基于名字映射和解析系統的多RP 組播

李博，王勁林，朱小勇，胡琳琳

（1.中國科學院聲學研究所國家網絡新媒體工程技術研究中心，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049）

大量以信息為中心的新型應用受到歡迎，如視頻會議和在線直播等。由于需要從一個信息生產者到許多信息消費者的高效通信，這些應用更適合使用組播[1]。雖然基于共享樹的組播方法（如PIM-SM[2]）相較于基于源樹的組播方法（如SSM[3]）能夠有效地減少組播轉發狀態[4]，但是仍存在一些問題[5-6]，如Rendezvous Point（RP）的管理和選擇復雜、RP 負載較大、傳輸時延較高和流量匯聚等。Multi-Core Tree（MCT）[7]使用多個獨立的RP 來構建多個共享樹，以提高容錯性并避免流量匯聚。但是MCT 中RP 的負載依然較大，而且需要源向所有RP 發送數據或者接受者加入所有RP對應的組播樹，這會造成資源浪費。

信息中心網絡（Information-Centric Networking，ICN）[8]通過解耦標識和位置以解決現有IP 網絡存在的問題。相較于NDN[9]等，以MobilityFirst[10]為代表的ICN 方案通過將名字映射到定位符，從而可以兼容現有IP 網絡以實現增量部署。

基于此，文中提出了一種基于名字映射和解析系統（Name Mapping and Resolution System,NMRS）[12-14]的多RP 組播方法。NMRS 的使用不僅簡化了RP 的管理并實現負載均衡，而且維護了局部組播源信息。該方法為位于不同位置的局部組播源分別選擇較近的RP，并建立以該RP 為根的組播樹。相較于PIM-SM，文中所提的多RP 組播方法雖然增加了轉發狀態，但減少了RP 負載、傳輸時延和流量匯聚。

1 系統架構

圖1 展示了一個基于NMRS 的簡單組播系統。

圖1 一個基于NMRS的簡單組播系統

網絡中的所有元素都被視為實體，包括設備、內容、服務等。為了解決IP 語義過載問題，每個實體被分配一個固定長度的、全局唯一的Entity ID（EID），以分離標識符與定位符。該方法使用EID 作為標識符，使用網絡地址（Network Address，NA）作為定位符。相較于分層名字，扁平化的名字在靈活性、分配和隱私性等方面具有一定的優勢[11]。可以使用IP 地址作為NA 以兼容現有的IP 網絡。

該方法使用NMRS[12-14]維護EID 和NA 之間的映射并提供名字解析服務。NMRS 包括全局名字映射和解析系統（Global NMRS，GNMRS）與現場名字映射和解析系統（Local NMRS，LNMRS）。GNMRS 維護全球名字-位置對，保障內容的可達性。LNMRS 維護本地名字-位置對，并為用戶提供現場服務。LNMRS可以根據時延等約束條件將網絡劃分為層次化的管理域（Administration Domain，AD），并在每個管理域中部署一個名字映射和解析節點（Name Mapping and Resolution Node，NMRN）。LNMRS 為由NMRN構成的單層或多層結構，文中所提的多RP 組播系統使用單層LNMRS。用戶可通過交互接口訪問這兩個子系統，從而獲得不同性能需求的名字注冊和解析服務。

該方法為每個組播組分配一個組EID，即GEID（Group EID）。GEID 能夠在整個網絡中唯一標識該組播組。與組播IP 地址相比，全局唯一的GEID 具有更大的命名空間，可以支持更多的組播組，同時也省去了復雜的組播IP 地址管理和分配機制。由于網絡被劃分為不同的管理域，每個組播組中的源可能分布在不同的管理域中。該方法使用LNMRS 維護每個管理域中的局部組播源列表。對于每個組播組，該方法為不同管理域中的組播源分別分配一個RP并建立一個以該RP 為根的共享樹。GNMRS 維護每個組播組的GEID 和RP 列表之間的映射，接收者可以通過GNMRS 解析得到對應的RP 列表，并分別加入每個共享樹。

2 系統關鍵功能

2.1 候選RP管理

RP 需要匯聚組播流、封裝-解封裝報文、響應接收者的加入和離開請求等。但現有基于共享樹的組播方法通常僅選擇一臺或者有限的幾臺路由器作為RP。當存在大量組播源和組播組時，RP 會面臨巨大的負載壓力而限制組播的擴展性。

