組播技術發展研究

趙建立++陳建偉

摘 要：隨著電子商務、網絡會議、視頻點播等網絡應用的不斷發展，網絡中交互的各種數據、語音和視頻信息越來越多，組播技術很好地滿足了上述需求。文章敘述了組播協議的產生和發展過程，并對現行的關鍵技術進行了介紹。

關鍵詞：組播；語音；視頻；網絡應用

1 組播技術的概念

當今流行的網絡協議為傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）/ 網絡協議（Internet Protocol，IP），其對開放式系統互聯（Open System Interconnection，OSI）協議模型進行了改進，最大的成功之處就在于簡潔實用。人們應用最多的是點對點的單播通信模式，即數據包從一個源點發送到一個目的節點，與之對應的，報文從源節點發出，經過網絡發送到一組接收者，稱之為組播。

20世紀80年代初，斯坦福大學的一個博士生為他的導師設計分布式系統，在研究獨立計算機之間的通信問題時發現，獨立計算機最開始處于同一個網段中，通過二層組播進行通信。隨著工作的深入研究，計算機需要跨越不同的網段進行通信，研究不得不設法在網絡層解決通信問題。通過對開放式最短路徑優先（Open Shortest Path First，OSPF）協議和路由信息協議（Routing Information Protocol，RIP）的研究，發現可以把OSPF協議進行擴充，經過一系列的改進，組播擴展（Multicast OSPF，MOSPF）和距離組播適量協議（Distance Vector Multicast Routing Protocol，DVMRP）誕生了，再經過幾個版本的修訂最終成為Internet組管理協議（Internet Group Management Protocol，IGMP）。這些研究成果是組播技術的基礎框架。

2 組播技術的基本特點及相關術語

IP傳播分為3種方式，即單播、組播和多播。單播方式即點到點傳播，數據包使用單播地址發送到目的地，N個接收者需要源發送N份報文，并且為每份報文建立單獨的通道。單播傳播的缺點為當用戶的數量增加時，網絡中將出現多份相同信息流，到每一個接收者，對處理器資源和帶寬都是很大的浪費，如圖1所示。

廣播方式即數據包使用廣播地址發送，報文被復制成多份發送到各個網段，不管接收者是否有需求，報文都會到達網絡中的每個用戶，如圖2所示。廣播方式的缺點是極大地浪費了網絡帶寬，適合用戶密集的網絡。

組播又稱為多播，是指IP數據從一個或者一組源發出，被轉發到一組特定的接收者。單播是點對點的轉發數據，有多少接收者就需要由源發送多少數據，廣播是不論接收者是否接收數據，源都要在整個網段進行轉發，而組播的傳輸方式介于單播和廣播之間，其既不指定接收者，也不將數據發送到網絡的所有用戶，如圖3所示。發送者不需要知道接收者的位置，只需要將數據發送到指定的組播地址，由網絡層完成余下的工作。組播的優勢在于發送者只發送一份數據，并且發送者不必對接收者的信息進行維護。

理解組播技術，需要了解一下幾個基本概念。

最短路徑樹（Shortest Path Tree，SPT）：也叫源樹，是指報文從源到接收者所經過的路徑為最短路徑。最短路徑對于不同的網絡層協議也不同，因為不同的網絡層協議有不同的管理距離和度量值，所以這個最短在不同的路由協議下意義也不同。

共享樹（Rendezvous Point Tree，RPT）：指來自不同的源地址，首先匯聚到稱為匯聚點的樹根，由匯聚點在發送到接收者，共享樹的特點是不同的源共享匯聚點到接收者這段路徑，節約了帶寬。

反向路徑轉發（Reverse-Path Forwarding，RPF）：路由器針在單播路由表中查找組播報文源地址的路由，如果該路由的出口就是組播報文的入接口，則RPF檢查成功。該接口成為RPF接口。RPF檢查的目的是防止組播報文環路。對于最短路徑樹和共享樹檢查的地址有所不同，最短路徑樹檢查的地址是組播源的地址，而共享樹檢查的地址是匯聚點的地址。

