IP組播技術原理及其應用

IP組播技術原理及其應用管理的經驗介紹

作者：Sanandi    時間：2008-01-18  來源:  塞迪網   瀏覽評論

　　目前，不少企業或政府部門，通過自建或租用線路，開發屬於自己的寬帶IP城域網，並在其上開展視頻會議等應用。一般來說，搭建一個星型網絡，進行點對點的TCP/IP數據包傳輸，並非難事，只要能Ping通對方就行，因爲TCP/IP 提供可靠傳輸，接收方如果沒有收到數據包，發送方會重發這些包。但是在組播方式下，採用的是不可靠的UDP傳輸，發送方沒有重發數據包的機制，如果傳輸環境不進行優化，或者網絡交換機的配置不很合理，就很容易造成數據包的延時或丟失，導致傳輸視頻會議的圖像時，在接收端出現馬賽克、停頓，甚至黑屏等現象。

一、網絡概況

　　筆者所在的地級市，下轄9個縣，我們利用IP over Optical技術，組建了覆蓋全市的光纖千兆IP城域網，在該網絡上利用組播技術，成功地召開了多次交互式視頻會議，網上用戶還可以實時收看CCTV-5轉播的視頻新聞和世界盃足球賽等。該網絡選用了美國Foundry公司的產品，其中在地級市的核心交換機採用BigIron 8000，而在9個縣中，有5個單位的匯接層交換機爲BigIron 4000，另外4個單位的匯接層交換機爲NetIron，這些型號的交換機都是第三層交換機。至於各個單位的接入層交換機則有多種型號，包括3Com、 Cisco、Intel和華爲等。以上這些產品組成了以BigIron 8000爲中心的樹型網絡，這種網絡結構正好與政府部門的分級管理模式相符合。

二、組播協議

　　組播技術是根據路由器下游是否有組播成員來決定是否轉發數據包的，這樣，支持組播協議的網絡，由於只在路由有分支的節點複製數據包，與傳統單播協議在源端複製後，再一一發送出去的方式比較，不但大大節省了帶寬資源，還減輕了源端及中間路由器節點處理重複分組的負擔，縮短了通信所需的處理時間，大大提高了網絡工作的效率。

　　IP網上的組播有以下三個常用的協議

1．Internet羣組管理協議(IGMP)

　　該協議被主機用來通知直連的路由器，提出具體組播地址，申請加入或離開一個組播組。發送者則要確定一個合適的地址，這個地址代表一個主組，然後，組播數據包通過普通的IP地址以UDP廣播方式傳送到提出申請的主機所在子網內的各主機用戶。

2．獨立組播協議(PIM)

　　該協議實現對各種組播應用的支持，有密集模式PIM-DM和稀疏模式PIM-SM兩種。在Foundry產品上，加載PIM會自動啓用IGMP。

3．距離矢量組播路由協議(DVMRP)

　　該協議屬於密集模式，它根據自己的算法建立組播路由表。在Foundry產品上，加載DVMRP也會自動啓用IGMP。

　　要想在IP網絡上召開交互式視頻會議或發佈視頻新聞，就需要利用IP網絡組播的密集模式，並且啓動PIM或DVMRP協議。在Foundry產品上啓動這些協議時，不同的VLAN配置方法可產生不同的效果。 {{分頁}}

三、重在管理

　　在管理方面，我們做了以下工作。

1．劃分VLAN

　　劃分VLAN（虛擬局域網）是爲了控制廣播包的擴散。對於我們的視頻會議應用，採用MPEG 2標準，由於設備相對獨立，與網上其他桌面用戶之間不存在信息交流，所以我們在全市範圍內共10臺三層交換機上專門開闢了一個VLAN 24，並給定一個單獨的網段，不設網關。Foundry的802.1p/q標準標記允許建立跨越交換機邊界的虛擬局域網，於是VLAN 24跨越了不同的交換機，使得儘管這10臺三層交換機最遠距離爲90km以上，還能處在同一VLAN內，避免了一些不相干廣播包的干擾，大大提高了接收端處理數據的效率。

　　對於視頻新聞，採用MPEG 1標準，由於接收方是城域網上的普通用戶，所以只在源端設定一個獨立的VLAN 25。目前在網上運行的視頻新聞有2套系統，一套採用MediaPlayer 7.1，另一套採用專用的客戶端軟件。

2．設置優先級

　　網絡管理員利用可選服務質量，通過IEEE 802.1p/q虛擬局域網標記和優先級別分配，將QoS的優點延伸到交換機邊界。

　　Foundry的BigIron交換機支持8個等級（0～7）的優先級，這8個優先級被分爲4組，在默認狀態下，最高級別的優先級可請求到80%的帶寬。對於VLAN 24來說，就需要爲它設置最高級別的優先級（第7級）。

3．配置組播協議

　　在視頻會議系統調試時，由於沒有配置好組播協議，整個城域網存在着丟失數據包較多的現象，我們先用HP公司的 Netperf軟件對網絡點對點狀態下的TCP連接與UDP連接性能（包括丟包率）進行測試，測試時網絡所傳遞的數據量爲11.29Mbps，遠大於視頻會議的數據流量（6Mbps），測試結果表明沒有任何丟包，而且交換機CPU的使用率也很低（NetIron爲4%，BigIron 8000爲1%）。後來，又邀請第三方用美國Fluke公司的Enterprise LANMeter 683測試儀對全網進行更爲嚴密的檢測，結論爲該網絡是穩定和健壯的。

