PIM穿越BIER隧道的研究

瞿 輝，蔣元兵，康宗緒，王亞昕

（重慶金美通信有限責任公司，重慶 400030）

組播的研究起源于斯坦福大學的博士生Steve Deering，他于1989年提出了IP組播規范[1]，并在1992年建立了IP組播實驗室網。1999年以后，出現了組播路由協議如PIM-SM[2]、PIM-SSM[3]、PIM-DM[4]，IP組播的技術和應用開始得到快速發展并沿用至今。

傳統組播技術（PIM）需要依賴事先創建的組播樹來轉發數據流，每個流均需維護組播樹和流狀態，這使得網絡節點的組播表、組播狀態等的增長，成為組播網絡中最復雜、不可控的部分。因此BIER（Bit Index Explicit Replication），即基于比特位的顯式復制技術被提出并得到了廣泛的關注。BIER技術于2015年在IETF成立了專門的工作組來推進標準化工作，眾多設備廠商、芯片廠商和運營商關注并參與了標準的討論，已形成了多篇工作組文稿，包括架構、轉發面封裝、流量工程、OAM等多方面的技術內容，并推出了RFC標準文檔[5]。

1 應用場景分析

PIM域內一定會部署應用終端，但是后來者BIER，是為了解決路由交換節點的組播傳遞，其域內可以不部署應用終端。因此BIER作為核心域，其內部無終端接收組播流，僅承接PIM路由器的組播流，并建立隧道發送到相應的PIM路由器是常用的應用場景。

2 業界研究成果

IETF研究組于2018年2月頒布了第00版的《PIM Signaling Through BIER Core》草案，并于2021年更新為第12版[6]。該草案的主要內容如下。

（1）PIM信令穿越BIER域的過程：定義了PIM域和BIER的邊界節點及其功能，定義了邊界節點PIM組播轉發表的接口，定義了BIER隧道的建立及頭部格式各個字段的值及用法。

（2）組播數據流穿越BIER域的過程：定義了組播數據流到達域邊界的處理（從PIM域進入BIER域、從BIER域出到PIM域）。

（3）根據組播源（或者RP）的IP地址，獲取外出邊界路由器的BIER節點號。

該草案在實現PIM穿越BIER域的描述中，著重PIM的JOIN消息如何處理，但未包括以下幾點。

（1）PIM鄰居維護（Hello），邊界路由器收到對方PIM路由器的鄰居維護消息的處理。

（2）BSR選舉（Bootstrap），BSR消息采用泛洪機制，被BIER隔離的PIM域如何完成BSR選舉。

（3）CRP匯報給BSR，由候選RP路由器發送單播IP消息給BSR，即PIM路由器發送候選RP消息給BSR時，如何穿越BIER域。

（4）BSR發布RP集合，同BSR選舉。

（5）斷言（Assert），斷言消息的處理。

（6）嫁接（Graft），嫁接消息穿越BIER域傳遞。

3 實現方法

3.1 鄰居維護

BIER路由器識別到PIM的鄰居維護報文后，需要進行2個操作。

（1）標識自己為邊界路由器（BBR），并將身份信息進行BIER域內的擴散，BIER域內每個路由器均需明確BBR的節點號（BBR-id）。同時識別維護報文Hold－Time選項字段（OptionType=1，OptionLength=2），以HoldTime為超時值啟動定時器（每次接收維護報文刷新該值），超時后標識自己不再是邊界路由器（BBR）。

（2）啟動鄰居維護定時器，超時值為HoldTime的1/3，超時后發送PIM鄰居維護報文給對方，讓PIM路由器認為自己也是一個PIM路由器（真正身份是BBR）。

通過鄰居維護的處理，所有連接在BIER域上的PIM路由器將識別直連的BBR為鄰居。

3.2 BSR選舉

BSR發送的消息需要在整個PIM域內進行泛洪，因此邊界路由器（BBR）收到此報文后將加入BIER比特前綴，BitString填寫所有邊界路由器（BBR）的ID bit值，并執行BIER轉發。BBR收到此報文后，去除BIER比特前綴，并轉發給連接的PIM路由器。

