浅析组播技术

甘肃省广播电视网络股份有限公司 张世君

【 摘 要 】 随着互联网上流媒体、VOD视频点播、视频会议等业务的相继开展，IP组播的技术和应用开始快速发展。本文对单播、广播、组播三种通信方式做了简介，着重介绍了组播技术的产生、概念、实现的前提条件、实现的原理、相关支撑协议，以及组播技术在当前的一些应用。 【 关键词 】单播 广播 组播 协议 应用 一、引言

在Internet高速发展的今天，人们已经在宽带网络平台上开发了各种业务，其中许多是占用带宽较高的多媒体应用，如视频会议、网络电台、网络视频、股市行情发布、多媒体远程教育等。由于多媒体信息量一般很大，这就带来了带宽的急剧消耗和网络拥挤问题，针对这个问题，人们提出了IP组播技术。在组播网络中，即便有成千上万个用户他们在骨干网中所占用的带宽和一个用户占用的带宽是一样的，从而最大限度地解决了多媒体等高带宽业务对网络带宽的需求和网络拥塞问题。 二、单播、广播和组播

IPv4定义了三种IP数据包传输方式：单播（unicast）、广播（broadcast）和组播（multicast）。我们先来了解一下单播、广播和组播的相关概念。

单播传输：点对点的传输。在发送者和每一接收者之间实现点对点网络连接，发送者给每个接收者分别单独发送数据。如果一个发送者同时给多个接收者传输相同的数据，也必须相应地复制多份的相同数据包。

广播传输：点对面的传输。源主机和IP子网内的所有主机都建立网络连接。在IP子网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。也就是说发送者主动向某一主机发送一数据包或只要某一接收主机向发送主机请求一数据包，不论其他接收主机是否请求该数据包，发送者都会同时向本子网内每一台主机发送该数据包。

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组播传输：点对多点的传输。在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接。如果一台发送者同时给多个接收者传输相同的数据，只需在分叉的时候复制一份相同的数据包。同单播或广播相比，组播的效率非常高，它将给定的链路至多用一次，可以节省大量的网络带宽和资源，大大减轻了发送服务器的负荷，达到发送信息的高性能。

单播、广播和组播的IP数据包传输方式如下图所示：

单播传输

广播传输 组播传输

三、实现组播的必要条件

实现IP组播传输，组播源和接收者以及两者之间的下层网络都必须支持组播。具体包括以下几个方面：主机的TCP/IP实现支持发送和接收IP组播；主机的网络接口支持组播；有一套用于加入、离开、查询的组管理协议，即IGMP；有一套IP地址分配策略，并能将第三层IP组播地址映射到第二层MAC地址；支持IP组播的应用软件；所有介于组播源和接收者之间的路由器、交换机等网络设备均需支持组播。

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四、组播技术的实现

IP组播技术的实现需要解决以下四个方面的问题：首先是发送给谁的问题、其次是接收方如何接收组播信息、第三是用户主机如何通知路由器对某个组不再感兴趣、第四是路由器如何转发组播信息。要解决这些问题，首先要给组播分配一个IP地址，其次主要依靠一些专为组播制定的网络通信协议来实现组播技术。 1、IP组播地址的分配

组播IP地址用于标识一个IP组播组，为一个组播组指定一个D类地址。使用十进制表示法来描述组播地址的范围是：224.0.0.0到239.255.255.255，但是地址224.0.0.0是保留的，它不能赋给任何群组。 2、组播协议

组播协议分为主机-路由器之间的组成员关系协议和路由器-路由器之间的组播路由协议。同时为了有效抑制组播数据在链路层的扩散，引入了IGMP Snooping、CGMP等二层组播协议。

IGMP建立并且维护路由器直联网段的组成员关系信息。域内组播路由协议根据IGMP维护的这些组播组成员关系信息，运用一定的组播路由算法构造组播分发树进行组播数据包转发。域间组播路由协议在各自治域间发布具有组播能力的路由信息以及组播源信息，以使组播数据在域间进行转发。 2.1组成员关系协议

组成员关系协议主要是因特网组管理协议(IGMP)。利用IGMP，组播路由器可判断在与自己连接的任何一个网络上，是否存在组播组的一些成员，如存在组成员，组播路由器便可加入一个特定的组播组，并将组播数据转发给加入该组的主机。它主要用来控制组播组成员的加入和退出。 2.2组播路由协议

IP组播路由协议分为域内协议和域间协议。域内协议包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP、CBT等；域间协议包括MBGP、MSDP、BGMP等。

