ＩＰＶ６組播技術的研究

中圖分類號：TN915.04 文獻標識碼：A 文章編號：1009-6868(2002)-30-08-04

摘要：

文章在簡介IPv6和組播技術的基礎上，詳細介紹了IPv6下的組播新特性，指出目前IPv6組播技術的幾個研究方向，最后介紹了有關IPv6組播技術的研究成果。

關鍵詞：

IP版本6；組播；群組管理協議；組播路由；組播主干網；組播地址

ABSTRACT:

Based on the brief introduction to IPv6 and the multicast technology， this article presents new features of IPv6 multicast in detail， points out key fields for the research of the present IPv6 multicast technology， and ends with some research results in the field of IPv6 multicast.

KEY WORDS:

IPv6; Multicast; IGMP; Multicast route; Mbone; Multicast address

1 IPv6的產生

互聯網絡協議(IP)產生于20世紀70年代，經過20年的發展，目前已經成為最主流的網絡層協議。但它的很多設計已經制約了互聯網的進一步發展。

早在1992年，人們就開始討論制訂下一代互聯網絡協議(IPng)。1995年，IETF(因特網工程任務組)采用了SIPP(簡單因特網協議)作為IPng的制訂基礎。IPng被IANA(因特網編號管理局)正式賦予版本號6，即IPv6。1996年，IPv6的基本協議規范發表，并于1998年發表了修訂版。IPv6擴展了地址空間，并提供了對數據傳輸的完整性和安全性的支持，支持規模更大的網絡結構，以及網絡的自動配置、更快的路由選擇、更有效的路由聚合、增強的組播技術等。目前工業界廣泛認可IPv6的優勢，并且開始進行IPv4向IPv6的演進工作。各大路由器廠商已經開始提供IPv6路由支持，各種操作系統也開始嵌入IPv6協議棧。由于目前IPv4網絡的商業化運行，在演進過程中會出現多種不同類型的混合網絡，主機會同時具備IPv4和IPv6雙協議棧，然后逐漸進化到純IPv6網絡。

2 組播技術的產生和發展

近年來互聯網的飛速發展產生了很多新應用，特別是高帶寬需求的多媒體應用。為了緩解網絡“瓶頸”問題，業內提出了以下4種主要解決方案：增加網絡帶寬；采用QoS(服務質量)機制，控制不同業務的帶寬使用；服務器的分散和集群；IP組播(IP Multicast)技術。其中，IP組播技術由于它所具有的獨特優越性——在IP組播網絡中，即使用戶數量成倍增加，主干網絡帶寬不需要隨之增加，而成為通行的網絡技術之一。

如圖1所示，組播是一種允許一個或多個發送者(組播源)發送同一報文到多個接收者的技術。組播源將一份報文發送到特定組播地址，組播地址不同于單播地址，它并不特定屬于某單個主機，而是屬于一組主機。一個組播地址表示一個群組，需要接收組播報文者加入這個群組。這樣，無論有多少個組播報文接收者，整個網絡中任何一條鏈路只傳送單一的報文，大大節省了帶寬。

(1)組播群組管理

IGMP(群組管理協議)被用來動態地管理群組成員加入和退出。當一臺主機希望加入一個群組，它向本地的組播路由器發送IGMP消息。組播路由器監聽IGMP消息，并作出相應的操作。同時它還周期性地發送查詢，以維持當前活躍的群組。

IGMP有多個版本。其中IGMPv1只有兩種消息，分別是成員查詢和成員報告。通過這兩種消息以完成最基本的群組加入和群組維護工作。IGMPv2基本上與IGMPv1相同，主要的區別是增加了一個離開群組的消息，這樣就以通告的方式退出一個群組，而在IGMPv1中要通過組播路由器發出查詢請求，發現沒有響應才能確定群組成員的離開。目前正在制訂的IGMPv3增加了源點過濾的功能，它允許一個群組加入者通知組播路由器所希望接收的組播數據源點，即只有該源點的數據才會被接收[1，2]。