組播路由表：和單播路由表類似，組播路由表用于組播數據的轉發。由于組播轉發策略比較復雜，所以組播路由表包含的信息比單播路由表多，如：源地址、組地址、入接口、出接口列表等信息。

3 組播技術的發展歷程

3.1 組播架構的形成

1985年9月，Steve與其導師提出了支持IP組播的擴展模型，明確了Internet 組管理協（Internet Group Management Protocol，IGMP）概念。12月，Steve將此概念提交給了IETF，而后經過兩次更新該組播模型，重新定義了IGMP的報文類型。IGMP模型只定義了一個IP網段內IP主機如何接收和發送組播報文，而組播報文跨越不同網段的轉發沒有定義，此方面的工作已經被獨立為組播路由技術。1989年8月，RFC1112作為IGMPv1的規范被廣泛接受，這是組播發展歷程中的一個重要里程碑。

3.2 組播路由技術的發展

1992年，研究者對OSPF協議進行了擴充以支持IP組播，又過了兩年，MOSPF協議被研究出來，并被定義為標準化。該文檔描述了對OSPF版本2的擴展，通過增加新的鏈路狀態廣播（Link-State Advertisement，LSA）支持SPF算法。

1993年，研究者提出了基于核心樹的組播路由協議技術，該技術不再基于源在網絡中構建最短路徑樹，而是創建一個虛擬的匯聚節點，到相同目的地組地址的數據包流向匯聚節點，再由匯聚節點轉發到最終用戶。

隨著組播路由協議的不斷發展，研究者提出了一種與單播路由協議無關的組播協議—域間組播路由（Protocol Independent Multicast，PIM）。該協議非常明確地指出與網絡層運行何種路由協議無關，PIM只關心接收者和組播源的相關信息，不需要對網絡層的路由信息進行維護，不僅降低了路由的復雜性，而且減小了設備資源。在研發PIM的過程中參考了以前的組播技術和轉發方式，將組播分為密集模式（Dense Mode，DM）和稀疏模式（Sparse Mode，SM）。密集模式采用推送的方式，在網絡中周期性地進行泛洪和剪枝，而稀疏模式是在網絡中創建一個匯聚節點，組播源向匯聚節點注冊，通過最短路徑樹傳送流量，接收者通過直連路由器向匯聚節點加入，利用共享樹轉發組播流量。endprint

PIM-DM和PIM-SM技術的成功，使得以前的技術基本被淘汰。但是PIM仍然是一個區域內的技術，而域間組播協議解決了組播源和接收者不在同一個區域的情況，該協議通過策略控制對源的信息進行發布，也可以應用在域內滿足某些特殊的需求。MSDP的應用場景中一般都會有PIM-DM和PIM-SM。

1997年，隨著RFC2236被IETF批準，IGMPv2標準形成了，IGMPv2版本對IGMPv1版本進行了兼容，并且對IGMPv1的版本進行了改進，例如增加了主機離開的消息報文，當主機離開時，會發送離開消息報文，對響應時間進行了改進，并且還可以對指定組進行查詢。

伴隨著IPv6技術的發展，在制定IPv6地址體系標準的同時，對IPv6協議的主機組播協議也進行了相應的升級，用MLDv1協議取代了IGMPv2協議，MLDv1協議加入到了組播協議。

3.3 指定源組播和IGMPv3協議

隨著對組播協議的研究，一種新型的服務模型被提出，這種模型被稱為源特定組播（Source Specific Multicast，SSM），而老的模型被稱為ASM。模型SSM可以同時對特定源和目的組提供服務，由于應用層通常需要組播源地址和組地址，所以這對于大多數數據流量應用更方便和高效。在跨域組播的應用中，也不再需要MSDP去維護活動員的信息，但是需要對IGMPv2進行升級，而升級的IGMPv3解決的就是可以指定組播源。同時，組播偵聽者發現（Multicast Listener Discovery，MLD）協議的版本也升級到版本2，同樣解決了相同的問題。

4 結語

組播技術是在網絡中的應用越來越廣泛，在很多場景下具有不可替代的優勢，組播技術可以成倍地節約網絡帶寬，這非常符合建設節約社會的要求。本文可以幫助讀者對組播技術有一些簡單的了解，為深入學習組播技術提供了入門指導。

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