網(wǎng)絡(luò)音視頻會(huì)議中的IP組播技術(shù)研究

黃麗波

92524部隊(duì) 浙江 寧波 315020

1 IP網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包傳遞的三種方式

在IP網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包主要有三種傳遞方式：?jiǎn)尾?，廣播和組播。傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中主要以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單播通信應(yīng)用為主，此時(shí)信息的接收和傳遞在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行。數(shù)據(jù)源發(fā)送多份數(shù)據(jù)，鏈路上傳遞多份數(shù)據(jù)，中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)多份數(shù)據(jù)，需要數(shù)據(jù)的接收者都會(huì)接收到數(shù)據(jù)，但是浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬。在廣播通信中數(shù)據(jù)源只發(fā)送一份數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在子網(wǎng)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無條件轉(zhuǎn)發(fā)，子網(wǎng)內(nèi)部的所有主機(jī)都可以接收到該數(shù)據(jù)。由于廣播會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不堪重負(fù)，所以一般都是將廣播限制在二層交換機(jī)的局域網(wǎng)范圍內(nèi)，路由器上是禁止廣播數(shù)據(jù)通過的。組播通信則是數(shù)據(jù)源僅發(fā)送一份數(shù)據(jù)，中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)需要只給加入組播組的成員轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，非組播組成員不接收數(shù)據(jù)[1]。

2 音視頻會(huì)議的特點(diǎn)適合使用組播協(xié)議

在組播通信中，數(shù)據(jù)源和骨干路由設(shè)備之間只需要發(fā)送一份數(shù)據(jù)，主機(jī)主動(dòng)申請(qǐng)加入組播組，數(shù)據(jù)源只會(huì)被路由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)給需要數(shù)據(jù)的組播組成員，沒有加入組播組的主機(jī)不會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)。這種按需轉(zhuǎn)發(fā)的規(guī)則特別適合音視頻會(huì)議的場(chǎng)合。因?yàn)樵谝粢曨l會(huì)議中，一般是一個(gè)主會(huì)場(chǎng)對(duì)應(yīng)多個(gè)分會(huì)場(chǎng)，一對(duì)一組的通信方式。而組播恰好又是一對(duì)一組的通信協(xié)議。主會(huì)場(chǎng)只需要在骨干網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送一份數(shù)據(jù)，在分支路由器上再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)分會(huì)場(chǎng)即可。組播網(wǎng)絡(luò)中，即使組播用戶數(shù)量成倍增長(zhǎng)，骨干網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)帶寬不會(huì)增加，只需要一份數(shù)據(jù)通過，極大降低了骨干網(wǎng)帶寬消耗[2]。

3 組播技術(shù)體系

組播技術(shù)涉及組播地址分配，二層的組播監(jiān)聽IGMP SNOOPING協(xié)議，主機(jī)與路由器之間的組成員管理協(xié)議IGMP和路由協(xié)議。

3.1 組播IP地址

組播IP地址不同于用來標(biāo)識(shí)一臺(tái)主機(jī)的單播地址，組播地址不是任何主機(jī)或者組播源的地址，它僅僅用于標(biāo)識(shí)一個(gè)IP組播組，相當(dāng)于一個(gè)組號(hào)碼，僅僅是屬于該組播組的成員都會(huì)接收到組播源發(fā)送過來的消息。

3.1.1 組播地址屬于D類地址。組播地址第一個(gè)字節(jié)的前4位，用二進(jìn)制1110來識(shí)別。

字節(jié)1 字節(jié)2 字節(jié)3 字節(jié)4

1110XXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXX

3.1.2 組播地址分類：

224.0.0.0—224.0.0.255：永久組地址，預(yù)留出來給協(xié)議使用。

224.0.1.0—224.0.1.255：公用組播地址。

224.0.2.0—238.255.255.255：用戶可用的地址。

239.0.0.0—239.255.255.255：本地管理組播地址。

3.1.3 組播地址與MAC地址的換算。單播IP報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，目的MAC地址使用的是接收者的MAC地址。但組播報(bào)文的接收者不是單一的，是在組播組里的全部成員，所以不能用單個(gè)IP對(duì)應(yīng)的MAC，而應(yīng)該用組播MAC。組播MAC地址的計(jì)算方法如下：組播MAC地址=組播MAC標(biāo)識(shí)（0x01005E）+第25位為0+組播IP地址后23位對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位。因?yàn)榻M播MAC地址的前25位是固定的，后23位和組播IP地址的后23位相同，組播IP地址的前四位是固定的0100，那么就會(huì)有32-23-4=5個(gè)二進(jìn)制位的IP地址也就是32個(gè)多播地址對(duì)應(yīng)的MAC地址是相同的。

