利用IP實現多媒體流傳輸將是未來互聯網的一個重要應用,而提高基于IP傳輸的可靠性、提供更豐富的內容和提高服務質量是該應用取得成功的關鍵。IGMP多播方案能有效利用帶寬,利用該方案設計工程師可構建符合這三個要求的寬帶設備。本文詳細介紹了IGMP協議特點和實現方法。

隨著單一的數據業務收入增長放緩,運營商必須推出各種新業務。通過已有的寬帶網絡提供視頻傳輸服務,從而使已有的寬帶網絡獲得較高的投資回報。然而,網絡運營商和多業務運營商(MSO)將面臨如何在基于因特網協議(IP)的網絡中進行視頻傳輸的困難。盡管IP為數據網絡帶來了許多好處,但在進行視頻傳輸時面臨很多挑戰,至少對于要求高服務質量(QoS)的視頻流傳輸而言,性能不穩定的IP網絡并非一個友好的環境。幸運的是,設計工程師可以通過多播數據流來解決IP數據流的傳輸問題。多播數據流采用因特網組群管理協議(IGMP),本文將詳細講述IGMP多播如何在寬帶網絡中有效地傳輸視頻流。

IGMP協議

IGMP是通過充分利用IP堆棧來實現的。網絡堆棧由不同的層構成,每一層只和相鄰的上、下層通信。IGMP使用第2層和第3層,使用方式與通常的單播或廣播流略微不同。

在網絡上傳輸的數據流由數據包組成,每個數據包頭均帶有該數據包的起始地址和目的地址信息。單播數據流(如文件傳輸)的起始地址十分明顯,該地址就是IP地址,位于第3層或IP數據包頭中,而起始媒體訪問控制(MAC)地址則位于第2層或數據鏈路層上。

廣播數據包的格式與單播數據包的格式一樣,但在廣播數據包中,目的地址是一個廣播地址。因此,對于網絡地址為.0的IP網絡來說,它的目的地址是.255。

多播數據流也必須遵循與單播和廣播數據流相同的基本格式,它們之間的差別在于其目的地址的不同。IGMP多播數據流具有一個D類目的地址,范圍為224.0.0.0到。該目的地址并不對應于網絡中某臺具體的電腦或主機,而是與網絡中距離最近的第3層設備相匹配,通常為網絡中的一個路由器。

當多播數據包到達路由器時,路由器必須決定是繼續傳輸該數據包還是停止傳輸。必須注意的是,作為該數據包目的地址的D類IP地址并非某一臺實際的主機,而是一個組,它們必須先與離它最近的路由器連接,然后再告知數據流傳輸主機。如果是首次到達的數據包,路由器便會開始“構建組”。如果其它主機沒有要求路由器從該組接收數據,那么這些數據包將被丟棄。

發送D類地址作為請求

多播數據流請求也使用D類地址。如果一臺主機希望尋找某個多播組,它會向保留地址224.0.0.2發送一個“加入”信息。通過該保留地址,此信息實際上發送給了“子網上所有的路由器”。當主機要求加入某個特殊組時,這條路徑上的路由器便會將該請求向外發送出去。最后,當找到該組時,數據流會順著相同路徑傳回給提出請求的主機。

當主機接收完畢,決定不再需要該數據流時,它也向某個特殊的多播地址發送信息,然后該數據流便會停止發送。在實際操作中,在由各個路由器和其它第3層設備組成的不同樹結構中將會“刪除”這臺接收完畢的主機,數據流也不再發送給它。

IGMP的作用

IGMP協議很有用,基于該協議,主機要求加入一個組的請求不必到達離數據流傳輸主機最近的路由器。如果一臺主機申請加入數據流傳輸路由中的某個多播組,那么離數據流傳輸路由器最近的路由器便會將這些數據包進行復制,然后從這一請求多播的端口大量地向下傳輸給提出申請的主機。因此盡管每臺提出請求的主機都可以接收到數據流,但由于這些請求并沒有傳輸到源服務器,而數據流也只在需要多播的路由器上進行復制而不是在源服務器上復制,因此可以節省整個網絡的帶寬。

如果某一系統只能進行單播而不能進行多播,那么每個請求都必須返回到源服務器,然后單獨從源服務器獲得所需的數據流。盡管在某種意義上來說這樣比較方便,例如主機可在從開始到結束的整個過程中的任一時候按自己的需要加入,但這種方法效率較低,而且并不節省網絡資源。

IGMP多播的實現

在IP多播中,每臺請求接收的PC都可以獲得所需的數據流,而網絡本身則管理這些PC和客戶組。為了實現IGMP多播,網絡必須知道數據流在何處及何時進行復制。

使用IGMP多播時,發送器(源服務器)將數據流和附加信息發送到離它最近,或在同一子網中的路由器。接收到信息后,路由器創建一個符合D類IP地址定義的組目的地址(GDA)。

路由器隨后查看是否有客戶機需要該多播組。如果沒有,路由器便丟棄那些從發送器傳來的數據包,不再繼續發送(見圖1)。

但是,如果有客戶機希望接收這些數據流,即使這一客戶機位于遠程網絡中,路由器將執行下列步驟:

1. 首先,接收器將一個專用多播IP地址發送到其子網中的所有路由器,并申明它希望加入一個多播組；

2. 如果子網中的路由器找到了該多播組,它開始將數據包發送給提出請求的接收器。相反,如果路由器沒有找到IGMP組,它便向外發送信息并開始找尋這個組；

3. 通過與其它路由器通信,最初發送請求的路由器便可找尋到這個多播組。路由器之間的通信基于各種IGMP使用的“路由”協議,如多播開放最短路徑優先(MOSPF)和距離向量多播路由協議(DVMRP)。

4. 當多播組找到后,該路徑上的路由器便作為“源”路由器,發送或復制該數據流。

IGMP方案的最大好處在于節省了帶寬。如圖2所示,網絡A中的遠程接收器從緊接源路由器后的第一個路由器接收一個數據流。支持IGMP第2版的源路由器僅在需要復制的地方(本例中是在源路由器后的第一個路由器)將這一數據流進行復制,而不是在源路由器進行復制,因此節省了帶寬。

目前使用的IGMP版本為第2版。IGMP第1版和第2版之間的主要差別在于如何從多播組中去除客戶機。第1版中規定,即使接收器不再需要某個數據流,路由器仍繼續向該接收器發送數據流,并持續幾分鐘。在IGMP第1版中,當客戶機希望停止接收數據流時,它無法告知路由器。第2版則規定,接收器可發送信息告知路由器,如果沒有其它接收器出現便可停止發送數據包。因此,與第1版相比,第2版能節省更多的帶寬。

作者:Uzi Yahav

產品管理總監

Arthur Rabinovitz

技術支持經理

Optibase公司寬帶電視業務部

email: uziy@