)OIF中，同時會向RPT樹的上游路由器發送Prune(G，S，SR)數據包。RP接收到register數據包，生成(S，G)flag=T表項，如果RP存在(*，G)表項且OIF≠ null，RP一方面將register包中的組播流按照(*，G)OIF列表沿著RPT轉發給接收者，另一方面通過向S的轉發端口發送JOIN數據包請求加入(S，G)的SPT樹。

圖2 PIM register

如果RP下面沒有該組播組G的接收用戶或者RP加入到了SPT樹且通過(S，G)表目收到了數據流，則RP會發送register-stop信息給DR。DR收到register-stop后會啟動register-suppresion timer 抑制register信息的發送，如圖3：

圖3 PIM REGISTER-STOP

當S和RP之間的SPT建立起來以后，組播流從S沿著SPT樹發向RP，RP再通過RPT樹向組播組G接收用戶的直連網絡DR轉發組播流。

3.4 RPT向SPT的切換

當組播流從源S沿著SPT樹到達RP，再沿著RPT樹到達連接接收用戶的DR時，可以通過設置SPT-Threshold來控制DR從RPT向SPT的切換，默認情況下SPT-Threshold為0，表明當連接接收用戶的DR收到第一個沿RPT到達的數據包后立刻觸發從RPT到SPT的切換過程。

當DR觸發從RPT切換到SPT過程后，它向S的方向發送JOIN(G，S，S)數據包，請求加入源地址為S組播地址G的SPT樹；當(S，G)被創立時，OIF端口列表復制(*，G)的OIF端口列表。只有直接連接接收用戶的DR才能主動觸發RPT到SPT的切換過程。(S，G)表項初始化時SPT-bit沒有設置，表明SPT樹還沒有完全建立，路由器依然從(*，G)表項IIF端口接收來自S的組播組為G的數據流。當從(S，G)的IIF端口接收到源S目的G的數據包，(S，G)表項flags：T，此時SPT樹建立；如果此時(*，G)和(S，G)有不同的IIF口，路由器沿著RPT向上級路由器發出PRUNE數據包(如圖4)，不再希望收到源S組播組地址G的數據包。如果RPT上級路由器存在(S，G)表項(無論(S，G)表項是否 flag=R)，上級路由器都會在(S，G)表項的OIF列表中刪除收到PRUNE數據包的端口；如果上級路由器沒有(S，G)表項，它將生成(S，G)flag：R表項，復制(*，G)OIF到新生成(S，G)OIF中，同時在OIF列表中刪除接收到PRUNE(G，S，SR)的那個端口。在任何時候，對于明確的S和G，路由器最多僅能有一個(S，G)表項。

當路由器上(S，G)flag：R的OIF=Null時，flags增加P，表項將繼續存在；如果此時路由器連接上新的組G接收用戶(或者收到RPT下游路由器JOIN(G，RP，SWR))，則路由器將接收用戶端口(或收到JOIN包的端口)加入到(*，G)和(S，G)flag=R 的OIF列表中，同時向RPT上游路由器發送JOIN(G，RP，SWR)信息。

圖4 PRUNE(S，G，SWR)

3.5 觸發(S，G)表項變更的條件

直連用戶的DR可以直接觸發RPT切換成SPT，超過門限閥值路由器會生成(S，G)flag：表項，同時從(*，G)OIF列表復制到(S，G)OIF列表；從SPT樹接收到源S組播流則觸發flag：T。

對于連接組播源S的DR，只要有源S的組播流進入，就創立(S，G)flag=T表項。通過復制(*，G)表項OIF列表來生成(S，G)OIF列表，接收Join/Prune(G，S，S)觸發(S，G)表項OIF列表的變化，如果一直接收源組播流，(S，G)表項將一直存在。

對于RP，接收到合法組播源S的單播register數據包就觸發生成(S，G)flag：T表項，接收Join/Prune信息可能觸發對(S，G)OIF列表變化，只要周期性收到register數據包，即使OIF=NULL，(S，G)項也將一直存在。

對于其他的中間路由器，Join(G，S，S)和Prune(G，S，SR)這兩類信息能觸發生成(S，G)表項：flags：T或flags：R表項。

4 控制與數據層面的分離

組播轉發通常采用純軟件或者硬件方式轉發，軟件處理由于需要消耗大量系統資源，不適合IPTV組播流，而硬件轉發一般通過分布式方式實現，如圖5。將PIM-SM控制平面與數據平面分離，控制平面通過軟件方式實現，而數據平面利用TCAM+FPGA方式，將轉發表存放于TCAM中，利用FPGA實現轉發處理邏輯[2]。

圖5 控制與數據層面的分離

5 相關配置

PIM-SM網絡中每臺參與組播路由轉發的路由器必須進行相應的組播配置，如表2：

表2 組播配置列表

6 結論

利用VLC播放平臺，可以在PIM-SM網內任何點接收到組播流，如圖7：

圖7 用戶端接收到的IPTV節目流

接收用戶直連網絡DR的組播路由表如圖8默認情況下，連接接收用戶的DR上相關組播表項都會有FLAG：JT標識，表示從RPT切換成SPT結構接收源S組G視頻流的。

圖8 DR IP MROUTE

用戶點播過程中，DR上PIM和維系組播轉發表的CPU占用率如圖9所示，可以看到對于PIM-SM網絡轉發設備，組播路由協議和組播轉發占用的資源很小。

圖9 DR PIM/MFIB CPU Utilization

園區網內基于PIM-SM組播協議可以實現IPTV的實時直播功能，組播協議的處理和組播流的硬件轉發對網絡設備本身資源的占用很小，對于接收用戶分散和稀疏的情況下，本系統可以在不影響現有數據轉發前提下向用戶提供高質量的IPTV服務。

[1]D Estrin，D Farinacci，A Helmy，D Thaler，S Deering，M Handley，V Jacobson，C Liu，P Sharma，L Wei.RFC 2362-Protocol Independent Multicast-Sparse Mode (PIM-SM)[EB/OL].1998[2013-5-26]，http：//www.faqs.org/rfcs/rfc2362.html.

[2]馮淵.T比特路由器上PIM-SM協議實現研究[D].解放軍信息工程大學，2005.

ArchitectureandRealizationofIPTVinCampusNetworkBasedonPIM-SM

ZHU Wei-jia，GUO Xiao，SHUAI Qian-jun

(Computer and Network Information Center，Communication University of China，Beijing 100024)

TS traffic encoded with MPEG2 is encapsulated in multicast packet of UDP，sending to receivers over IP network.Through matching (*，G)and(S，G)lists following RPT/SPT，multicast packets is forwarding by PIM-SM .Hardware Forwarding is supported by TCAM 。The system achieve IPTV with multicast in campus network，fulfilling the requirement of users，simultaneously，the network system has no influence.

PIM-SM；RP；DR；RPT；SPT；RPF；(*，G)；(S，G)；IIF；OIF

2013-06-06

朱維嘉(1980-)，男(漢族)，安徽巢湖人，中國傳媒大學工程師.E-mail：wjzhu@cuc.edu.cn

TN915.6

A

1673-4793(2013)04-0022-05

(責任編輯：宋金寶)