利用組播樹優(yōu)化VPLS組播功能的研究

李 磊，程友清

（1.光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室 湖北 武漢430074；2.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢430074）

利用組播樹優(yōu)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(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室 湖北 武漢430074；2.武漢郵電科學(xué)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(dǎo)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(xiàn)有VPLS組播解決方案中的一部分局限性。其中描述了在SP網(wǎng)絡(luò)中利用組播樹來實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(shù)的具體協(xié)議要求。在以上兩個標準中，使用以太網(wǎng)的洪泛技術(shù)支持組播業(yè)務(wù)[1-2]，但這種方法是通過VPLS相連的PE站點上進行入口復(fù)制來實現(xiàn)VPLS組播，這種方法對于帶寬資源要求高，分發(fā)范圍廣的組播業(yè)務(wù)限制了使用規(guī)模。針對VPLS技術(shù)對組播業(yè)務(wù)支持的限制，本文提出了在SP網(wǎng)絡(luò)中采用組播樹來優(yōu)化VPLS組播功能。

1 聚合組播分發(fā)樹原理

1.1 組播分發(fā)樹

VPLS組播體系構(gòu)架如圖1所示。使用這種組播樹的好處是當組播數(shù)據(jù)流的帶寬很大或者需要擴展入口PE復(fù)制組播包的數(shù)目時，可以通過組播樹的分支節(jié)點承擔(dān)必要的流量復(fù)制需求，但同時也帶來了SP網(wǎng)絡(luò)需要建立組播樹并且維護這些狀態(tài)產(chǎn)生的開銷。

圖1 VPLS組播體系構(gòu)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)層標簽的轉(zhuǎn)發(fā)表[3]。這個表示根據(jù)標簽空間來確定的。在樹的一個根節(jié)點的范疇內(nèi)內(nèi)部標簽是唯一的（因為內(nèi)部標簽由根節(jié)點分配，不需要與其它節(jié)點協(xié)商）。跨越多個根節(jié)點時內(nèi)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(huán)境。外層MPLS標簽提供了這個環(huán)境。

圖2 組播包進入與離開SP網(wǎng)絡(luò)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(nèi)層標簽來確定轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)包的VSI。然后去掉內(nèi)層標簽轉(zhuǎn)發(fā)包。

在VPLS中實施組播技術(shù)，將面臨比傳統(tǒng)IP組播更多的問題。因為需要大量的控制信令來維護網(wǎng)絡(luò)中的組播轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，這就加重了網(wǎng)絡(luò)中的處理負擔(dān)。引入基于聚合樹的處理機制后，雖然通過狀態(tài)的聚合可以減少維護開銷，但流量容易發(fā)送到?jīng)]有接收請求的節(jié)點處。故轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的聚合程度越高，需要維護的組播轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)樹數(shù)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(xiàn)VPLS網(wǎng)絡(luò)中組播的優(yōu)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(zhuǎn)發(fā)和控制面狀態(tài)。聚合到同一棵樹上的VPLS數(shù)目稱為 “聚合因子”。當采用包含樹時，以PE為根節(jié)點的包含樹的數(shù)目和下面的公式成比例：

PE上VPLS實例數(shù)/聚合因子

這種情況下，由P路由器來維護的狀態(tài)和下面的公式成比例：

（PE上平均VPLS實例數(shù) /聚合因子）*PE數(shù)目/穿越P路由器的組播樹平均數(shù)量

因此P路由器維護的狀態(tài)與VPLS實例的數(shù)目不是線性增長關(guān)系。

采用聚合技術(shù)時，必須提供機制保證樹的出口PE可以解復(fù)用聚合樹上的流量。通過在P組播樹的根節(jié)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(xiàn)聚合流量的解復(fù)用。解復(fù)用標簽可以通過BGP協(xié)議由聚合樹的根節(jié)點向葉子PE發(fā)布[4]。

2 利用聚合選擇樹優(yōu)化組播

本文采用的運營商組播分發(fā)樹有兩種類型[5]，一種是以一個PE為根的組播分發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。一種是以一個PE為根的組播分發(fā)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(shù)據(jù)流的PE設(shè)備加入選擇樹，從而PE和CE設(shè)備不會收到不需要的組播數(shù)據(jù)流，當這些IP組播數(shù)據(jù)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(yōu)化組播流量

為了把組播流量傳送到不同的PE節(jié)點，采用洪泛的方式，建立一棵包含樹。采用包含樹的優(yōu)點是：1)降低網(wǎng)絡(luò)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(jié)點的全覆蓋；2)包含樹的建立時間較短，能滿足實時組播業(yè)務(wù)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(fā)送到了所有的PE節(jié)點。在實現(xiàn)包含樹的時候，通過計算最小生成樹，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中的資源開銷。