在所提組播方法中，網絡中的每個路由器都可以承擔匯聚功能并向用戶提供信息。因此該方法將網絡中的所有路由器都視為候選RP，并使用NMRS來管理候選RP 以實現候選RP 之間的動態負載均衡。該方法使用GNMRS 管理全局候選RP，使用LNMRS 管理局部候選RP。所有候選RP 的集合被分配一個EID，叫做組播服務EID，即MSEID（Multicast Service EID）。當路由器啟動時，分別向GNMRS 和其所在管理域中的NMRN 注冊MSEID 和其NA 的映射。GNMRS 維護MSEID 和全局網絡中所有可用候選RP 之間的映射，每個NMRN 維護MSEID 和其所在管理域中的本地候選RP 之間的映射。

每個候選RP 被設置一個負載閾值，負載可以是路由器的CPU 負載、內存負載、端口帶寬負載等。當其負載小于負載閾值時，RP 可以正常工作，而不會影響其他業務和流量。當某個RP 的負載達到閾值時，它向NMRN 和GNMRS注銷MSEID和其NA之間的映射，從而無需為新的組播組提供服務。當路由器負載低于閾值時，可以向NMRS 和GNMRS注冊MSEID 和其NA 之間的映射關系，以重新成為候選RP。

2.2 RP選擇

該方法使用LNMRS 維護局部組播源信息。每個組播組被分配一個源EID，即SEID（Sources EID），組播源需要向其所在管理域的NMRN 注冊SEID 和其NA 之間的映射。每個NMRN 都維護SEID 和其所在管理域中的局部組播源列表之間的映射。當組播源想要獲取RP 時，執行以下步驟：

1）向NMRN 查詢GEID 對應的RP；

2）若NMRN 沒有GEID 的相關信息，則向NMRN查詢其所在管理域的局部組播源列表和局部候選RP 列表；

3）若NMRN 返回的局部候選RP 列表為空，則向GNMRS 查詢全局候選RP 列表；

4）計算每個候選RP 到其所在管理域中的所有組播源的距離之和；

5）選擇距離之和最小的候選RP 作為目的RP；

6）向NMRN 和GNMRS注冊GEID 和目的RP 之間的映射。

圖2 為RP 選擇機制示意圖。在GEID 標識的組播組中，MS1、MS2、MS3 和MS4 是組播源。MS1 向名字映射和解析節點NMRN11 查詢GEID 對應的RP。由于NMRN11 中沒有GEID 相關的信息，則MS1 向NMRN11 查詢得到局部組播源列表＜MS1,MS2＞和局部候選RP 列表＜R1,…＞，并選擇距離MS1 和MS2最近的節點R1 作為RP。然后MS1 向NMRN11 和GNMRS 注冊GEID 和R1（RP）之間的映射。隨后，MS2 可以直接通過NMRN11 查詢得到GEID 對應的RP 為R1。

圖2 RP選擇機制示意圖

MS3向名字映射和解析節點NMRN12查詢GEID對應的RP。由于NMRN12中沒有GEID 相關的信息，MS3 向NMRN12 查詢得到局部組播源列表＜MS3,MS4＞和局部候選RP 列表＜＞。由于管理域AD12 中的候選RP 列表為空，MS3 向GNMRS 查詢得到全局候選RP 列表＜R1,R2,R3,…＞。然后MS3 選擇距離本地組播源MS3 和MS4 最近的節點R2 作為RP，并向NMRN12 和GNMRS注冊GEID 和R2之間的映射。MS4 隨后可以直接通過NMRN12 查詢得到GEID 對應的RP 為R2。

2.3 組播樹維護

當想要加入組播組時，接收者向GNMRS 解析查詢GEID 對應的RP 列表，然后分別向每個RP 發送一條加入消息，加入消息被路由器轉發到RP 或者已經存在對應組播轉發表項的路由器為止。加入消息經過的路由器添加或更新相應的組播轉發表項。組播轉發表的結構為＜入接口，RP-EID，GEID，出接口列表＞。

以圖3 所示的場景為例，接收者MR1 向GNMRS解析查詢得到GEID 對應的RP 為R1 和R2。然后MR1 向R1 和R2 分別發送一條加入消息。加入消息路徑上的路由器R4、R3 添加組播轉發表項，R1 和R2將收到加入消息的入接口添加到GEID 對應的組播轉發表項的出接口列表中。其中，R3 上的組播轉發表項為＜1,R1,GEID,3＞和＜2,R2,GEID,3＞。

圖3 組播樹維護示意圖

接收者MR2 也通過GNMRS 解析查詢得到GEID對應的RP 為R1 和R2。然后MR2 同樣向R1 和R2分別發送一條加入消息。加入路徑上的路由器R5添加組播轉發表項，R3 將收到加入消息的入接口添加到GEID 對應的組播轉發表項的出接口列表中，R3上的組播轉發表項更新為＜1,R1,GEID,3,4＞和＜2,R2,GEID,3,4＞。

