IPv6環(huán)境下組播技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究

王 鋒，楊志軍

（北京交通大學(xué)信息中心，北京100044）

IP組播技術(shù)由于它所具有的獨特優(yōu)越性—在IP組播網(wǎng)絡(luò)中，即使用戶數(shù)量成倍增加，主干網(wǎng)絡(luò)帶寬不需要隨之成倍增加，而成為熱點網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。

為了更好地使用和管理組播應(yīng)用，IPv6對組播做了進(jìn)一步的增強，明確要求IPv6設(shè)備必須支持組播，使IPv6網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將普遍支持組播應(yīng)用。在增強IPv6組播技術(shù)后，利用IPv6組播技術(shù)和流媒體技術(shù)構(gòu)建視頻組播系統(tǒng)，能充分發(fā)揮IPv6組播技術(shù)特點和優(yōu)勢，在下一代互聯(lián)網(wǎng)上更好地傳輸圖形和圖像等流媒體業(yè)務(wù)。

1 IPv6組播模型分析與選擇

根據(jù)接收者對組播源處理方式的不同，組播模型分為3類：ASM 模型、SFM 模型和SSM 模型。

ASM（Any-Source Multicast）模型就是任意源組播模型。在ASM 模型中，任意一個發(fā)送者都可以作為組播源向某組播組地址發(fā)送信息。眾多接收者通過加入由該組播組地址標(biāo)識的組播組以獲得發(fā)往該組播組的組播信息。在 ASM 模型中，接收者無法預(yù)先知道組播源的位置，但可以在任意時間加入或離開該組播組。

SFM（Source-Filtered Multicast，信源過濾組播）模型繼承了ASM 模型并進(jìn)行了擴(kuò)展，接收者只能收到來自被允許組播源的組播數(shù)據(jù)。從接收者的角度來看，只有部分組播源是有效的，組播源被經(jīng)過了篩選。從發(fā)送者角度來看，兩者的組播組成員關(guān)系完全相同。

SSM（Source-Specific Multicast，指定信源組播）模型為用戶提供了能夠在客戶端指定組播源的傳輸服務(wù)。SSM模型與ASM模型的根本區(qū)別在于：SSM模型中的接收者已經(jīng)通過其它手段預(yù)先知道了組播源的具體位置。SSM模型使用與ASM/SFM模型不同的組播地址范圍，直接在接收者與其指定的組播源之間建立專用的組播轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

基于IPv6的網(wǎng)上教學(xué)視頻組播應(yīng)用，由于組播網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣泛，并通過適當(dāng)?shù)姆绞阶尳虒W(xué)視頻組播接收者了解組播源和組播組的信道信息，因此，采用效率高的SSM組播模型是合適的選擇。

2 組播組管理協(xié)議

MLD （Multicast Listener Discovery Protocol，組播偵聽者發(fā)現(xiàn)協(xié)議）的簡稱，它用于IPv6路由器在其直連網(wǎng)段上發(fā)現(xiàn)組播偵聽者。組播偵聽者（Multicast Listener）是那些希望接收組播數(shù)據(jù)的主機(jī)節(jié)點。目前，MLD有兩個版本：

（1）MLDv1（由RFC 2710 定義），源自IGMPv2。（2）MLDv2（由RFC 3810 定義），源自IGMPv3。

所有版本的MLD協(xié)議都支持ASM模型；MLDv2可以直接應(yīng)用于SSM模型，而MLDv1則需要在MLD SSM Mapping技術(shù)的支持下才能應(yīng)用于SSM模型。

3 組播路由協(xié)議

目前IPv6環(huán)境中使用的組播路由協(xié)議主要為PIM-SM協(xié)議。IPv6 PIM是Protocol Independent Multicast for IPv6（IPv6協(xié)議無關(guān)組播）的簡稱，表示可以利用靜態(tài)路由或者任意IPv6單播路由協(xié)議（包括RIPng、OSPFv3、IS-ISv6、BGP4+等）所生成的IPv6單播路由表為IPv6組播提供路由。IPv6組播路由與所采用的IPv6單播路由協(xié)議無關(guān)，只要能通過IPv6單播路由協(xié)議產(chǎn)生相應(yīng)的IPv6組播路由表項即可。IPv6 PIM借助RPF（Reverse Path Forwarding，逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)）機(jī)制實現(xiàn)對IPv6組播報文的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)IPv6組播報文到達(dá)本地設(shè)備時，首先對其進(jìn)行RPF檢查：若RPF檢查通過，則創(chuàng)建相應(yīng)的IPv6組播路由表項，從而進(jìn)行IPv6組播報文的轉(zhuǎn)發(fā)；若RPF檢查失敗，則丟棄該報文。

根據(jù)實現(xiàn)機(jī)制的不同，IPv6 PIM分2種模式：

（1）IPv6 PIM-DM（Protocol Independent Multicast-Dense Mode for IPv6，IPv6協(xié)議無關(guān)組播-密集模式）。（2）IPv6 PIM-SM（Protocol Independent Multicast-Sparse Mode for IPv6，IPv6協(xié)議無關(guān)組播-稀疏模式）。

