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IP多播技术及其应用
编辑: 来源: 日期:2008-02-06 我要投稿
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随着全球互联网（Internet）的迅猛发展，上网人数正以几何级数快速增长，以因特网技术为主导的数据通信在通信业务总量中的比列迅速上升，因特网业务已成为多媒体通信业中发展最为迅速、竞争最为激烈的领域。Internet网络传输和处理能力的大幅提高，使得网上应用业务越来越多，特别是视音频压缩技术的发展和成熟，使得网上视音频业务成为Internet网上最重要的业务之一。
在Internet上实现的视频点播（VOD）、可视电话、视频会议等视音频业务和一般业务相比，有着数据量大、时延敏感性强、持续时间长等特点。因此采用最少时间、最小空间来传输和解决视音频业务所要求的网络利用率高、传输速度快、实时性强的问题，就要采用不同于传统单播、广播机制的转发技术及QoS服务保证机制来实现，而IP多播技术是解决这些问题的关键技术。
一、IP多播技术的概念
IP多播（也称多址广播或组播）技术，是一种允许一台或多台主机（多播源）发送单一数据包到多台主机（一次的，同时的）的TCP/IP网络技术。多播作为一点对多点的通信，是节省网络带宽的有效方法之一。在网络音频/视频广播的应用中，当需要将一个节点的信号传送到多个节点时，无论是采用重复点对点通信方式，还是采用广播方式，都会严重浪费网络带宽，只有多播才是最好的选择。多播能使一个或多个多播源只把数据包发送给特定的多播组，而只有加入该多播组的主机才能接收到数据包。目前，IP多播技术被广泛应用在网络音频/视频广播、AOD/VOD、网络视频会议、多媒体远程教育、“push”技术（如股票行情等）和虚拟现实游戏等方面。
二、IP多播技术的基础知识
1． IP多播地址和多播组
IP多播通信必须依赖于IP多播地址，在IPv4中它是一个D类IP地址，范围从224.0.0.0到239.255.255.255，并被划分为局部链接多播地址、预留多播地址和管理权限多播地址三类。其中，局部链接多播地址范围在224.0.0.0~224.0.0.255，这是为路由协议和其它用途保留的地址，路由器并不转发属于此范围的IP包；预留多播地址为224.0.1.0~238.255.255.255，可用于全球范围（如Internet）或网络协议；管理权限多播地址为239.0.0.0~239.255.255.255，可供组织内部使用，类似于私有IP地址，不能用于Internet，可限制多播范围。
使用同一个IP多播地址接收多播数据包的所有主机构成了一个主机组，也称为多播组。一个多播组的成员是随时变动的，一台主机可以随时加入或离开多播组，多播组成员的数目和所在的地理位置也不受限制，一台主机也可以属于几个多播组。此外，不属于某一个多播组的主机也可以向该多播组发送数据包。
2．多播分布树
为了向所有接收主机传送多播数据，用多播分布树来描述IP多播在网络中传输的路径。多播分布树有两个基本类型：有源树和共享树。
有源树是以多播源作为有源树的根，有源树的分支形成通过网络到达接收主机的分布树，因为有源树以最短的路径贯穿网络，所以也常称为最短路径树（SPT）。共享树以多播网中某些可选择的多播路由中的一个作为共享树的公共根，这个根被称为汇合点（RP）。共享树又可分为单向共享树和双向共享树。单向共享树指多播数据流必须经过共享树从根发送到多播接收机。双向共享树指多播数据流可以不经过共享树。
3．逆向路径转发
逆向路径转发（RPF）是多播路由协议中多播数据转发过程的基础，其工作机制是当多播信息通过有源树时，多播路由器检查到达的多播数据包的多播源地址，以确定该多播数据包所经过的接口是否在有源的分支上，如果在，则RPF检查成功，多播数据包被转发；如果RPF检查失败，则丢弃该多播数据包。
4．Internet多播主干（MBONE）网络
Internet多播主干（MBONE）网络是由一系列相互连接的子网主机和相互连接支持IP多播的路由器组成。它可以看成是一个架构在Internet物理网络上层的虚拟网，在该虚拟网中，多播源发出的多播信息流可直接在支持IP多播的路由器组之间传输，而在多播路由器组和非多播路由器组之间要通过点对点隧道技术进行传输。
三、IP多播路由及其协议
1． IP多播路由的基本类型
多播路由的一种常见的思路就是在多播组成员之间构造一棵扩展分布树。在一个特定的“发送源，目的组”对上的IP多播流量都是通过这个扩展树从发送源传输到接受者的，这个扩展树连接了该多播组中所有主机。不同的IP多播路由协议使用不同的技术来构造这些多播扩展树，一旦这个树构造完成，所有的多播流量都将通过它来传播。
根据网络中多播组成员的分布，总的说来IP多播路由协议可以分为以下两种基本类型。第一种假设多播组成员密集地分布在网络中，也就是说，网络大多数的子网都至少包含一个多播组成员，而且网络带宽足够大，这种被称作“密集模式”（Dense-Mode）的多播路由协议依赖于广播技术来将数据“推”向网络中所有的路由器。密集模式路由协议包括距离向量多播路由协议（DVMRP：Distance Vector Multicast Routing Protocol）、多播开放最短路径优先协议（MOSPF：Multicast Open Shortest Path First）和密集模式独立多播协议（PIM-DM：Protocol-Independent Multicast-Dense Mode）等。
多播路由的第二种类型则假设多播组成员在网络中是稀疏分散的，并且网络不能提供足够的传输带宽，比如Internet上通过ISDN线路连接分散在许多不同地区的大量用户。在这种情况下，广播就会浪费许多不必要的网络带宽从而可能导致严重的网络性能问题。于是稀疏模式多播路由协议必须依赖于具有路由选择能力的技术来建立和维持多播树。稀疏模式主要有基于核心树的多播协议（CBT：Core Based Tree）和稀疏模式独立协议多播（PIM-SM：Protocol-Independent Multicast-Sparse Mode）。
2．密集模式协议
（1）距离向量多播路由协议 （DVMRP）
第一个支持多播功能的路由协议就是距离向量多播路由协议。它已经被广泛地应用在多播骨干网MBONE上。
DVMRP为每个发送源和目的主机组构建不同的分布树。每个分布树都是一个以多播发送源作为根，以多播接受目的主机作为叶的最小扩展分布树。这个分布树为发送源和组中每个多播接受者之间提供了一个最短路径，这个以“跳数”为单位的最短路径就是DVMRP的量度。当一个发送源要向多播组中发送消息时，一个扩展分布树就根据这个请求而建立，并且使用“广播和修剪”的技术来维持这个扩展分布树。
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