3.2 二層組播協(xié)議為IGMP SNOOPING

IGMP組成員管理協(xié)議是針對(duì)第三層的，但是在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況中，組播報(bào)文要經(jīng)過一些二層交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如果不對(duì)二層交換機(jī)進(jìn)行一些設(shè)置，組播數(shù)據(jù)就會(huì)在第二層數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行擴(kuò)散，會(huì)造成廣播風(fēng)暴。IGMP SNOOPING的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題，其工作機(jī)理為二層交換機(jī)根據(jù)偵聽到的主機(jī)發(fā)向路由器的IGMP成員報(bào)告消息形成組成員和交換機(jī)的接口之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，交換機(jī)則根據(jù)此對(duì)應(yīng)關(guān)系將收到的組播數(shù)據(jù)包只轉(zhuǎn)發(fā)給連接組成員的接口。IGMP SNOOPING解決了二層交換機(jī)中的廣播風(fēng)暴問題，但是要求交換機(jī)具有提取三層信息的能力，并且在監(jiān)聽組播報(bào)文的時(shí)候大量占用了交換機(jī)CPU的資源。

3.3 三層組播協(xié)議

三層組播協(xié)議分為兩類，第一類為主機(jī)-路由器之間的組成員關(guān)系協(xié)議IGMP。第二類為路由器-路由器之間的組播路由協(xié)議，其中包括域內(nèi)（PIM-SM等）和域間（MBGP）組播路由協(xié)議。

3.3.1 主機(jī)-路由器之間的組成員關(guān)系協(xié)議IGMP。IGMP協(xié)議運(yùn)行于主機(jī)和與主機(jī)直接相連的組播路由器之間，該協(xié)議使得本地路由器獲知主機(jī)希望加入某個(gè)特定組播組的信息。組播路由器也通過此協(xié)議周期性查詢局域網(wǎng)內(nèi)某個(gè)已知的組成員的活動(dòng)狀態(tài)，也就是該網(wǎng)段是否還有屬于某個(gè)組播組的成員，這樣就實(shí)現(xiàn)了所有組播組的組成員關(guān)系的收集和維護(hù)。組播路由器通過IGMP協(xié)議建立起一張表，其中包含了路由器各個(gè)端口以及在端口上所對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)上都有哪些組成員。當(dāng)路由器接收到某個(gè)組Group的數(shù)據(jù)報(bào)文后，只向那些有Group的成員端口上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文，其他端口不轉(zhuǎn)發(fā)。IGMP建立并且維護(hù)路由器直聯(lián)網(wǎng)段的組成員關(guān)系信息。IGMP協(xié)議不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)報(bào)文在路由器之間如何轉(zhuǎn)發(fā)則由路由協(xié)議決定。域內(nèi)組播路由協(xié)議PIM-SM根據(jù)IGMP維護(hù)的這些組播組成員關(guān)系表通過一定的組播路由算法構(gòu)造組播分發(fā)樹進(jìn)行組播數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3.2 域內(nèi)組播路由協(xié)議PIM-SM的數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制。目前應(yīng)用最多的域內(nèi)組播路由協(xié)議是PIM-SM稀疏模式協(xié)議無關(guān)組播。在PIM-SM域中，運(yùn)行PIM-SM協(xié)議的路由器周期性發(fā)送HELLO消息，用以發(fā)現(xiàn)鄰接的PIM路由器，并且負(fù)責(zé)在多路訪問網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行指定路由器（DR）的選舉。這里，DR負(fù)責(zé)為其直連組成員朝著組播分發(fā)樹根節(jié)點(diǎn)的方向發(fā)送消息，或者是將直連組播源的數(shù)據(jù)發(fā)向組播分發(fā)樹。PIM-SM通過建立組播分發(fā)樹來進(jìn)行組播數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。組播分發(fā)樹分為兩種：以組Group的RP（Rendezvous Point匯聚點(diǎn)）為根的共享樹RPT和以組播源為根的最短路徑樹SPT（Short Path Tree）。PIM-SM通過顯式的加入/剪枝機(jī)制來完成組播分發(fā)樹的建立與維護(hù)。當(dāng)DR（指定路由器）收到一個(gè)發(fā)自接收端的加入（Join），它就會(huì)向著組Group的RP方向逐跳組播發(fā)出一個(gè)（*，G）加入信息用以加入共享樹RPT，其中“*”指的是RP。源主機(jī)向組播組發(fā)送組播數(shù)據(jù)時(shí)，源的數(shù)據(jù)被封裝在注冊(cè)消息內(nèi)，并由其DR單播至RP，RP再將源的解封裝數(shù)據(jù)包沿著共享樹轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)組成員。RP朝著源方向向第一跳路由器發(fā)送（S，G）加入信息，用以加入此源的最短路徑樹，這樣源的數(shù)據(jù)包將沿著其最短路徑樹不加封裝地發(fā)送到RP。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)組播數(shù)據(jù)沿此樹到達(dá)時(shí)，RP向源的DR發(fā)送注冊(cè)停止消息，以使DR停止注冊(cè)封裝過程，此后，這個(gè)源的組播數(shù)據(jù)不再注冊(cè)封裝，而是沿著源的源的最短路徑樹發(fā)送到RP，再由RP將其沿著共享樹轉(zhuǎn)發(fā)到各成員，當(dāng)不再需要組播數(shù)據(jù)時(shí)，DR向著組G的RP逐跳組播剪枝消息用以剪枝共享樹。

