SDN網絡IPv6組播機制研究*

李 丹，秦 華

（北京工業大學信息學部，北京 100124）

0 引 言

近年來，隨著互聯網的迅猛發展，諸如視頻直播、網絡教學等實時業務廣泛應用，多個接收者需要同時從一個或多個源節點接收相同的流媒體數據，致使網絡傳輸的信息容量大大增加，占用了大量的網絡帶寬。針對這樣的應用需求，傳統的點播技術不僅對源節點資源和網絡帶寬的消耗很大，而且限制了用戶數量的擴展。比較而言，組播是一個更好的傳輸方案。但是，傳統網絡中，路由器需要預先配置，然后才可以動態支持組播訂閱者的加入操作、離開操作和組播樹的生成操作。針對組播流量對帶寬的需求未動態選擇傳輸路徑，很容易造成鏈路擁塞，不能夠為用戶提供較好的服務質量。以OpenFlow技術為核心的軟件定義網絡框架，具有集中控制的功能[1-2]，能夠自己感知網絡拓撲的變化，為IPv6組播實現提供好的解決方案。

文獻[3]提出了一種在IPv4網絡下基于SDN分層組播的視頻會議系統架構。該系統舍棄了傳統的互聯網組管理協議（IGMP）和多點控制單元（MCU）硬件設備，結合可伸縮視頻編碼（SVC）實現分層視頻組播，以滿足不同設備能力的會議終端需求，用視頻層數之間的切換來避免擁塞。

文獻[4]在IPv4網絡下從控制器的安全性出發，設計了一種基于OpenFlow的可信可控的組播控制器。組播控制器通過OpenFlow交換機連接到身份認證的主機，組播控制器制定并下發流表給OpenFlow交換機，實現將組播數據傳輸到通過身份認證的主機。基于組播接收者的身份認證，實現了組播接收者的可信；組播在組播組成員管理時，使用可信可控的組播控制器進行集中管理，沒有使用傳統的IGMP協議。

文獻[5]提出了一種基于IPv4的新型組播機制OpenFlow，稱為OpenFLow組播（OFM）。在控制器中設計了一個集中控制器負責實現組播，負責處理組播訂閱者請求、構造組播樹以及組播狀態維護。交換機根據生成的組播流表轉發組播流量，沒有考慮帶寬擁塞的需求。

文獻[6]采用TCAM為交換機細粒度流量控制提供了較大的存儲空間，并采用分段路由解決流量工程中的可擴展問題。通過在組播源端交換機和分支交換機上用包頭編碼MPLS標簽來更改包頭，配置有序列表段來表明路由路徑，并考慮了交換節點的負載情況，但TCAM非常昂貴且能耗高。它用斯坦納樹構造組播生成樹，但沒有考慮到組成員加入、離開的動態性。

本文在SDN網絡中研究IPv6組播實現技術，在保證協議棧（MLD）[7]不變的前提下，對組播訂閱者加入和離開進行感知和維護；可根據組播流量需求，考慮在網絡帶寬負載情況下，根據組播訂閱者加入/離開組播組的動態次序構建組播生成樹；對組播轉發路徑進行動態調整，實現組播業務的有效轉發。

1 總體思路

1.1 傳統網絡與SDN網絡實現對比

SDN將分布式路由轉換為集中式路徑選擇，其控制器具有主導網絡資源管理和流量控制的能力，能夠實現更靈活、細粒度的流量調度管理。傳統網絡與SDN網絡實現組播功能方式的對比，如表1所示。

表1 傳統網絡與SDN網絡實現對比

1.2 SDN網絡下功能性需求

組成員管理功能。在SDN網絡中，組播訂閱者將MLD報文發送給組成員管理功能進行處理。該功能對組播訂閱者的加入、離開消息進行維護。即需要感知組播訂閱者的加入，同步在組播拓撲中增加該成員并維護網絡拓撲，同時離開后在拓撲中刪除該成員并維護網絡拓撲。