組播源以單播方式將數據發送給RP，然后RP以組播方式根據組播轉發表將數據發送給接收者。當離開組播組時，接收者向每個RP 發送一個離開消息。路由器將收到離開消息的接口從GEID 對應的組播轉發表項的出接口列表中刪除。若出接口列表為空，則從入接口轉發該離開消息并刪除對應組播轉發表項。

3 仿真實驗與結果分析

為了評估所提多RP 組播方法的性能，進行了一系列仿真實驗，并與PIM-SM、PIM-SSM 和MCT 進行了比較。實驗使用BRITE[15]拓撲生成器隨機生成一個200 節點的拓撲。然后，隨機部署組播組，每個組包含20 個源和20 個接收者，其中源被隨機地部署在幾個不同的管理域中。實驗使用IIT-DOWN 算法[16]根據時延限制將網絡劃分成不同的管理域，并在每個管理域中設置一個NMRN 來提供名字解析服務。在PIM-SM 和MCT 實驗中，隨機選擇10 個路由器作為RP。且MCT 使用Member-To-ALL 機制。評估的性能指標包括RP 負載、傳輸時延、轉發狀態和鏈路負載。各性能指標實驗重復100 次，取平均值作為實驗結果。

首先通過測試所有RP 中服務的最大源數量來評估不同組播方法中的RP 負載。從圖4 所示的實驗結果可以發現所提方法中的RP 負載遠少于其他方法。這是因為所提方法將網絡中所有負載未達到閾值的路由器都作為候選RP，然后為每個組播組中位于不同管理域的源各自分配一個RP。而PIM-SM和MCT 都只是簡單地選擇有限個路由器作為RP。因此，所提方法能夠更有效地在所有候選RP 之間實現負載均衡，從而減少RP 負載。

圖4 RP負載對比

然后測試了平均每個源到每個接收者的端到端傳輸時延。從圖5 所示的實驗結果可以發現所提方法中的時延略高于PIM-SSM 但小于其他方法。這是因為PIM-SSM 為每個源建立一個到所有接收者的最短路徑樹，組播數據沿最短路徑從源傳輸到接收者，因此時延最小。而在PIM-SM、MCT和所提的多RP組播方法中，組播數據都是先從源發送到RP，然后再由RP 發送到接收者，這導致了時延的增大。但是由于所提方法根據時延約束條件將網絡劃分成不同的管理域，然后為每個管理域中的局部源選擇一個距離最近的RP，因此減少了RP 帶來的時延開銷。

圖5 傳輸時延對比

接著又測試了所有路由器中的最大組播轉發狀態數量。圖6所示的實驗結果表明所提方法中的組播轉發狀態數量大于PIM-SM 但小于PIM-SSM 和MCT。PIM-SSM 由于需要為每個源建立一個組播樹，路由器需要為每個源維護一個轉發狀態，因此PIM-SSM 中的組播轉發狀態數量最大。在PIM-SM中，每個組播組中的所有源共用一個共享樹，路由器只需要為每個組播組維護一個轉發狀態，因此PIMSM 中的組播轉發狀態數量最小。在MCT 中，每個組播組都需要為每個RP 分別建立一個到所有接收者的共享樹，路由器為每個組播組維護的轉發狀態數量等于RP 的數量。在所提方法中，每個組播組建立的組播樹的個數等于存在源的管理域的個數，因此，當源的分布較為密集時，所提方法能夠更為有效地減少組播轉發狀態。

圖6 組播轉發狀態對比

最后測試了所有鏈路中的最大鏈路負載，文中鏈路負載使用鏈路中流經的流數量來表示，每個源發送的數據流作為一個單獨的流。從圖7 所示的實驗結果可以發現所提方法中的鏈路負載小于PIMSM 和MCT，且接近于PIM-SSM。由于PIM-SM 和MCT 需要先將數據發送到RP，這會導致RP 附近的鏈路流量匯聚，鏈路負載較大。而PIM-SSM 直接從每個源發送到接收者，流量分布更為均衡，因此鏈路負載較小。所提方法將網絡中所有負載未達到閾值的路由器都作為候選RP，并為每個組播組中位于不同管理域的源都分配一個RP。雖然在所提方法中源也需要將數據先發送到RP，但是所使用的RP數量更多且更為分散，因此流量匯聚情況較輕，鏈路負載較小。

圖7 鏈路負載對比

4 結論

文中所提的基于NMRS 的多RP 組播方法將組播源劃分到不同的集合中，并為不同的組播源集合分別建立一棵組播樹，從而能夠有效地平衡RP 負載、傳輸時延、轉發狀態和流量匯聚。但是該方法需要組播源預先向其所在管理域中的NMRN 注冊SEID 和其NA 之間的映射，更適用于組播源數量和位置相對固定的場景，如IPTV 和在線課堂等。在后續的研究中，可以設計動態的RP 選擇機制以擴展該組播方法的適用范圍。