IP組播及擁塞控制技術

汪 軍 邢思杰 汪 青

　　摘要：近年來，隨著信息技術的迅猛發(fā)展、網(wǎng)絡應用大量增加，使得原來已經(jīng)存在的、龐大的數(shù)據(jù)傳輸量成倍增長。而優(yōu)化帶寬是滿足數(shù)據(jù)傳輸量增長的重要手段。ＩＰ組播和擁塞控制是優(yōu)化帶寬的重要通信手段。文章主要討論ＩＰ組播的路由選擇問題，指出了路由選擇的目的地址問題和回路問題的解決方法，以及解決擁塞控制的五種策略。

　　關鍵詞：ＩＰ組播，擁塞控制，反向路徑轉發(fā)

　　一、IP組播技術

　�。桑薪M播技術適用于多點到多點或一點到多點的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，其基本原則是ＩＰ組播依托于ＩＰ協(xié)議完成；ＩＰ組播強制網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)流分布樹的分叉處進行信息包復制，而不是由信息源節(jié)點多次重復地發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包。

　�。保�ＩＰ組播模型特征

　　·用戶的增加和去除不需要全局協(xié)調(diào)，加入組播組僅需要為用戶設置一個ＩＰ組播地址。為了接收數(shù)據(jù)，用戶在特殊ＩＰ組播交叉點中進行注冊，而不需要知道組中其它用戶的情況，路由對用戶隱藏了組播實現(xiàn)的細節(jié)。

　　·如果組播起源于同一個源，而終止于不同的用戶，且攜帶的數(shù)據(jù)相同，需要定義一個組播地址，讓網(wǎng)絡決定如何將源數(shù)據(jù)流發(fā)往組播地址，如何在它的鏈路上組織數(shù)據(jù)流傳輸，以最佳地利用帶寬。

　　·路由器建立分布樹，用于連接組播組所有成員，把那些尋址到組播組的ＩＰ分組一直轉發(fā)到具有組播組成員的網(wǎng)絡中，并解決組播路由選擇中的回路問題。

　　·發(fā)送者使用組播地址發(fā)送分組，發(fā)送方可以不知道接收方的任何信息，而只需要了解地址。一個組可有任何源。

　�。玻�組播路由選擇

組播路由選擇是網(wǎng)絡的一個難題，這個難題的解決需要復雜的有時是難以處理的協(xié)議。

　�。ǎ保┙M播路由選擇的兩個基本問題

　　①目的地址問題

　　即如何讓網(wǎng)絡知道每個組的每個目的地址。如圖１所示每個路由器都連有某個組播組成員的主機。組中有一個成員發(fā)出組播數(shù)據(jù)，每個主機使用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ組播管理協(xié)議（ＩＧＭＰ：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ

Ｇｒｏｕｐ Ｍａｎａｇｅｒ

ｐｒｏｔｏｃｏｌ）與直接相連的路由器通信。

　　當源發(fā)送組播分組給它的路由器１時，此路由器將分組轉發(fā)給網(wǎng)絡內(nèi)的另一個路由器２，路由器２將分組轉發(fā)給路由器３和與該路由相連接的目的主機；下一跳路由器運行與此相似。結果是每個主機都看到從組播源來的數(shù)據(jù)流。如果第３和第４個路由器沒有任何相連接的主機是組播組成員，第２個路由器不知道不應轉發(fā)分組給其余路由器，造成未加入組播組的地址也獲得了信息，目的地址不明確。其解決方法是運行Ｉｎｔｅｒｎｅｔ組播管理協(xié)議機制偵聽網(wǎng)絡，以獲知網(wǎng)絡上哪些節(jié)點需要接收組播通信協(xié)議。ＩＧＭＰ具有兩個功能：將組播成員消息報告給緊接鄰域多播路由器；構建主機和路由器的組播群。

　�、诮M播路由回路問題

　　如圖２所示的有４個路由器的網(wǎng)絡中，假設路由器向所有需要組播數(shù)據(jù)流的路由器或主機所在的接口轉發(fā)數(shù)據(jù)流，由于路由器除與主機相連接以外，還相互連接，結果是產(chǎn)生了組播路由選擇回路，造成鏈路的帶寬完全消耗在數(shù)據(jù)流的傳輸上。

　�。ǎ玻┓聪蚵窂睫D發(fā)

　　反向路徑轉發(fā)（ＲＰＦ：Ｒｅｖｅｒｓｅ

Ｐａｔｈ

Ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ）的基本思想是從每個目的地構建返回到源的最短路徑，組播分組轉發(fā)給所有接口（未用接口除外）。如果組播分組抵達的接口不是返回到源端的最短路徑，則拋棄該分組。距離矢量組播路由協(xié)議（ＤＶＭＲＰ：Ｄｉｓｔａｎｃｅ