組播拓撲維護功能。與SDN控制器一起，維護整個網絡實時的網絡拓撲信息，包括交換機的加入、離開、改變、交換機端口的變化和新增鏈路的實時帶寬信息。

組播選路功能。根據組播拓撲維護功能，維護網絡拓撲信息、實時可用帶寬信息和組成員管理功能維護的組播訂閱者信息。為每個新加入（S，G）組的交換機節點（S2）找到距離轉發組播流量交換機（S1）的最短路徑。如果有多條路徑，選擇路徑帶寬之和較大的路徑。

2 SDN網絡下IPv6組播功能的設計

基于IPv6組播的RFC標準，在保證組播訂閱者MLD協議棧不變的前提下，依據SDN控制器具有動態、可管理和可配置的特性，提出了SDN網絡下Ipv6組播功能的設計，如圖1所示。

SDN網絡中，實現IPv6組播需要設計3個功能：組成員管理、組播拓撲維護和組播選路。圖1是整體功能設計圖。整體架構主要有3部分組成：控制器應用層、控制器控制層和物理拓撲層。

控制器應用層是ONOS控制器中的應用APP，開發者可以自定義實現一個或多個APP來完成自己的應用需求。本文針對單播源組播應用場景，在應用層上實現組成員管理、組播拓撲維護和組播選路3個功能。

控制器控制層由下往上包含協議層、適配器層、南向接口層、核心層和北向接口層。它通過OpenFlow協議接收物理拓撲等信息，并抽象給應用層。

物理拓撲層是由交換機通過鏈路連接成的網絡拓撲。在實驗環境中，可以通過Mininet模擬器模擬實現。

2.1 組成員管理功能

組成員管理功能管理組播訂閱者的加入和離開消息，負責處理訂閱者發來的MLD數據報文，維護訂閱者列表HSL（主機交換機連接）表，如表2所示。

圖1 SDN網絡下IPv6組播的整體架構設計

表2 HSL表

處理過程的流程，如圖2所示。對于加入組播組的報文，根據訂閱者加入的組播組地址，在HSL表中新增一條記錄，記錄下組播源地址、組播組地址以及控制器存儲的主機的IP地址、MAC地址、所連交換機的地址，端口信息在HSL表中添加一條記錄。對于離開組播組的報文，在HSL表中刪除一條記錄。

2.2 組播拓撲維護功能

SDN控制器通過LLDP協議與交換機通信獲得整個網絡信息，包括網絡拓撲、鏈路延遲等。網絡管理和決策必須獲得準確的網絡監測數據。控制器可以周期性地向交換機發送查詢消息，也可以由觸發條件觸發控制器發送查詢消息。本文采用第二種方式。

鏈路帶寬是進行組播選路的重要決策數據，同樣可以通過南向接口的OpenFlow協議獲取。在OpenFlow協議中，控制器通過發送OFPT_STATS_REQUEST消息向交換機查詢端口的統計信息，包括已接收的字節數（g_bytes）、已發送的字節數（f_bytes）。控制器按照式（1）計算鏈路的吞吐量BT，再根據該鏈路的總帶寬和當前周期T計算鏈路已使用的帶寬，然后按照式（2）即可計算出該端口直連鏈路的可用帶寬B_available。

圖2 訂閱者加入/離開組播組流程

組播拓撲維護功能利用SDN控制器周期性地發送OFPT_STATS_REQUEST消息，獲取各個時刻的可用帶寬信息。當有組成員加入時，組播拓撲功能通知控制器觸發OFPT_STATS_REQUEST，實時獲取各鏈路當前的可用帶寬值，為新加入的訂閱者選擇組播路徑提供必要的信息。

網絡交換機表示為拓撲圖中的頂點，如（S1，S2，S3，S4…）。每個頂點相連的邊表示連接關系。網絡拓撲中記錄交換機互聯關系、互聯端口以及互聯鏈路的可用帶寬。圖1中的網絡拓撲可以表示為如表3所示。

