zzz 组播业务技术及发展思路

chang8411

1.组播核心技术介绍 许多城市从城域网接入到核心的各个部分都实现了宽带化，架构了以IP为基础的无阻塞数据承载平台。网络的宽带化使人们在宽阔的信息高速公路上更顺畅地通信，人们已经不再局限于传统点到单点的交流，转而渴望多点之间的沟通。组播技术为多点通信业务的开展提供了良好的技术支撑。 在IP网络中，多点通信业务可以应用传统的单播技术实现，我们以网络电视业务为例描述其实现过程。图1左部说明了单播多点通信的工作原理，通过三个步骤，视频服务器将视频流经由路由器发送到最终的30个接收者。首先，通过单播路由协议，路由器掌握了网络拓扑信息，形成单播路由表；接着，视频服务器将视频报文复制30份发向30个接收者；最后，路由器根据单播路由表，将这些报文转发到最终接收者。 单播完成的多点通信业务，随着最终接收者数量的增加，视频服务器和网络设备负载都急剧加重。我们可以优化这种通信方式，图1左部的单播模型中，视频流在网络中流经的路径形成一个树形结构，在这棵树的每一个分支上都同时有多个内容相同的视频流，造成了带宽浪费。实际上，只要在这棵树的每一个分支上传送一个视频流，在树的分叉处进行复制，就可以将视频流传送到所有的接收者，我们称这棵树为分发树，组播技术正是基于这种思路构建的。图1右部说明了组播多点通信的工作原理，组播路由协议首先形成分发树，通过在分发树的每一个分支上传送一个视频流，在树的分叉处进行复制的过程，视频流从服务器最终传送到所有接收者。 对于图1中以源为根、以接收者为叶子结点的分发树，我们称之为源树或最短路径树（SPT）。如果多个源、多个接收者共享一棵分发树，我们称之为共享树。 应用组播技术开展多点通信业务具有良好的扩展性，无论接收者数量如何增加，对于一个业务来说，服务器只需要发送一个视频流，沿途网络路径中也只需传播一个视频流，最大限度的降低了服务器和网络负载，节省了成本。 图1多点通信示例??网络电视业务 组播技术涵盖的内容相当丰富，包括地址分配管理、组成员管理，组播域内路由、组播域间路由等诸多方面。下面首先概述组播地址，然后介绍组播通信模型。 1.1 组播组 D类IP地址范围是224.0.0.0－239.255.255.255，我们称为组播组地址。组播组地址用于标识多点通信业务中所有接收者的集合（组播组），例如一个网络电视节目的所有接收者就同属于一个组播组。 1.2 组播通信模型 组播技术以分发树为核心，由三个基本要素构成：源发现、接收者发现及拓扑发现。组播路由协议根据组播源信息、接收者信息、网络拓扑（源和接收者间连接关系）信息来构造组播分发树。据此，组播协议分为组播接收者发现协议、组播路由协议、组播源发现协议、组播拓扑分离协议等。 图2 组播通信模型 ■ 组播接收者发现协议 IGMP协议是接收者发现协议。IGMP协议运行在主机和路由器之间，用于路由器维护其直联网段是否有组播组成员。值得注意的是，IGMP只维护组播组是否有成员，而不维护组播组有哪些成员，因此状态信息不会因同一个组播组成员的增加而增长。大部分组播协议都是通过维护这种“是否有”，而不是“有哪些”的机制获得了良好的扩展性。 ■ 组播路由协议 常用的组播路由协议分为PIM-SM协议和PIM-DM协议，它们根据IGMP协议掌握的接收者信息、单播路由协议掌握的拓扑信息来完成源发现和分发树构建功能。 PIM-DM协议假设接收者在网络中密集分布。它首先将数据推送到全网，然后通过协议信令剪枝不需要数据的网段。我们称这种方式为扩散-剪枝方式。PIM-DM构建的分发树属于源树。 PIM-SM协议假设接收者在网络中稀疏分布。采取按需发送的方式传送组播数据，即只向那些需要数据的网段转发组播数据，因此PIM-SM协议非常适用于因特网的组播应用。 RP(Rendezvous Point 汇集点) 是PIM-SM网络中的核心路由器，通常RP为一个或多个组播组服务。