對(duì)服務(wù)人員從普洱茶養(yǎng)生原理、效果和養(yǎng)生之法等方面進(jìn)行培訓(xùn)，培養(yǎng)一支具普洱茶養(yǎng)生特色創(chuàng)新性的服務(wù)團(tuán)隊(duì)。其次，與高校建立實(shí)習(xí)合作基地，挑選養(yǎng)生旅游針對(duì)性較強(qiáng)的導(dǎo)游，對(duì)養(yǎng)生旅游起到實(shí)質(zhì)性的作用。此外，結(jié)合傣醫(yī)與普洱茶養(yǎng)生，邀請(qǐng)傣醫(yī)專家定期舉行養(yǎng)生講座，為游客提供養(yǎng)生咨詢。以雙贏合作理念充分結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用駷橛慰吞峁└髅褡宓钠斩枋⒀?，既提供就業(yè)機(jī)會(huì)又促使游客有直接的體驗(yàn)。使當(dāng)?shù)鼐用癯蔀槠斩桊B(yǎng)生的形象大使。

3.3.2.1 RPT向SPT的切換。PIM-SM組播網(wǎng)絡(luò)中有兩棵樹，一棵是從組播源到RP的SPT，另外一顆是從RP到組播接收者的RPT，為獲得更加小的延遲，接收者側(cè)的DR會(huì)發(fā)起從RPT到SPT的轉(zhuǎn)換，當(dāng)接收者側(cè)的DR收到第一個(gè)組播報(bào)文時(shí)，就會(huì)知道組播源的位置，在單播路由表中查詢到達(dá)源的路由，明確到達(dá)源的出接口和下一跳地址，然后向組播源直接發(fā)送特定源組的join消息，join消息將沿著DR指向組播源的單播路由逐跳發(fā)送，最后到達(dá)組播源側(cè)的DR，沿途每一臺(tái)路由器都會(huì)建立（S，G）表項(xiàng)，這時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中組播源會(huì)有兩條路徑到達(dá)組播接收者，一條是沿著SPT到達(dá)，另一條是沿著RPT的路徑到達(dá)，這時(shí)，會(huì)丟棄從RP接收到的報(bào)文，并向RP發(fā)送prune消息（在RP的（S，G））表項(xiàng)的出接口為空的條件下，證明下面沒有接收者）最終形成組播源到組播接收者的SPT。

3.3.2.2 PIM-SM中的RPF逆向轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。組播轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和單播轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制不同，單播轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制查看的是報(bào)文的目的地址，用目的地址去查找路由表，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而在組播轉(zhuǎn)發(fā)中，環(huán)路是比較致命的，組播轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制為了防止環(huán)路查看的是報(bào)文的源地址，有源地址去查找單播的IP路由表，查找到下一跳的出接口，與接收到的組播報(bào)文的接口相比，如果是同一個(gè)接口，則正常轉(zhuǎn)發(fā)，如果不是則丟棄，這就是組播的逆向轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，組播轉(zhuǎn)發(fā)下想要找到下一跳的出接口，那么可以通過組播轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)（S，G）來進(jìn)行查找，其中包含了源地址和組播地址還有出接口以及入接口。以組播報(bào)文的源地址作為IP單播的地址查找路由表，找到下一跳的出接口，如果出接口與接收到的組播報(bào)文的接口一致，那么RPF檢查通過，否則直接丟棄，每一臺(tái)路由器都會(huì)進(jìn)行RPF檢查，確保路徑是最優(yōu)的，在SPT中報(bào)文源就是組播源，在RTP中RP到組播接收者的這段路徑上，組播源是RP，在組播源到RP的路徑上，報(bào)文源是組播源。