表3 SL表

2.3 組播選路功能

根據組播訂閱者的動態加入、離開消息，組成員管理功能維護HSL表。該表中的交換機是需要轉發組播流量的交換機。由SL表中信息可知，組播拓撲維護功能已經維護了整個網絡拓撲和鏈路之間的實時帶寬。以上2張表為組播選路提供了選路依據，根據組成員管理功能和組播拓撲維護功能維護的表信息，可以選取合適的算法生成組播轉發樹。在進行組播算法選取時，必須考慮組播通信的擴展性問題。為了解決網絡的鏈路擁塞，最小化網絡資源利用，解決SDN中組播的可擴展性問題，本文提出了根據組播流量可用帶寬需求選取的最短路徑，對選擇好的路徑制定轉發規則，通知控制層對接收組播流量的交換機進行流表下發的操作。轉發組播流量的交換機以Gswitch字段描述存儲在表GSL中。該表維護了一個（S，G）組的所有轉發組播流量的交換機。0001、0002、0003、0004分別代表圖1中的交換機S1、S2、S3、S4。根據組播訂閱者加入/離開時的動態行為，同步添加/刪除所需的交換機到相應的（S，G）組的交換機集合中。如果一個（S，G）組對應的交換機集合中沒有交換機存在，則表示該（S，G）組沒有訂閱者接收組播流量，可以下發優先級較高的流表使組播轉發表失效。

表4 GSL表

2.3.1 算法思想

一個網絡可以用加權圖G=(V,E)表示，如圖3示。V表示節點集合，即交換機節點；E(S,t)表示鏈路集合，權值表示為從源節點S到組播訂閱者t節點路徑的可用帶寬，即圖3中的數字表示。圖3的網絡示例圖是單播網絡拓撲圖。組播生成樹的建立以單播鏈路信息為依據進行組播的選路。S節點為源端節點，組播樹的生成與組成員的加入次序有關，不同的加入次序會生成不同的組播生成樹。但是，組播路徑選擇的算法不變。根據組播流量需求帶寬，對鏈路的帶寬進行升序排序，在保證整個網絡連通的情況下，依次刪除帶寬最小的路徑，根據帶寬選取網絡，如圖4所示。為每一個加入組播樹的節點（d1）選擇一個離轉發組播流量交換機節點（ds1）的最短路徑，即以d1為選擇點，找到距離ds1的最短路徑。如果有多條路徑，則選擇路徑帶寬總和較大的路徑。

圖3 示例網絡

圖4 滿足帶寬約束的單播路由網絡

2.3.2 算法步驟

步驟1：初始時，X只包含源點，即X={S}。Y包含除S外的其他頂點，即Y={其余頂點}。X集合和Y集合中節點之間的可用帶寬，在某一個時間是固定的。根據組播流量需求，提供組播路徑選擇的依據。

步驟2：當Y中的第一個節點（d1）加入組播樹時，為節點d1選擇一個離組播源S的最短路徑。如果路徑有多條，則選擇帶寬總和較大的路徑。

步驟3：當Y中的其他節點（d2）加入組播樹時，為該節點選擇一個離轉發組播流量交換機節點（除組播源節點）的最短路徑。如果路徑有多條，則選擇帶寬總和較大的路徑。

步驟4：重復步驟3，直到所有節點都加入組播樹。

步驟5：當Y中的最后一個節點離開組播樹時，意味組播網絡中已不存在組播訂閱者，則并行下發流表，刪除轉發組播流量的交換機中的轉發表（根據流表的優先級）。

算法的節點選擇結果，如表5所示。根據節點加入的次序I、A、B、C、D、E、L、G、H、K、F、J，依據圖4的路由網絡，生成組播樹。

依據算法，根據加入的節點次序，生成的組播樹如圖5所示，組播源端只發送一份流量。

表5 不同節點加入組播樹的過程

圖5 組播樹生成示例

3 實驗驗證

在mininet模擬器[8]環境下構建網絡拓撲圖，連接到onos控制器上，并把源端和組播訂閱者的IPv4地址改為IPv6地址，如圖6所示。

在mininet模擬器中通過xterm命令開啟3個主機。h1為源端，發送組播流量；h2、h3為組播訂閱者，接收組播流量。用python命令運行發送和接收組播流量的程序，實驗結果如圖7所示。其中，h2、h3同一時刻能收到相同的數據。

圖6 實驗網絡拓撲

圖7 組播實驗結果

4 結 語

本文基于傳統網絡下的IPv6組播思想，利用SDN靈活控制的思路，提出了在SDN控制器下實現IPv6組播的方案，并結合鏈路帶寬，提供可保證服務質量的組播路徑選擇，但是沒有考慮時延、時延抖動等因素，可以作為未來的研究內容。

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