吕秋云
一、引言
1.1、 问题的引出
近年来，随着网络技术的发展，使得各种单一媒体相继成为网络传输中的数据，进而各种媒体的融合使得网络多媒体运用层出不穷。目前，在Internet上产生了许多新的应用，其中不少是高带宽的多媒体应用，譬如网络视频会议 (可视化IP电话会议系统)、网络音频/视频广播、多媒体远程教育、远程会诊，而传统网络最初是为数据传输而设计的，是典型的点点通信模式，是为保证数据可靠传输而设计的，所用的传输协议多为点到点的协议。其所具有的特点将增加网络发送负载，带来网络延时。这就带来了带宽的急剧消耗和网络拥挤问题。为了缓解网络瓶颈， 人们提出各种方案：增加互连带宽，改变网络流量结构，IP组播技术等等，其中，IP组播技术有其独特的优越性——在组播网络中，即使用户数量成倍增长，主干带宽不需要随之增加。
组播技术可形象的描述如下：
假设一个企业分布于各地的子公司（两个以上）之间需要通过Internet进行实时的交换信息(数据，声音，图像)，他们的计算机可能不属于同一物理网络，甚至不属于同一自治系统，这种通信的特点是“多点”式的。子公司发出的数据希望其他子公司都能收到，而总部发出的指示全体子公司都应收到。这种多点通信方式为组内广播，即组播技术，也称多播技术，多目网关技术。
1.2、TCP/IP传送方式
组播技术是TCP/IP传送方式的一种。在我们讨论组播技术之前先来看看
TCP/IP传送方式。TCP/IP传送方式有三种：单播，广播，组播。
单播（Unicast）传输：在发送者和每一接收者之间需要单独的数据信道。 如果一台主机同时给很少量的接收者传输数据，一般没有什么问题。但如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时却很难实现。 这将导致发送者负担沉重、延迟长、网络拥塞；为保证一定的服务质量需增加硬件和带宽。
组播（Multicast）传输：它提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络， 也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持）。
广播（Broadcast）传输：是指在IP子网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。 广播意味着网络向子网主机都投递一份数据包，不论这些主机是否乐于接收该数据包。然而广播的使用范围非常小， 只在本地子网内有效，因为路由器会封锁广播通信。广播传输增加非接收者的开销。
二、组播技术
2.1、组播技术的原理
组播是一种允许一个或多个发送者（组播源）发送单一的数据包到多个接收者（一次的，同时的）的网络技术。 组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。组播可以大大的节省网络带宽， 因为无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。 它提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络， 也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持）。
其网络模型如下图所示：
2.2、实现组播技术的前提条件
实现IP组播传输，则组播源和接收者以及两者之间的下层网络都必须支持组播。这包括以下几方面：
* 主机的TCP/IP实现支持发送和接收IP组播；
* 主机的网络接口支持组播；
* 有一套用于加入、离开、查询的组管理协议，即IGMP（v1,v2）；
* 有一套IP地址分配策略，并能将第三层IP组播地址映射到第二层MAC地址；
* 支持IP组播的应用软件；
* 所有介于组播源和接收者之间的路由器、集线器、交换机、TCP/IP栈、防火墙均需支持组播；