(2)組播路由

在組播中，報文由組播源發送到一組主機。為了保證所有加入群組的主機都能接收到報文，需要一種描述報文在網絡中所經過路徑的方法，這就是組播分發樹。組播樹有3種基本類型：泛洪法、有源樹和共享樹。組播路由就是確定從組播源到群組的接收方所有成員的組播分發樹。為了提高分發效率，組播路由方法必須在保證接收群組所有成員都能接收到組播報文的條件下，盡量減少網絡資源占用量和組播的發送范圍。組播路由協議可以分為稠密模式和稀疏模式兩大類。

3 IPv6對組播技術的

繼承和增強

由于組播技術的優越性，IETF在制訂IPv6協議時保留了組播，而取消了廣播；并且為了更好地使用和管理組播應用，IPv6對組播作了進一步的增強，主要表現在以下方面。

3.1 組播地址

IPv6組播地址格式如圖2所示。IPv6組播地址的前8位為11111111；4位的組播標志用于區分眾所周知組播地址(值為0)和臨時組播地址(值為1)，該字段的高3位保留；4位的范圍字段決定了組播報文能游走的范圍。已分配的范圍字段值如下（其他值或者還沒有分配，或者已經保留）：

*9誗1：節點局部——節點局部報文禁止從端口輸出

*9誗2：鏈路局部——鏈路局部報文不能被路由器轉發

*9誗5：網點局部——網點的定義由該網點的組播路由器管理員決定

*9誗8：組織局部——組織的定義由該組織的組播路由器管理員決定

*9誗14：全球

從IPv6的組播地址格式定義，可見其相對于IPv4所具有的優越性：

(1)具有足夠的地址空間。IPv4所定義的地址空間只相當于16個A類地址，對于全球的組播應用來說是遠遠不夠的。而IPv6的地址空間從理論上來說，可以達到2 120個。

(2)范圍字段的應用。組播地址不同于單播地址，它不專屬于某一個主機或應用。除了少數為協議實現而預留的地址外，其他地址都是根據需求動態地分布給組播應用的用戶。這樣會出現一個組播地址同時被多個組播應用所使用的情況，這就需要保證它們之間傳播的范圍不會重疊。IPv4雖然使用了TTL(報文存活時間)來控制組播報文傳送的范圍，但是TTL不夠精確，還是會存在不同應用間報文范圍重疊的情況。而IPv6在地址格式中規定了范圍字段，這樣就可以很方便地劃分組播域，根據組播域來控制組播應用的傳播范圍。

每個組播域有自己的組播地址空間，該地址空間的組播報文只在本組播域中轉發，域的邊界路由器不向域外轉發該地址空間的組播報文。這樣可以劃分范圍從小到大、依次包含的多層次組播域，即多個處于相同層次的范圍較小的組播域組成一個更高層次的范圍較大的組播域。不同層次的組播域的組播地址空間不相互重疊，相同層次的組播域可以有相同的組播地址空間。其優點在于用戶可以根據自己的要求選擇使用適當組播域的組播地址，使組播報文在期望范圍內轉發，以保證組播應用的有序運行[3]。

3.2 MLD協議

MLD協議(組播監聽發現協議)是從IGMPv2協議中派生出來，專門用于IPv6組播群組的管理。其主要功能為：IPv6路由器利用MLD協議發現直接相連的鏈路上是否有組播組成員，以及相鄰的路由器正在監聽哪些組播地址。IPv6路由器上運行的組播路由協議根據這些信息，保證組播報文能發送給正確的接收者。

雖說MLD協議的前身是IGMPv2，但是MLD協議不使用IGMP報文格式，而是使用全新的ICMPv6的報文格式(ICMPv6協議是為IPv6網絡定義的一套控制信息協議)。從某種意義上說，MLD協議就是ICMPv6協議的一個子集[4，5]。