通過BSR選舉報文的處理，PIM域內將選舉出IP地址最大的路由器作為BSR（BIER路由器不參與BSR的選舉），在任何一個PIM路由器上可觀察到BSR的存在。

3.3 CRP收集

CRP收集報文由候選RP（CRP）以單播形式發送給BSR，在BIER域內執行IP單播轉發即可。BSR收到CRP集合后，能夠顯示CRP的集合。

3.4 CRP通告

CRP通告報文是BSR報文的一種，采用組播地址泛洪發送。

報文處理同BSR選舉。所有PIM路由器接收到RP通告后，可以顯示域內的所有候選RP信息。

3.5 加入/剪枝

PIM處理“加入/剪枝”消息是以鄰居為單位，即向同一個鄰居可發送不同源、不同組、（*，G）和（S，G）混合的“加入/剪枝”消息。在PIM域內鄰居關系是確定的，該混合消息的處理比較簡單。但是進入BIER域內，需要確定RP和S的位置，如果多個組的源不一致或者既存在共享樹又存在最短路徑樹，而且RP和源不在同一位置，那么BIER域內需要分別處理，把到不同邊界路由器（BBR）的“加入/剪枝”消息歸類分別進行發送。

如圖1所示，2.0.0.3的PIM路由器將向鄰居3.0.0.3發送“加入/剪枝”消息，包含的內容為發向RP2.0.0.2的（*，G）加入和發向16.0.100.1的（S，G）加入消息。（*，G）加入消息應該發向BBR3.0.0.2，而（S，G）加入消息應該發向BBR3.0.0.1，如果發送的BBR錯誤，接收的PIM路由器建立的組播樹將包含不必要的出接口，并且執行組播流轉發時非最優路徑。

圖1 一條“加入/剪枝”消息面向不同的BBR

面向（S，G）的轉發表建立，端到端的組播流基本建立成功。

3.6 注冊/注冊停止

共享樹建立后，組播發送源所在的PIM路由器將通過注冊消息將組播流發送到RP，此報文為單播報文執行IP單播轉發流程，BIER域僅執行IP單播的轉發。

從第二個注冊報文開始，RP將朝著發送源的方向發送“加入/剪枝”消息，如果該消息要穿越BIER域其處理方法見3.5。當RP到源的組播轉發狀態建立好后，RP以IP單播方式向源發送“注冊停止”消息，BIER域僅執行IP單播的轉發。

3.7 斷言

如圖2所示，邊界路由器（bfir）對斷言報文不處理，邊界路由器（bfer）主動發起斷言消息以確定3.0.0.2還是3.0.0.4作為轉發路由器。

圖2 bfir和bfer的斷言處理

bfer發送斷言的準則：當路由器通過外出接口列表中的一個接口收到組播信息包，它將通過該接口發送斷言消息，以確定哪臺路由器繼續轉發該組播流。

斷言消息的內容是到源的度量值，具有最佳度量值的路由器可以轉發組播流，如果度量相同，則選擇具有最大IP地址的路由器轉發組播流。未被選擇到的路由器剪枝掉該出接口。

通過斷言的處理，僅一份組播流在網絡內傳遞。

3.8 嫁接

嫁接報文和嫁接確認報文是密集模式（DM）特有的報文，其報文格式同“加入/剪枝”消息，處理方法也同“加入/剪枝”的處理。

通過嫁接的處理，其上級路由節點該接口立刻由剪枝狀態變為轉發狀態。

4 結束語

PIM路由器配置時需要確定接口是稀疏模式（SM）還是密集模式（DM），兩種模式下路由器的處理方式不一致，而且從報文類型上無法區分是SM還是DM。

因此，使用BIER隧道模式同樣需要配置SM或者DM模式。DM模式下由組播流直接建立轉發表，組播流轉發到所有的邊界路由器（BBR），由葉子節點發起“剪枝”消息以刪除不必要的組播流。SM模式下BIER路由器必須依靠組播轉發表轉發組播流，否則觸發注冊過程，而不是直接向所有邊界路由器轉發該組播流。