大規模組播網絡故障探究

蔡智慧+彭皓+夏東朝

摘要摘要：互聯網時代，組播應用越來越廣泛。介紹組播（PIM）相關技術，闡述組播運行機制，分析環路在組播環境中出現定位故障的原因。從組播路由協議中分析組播中斷的原因，提出了規避該類問題應采取的措施。

關鍵詞關鍵詞：組播；環路；組播中斷；路由協議

DOIDOI：10.11907/rjdk.162286

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001014702

引言

組播是一種針對點到多點的UDP格式報文傳輸協議。相比于單播，它可以極大節約網絡寬帶和流量。相比于廣播，它可以跨三層網路傳遞，并能針對專門的網絡客戶接收群體。因為特定的目標群體，其數據流承載具有優于單播和廣播的機制。所以，對于組播協議需要相比前兩種傳遞方式更為復雜的協議來處理。

在互聯網+時代，組播應用越來越廣泛，例如大型企業視頻系統、運營商OTT等。在這些重要領域，網絡系統平均無故障時間指標越來越重要。在IP數據網絡中，組播故障包括端到端的組播源服務、三層組播PIM路由轉發和二層組播IGMP組成員管理故障，本文主要針對三層和二層環路下導致組播中斷的原因進行分析研究。1故障場景與定位

組播網絡中斷故障出現后，登錄三層交換機設備查找故障原因，發現設備的公網管理IP無法啟用，只能通過應急console管理通道登陸設備。由于網絡管理規范中，業務和管理地址都通過BGP協議承載，使用show ip route bgp查看三層交換機路由表，已無動態路由，初步定位為組播源服務地址不能向上層設備RP注冊。用show ip bgp summary檢查三層交換機的路由協議BGP，發現BGP鄰居已中斷。協議狀態如圖1所示。

通過在交換機設備本端和上行設備上配置靜態路由，確保BGP鄰居路由可達。此時設備可通過公網進行帶內遠程管理，但組播中斷故障尚未恢復。協議狀態如圖2所示。

根據設備組網規范，通過IGP OSPF實現BGP建立鄰居路由的互聯互通。使用show ip ospf interface brief和show ip ospf neighbor查看OSPF，發現鄰居關系異常。通過show ip pim interface和show ip pim neighbor查看組播無關路由協議PIM，發現鄰居異常。通過在交換機上執行show interface geiX/X查看三層交換機物理端口流量狀態，發現某一個接口的流量出現異常，且端口狀態中對廣播報文的統計數量在1分鐘之內出現陡增。分析此類原因屬于端口異常狀態，對該端口進行shutdown操作后，OSPF和PIM鄰居恢復正常，組播業務恢復。協議狀態如圖3所示。

2原理分析

網絡中運行了3種協議，分別是BGP、OSPF和PIM-SM協議。BGP主要承載組播源服務器IPv4地址與RP和其它業務地址進行通信。OSPF主要承擔與上行設備建立BGP鄰居關系時的loop接口IP之間的通信。PIM-SM主要用于網絡中產生相應的*G和SG表項，以此承擔組播數據的三層轉發。2.1BGP

BGP用于在不同自治系統（AS）之間交換路由信息。當兩個AS需要交換路由信息時，每個AS都必須指定一個BGP運行節點，代表AS與其它AS交換路由信息。這個節點可以是一個主機，但通常是路由器來執行BGP。兩個AS中利用BGP交換路由信息的設備稱為自治系統邊界網關（Border Gateway）。BGP屬于外部網關路由協議，可以實現自治系統間無環路的域間路由。BGP是溝通Internet廣域網的主用路由協議，不同省份、不同國家之間的路由大多依靠BGP協議。BGP分為IBGP（Internal BGP）和EBGP（External BGP）。BGP的鄰居關系通過路由設備上的手動配置實現，鄰居實體之間通過傳輸層TCP（端口179）進行數據通信。運行BGP的兩臺設備之間會周期地發送19個字節的keep-alive消息，以此來維護鄰居間的狀態關系（默認周期為30秒）。在路由協議中，只有BGP使用TCP保障傳輸數據的可靠性。2.2OSPF

OSPF（Open Shortest Path First）是IETF組織開發的一個基于鏈路狀態的內部網關協議（Interior Gateway Protocol）。目前針對IPv4協議使用的是OSPF Version 2，針對IPv6協議使用OSPF Version 3，采用最短路徑SPF（Shortest Path First）算法。通過鏈路狀態通告LSA（Link State Advertisement）描述網絡拓撲，依據網絡拓撲生成一棵最短路徑樹SPT（Shortest Path Tree），計算出到網絡中所有目的地的最短路徑，進行路由信息交換。

在應用視頻業務的組播環境網絡中通常以組播形式（224.0.0.5）發送Hello報文和LSAck報文。對于LSU報文，通常以組播形式首次發送，以單播形式重傳。其中，224.0.0.5的組播地址為OSPF設備預留的IP組播地址，224.0.0.6的組播地址為OSPF DR預留的IP組播地址。2.3PIM-SM

PIM-SM（Protocol Independent Multicast-Sparse Mode，協議無關組播-稀疏模式）可以有效解決大型網絡以及用戶分散的場景中 “點到多點”的數據傳輸問題，使用戶能夠按需接收數據。

PIM-SM適用于網絡組成員相對比較稀疏、分布廣泛的大型網絡。PIM-SM假設網絡中所有主機均不需要接收組播數據，只有在主機明確提出需要接收組播數據時才會構建組播分發樹，向提出需求的主機轉發組播數據。相對于PIM-DM 模式，可以減小網絡中無效數據的轉發。

根據實現機制的不同，PIM分為以下兩種模式：①PIM-DM（Protocol Independent Multicast-Dense Mode，協議無關組播—密集模式）；②PIM-SM（Protocol Independent Multicast-Sparse Mode，協議無關組播—稀疏模式）。

在PIM域中，路由器周期性地向所有PIM路由器（224.0.0.13）以組播方式發送PIM Hello報文（以下簡稱Hello報文），以發現PIM鄰居，維護各路由器之間的PIM鄰居關系，從而構建和維護SPT。

通過對以上3種協議分析，發現BGP鄰居關系的建立和維護報文通信都采用TCP協議承載，OSPF和PIM-SM鄰居關系的建立和維護都采用UDP協議報文承載。在ISO七層模型中，UDP和TCP都屬于傳輸層協議，唯一不同之處是UDP為不面向連接的一種不可靠傳輸協議，TCP屬于面向連接的可造傳輸協議。

如果網絡中運行設備存在二層環路，雖然環路的出現與PIM或OSPF建立鄰居的SVI接口不在同一VLAN，但網絡設備的路由控制層面信息都由設備的CPU進行處理。設備需要處理大量的廣播報文，導致整體性能下降。UDP本身沒有可靠的傳輸機制，所以會發生大量UDP報文丟棄情況，OSPF和PIM鄰居無法建立。TCP本身有重傳機制彌補，BGP只要在鄰居路由可達的情況下就能正常傳遞路由表。3解決方案