Ｒｅｃｔｏｒ Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ Ｒｏｕｔｉｎｇ

Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）是ＩＰ組播廣泛使用的路由協(xié)議，它使用反向路徑轉發(fā)來做出組播通信轉發(fā)的決定。反向路徑轉發(fā)是防止組播路由選擇回路的一種方法。它是這樣工作的：當路由器收到組播分組時，查看此分組是否在最短返回源路徑的接口上。如果不是，則丟棄該分組；如果是，則轉發(fā)分組到接口或者路由器。使用反向路徑轉發(fā)后組播的工作過程（圖３）如下。

　�、偈紫冉M播源發(fā)送一個分組給路由器１，然后路由器１將其轉發(fā)給路由器２和路由器４。

　�、诼酚善鳎餐ㄟ^它的單播路由選擇表確定路由器１是在最接近源的接口上收到的，然后它將分組轉發(fā)給直接相連的接收方，此接收方用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ組管理協(xié)議加入該組。路由器２也轉發(fā)分組給路由器３。

　�、勐酚善鳎聪衤酚善鳎惨粯�，用它的單播路由選擇表示確定路由器１的分組是在最接近源的接口上收到的。然后，它將分組轉發(fā)給直接相連的接收方，此接收方用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ組管理協(xié)議加入該組。路由器４也將分組轉發(fā)給路由器３。

　�、苈酚善鳎呈盏铰酚善鳎埠吐酚善鳎吹慕M播分組，查找路由選擇表確定哪一個路由器最接近源主機。路由器３選擇了連接到路由器４的通道，即使連到路由器２的通道到源主機的距離相同，然后路由器３轉發(fā)組播分組給路由器４和直接相連接的目的主機２。

　�、萋酚善鳎词盏铰酚善鳎车慕M播分組，確定該分組不是在最近組播源的接口上收到的，結果丟棄該分組。

　　應用ＩＰ組播，用戶只需發(fā)送自己信息的一個拷貝到所有接收者的ＩＰ組播地址中，這顯然最佳地利用了網(wǎng)絡帶寬。ＩＰ組播還可以大大減少發(fā)送服務器的負擔。ＩＰ組播通過分布樹能有效地進行一對多的數(shù)據(jù)流傳輸，在這種分布樹中，兩個路由器之間僅需一條傳輸路徑，數(shù)據(jù)流只在路徑分叉點時才被拷貝。

　　當某主機希望加入該組時，主機發(fā)送Ｉｎｔｅｒｎｅｔ組播管理協(xié)議加入報文給了解組播源的路由器，路由器發(fā)送一個距離矢量組播路由協(xié)議嫁接報文以便開始接收必需的組播通信，嫁接報文被發(fā)往上行流直到它們找到分布樹。此分布樹將一個組播中的分組傳遞給該組成員。就發(fā)送者而言，僅需要簡單發(fā)送一個以相應組播組地址為目的地址的單個ＩＰ分組，剩下的工作都由路由器來完成，其規(guī)模可以從一個接收者擴展到數(shù)個接收者。如果路由器發(fā)現(xiàn)所有直接相連的組播主機都離開該組，并且沒有下行流路由器依賴于組通信，則路由器發(fā)送一個剪枝消息給上行流以關閉通信，發(fā)送者根本不用關心組成員的變化。

　　二、IP組播擁塞控制

　　ＩＰ組播擁塞控制問題的重要性，隨著ＩＰ組播日益廣泛的應用需求而變得越來越迫切。ＴＣＰ基于窗口的端到端的擁塞控制對于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的穩(wěn)定性起到了關鍵性作用，但是隨著Ｉｎｔｅｒｎｅｔ迅猛發(fā)展，其網(wǎng)絡規(guī)模越來越龐大，結構日益復雜，僅僅依靠端到端的擁塞控制是不夠的，網(wǎng)絡必須參與資源的控制工作。

　　目前ＩＰ組播擁塞控制策略是在路由器中采用包調(diào)度算法結合緩存管理技術，由此而產(chǎn)生了幾種ＩＰ處理的方法，現(xiàn)分別介紹如下。

　�。保�先進先出

　　先進先出（ＦＩＦＯ）提供了基本的存儲轉發(fā)功能，也是目前Ｉｎｔｅｒｎｅｔ使用最廣泛的一種方式，它在網(wǎng)絡擁塞時存儲分組，在擁塞解除時按分組到達順序轉發(fā)分組。它采用默認的排隊方法，因此不需要配置。其缺點是不提供ＱｏＳ功能，對突發(fā)數(shù)據(jù)流在傳輸時間要求嚴格時，應用程序會引起過多的延遲，并對突發(fā)性的、存在包丟失的連接公平性較差，對上層的ＴＣＰ快速恢復的效率也較低。