组播用户所直联的路由器采取“显式加入”的机制主动加入以RP为根的共享树，当用户接收到组播数据后还可以切换到源树。 ■ 组播源发现协议 MSDP协议属于源发现协议，用于在组播路由器间交换或转发活跃组播源信息。通常MSDP协议与PIM-SM、(M)BGP协议配合实现跨自治域组播。 ■ 组播拓扑分离协议 跨自治域时，PIM-SM协议可以通过BGP协议掌握其它自治域的网络拓扑信息。但是有时需要单播、组播流量沿着不同的跨域路径转发，或是应用不同的路由策略，因此在BGP协议的基础上，MBGP协议扩展了组播地址族，用于传播自治域间的组播拓扑信息，指导跨自治域组播分发树的构建。 图3是组播的一个跨自治域组网图，三个黄色云块分别为三个自治域，蓝色的两个云块组成一个自治域。 图3 组播的跨自治域组网图 各协议角色如下： － 源发现：PIM-SM协议完成自治域内的源发现；MSDP协议交换自治域间的源信息。 － 接收者发现：IGMP协议完成路由器直联网段的接收者发现。 － 拓扑发现：OSPF等单播路由协议完成自治域内拓扑发现；（M）BGP交换自治域间的拓扑信息。 － 组播分发树构建：PIM-SM根据这些信息构建组播分发树，藉此完成跨自治域的组播数据转发。 2．组播运营管理思考 组播具有良好的扩展性，对于一个网络电视节目来说，无论有多少个接收者，视频服务器只需发送一个视频流，网络设备也只需要转发一个视频流。这种良好的扩展性源于： － 接收者数量增长引起的报文复制较少：在组播分发树的分支上只传送一个视频流，在离用户最近的网络设备进行报文复制工作，即：在组播分发树的分叉处进行报文复制。 － 接收者数量增长引起的状态信息增加较少：组播组地址标识所有接收者的集合，组播源不必维护任何接收者的IP地址，只需向组地址发送数据即可。IGMP维护三层设备直连网段是否有成员，而非有哪些成员，像IGMP协议一样，大部分组播路由协议只维护有没有，而非有哪些的信息。 但是，基于扩展性对状态信息的简化导致了缺乏详细的最终接收者信息，给组播运营、管理带来了很多困难,例如： － 组播协议在安全控制上没有提供可靠的保证：在组播协议中缺乏对组播源的控制，网络上的任何用户都可以作为组播源发送组播流量，并且缺少有效的手段防止组播中核心节点BSR,RP的欺骗。 － 组播协议中没有提供用户认证支持，用户可以随意加入一个组播组，并可以任意离开，也就无法对用户进行计费。 因此，尽管组播技术具备开展新业务的许多优势，并且协议日臻完善，但开展组播业务还面临着很多问题。华为公司在标准组播协议的基础上，提出可控组播解决方案，有针对性地解决了组播网络安全控制、业务开展实施等方面的问题。 针对业务开展，可控组播方案强调的是业务开展的“控制能力”、“增值能力”： － 业务控制能力：开展业务要具有安全性，网络安全在严密的控制之下，要能够有效的防止协议攻击，防止非法组播源、防止非法转播，防止非法接收者…… － 业务增值能力：要能够为组播源，组播接收者订制服务、进行相应的认证、计费……，为用户提供QoS保障，使网络得到有效增值。 根据网络设备的现状、和业务开展的规模，可控组播分为基本可控组播方案、增强可控组播方案。这两种方案都具有“控制能力”、“增值能力”。基本可控组播具有基本业务运营能力，适用于组播业务开展初期，投资较小，对设备要求较低，可以快速开展业务，保护现有投资。增强可控组播在基本可控组播基础上进行了增强，运营能力强、扩展性好，适用于大规模业务的开展。下面分别介绍这两种方案。 2．1 基本可控组播方案     基本可控组播方案主要通过对标准组播协议进行增强，提供安全控制能力，这类扩展都局限在单个设备之上，不需要网络设备交互。 组播中主要有如下安全问题：非法组播源侵入，非法组播接收者接收报文，组播核心路由器仿冒（BSR仿冒，RP仿冒），跨网络的非法组播加入等等。这些安全隐患都是通过发送非法报文实现的，通过分析可以提取这些报文的特征，在网络设备上提供相应的过滤功能，并对网管做相应的扩展，提供集中管理控制能力。