2.3、组播地址
在组播通信中，我们需要两种地址：一个IP组播地址和一个Ethernet组播地址。其中，IP组播地址标识一个组播组。 由于所有IP数据包都封装在Ethernet帧中，所以还需要一个组播Ethernet地址。为使组播正常工作， 主机应能同时接收单播和组播数据，这意味着主机需要多个IP和Ethernet地址。 IP地址方案专门为组播划出一个地址范围，在IPv4中为D类地址，范围是224.0.0.0到239.255.255.255， 并将D类地址划分为局部链接组播地址、预留组播地址、管理权限组播地址。
局部链接地址：224.0.0.0～224.0.0.255，用于局域网，路由器不转发属于此范围的IP包；
预留组播地址：224.0.1.0～238.255.255.255，用于全球范围或网络协议；
管理权限地址：239.0.0.0～239.255.255.255，组织内部使用，用于限制组播范围；
D类地址的最后28比特没有结构化，即没有网络ID和主机ID之分。响应某一个IP多播地址的主机构成一个主机组，主机组可跨越多个网络。主机组的成员数是动态的，主机可以通过IGMP协议加入或离开某个主机组。IP多播地址影射到以太网地址的方法见下图。因为IP多播地址的高5位未影射，因此，影射的以太网地址不是唯一的，共有32个IP多播地址影射到一个以太网地址。
2.4、组播协议：
组播协议主要包括组管理协议（IGMP）和组播路由协议（密集模式协议（如DVMRP，PIM-DM）、稀疏模式协议（如PIM-SM，CBT） 和链路状态协议（MOSPF））
* 组管理协议IGMP
主机使用IGMP通知子网组播路由器，希望加入组播组；路由器使用IGMP查询本地子网中是否有属于某个组播组的主机。
* 加入组播组
当某个主机加入某一个组播组时，它通过“成员资格报告”消息通知它所在的IP子网的组播路由器，同时将自己的IP模块做相应的准备， 以便开始接收来自该组播组传来的数据。如果这台主机是它所在的IP子网中第一台加入该组播组的主机， 通过路由信息的交换，组播路由器加入组播分布树。
* 退出组播组
在IGMP v1中，当主机离开某一个组播组时，它将自行退出。组播路由器定时(如120秒) 使用“成员资格查询” 消息向IP子网中的所有主机的组地址（224.0.0.1）查询，如果某一组播组在IP子网中已经没有任何成员， 那么组播路由器在确认这一事件后， 将不再在子网中转发该组播组的数据。与此同时，通过路由信息交换， 从特定的组播组分布树中删除相应的组播路由器。 这种不通知任何人而悄悄离开的方法， 使得组播路由器知道IP子网中已经没有任何成员的事件延时了一段时间，所以在IGMP v2.0中，当每一个主机离开某一个组播组时， 需要通知子网组播路由器，组播路由器立即向IP子网中的所有组播组询问，从而减少了系统处理停止组播的延时。
* 组播路由协议
要想在一个实际网络中实现组播数据包的转发，必须在各个互连设备上运行可互操作的组播路由协议。 组播路由协议可分为三类：密集模式协议（如DVMRP，PIM-DM）、稀疏模式协议（如PIM-SM，CBT） 和链路状态协议（MOSPF），下面分别介绍各个协议的工作原理。
* 距离向量组播路由协议（Distance Vector Multicast Routing Protocol：DVMRP）
DVMRP由单播路由协议RIP扩展而来，两者都使用距离向量算法得到网络的拓扑信息，不同之处在于RIP根据路由表前向转发数据， 而DVMRP则是基于RPF。为了使新加入的组播成员能及时收到组播数据，DVMPR采用定时发送数据包给所有的LAN的方法， 然而这种方法导致大量路由控制数据包的扩散，这部分开销限制了网络规模的扩大。另一方面，DVMRP使用跳数作为计量尺度， 其上限为32跳，这对网络规模也是一个限制。目前提出了分层DVMRP，即对组播网络划分区域， 在区域内的组播可以按照任何协议进行，而对于跨区域的组播则由边界路由器在DVMRP协议下进行，这样可大大减少路由开销。