4 SSM模型在IPv6 PIM中的實現(xiàn)

SSM模型和ASM模型是兩個完全對等的模型。目前，ASM模型包括IPv6 PIM-DM和IPv6 PIM-SM兩種模式，SSM 模型能夠借助IPv6 PIMSM的部分技術(shù)來實現(xiàn)。

SSM 模型為指定源組播提供了解決方案，通過MLDv2來維護(hù)主機(jī)與路由器之間的關(guān)系。鑒于IPv6 PIM-DM模式以“擴(kuò)散—剪枝”方式構(gòu)建以IPv6組播源為根的SPT，SPT的路徑最短，但是分發(fā)樹的建立過程效率較低，不適合大中型網(wǎng)絡(luò)。

在實際應(yīng)用中，通常采用IPv6 PIM-SM模式的一部分技術(shù)來實現(xiàn)SSM模型。由于接收者已經(jīng)通過其它渠道知道了IPv6組播源的具體位置，因此在SSM模型中無需RP，無需構(gòu)建RPT，也無需IPv6組播源注冊過程來發(fā)現(xiàn)其它IPv6 PIM域內(nèi)的IPv6組播源。與ASM模型相比，SSM模型僅需要MLDv2和IPv6 PIM-SM部分子集的支持，并且能夠以相對于PIM-DM模式和PIM-SM模式更高的效率建立和維護(hù)組播分發(fā)樹。

5 SSM地址結(jié)構(gòu)

RFC4607定義具有前綴FF3x::/32的地址保留為1Pv6 SSM使用。即SSM地址是特殊的Unicatprefix-based 組播地址，必須滿足P=l、T=I、Rsvd=Ox00、Plcn=Ox00。RFC3307規(guī)定，SSM地址必須將Network Prefix字段全部設(shè)置為0，因此當(dāng)前SSM組播地址具有前綴FF3x::/96。

此外，考慮到未來地址格式的兼容性（例如，或許將來某個文檔規(guī)定Network Prefix字段可以映射MAC地址，從而導(dǎo)致Network Prefix字段不為0），所有系統(tǒng)應(yīng)該將所有前綴為FF3x::/32的組播地址視為SSM組播地址（此處RFC4607和RFC3306定義之間存在不一致：RFC3306定義的FF3x::/32可用于ASM。而此處卻視為SSM），但當(dāng)前SSM地址指派需在FF3x::/96地址范圍之內(nèi)。

RFC3307 還規(guī)定位于FF3x::4000:0001和FF3x::7FFF:FH之間的地址保留為IANA分配；FF3x::8000:0000到 FF3x::FFFF:FFFF之問的地址是用于動態(tài)分配的地址；而FF3x::0000:0000到FF3x::3FFF:FFFF之問的地址則是無效的SSM地址（RFC3307規(guī)定IANA分配的永久IPv6組播地址必須指定GID在0x0000 0001到0x3FFF FFFF之間，P和T比特都設(shè)置為0，然而SSM中P、T比特必須都為l。這種SSM地址指派是無效的）。

6 不同廠商設(shè)備的組播互操作性測試

北京交通大學(xué)IPv6校園網(wǎng)絡(luò)采用了多廠商的產(chǎn)品和技術(shù)。鑒于組播環(huán)境需要在不同品牌的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下組建，因此，我們對不同廠商的產(chǎn)品對IPv6組播的支持和互操作性進(jìn)行了研究和測試，并與設(shè)備廠商的研發(fā)進(jìn)行了多次的交互和研討，使在我校網(wǎng)絡(luò)平臺下實現(xiàn)了全網(wǎng)IPv6組播環(huán)境的建立。測試方案如表1。

表1 測試方案

測試環(huán)境如圖1。

說明：

（1）SA1配置為組播服務(wù)器，PB1，PC1，PC2配置為組播客戶端。

（2）路由器A、B、C之間運行OSPFv2 和OSPFv3，PIM組播路由協(xié)議；測試內(nèi)容與結(jié)果見表2。

表2 測試內(nèi)容與結(jié)果

圖1 IPv6組播測試環(huán)境

7 結(jié)束語

項目組已經(jīng)在北京交通大學(xué)IPv6/IPv4全校雙棧網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，建立了PIM-SSM組播模型實現(xiàn)環(huán)境，并提供全校用戶的IPv6視頻組播服務(wù)。

[1] [美] Qing Li，[日] Tatuya Jinmei. IPv6詳解 卷2：高級協(xié)議實現(xiàn)（英文版）[M] . 北京：人民郵電出版社，2009，2：33-206.

[2] 劉瑩，徐恪 .Internet 組播體系結(jié)構(gòu)[M] . 北京：科學(xué)出版社，2008.

[3] H Holbrook, Cain B. Source-specific Multicast for IP Internet Draft[D] . 2003.

[4] A Adams. RFC3973. Protocol Independent Multicast-Dense Mode (PIM-DM):Protocol Specification (Revised)[J] . The Internet Society, 2005 (2).