4 IPv6組播技術的研究方向

隨著IPv6網絡的逐步演進以及組播應用的飛速增長，組播服務勢必會成為下一代IPv6 Internet上的一種主要的網絡服務。目前許多制訂關于組播技術的協議標準，在服務于IPv4的基礎上，都充分考慮了對IPv6的支持。雖然它們目前的研究重點環境是IPv4，但是作為IPv6的研究者來說，需要將更多的注意力放在組播在IPv6環境下所體現的新特性上。

4.1 組播地址管理

組播應用需要一個組播地址管理方法來得到地址。組播服務可以通過3種方法來得到組播地址，分別是：

(1)編碼方式：將組播地址寫入程序代碼，使之成為程序的一部分，或者固化在ROM中。該方法適用于IANA靜態分配的組播地址。

(2)通告方式：組播服務隨機挑選一個組播地址，然后在使用該地址之前向網絡通告它將要使用的地址。目前Mbone(組播主干網)中的組播服務就是使用這種方式，其代表工具為SDR(會議目錄工具)。

(3)算法推導方式：使用一種程序化的算法為組播服務分配一個在全球范圍內不與其他服務沖突的組播地址。

組播地址管理中的另一個主要問題是組播域的發現。組播域是一個組播服務的有效傳播范圍，不同的組播域有不同的組播地址空間，所以組播域的發現也就是用戶選擇組播地址空間的過程。

目前，IETF在組播地址管理方面成立了MALLOC(組播地址分配)工作組。該工作組的工作重點是制訂與組播地址相關的一系列協議規范，為全球范圍的組播地址分配提供保證。其主要工作成果包括：Internet組播地址分配體系結構(MAAA)、組播地址動態分配協議(MADCAP)、組播地址分配協議(AAP)、組播地址集申請協議(MASC)等等。同時，IETF的Mbone工作組制訂了關于組播域發現的組播域聲明協議(MZAP)。上述協議的制訂充分考慮了IPv6組播地址的特性，并制訂了相關的IPv6組播地址分配標準[6—8]。

4.2 組播網絡管理

網管早已成為網絡技術的一個熱點，在這方面的研究成果和產品都很多。但是到目前為止，網管的重點主要集中在對單播流量的管理上，而對于組播流量卻鮮有涉及。雖然有些技術在單播模式的網管和組播模式的網管上是同樣適用的，但是，單播通信與組播通信在機制上的根本區別必然要求組播模式網管采用不同的技術。這就造成了主要針對單播流量進行管理的網絡管理產品無法對組播流量進行有效的管理。同時，隨著組播技術的廣泛使用，組播流量在網絡流量中所占的比重越來越大，對組播流量進行管理的需求也越發迫切。所以目前針對組播流量的網管技術研究正在成為一個新興的熱點。

雖然SNMP(簡單網絡管理協議)通過MIB(管理信息庫)定義被管理對象，它本身和網絡傳輸協議無關，可以完全應用于IPv6環境下(目前IETF已經制訂了IPv6相關的MIB)，但是IPv6環境下的組播網管具有更多的新特性。例如規模更大的IPv6網絡需要更健壯的網絡管理，SNMP信息的處理需要更高的安全性等等。目前絕大多數路由器廠商提供IPv6路由支持，這為IPv6環境下的組播網管的研究提供了很好的條件[9-11]。

4.3 可靠組播傳輸

組播報文是通過UDP(用戶數據報協議)進行傳輸的，所以它缺乏TCP(傳輸控制協議)所提供的可靠傳輸的功能。有些組播服務(如視頻/音頻服務)是可以容忍一定的丟包率的，而對于另一些組播服務如MFTP(Multicast FTP)，則要求可靠的組播服務。雖然目前有許多可靠組播協議，例如：SRM(可升級可靠組播)協議、RMTP(可靠組播傳輸協議)、TMTP(基于樹的組播傳輸協議)，并且一些已經被商業化，但都還沒形成標準。