* 开放式组播最短路径优先协议（Multicast Open Shortest Path First：MOSPF）
MOSPF是一种基于链路状态的路由协议，是对单播OSPF协议的扩展。同OSPF类似，MOSPF定义了三种级别的路由：
a、 OSPF区域内组播路由：用于了解各网段中的组播成员，构造（源网络S，组G）对的SPT；
b、 MOSPF区域间组播路由：用于汇总区域内成员关系，并在自治系统（AS）主干网（区域0）上发布组成员关系记录通告，实现区域间组播包的转发。
c、 OSPF AS 间组播路由：用于跨AS的组播包转发。
* 协议无关组播（Protocol Independent Multicast：PIM）
PIM由IDMR（域间组播路由）工作组设计，顾名思义，PIM不依赖于某一特定单播路由协议， 它可利用各种单播路由协议建立的单播路由表完成RPF检查功能，而不是维护一个分离的组播路由表实现组播转发。 由于PIM无需收发组播路由更新，所以与其它组播协议相比，PIM开销降低了许多。 PIM的设计出发点是在Internet范围内同时支持SPT和共享树，并使两者之间灵活转换，因而集中了它们的优点提高了组播效率。 PIM定义了两种模式：密集模式(Dense-Mode)和稀疏模式（Sparse-Mode）。
* 有核树组播路由协议（Core-Based Trees: CBT）
CBT的基本目标是减少网络中路由器组播状态，以提供组播的可扩展性。为此，CBT被设计成稀疏模式（与PIM-SM相似）。 CBT使用双向共享树，双向共享树以某个核心路由器为根，允许组播信息在两个方向流动。 这一点与PIM-SM不同（PIM-SM中共享树是单向的，在RP与组播源之间使用SPT将组播数据转发到RP）， 所以CBT不能使用RPF检查，而使用IP包头的目标组地址作检查转发缓存。这就要求对CBT共享树的维护就需非常小心， 以确保不会产生组播路由循环。
三、组播技术的应用系统实现——可视化Ip电话会议系统
上面讨论了组播技术的各个技术细节，下面我们以多媒体应用——可视化Ip电话会议系统为例来探讨组播技术在应用系统的实现。
可视化Ip电话会议系统: 是利用计算机，多媒体通信技术和设备，通过传输信道在两地或多个地点之间开会的一种通信手段。在召开会议时，处于两地或不同地点的与会代表，既可以听到对方的声音，又可以看到对方的形象，同时还能看到对方会议室的场景，以及在会议中展示的事物、图片、表格、文件等，缩短了与会代表的距离，使大家好像在同一会议室参加会议一样。它的广泛应用必然产生巨大的社会效益和经济效益。
会议的组织，召开，管理由主会场来完成。因此，主会场的视频，声音，通知，指示，下达的文件资料各分会场都应该收到。当某分会场发言时，其视频，声音同样要传送给其他会场。（如下图所示）上述所有动作的完成依赖组播技术。通过组播技术把主会场的各种数据发送到参加会议的分会场中，而且把发言分会场的视音频数据发送给其他会场：即主会场和发言分会场的各种数据只要在网上发送一次，其他会场都将收到此数据，（这就是有别于点对点通信方式的地方）而与这两个会场在同一网段却不参加会议的非成员不会收到数据（只要设备支持，这也是有别于广播的地方）。因此，当会议成员增加时，不会产生信息传输量剧增，带来无法忍受的网络延时和抖动。
根据上面对组播技术的讨论我们可以得出要实现可视化IP电话会议必须解决如下几个方面问题:
3.1、组播地址
根据上面的讨论我们知道应用系统中可采用组播地址的范围是：224.0.1.0～238.255.255.255。那么在我们的应用系统中应如何使用组播地址呢？有两种方法使用组播地址：静态设置，动态获取。
* 静态获取：