这样就可以保证安全运营。 对于增值能力：认证、计费主要是通过应用层来进行的。以网络电视业务为例，主流的流媒体厂商一般都提供认证、计费接口，据此开发的具有认证、计费能力的流媒体软件有很多。由于这些功能扩展是在主机应用层进行，网络设备不需要进行升级。另外，基本方案还为业务开展提供了必要的QoS保障能力。 基本可控组播方案提供了基本的“控制能力”和“增值能力”, 满足业务开展初期的需要。但是随着业务成熟、用户群扩大，应用软件处理能力会成为瓶颈；并且，由于认证是在应用层进行，网络中还是可能存在冗余流量；另外，目前的应用层计费方式较为简单。如果可以在具有接入能力的网络设备上完成组播业务的认证计费，就可以解决扩展性问题，而且增强了对网络的安全控制能力。 2．2 增强可控组播方案 增强可控组播方案继承了基本方案的能力，在具有接入能力的网络设备上支持对组播的认证、计费，并提供了相应的业务运营、管理平台，增强了业务控制能力、认证计费处理能力，资费方式也更加灵活，进一步增值了网络服务。首先概述一下增强方案中组播用户的认证、计费过程。 2．2．1 增强方案的组播用户认证、计费 标准组播协议没有考虑用户、信源的管理，增强方案对具有接入能力的网络设备进行一定的扩展，以支持组播业务的认证、灵活的计费，并加强了业务平台。接下来通过图4简要介绍对用户的认证、计费过程。图中业务运营、管理平台用于组播业务开展和管理，具有接入能力的网络设备对用户实施控制，PORTAL服务器提供与用户的交互能力。 图4组播用户认证和计费流程 － 用户上线之后，Portal服务器发送节目单到用户终端。 － 用户点击相应节目，用户主机发送IGMP加入请求。 － 接入设备缓存IGMP消息，并提取用户信息，到业务平台进行认证。 － 认证结果返回接入设备，其中包含用户可以接收哪些组，还有多少余额等信息。接入设备通过管理协议动态下发配置，打开到用户的组播通道，并根据缓存的IGMP消息构建组播分发树，进行组播路由、转发。 － 业务平台开始计费。 相对于应用层软件的认证、计费，在网络设备上进行的认证、计费处理能力更强，并且通过与业务运营、管理平台配合，可以更加有效的进行大规模的业务开展。 2．2．2 增强方案的业务运营、管理平台 在组播业务逐渐成熟、用户群不断扩大之后，必须有相应的管理平台来支撑业务的有效实施。增强方案为此提供了功能强大的业务运营、业务管理平台。 业务运营平台提供便于业务实施的多种特性，例如：用户开户，为用户订制服务，对用户进行认证、计费等众多功能。值得一提的是，增强方案支持灵活的资费方式，例如：按频道、按时长、按流量、按节目、按点播次数、特定时间段折扣等多种计费方式。 业务管理平台从开展业务的角度出发，提供组播网络业务管理功能。基于图形方式的友好界面，该平台提供组播配置功能,可以显示网络中的组播拓扑，显示组播中BSR、RP等各种核心节点；针对各种组播业务显示组播分发树，提供流量监控及业务故障诊断等功能。 3．结论 组播技术以源发现、接收者发现、拓扑发现为基础，构建分发树为核心，完成组播路由、转发，在同一业务接收者增长的情况下，具有良好的扩展性，有效的支撑了多点通信业务。从目前的情况看：组成员管理普遍采用IGMP协议；PIM-SM协议凭借其按需发送、独立于单播路由协议等良好的扩展性成为域内组播路由的首选；域间组播路由技术普遍采用PIM-SM/MSDP/(M)BGP的组合方案。 基于组播技术可以开展包括流媒体、视频会议在内的各种宽带增值业务，但业务的顺利实施还依赖于有效的网络业务控制、业务增值方案。华为公司提出的面向业务运营、管理的可控组播解决方案，提供完善的业务控制、增值功能；并从客户角度出发，提供基本、增强两种方案：基本方案适于初期或小规模的组播业务，增强方案适用于开展成熟、用户群较大的组播业务。作为组播国标制定的承担单位，华为公司将继续致力于推动组播技术的发展，及组播业务的普及和功能完善。