3.3.3 域間組播路由協(xié)議。域間組播路由協(xié)議MBGP在各自治域之間發(fā)布具有組播能力的路由信息及組播源信息，以使組播數(shù)據(jù)在域間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。MBGP是在目前使用最廣泛的單播路由協(xié)議BGP-4上做了一些增強(qiáng)和改進(jìn)，MBGP不僅能攜帶單播路由協(xié)議，還能攜帶包括組播在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，在MBGP中，單播路由信息和組播路由信息可以在同一進(jìn)程中進(jìn)行交換，但他們分別存在于各自的單播路由表和組播路由表中。MBGP兼容BGP-4的策略和常見配置方法。

4 組播的實(shí)際配置與組播路由查看

二層交換機(jī)的配置：igmp snooping enable//組播抑制

三層交換機(jī)的配置：以三層交換機(jī)SwitchA上的vlan2接口為例：

[SwitchA]multicast routing enble//使能組播路由功能

[SwitchA-vlan2]pimsm //在vlan2接口下使能pimsm協(xié)議

[SwitchA-vlan2]igmp enable //若該vlan接口下有組播用戶要使能igmp協(xié)議，因?yàn)閕gmp是主機(jī)和與其直接相連的組播路由器之間的協(xié)議。

查看組播路由的命令是[SwitchA]display pim routing-table。通過此條命令返回的組播路由表中的（*，G）、（S，G）以及Upstream interface和Downstream interface來判斷網(wǎng)絡(luò)上是否形成了正確的組播路由表。此條命令是發(fā)生組播故障時(shí)檢查的重要依據(jù)，可以快速定位故障位置。一般在網(wǎng)絡(luò)音視頻會(huì)議中，如果單播正常，但是組播不正常，基本上可以判斷故障是出在組播路由上，可以在平時(shí)組播轉(zhuǎn)發(fā)正常的時(shí)候備份一個(gè)正確的組播路由表，將出現(xiàn)故障時(shí)通過display pim routing-table命令查詢出來的組播路由表與之對(duì)照，看是否與組播轉(zhuǎn)發(fā)正常時(shí)的組播路由表一致，如果不一致，則要查找在網(wǎng)絡(luò)上是否有單位近期對(duì)路由配置進(jìn)行了改動(dòng)。一般來說，如果RP的下游部分的路由器的組播路由（*，G）這一項(xiàng)還沒有建立，那么組播轉(zhuǎn)發(fā)故障基本上是在已經(jīng)建立（*，G）和還沒有建立（*，G）這一項(xiàng)的路由器之間。很有可能是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)類設(shè)備如防火墻或者加密設(shè)備出現(xiàn)問題，導(dǎo)致（*，G）無法向RP發(fā)送加入申請(qǐng)消息。如果路由器的（*，G）、（S，G）項(xiàng)與組播能正常轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)一致，中游路由器能收到組播包，但是下游路由器收不到組播包，那么故障原因很有可能是組播源的TTL值過小，數(shù)據(jù)包在還沒4有到達(dá)下游路由器時(shí)就被丟棄了。這時(shí)候只需要修改TTL的數(shù)值就可以了。

5 結(jié)束語

組播是IP通信的一種不同于單播的數(shù)據(jù)傳遞方式，在網(wǎng)絡(luò)音視頻會(huì)議中得到了廣泛應(yīng)用，大大減輕了骨干網(wǎng)的傳輸壓力。與傳統(tǒng)的音視頻會(huì)議系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡(luò)音視頻會(huì)議系統(tǒng)又多了一個(gè)組播技術(shù)，組播技術(shù)涉及地址分配，組成員管理協(xié)議，域內(nèi)域間路由協(xié)議等，單播正常組播不正常的故障排查需要對(duì)組播技術(shù)有深入研究。對(duì)組播技術(shù)的深入研究有助于提高網(wǎng)絡(luò)音視頻會(huì)議的保障水平。