在会议系统中设置好组播地址,以后永远不变。这种方式虽然比较简单，在目前会议系统使用不多时没有问题，但是如果有两个此类会议系统运行，或使用相同组播地址的不同系统运行（由于没有统一管理组播地址，开发商互相不知道），那就会出现无法解决的冲突。因为本应属于两个不同的组却由于使用相同的组播地址而合为一组。这对于将来会议系统的广泛应用是不可行的。
* 动态获取：
会议系统用到的组播地址是不定的，只在运行时临时确定。动态获取组播地址的方法大概有三种：通告方式获取，算法推导方式取得，采用Internet组播地址动态分配体系结构（RFC2908）。
通告方式获取：当会议系统建立时，先侦听10-20分钟左右，以确定当前已使用的组播地址，防止冲突。
算法推导：根据本地的特殊条件，通过一定的算法，求出当前使用的组播地址。
采用上述三种方式获取组播地址可有效防止地址冲突问题。虽然比较复杂，也较耗费资源，但是有利于将来的多媒体应用的扩展。
3.2、网络设置：
由于我们以前的Internet应用大多集中于数据的交换、共享，因此在目前的通信方式中，主要采用的是单播和广播，对组播的考虑不是很多。但随着多媒体应用（视频，音频）的发展，要求Internet网络必须很好的支持组播，这也是会议系统得以运行的前提条件。因此，所有介于组播源和接收者之间的路由器、集线器、交换机、TCP/IP栈、防火墙均需支持组播。
在路由器上要安装相应的软件：组管理协议软件，组播路由协议软件等等。
如果要采用RFC2908--Internet组播地址动态分配体系结构，还应配置相应的组播地址分配服务器。
目前绝大多数集线器、交换机只是简单的把组播数据当成广播来发送接收。
假设某网段某一成员参加会议（采用会议系统），则处于同一网段（由交换机、集线器连接）的其他非会议成员其实都可收到多媒体流。这样，非会议成员的真正可使用带宽将急剧下降；如果有多个类似的会议系统（组）同时存在，那么将导致网络拥塞，直至网络瘫痪。同时，由于数据流被广播，很可能会被其他非法成员利用，造成安全隐患。因此，在当今流行的用交换机组建园区网，小区网、专用局网Intranet的网络设计中，应充分考虑到将来多媒体应用发展将会带来的安全问题和带宽问题。
3.3、防火墙：
可视化IP电话会议系统运行在Internet上，我们必须要考虑防火墙的问题。由于目前病毒泛滥，为了保护自身的安全，许多机构用一台防火墙计算机作为在公用互联网和本机构的专用网，即内部局网Intranet网之间的安全性网关。目前的防火墙大多基于单播通讯来设计的，而组播与单播的原理是有很大不同的：
单播通讯是由一对参与者会话的形式组成的，因此搞清楚单播通讯的安全性是基于这些参与者（每位被授权的参与者），此外"单播通讯之间的"信任"必须建立在每一个参与者的"可信任"之上，也必须建立在数据的"可信任"上。
组播的范围有随意性，它含盖了不同集合的参与者，有的可能还不知道这些参与者是否具有资格。（这是它的特点，而不是BUG），因此组播的安全性不能依赖其参与者，而应该是依赖数据。特别是组播通讯是通过对包数据授权而进行授权的，例如使用数字签名--这种数据是专门加过密的，所以组播间的信任是通过这些数据的神圣的信任关系来建立的。
为了处理组播安全问题，防火墙应该做三件事情：
* 支持所选择的组播安全策略。（这个策略建立了正在等候的准备转发的特殊的组播群），组播策略是由特殊的一组受允许通过防火墙转发的组播群（和相应的UDP口）组成的安全集合。
* 动态地作出决定何时需要转发每一个侯选组。组播组是动态变化的，只有确定有必要转发时它才会转发。
* 通过防火墙转发每一个侯选组的数据。 用来转发侯选组播包的实际机制将有赖于防火墙的实质，普通的防火墙设置使用两个站点：intranet的部分，外部internet部分。这种情况下，组播包可在两节点间使用管道协议转发（再到另一侧重新组播）。
四、总结
本文对组播技术做了全面的介绍，并对组播技术在实际的应用系统应解决的问题组播地址、网络设置、防火墙进行了深入的阐述。
摘自《计算机世界》
