利用組播樹優化VPLS組播功能的研究

李 磊，程友清

（1.光纖通信技術和網絡國家重點實驗室 湖北 武漢430074；2.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢430074）

利用組播樹優化VPLS組播功能的研究

李 磊1,2，程友清1,2

（1.光纖通信技術和網絡國家重點實驗室 湖北 武漢430074；2.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢430074）

RFCs 4761和4762描述了一種基于利用點對點或點對多點單播LSP承載組播流量的VPLS解決方案。對于某些VPLS組播流量配置，這種解決方案有一定局限性。例如，當有大量的組播流量需要傳播時，會導致帶寬利用嚴重非最佳化。本文描述的解決方案是為了克服現有VPLS組播解決方案中的一部分局限性。其中描述了在SP網絡中利用組播樹來實現VPLS組播的過程。該解決方案允許在多個VPLS實例間共享一個這樣一棵組播樹。此外，本文提出的解決方案還允許SP網絡中的一棵單獨的組播樹承載來自一個或多個VPLS實例的，僅僅屬于指定的一個或多個IP組播流集合的流量。

VPLS；組播；組播樹；IP組播流

IETF RFC4761和IETF RFC4762給出了VPLS技術的具體協議要求。在以上兩個標準中，使用以太網的洪泛技術支持組播業務[1-2]，但這種方法是通過VPLS相連的PE站點上進行入口復制來實現VPLS組播，這種方法對于帶寬資源要求高，分發范圍廣的組播業務限制了使用規模。針對VPLS技術對組播業務支持的限制，本文提出了在SP網絡中采用組播樹來優化VPLS組播功能。

1 聚合組播分發樹原理

1.1 組播分發樹

VPLS組播體系構架如圖1所示。使用這種組播樹的好處是當組播數據流的帶寬很大或者需要擴展入口PE復制組播包的數目時，可以通過組播樹的分支節點承擔必要的流量復制需求，但同時也帶來了SP網絡需要建立組播樹并且維護這些狀態產生的開銷。

圖1 VPLS組播體系構架Fig.1 System architecture of VPLS multicast

圖2 描述了VPLS實例使用MPLS樹時VPLS IP組播包進入和離開SP網絡的過程。接收方PE查找MPLS樹的外層標簽，并確定用來查找MPLS內層標簽的轉發表[3]。這個表示根據標簽空間來確定的。在樹的一個根節點的范疇內內部標簽是唯一的（因為內部標簽由根節點分配，不需要與其它節點協商）。跨越多個根節點時內部標簽不唯一。識別某個VPLS要知道其標簽，以及標簽唯一的環境。外層MPLS標簽提供了這個環境。

圖2 組播包進入與離開SP網絡示意圖Fig.2 Schematic plot describing the process of the multicast packet in the ingress PE and the egress PE of the SP network

去掉外層標簽，接收方PE查找內層標簽來確定轉發組播數據包的VSI。然后去掉內層標簽轉發包。

在VPLS中實施組播技術，將面臨比傳統IP組播更多的問題。因為需要大量的控制信令來維護網絡中的組播轉發狀態，這就加重了網絡中的處理負擔。引入基于聚合樹的處理機制后，雖然通過狀態的聚合可以減少維護開銷，但流量容易發送到沒有接收請求的節點處。故轉發狀態的聚合程度越高，需要維護的組播轉發狀態樹數目就越少，但帶寬的利用率卻大幅下降。下面將研究如何利用聚合選擇樹實現VPLS網絡中組播的優化問題。

1.2 多VPLS聚合

聚合可以使得運營商在P路由器上維護較少的轉發和控制面狀態。聚合到同一棵樹上的VPLS數目稱為 “聚合因子”。當采用包含樹時，以PE為根節點的包含樹的數目和下面的公式成比例：

PE上VPLS實例數/聚合因子

這種情況下，由P路由器來維護的狀態和下面的公式成比例：

（PE上平均VPLS實例數 /聚合因子）*PE數目/穿越P路由器的組播樹平均數量

因此P路由器維護的狀態與VPLS實例的數目不是線性增長關系。

采用聚合技術時，必須提供機制保證樹的出口PE可以解復用聚合樹上的流量。通過在P組播樹的根節點采用MPLS上游標簽分配機制，為每個流分配一個MPLS標簽，出口PE使用該標簽實現聚合流量的解復用。解復用標簽可以通過BGP協議由聚合樹的根節點向葉子PE發布[4]。

2 利用聚合選擇樹優化組播

本文采用的運營商組播分發樹有兩種類型[5]，一種是以一個PE為根的組播分發樹承載一個或多個VPLS的所有流量，稱為包含樹（Inclusive Tree），當這棵樹從多個VPLS承載組播數據流時可以稱為聚合包含樹 （Aggregate Inclusive Tree）。VPLS的所有成員都需要加入此包含樹。這意味著CE會收到不需要的組播數據。一種是以一個PE為根的組播分發樹承載一個或多個VPLS的一個或幾個特定IP組播的流量，那么這棵樹稱為選擇樹（Selective Tree），只有需要接收這些組播數據流的PE設備加入選擇樹，從而PE和CE設備不會收到不需要的組播數據流，當這些IP組播數據流的接收者來自不同的 VPLS時可以稱為聚合選擇樹（Aggregate Selective Tree）。