　　以上測試結果說明網絡交換性能良好，那麼爲什麼在整個視頻會議系統調試時，卻會出現丟包現象呢？我們仔細檢查了組播協議的配置。

　　對於VLAN 24 來說，由於所有參加視頻會議的設備均處在同一個虛擬局域網內，不需要組播路由，只需在最靠近組播源的三層交換機上加載 IGMP即可。實際應用中，我們就在覈心層交換機BigIron 8000中屬於VLAN 24的 int ve 24上啓用了DVMRP，由它來自動加載IGMP；在5個匯接層交換機BigIron 4000上不再啓用 DVMRP，否則就要引起混亂，造成組播數據包的丟失；但是由於BigIron和NetIron上的 DVMRP版本不同，所以在另外4個匯接層交換機 NetIron上仍然需要啓用 DVMRP。{{分頁}}

　　對於VLAN25來說，由於接收方是城域網上的所有普通用戶，他們與組播源分別屬於不同的VLAN和不同的IP子網，所以需要在所有VLAN的虛擬端口上啓用組播路由協議，包括千兆口上用於級聯的VLAN。實際應用中，我們在每個VLAN（不包括VLAN 24）的虛擬端口上都啓用了PIM。經過多次試驗，我們發現：（1）PIM使用IP ROUTE中的路由信息，而DVMRP則根據它自己的算法，另外生成一個路由表；（2）在同一交換機上，不同的VLAN如果有的使用PIM，有的使用 DVMRP，則這些VLAN中的主機不能加入同一組地址；（3）在同一交換機上，不同VLAN、不同子網的主機在相同的PIM或DVMRP的支持下，可以加入同一組地址；（4）在同一交換機上，同一VLAN下的不同子網的主機可以公用一個PIM或DVMRP；（5）同一VLAN下的不同子網，只有地址最小的網段能進入DVMRP的路由表中。

4．協調交換機的互連

　　不同型號的交換機相連時，需要協調好彼此的配置，否則會影響組播數據的傳輸。例如，其中一個縣級單位的匯接層交換機是 BigIron 4000，如果視頻會議終端與它直接相連，則能正常工作；如果在BigIron 4000與視頻會議終端之間加入一臺接入層交換機，型號爲Intel 530，結果圖像傳輸不正常，有嚴重丟幀現象。經過仔細分析，發現是兩臺交換機的配置沒有協調好，後來開通了Intel 530交換機的雙工功能，圖像傳輸即恢復正常。

5．檢查端口流量

　　在視頻會議的調試初期，地級單位控制中心上的解碼設備收到了很多額外的數據包，仔細檢查與這些解碼設備直連的接入層交換機FastIron上各個端口的流量後，發現當在城域網上進行視頻傳輸時，FastIron會打開組播協議，如果此時組播組裏沒有接收設備，則 FastIron會將其接收到的組播數據包廣播給每一個端口，直到有接收設備加入到組播組時，FastIron才停止廣播，把數據包只發給已加入組播組的端口。

　　這是因爲Foundry的FastIron屬於接入層設備，是第2層交換機，當交換機檢測進入的數據流，並且檢查目的 MAC地址以確定如何轉發這個數據流時，由於目的MAC地址是一個組播地址，且在交換表中沒有該數據流應該轉發到何處的條目，所以這個視頻流就簡單地被髮送到其所有的端口。

　　要解決這個問題有以下方法：（1）第2層交換機可以窺探IGMP查詢和報告消息以瞭解組播組成員的端口對應關係，這使得交換機可以動態跟蹤組播組成員，不過，窺探每個組播數據包和控制包會消耗交換機很多的處理能力，並會因此降低交換機的轉發性能、增加包轉發延時；（2）在打開與FastIron直接相連的編解碼設備時，按照先開接收設備，後開視頻發送設備的順序操作，這種方法的缺點是工作人員往往由於疏忽而造成誤操作；（3）將只有二層交換功能的FastIron換成三層交換機NetIron，由於後者的價格比前者貴很多，所以這種方法會造成浪費。

　　實際應用中，對視頻傳輸軟件進行改進，每當需要發送視頻組播包時，先用軟件模擬一個接收設備，提出申請，加入組播組，這樣就不會引發FastIron的廣播，從根本上解決這個問題。

6．優化傳輸環境

　　在視頻會議系統的調試初期，另一個造成數據包丟失的原因是有些三層交換機光纖端口的校驗碼（FCS）值較大，這會引起頻繁啓用握手信號，影響正常數據的傳輸。由於產生FCS錯誤的原因主要有壞的網卡及驅動、電磁干擾，及其他線路噪聲、超負荷工作的路由和網橋、傳輸線纜超標等，所以有針對性地檢查了一些光纖的光功率，有幾條光纖的功率已將到交換機接受範圍的臨界，於是將這幾條光纖的尾纖和跳線接頭用無水酒精擦洗乾淨，重新接上後再進行測試，一切正常。

7．管理組播地址

　　根據Internet地址分配機構的規定，應用系統中可採用的組播地址範圍是：224.0.1.0～238.255.255.255。

　　在實際應用中，我們一般都採用靜態設置，如在視頻會議系統中設置好組播地址，以後永遠不變，這種方式雖然比較簡單，在目前視頻會議系統使用不多時沒有問題，但是如果有兩個此類會議系統同時運行，或使用相同組播地址的不同系統同時運行（由於沒有統一管理組播地址，開發商互相不知道），那麼就會出現無法解決的地址衝採用了堅固、符合人類工程學的新式外殼，能夠適應任何工作環境。注塑成型的防護套能夠承受現場的惡劣環境，同時提供舒適的、防滑握持。