　�。玻畠�(yōu)先級排隊算法

　　優(yōu)先級排隊（ＰＱ：Ｐｒｉｏｒｉｔｙ

Ｑｕｅｕｉｎｇ）算法是在禁止其它流量的前提下，授權一種類型的流量通過。使用優(yōu)先級排隊算法給路由接口上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分配優(yōu)先級，當有空閑路由時，路由就來回掃描所有隊列，將高優(yōu)先隊級列數(shù)據(jù)發(fā)出；只有當高優(yōu)先級隊列空了以后，才能為低優(yōu)先級服務；如果優(yōu)先級隊列滿，則扔掉數(shù)據(jù)包，路由器不處理。優(yōu)先級排隊算法適用于網(wǎng)絡鏈路不斷阻塞的情況。

　　優(yōu)先級排隊算法的帶寬分配獨立于數(shù)據(jù)包大小。因此它在沒有犧牲統(tǒng)計利用的情況下提供另外的公平性，與端到端的擁塞控制機制可以較好地協(xié)同，它的缺點在于實現(xiàn)起來很復雜，需要每個數(shù)據(jù)流的排隊處理、流狀態(tài)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)包的分類以及包調(diào)度的額外開銷等。

　　３．定制排隊

　　定制排隊是為允許具有不同最低帶寬和延遲要求的應用程序共享網(wǎng)絡而設計的。定制排隊為不同的協(xié)議分配不同的隊列空間，并以循環(huán)方式處理隊列；為特定的協(xié)議分配較大的隊列空間可以提高其優(yōu)先級。定制排隊比優(yōu)先級更為公平。

　　定制排隊可以保證每一個特定的通信類型得到固定部分的可用帶寬，同時在鏈路緊張的情況下，避免數(shù)據(jù)包企圖占用超出預分配量限制的可能。

　�。矗�加權公平排隊

　　加權公平排隊（ＷＦＱ：Ｗｅｉｇｈｔｅｄ

Ｆａｉｒ

Ｑｕｅｕｉｎｇ）用于減少延遲變化，為數(shù)據(jù)流提供可預測的吞吐量和響應時間。目標是為輕載網(wǎng)絡用戶和重載網(wǎng)絡用戶提供公平一致的服務，保證低權值的響應時間與高權值的響應時間一致。

　　加權公平排隊是一種基于數(shù)據(jù)流的排隊算法，它能識別交互式應用的數(shù)據(jù)流，并將應用的數(shù)據(jù)流調(diào)度到隊列前部，以減少響應時間。ＷＦＱ與定制排隊和優(yōu)先級排隊不同，能自動適應不斷變化的網(wǎng)絡通信環(huán)境，幾乎不需要人工配置。

　　５．隨機先期檢測

　　前面介紹的排隊機制是基本的擁塞控制策略，盡管這些技術對控制擁塞是必需的，但它們對避免擁塞現(xiàn)象的發(fā)生都顯得無能為力。

　　隨機先期檢測（ＲＥＤ：Ｒａｎｄｏｍ

Ｅａｒｌｙ

Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）監(jiān)視網(wǎng)上各點的通信負載，如果擁塞增多，就隨機丟棄一些分組；當源分布點檢測到通信丟失，便降低傳輸速率。它可以在各連接之間獲得較好的公平性，對突發(fā)業(yè)務適應性較強。

　　６．加權隨機先期檢測

　　加權隨機先期檢測（ＷＲＥＤ：Ｗｅｉｇｈｔｅｄ

Ｒａｎｄｏｍ Ｅａｒｌｙ

Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）是將隨機先期檢測與優(yōu)先級排隊結合起來，這種結合為高優(yōu)先級分組提供了優(yōu)先通信處理能力。當某個接口開始出現(xiàn)擁塞時，它有選擇地丟棄較低優(yōu)先級的通信，而不是簡單地隨機丟棄分組。

　　總之，在傳統(tǒng)ＴＣＰ擁塞控制中，結合ＩＰ層擁塞控制算法，將是完善Ｉｎｔｅｒｎｅｔ擁塞控制最有效的途徑，但其發(fā)展還有待進一步研究。

摘自《現(xiàn)代電信科技》