2.1 利用聚合選擇樹優化組播流量

為了把組播流量傳送到不同的PE節點，采用洪泛的方式，建立一棵包含樹。采用包含樹的優點是：1)降低網絡中為了維護組播樹而造成的巨大開銷，因為一棵包含樹是所有PE節點的全覆蓋；2)包含樹的建立時間較短，能滿足實時組播業務的需要。但是這種處理方式也帶來了一個嚴重的問題，流量發送到了所有的PE節點。在實現包含樹的時候，通過計算最小生成樹，可以節省網絡中的資源開銷。

當利用包含樹發送某個特定的組播業務時，可能某些PE不想接受該業務的流量，且該業務的流量又很大，這對帶寬資源是一種極大的浪費。為了優化流量，還需要把這個VPLS的特定組播業務切換到選擇樹上。還存在一種組播樹聚合的場景，用來減少狀態的維護。可以預定義一個門限值bth，由連到某個特定組播業務的組播源的PE來進行顯示跟蹤，確定是否存在偽浪費帶寬：如果不需要流量的PE的流量總和大于閾值bth，這個VPLS的特定組播業務將切換到選擇樹。

切換特定的（C-S，C-G）流到選擇樹，根節點需要確定需要接收該流量的出口PE。如下的3種場景，源PE可以進行顯示跟蹤（C-S，C-G）流來發現IP組播組成員：1)如果是源發起的組播樹的建立，例如，RSVP-TE P2MP隧道，源PE在建立選擇樹之前需要確定樹中的葉子節點；2)如果以一個PE為根的組播分發樹承載IP組播組的流量，并且這些IP組播數據流的接收者屬于多個VPLS，那么入口PE需要了解哪些PE有這些組的接收者；3)如果采用入口復制并且源PE僅向需要接收此（C-S，C-G）的PE發送（C-S，C-G）。

源PE可能在確定將組播業務要切換到選擇樹之后才顯示跟蹤（C-S，C-G）流，也可能一直都在顯示跟蹤（C-S，C-G）流。根節點PE必須通知樹中的葉子節點：（C-S，C-G）流已經綁定在選擇樹上。如果選擇樹是由源發起建立的，那么這棵樹可能在葉子節點接收到IP組播流與選擇樹的綁定關系之前就已經建立，也可能在葉子節點接收到IP組播流與選擇樹的綁定關系之后建立，但是只有葉子節點接收到IP組播流與選擇樹的綁定關系并且這棵樹已經建立之后，葉子節點才能切換流量到選擇樹。組播樹的源PE與葉子PE都要參與到組播樹的切換，源PE需要確定何時通過選擇樹發送數據，葉子PE需要確定何時從選擇樹接收數據。

當源PE確定建立選擇樹時，通常使用BGP協議來通過（C-S，C-G）流與樹的綁定關系。當源PE向葉子PE通告（CS，C-G）流與樹綁定關系，并且等待了一段預先設置的時間之后，源PE開始通過選擇樹發送數據，并且不再使用原來的包含樹來傳這個組播流量。當葉子節點接收到這個綁定關系之后，并且這些PE需要接收此組播數據流，那么他們就建立選擇樹。

2.2 VPLS組播/廣播/未知單播數據包的處理

在VPLS網絡中，數據可以分為：廣播報文，未知報文，組播報文和單播報文。在支持包含樹和選擇樹的PE設備上，對廣播報文，未知報文和組播報文的轉發規則如圖3所示。

圖3 PE設備上對包的轉發流程圖Fig.3 Flow char of forwarding the data packet in PE

如果某個PE接受到的VPLS包的目的MAC地址是組播地址，可以使用組播樹來轉發這個包。如果這個包是IP組播包，并且存在選擇樹，那么使用這棵選擇樹來轉發這個包。否則如果存在包含樹，那么使用包含樹來轉發這個包。

如果VPLS包的目的MAC地址是廣播地址，就會廣播這個包。如果已經存在包含樹，那么PE使用這棵樹來廣播它：如果不存在包含樹，那么PE通過多條PW廣播它，根據IETF RFC4761/IETF RFC4762定義的規則傳輸。

如果VPLS包的目的MAC地址是未知單播地址，那么這個包就會轉發給VPLS中的所有PE。可以使用包含樹轉發未知單播包給所有的PE。這種情況下接收方PE需要支持MAC地址學習。為了完成MAC學習，接收方PE通過VPLS包就能確定發送方PE。MPLS組播樹技術允許出口PE從接收到的MPLS包來確定發送方PE。