當利用包含樹發(fā)送某個特定的組播業(yè)務(wù)時，可能某些PE不想接受該業(yè)務(wù)的流量，且該業(yè)務(wù)的流量又很大，這對帶寬資源是一種極大的浪費。為了優(yōu)化流量，還需要把這個VPLS的特定組播業(yè)務(wù)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(tài)的維護?？梢灶A(yù)定義一個門限值bth，由連到某個特定組播業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)將切換到選擇樹。

切換特定的（C-S，C-G）流到選擇樹，根節(jié)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(fā)現(xiàn)IP組播組成員：1)如果是源發(fā)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(jié)點；2)如果以一個PE為根的組播分發(fā)樹承載IP組播組的流量，并且這些IP組播數(shù)據(jù)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(fù)制并且源PE僅向需要接收此（C-S，C-G）的PE發(fā)送（C-S，C-G）。

源PE可能在確定將組播業(yè)務(wù)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(jié)點PE必須通知樹中的葉子節(jié)點：（C-S，C-G）流已經(jīng)綁定在選擇樹上。如果選擇樹是由源發(fā)起建立的，那么這棵樹可能在葉子節(jié)點接收到IP組播流與選擇樹的綁定關(guān)系之前就已經(jīng)建立，也可能在葉子節(jié)點接收到IP組播流與選擇樹的綁定關(guān)系之后建立，但是只有葉子節(jié)點接收到IP組播流與選擇樹的綁定關(guān)系并且這棵樹已經(jīng)建立之后，葉子節(jié)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(fā)送數(shù)據(jù)，葉子PE需要確定何時從選擇樹接收數(shù)據(jù)。

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

2.2 VPLS組播/廣播/未知單播數(shù)據(jù)包的處理

在VPLS網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)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(shè)備上，對廣播報文，未知報文和組播報文的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則如圖3所示。

圖3 PE設(shè)備上對包的轉(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)這個包。否則如果存在包含樹，那么使用包含樹來轉(zhuǎn)發(fā)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(jīng)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(jù)IETF RFC4761/IETF RFC4762定義的規(guī)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(zhuǎn)發(fā)給VPLS中的所有PE。可以使用包含樹轉(zhuǎn)發(fā)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(xué)習(xí)。為了完成MAC學(xué)習(xí)，接收方PE通過VPLS包就能確定發(fā)送方PE。MPLS組播樹技術(shù)允許出口PE從接收到的MPLS包來確定發(fā)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(fā)送方PE的PW。接收方PE產(chǎn)生目的地址與剛學(xué)到的源地址相同的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，那么到發(fā)送方PE的PW就確定了。

3 仿真實驗

為了仿真本文中的優(yōu)化方案，VPLS網(wǎng)絡(luò)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(guī)模的服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中，共有23個節(jié)點（13個PE節(jié)點，10個P節(jié)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(fā)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(chǎn)生2000個組播組。假設(shè)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(shù)分布，均值為μ-1。因此，組的并發(fā)均值為10λ/μ。通過調(diào)節(jié)λ，μ，實驗中并發(fā)的組數(shù)維持在1 600個左右。整個實驗中的組數(shù)超過了1800個。

試驗中共設(shè)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(shè)置的門限值越小，需要維護的組播狀態(tài)數(shù)就越多，從而網(wǎng)絡(luò)中需要維護轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的開銷就越大，但帶寬浪費較小。如果門限值設(shè)置的較大，則帶寬浪費較多，但需要維護的狀態(tài)數(shù)會減少。如果將門限值設(shè)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(shù)目之間的關(guān)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?？梢钥闯?，當bth=0.05，并發(fā)組數(shù)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(shè)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(yù)設(shè)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(fā)組之間的關(guān)系Fig.5 The relation of aggregation factor and number of concurrent groups

4 結(jié)束語

在研究了實現(xiàn)組播技術(shù)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(wǎng)絡(luò)中需要維護的組播狀態(tài)數(shù)。本文提出了在VPLS網(wǎng)絡(luò)中通過應(yīng)用聚合的方法來減少組播狀態(tài)數(shù)，以降低網(wǎng)絡(luò)中組播樹的維護開銷。但是，聚合的引入會造成網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費。文中的研究集中地闡述了如何在組播狀態(tài)數(shù)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(wǎng)絡(luò)中關(guān)于組播的幾個重要參數(shù)如：并發(fā)組播樹、帶寬浪費、聚合因子以及節(jié)點中的平均轉(zhuǎn)發(fā)條目等之間的關(guān)系提供了一個理論上的依據(jù)。結(jié)果表明，在VPLS組播中采用聚合組播樹可以實現(xiàn)性能上的優(yōu)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(tǒng)。