IETF的RMT(可靠組播傳輸)工作組和IRTF(因特網研究部)的RMRG(可靠組播研究組)也正在進行相關協議標準的制訂。其內容包括：如何在大規模組播環境下保證可靠的組播傳輸，其中又包括：設計基于負確認機制(NACK)的可靠組播協議、設計基于樹型確認機制的可靠組播協議、設計使用前向糾錯機制的異步分層編碼協議等；支持延期加入的接收者；可靠組播的安全問題等[12-14]。

4.4 組播網絡安全

網絡安全不論是對單播網絡還是對組播網絡的正常運行都是至關重要的。組播網絡安全與單播網絡安全有著相似的要求：用戶認證，數據一致性檢查，數據加密，用戶授權等方面。但是，考慮到組播技術的特點，如多點到多點傳輸，無需加入群組就可以向群組中發送數據等，在組播網絡中實現網絡安全的難度更大。組播網絡安全的內容包括：限制發送者、限制接收者、限制訪問、驗證組播內容、保護接收者、穿越防火墻。

IETF的MSEC工作組(組播安全研究組)和IRTF的GSEC工作組(組安全研究組)也正在進行組播安全的相關協議標準的制訂。其工作內容包括：定義組播安全總體結構(包括總體功能模塊及其間的相互關系)；定義組播密鑰管理方法等等[15，16]。

5 結束語

在1999年9月，東南大學與清華大學、華南理工大學合作承擔國家“863”計劃通信技術主題“九五”第2期研究課題：IPv6示范網絡的建設及其關鍵技術的研究。在該研究項目中，我們的工作重點是建設IPv6示范網絡的CERNET華東(北)地區中心節點，為華東(北)地區單位加入IPv6示范網絡創造條件，并且承擔了IPv6組播技術的研究。

我們成功地將Mbone中著名的音頻會議工具vat移植到IPv6的環境下，并自行開發了支持IPv6的組播服務器mcastmp3。該工具組播MP3格式的音頻文件，實現了在IPv6示范網絡上傳輸組播多媒體數據流的要求，而且充分注意了協議無關性，可以支持IPv6和IPv4雙協議，為開發與協議無關的網絡通信軟件進行了有益的嘗試。上述工具的源代碼可以在http://www.njnet6.edu.cn獲得。

根據IETF制訂的組播地址分配體系，我們開發了組播地址動態分配服務器，用于對CERNET華東(北)地區提供IPv4和IPv6組播地址的分配和管理，為組播應用的展開(例如遠程教育)提供了支持。

IPv6協議和組播技術作為目前熱門的研究領域，相應的協議和標準還在不斷的制訂、討論和變化中，這些都需要我們積極地參與研究、開發和實踐。□

參考文獻

1 Fenner W.Internet Group Management Protocol. Version 2.IETF RFC2236， 1997

2 Cain B.Internet Group Management Protocol. Version 3.Internet-Drafts，2002

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14 Luby M， Vicisano L， Gemmell J， et al. The Use of Forward Error Correction in Reliable Multicast. Internet-Drafts， 2001

15 Hardjono T， Canetti R， Baugher M， et al. Secure IP Multicast: Problem Areas， Framework and Building Blocks. Internet-Drafts， 1999

16 Harney H，Colegrove A，Harder E， et al. Group Secure Association Key Management Protocol. Internet-Drafts， 2001

(收稿日期：2002-04-05)

作者簡介

梅飛，東南大學計算機系助研。2000年6月畢業于東南大學計算機系計算機應用專業。研究領域有：網絡管理、IPv6、組播。曾參與國家“863”通信主題課題項目研究。

龔儉，東南大學計算機系教授，博士生導師，CERNET專家組成員，CERNET華東(北)地區網絡中心主任。研究領域有：網絡安全、網絡體系結構、網絡入侵檢測。曾主持國家自然科學基金重點課題、國家“863”通信主題、智能計算機主題等重大課題的研究。曾獲國家科技進步二等獎等多項獎項。著有《計算機網絡安全》、《計算機網絡體系結構》等著述以及上百篇論文。