當接收方PE通過組播樹接收到含有源MAC地址的未知單播VPLS包時，接收方PE確定到發送方PE的PW。接收方PE產生目的地址與剛學到的源地址相同的轉發狀態，那么到發送方PE的PW就確定了。

3 仿真實驗

為了仿真本文中的優化方案，VPLS網絡采用拓撲隨機生成模型[6]。在隨機生成的測試平臺上，我們仿真一個中等規模的服務提供商網絡。該網絡中，共有23個節點（13個PE節點，10個P節點），39條物理連接。共有10個VPLS VSI，每個VSI中共有200個組播組的發送請求。由于不同VSI中的組地址是可以重疊的，因此，共可以產生2000個組播組。假設組的建立請求符合泊松分布，且請求的到達速率為λ，組的生存時間成指數分布，均值為μ-1。因此，組的并發均值為10λ/μ。通過調節λ，μ，實驗中并發的組數維持在1 600個左右。整個實驗中的組數超過了1800個。

試驗中共設置了3個不同的帶寬門限值，bth=0.05，0.1和0.2。從圖4中可以看出，設置的門限值越小，需要維護的組播狀態數就越多，從而網絡中需要維護轉發狀態的開銷就越大，但帶寬浪費較小。如果門限值設置的較大，則帶寬浪費較多，但需要維護的狀態數會減少。如果將門限值設置在20%，那么維護980棵組播樹就會造成大約13%的帶寬浪費，這比理論上的期望值要好得多。

圖4 帶寬浪費與樹的數目之間的關系Fig.4 The relation of percent of bandwidth waste and number of multicast trees

圖5 是文中所述的聚合因子。可以看出，當bth=0.05，并發組數為1200的時候，獲得的聚合因子為AF=2。但是，在同等條件下，如果設置的門限值bth=0.20，則可以獲得的聚合因子為AF=2.6。因此，要想在帶寬與聚合因子之間取得折衷，預設的門限值顯得很重要。聚合因子越高，帶寬浪費越嚴重，但開銷卻會減小。

圖5 聚合因子與并發組之間的關系Fig.5 The relation of aggregation factor and number of concurrent groups

4 結束語

在研究了實現組播技術的時候，VPLS會面臨一個問題：即如何保持帶寬在高利用率的同時減少網絡中需要維護的組播狀態數。本文提出了在VPLS網絡中通過應用聚合的方法來減少組播狀態數，以降低網絡中組播樹的維護開銷。但是，聚合的引入會造成網絡帶寬的浪費。文中的研究集中地闡述了如何在組播狀態數與帶寬利用方面尋求一個較好的折衷點。通過仿真實驗，就VPLS網絡中關于組播的幾個重要參數如：并發組播樹、帶寬浪費、聚合因子以及節點中的平均轉發條目等之間的關系提供了一個理論上的依據。結果表明，在VPLS組播中采用聚合組播樹可以實現性能上的優化。

[1]IETF RFC4761-2007，Virtual Private LAN Service(VPLS) Using BGP for Auto-Discovery and Signaling[S].

[2]IETF RFC4762-2007，Virtual Private LAN Service(VPLS) Using Label Distribution Protocol(LDP)Signaling[S].

[3]佩佩恩雅克 I，吉查德J，等.思科出版社[M].田果，劉丹東，沈錚，等譯.北京：人民郵電出版社，2010.

[4]IETF RFC6514-2012，BGP Encodings and Procedures for M-ulticast in MPLS BGP IP VPNs[S].2012.

[5]IETF RFC7117-2014，Multicast in Virtual Private LAN Service(VPLS)[S].2014.

[6]Ximing Dong，Shaohua Yu.Deliver Multicast Traffic over VPLS Domain Using Aggregated Multicast Trees[C]//Proceedings of Advanced International Conference on Telecommunications，2006:59-65.

Research on using multicast tree to optim ize VPLS multicast

LI Lei1,2,CHENG You-qing1,2
（1.State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks，Wuhan 430074，China；2.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

RFCs 4761 and 4762 describe a solution for Virtual Private LAN Service(VPLS)multicast that relies on the use of point-to-point or multipoint-to-point unicast Label Switched Paths (LSPs)for carrying multicast traffic.This solution has certain limitations for certain VPLS multicast traffic profiles.For example,it may result in highly non-optimal bandwidth utilization when a large amount of multicast traffic is to be transported.This document describes solutions for overcoming a subset of the limitations of the existing VPLS multicast solution.It describes procedures for VPLS multicast that utilize multicast trees in the service provider (SP)network.The solution described in this document allows sharing of one such multicast tree among multiple VPLS instances.Furthermore,the solution described in this document allows a single multicast tree in the SP network to carry traffic belonging only to a specified set of one or more IP multicast streams from one or more VPLS instances.

VPLS；multicast；multicast tree；IP multicast streams

TN915

A

1674－6236（2015）10-0155-04

2014-09-04 稿件編號：201409036

李 磊(1987—)，男，湖北宜昌人，碩士，工程師。研究方向：通信與信息系統。