根据网络中主机的分布，上述的IP组播域内路由协议一般可以分为两类。第一类称为密集型模式，这种模式指组播成员在网络中密集分布，有足够的带宽，所以密集协议通过扩散技术传播信息至整个网络，它包括DVMRP、MOSPF和PIM-DM，属于数据驱动型；第二类称为松散型模式，这种模式指组播成员在网络

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中分散分布，没有足够的带宽，例如广域网或用户使用ISDN线上网，但松散型模式并不意味群组有很少的成员，只不过它们是分散分布的，它包括CBT和PIM-SM。此时，使用扩散技术将浪费带宽，通过发出加入请求申请，在含有集中点或核心点的空生成树上添加树枝形成组播生成树，属于接收者驱动型。使用DVMRP、MOSPF组播路由协议时，单播路由协议相应必须使用RIP、OSPF，这就造成了一定的局限性，DVMRP使用距离向量路由协议建立生成树，MOSPF使用链路状态数据库建立生成树；PIM和CBT独立于单播路由协议，但依赖于单播路由表，其中PIM-SM和CBT有一个集中点或核心，连接源和接收者之间的各个路由器而形成路由。

针对域间组播路由有两类解决方案：短期方案和长期方案。短期方案包括三个协议MBGP／MSDP／PIM-SM：MBGP（组播边缘网关协议），用于在自治域间交换组播路由信息；MSDP（组播信源发现协议），用于在ISP之间交换组播信源信息；以及域内组播路由协议PIM-SM。长期方案目前讨论最多的是MASC／MBGP／BGMP，它建立在现有的组播业务模型上，其中MASC实现域间组播地址的分配、MBGP在域间传递组播路由信息、BGMP完成域间路由树的构造。此外还有一些组播路由策略，如PIM-SSM(特定信源协议无关组播)等，建立在其他的组播业务模型上。

2.3二层组播相关协议

IP网络的二层组播相关协议包括IGMP Snooping和CGMP。

IGMP Snooping通过交换机去侦听主机发向路由器的IGMP成员报告消息的方式，形成组成员和交换机接口的对应关系，放在组播CAM表项中。交换机根据该对应关系将收到组播数据包只转给具有组成员的接口。

CGMP是Cisco基于客户机/服务器模型开发的私有协议，在CGMP的支持下，组播路由器能够根据接收到的IGMP数据包通知交换机哪些主机何时加入和脱离组播组，交换机利用由这些信息所构建的转发表来确定将组播数据包向哪些接口转发。GMRP是主机到以太网交换机的标准协议，它使组播用户可以在第二层交换机上对组播成员进行注册。 五、组播技术的应用

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使用IP组播技术可以有效降低网络带宽的占用率，在一些信息流量大、同一时刻给多个终端发送相同内容的数据通信中得以广泛应用，典型应用包括：

网络电视直播：在视频领域中的应用，是组播技术优势最显著的体现。服务器将视频流以组播协议的方式发送出去，也就是说只需发一个数据流，任何客户端需要收看节目都可以加入组播，接受数据流收看节目。

视频会议：单播的视频会议系统需要将每一个分会场的视像信息集中到MCU，再分别传输给其他分会场，针对有较多分会场和镜头并且各分会场相互讨论的情况需要使用大量的带宽，其信息量呈几何增长。基于组播协议的视频会议系统就能较好的解决这些问题，每个参加会议的会场加入同一个或几个组播，大家都可以相互看到对方，数据的复制不是由MCU集中完成，而是由网络中的交换机自动完成，极大地减少了数据量。同时由于数据不需要经过MCU进行中转，其实时性也得到了提高。

视频点播系统VOD：传统的VOD系统都是采用单播协议来支持的，服务器为每个客户发送一条单独的数据流，其优点是响应速度快。其缺点是难以支持大量的用户，系统瓶颈在于其磁盘存储系统的速度。组播VOD系统采用特殊的专利技术，可以采用IP组播协议来实现VOD点播的功能。由于组播VOD系统的客户可以共享同一个数据流，所以大大地降低了服务器的负载。组播VOD系统用一台部门级服务器可以轻易支持数千用户，而一台带磁盘阵列的高性能服务器可以支持数万在线点播用户。

IP远程教育组播业务：IP远程教育组播业务是在利用电视、计算机技术及设备，通过多媒体通信网络在两地或多地之间进行培训和教育的一种可视通信业务。参加学习的人员通过网上课室系统，既可以听到老师的声音，又可以在屏幕上看到老师的形象动作，还可以通过控制系统，传送图表，文件等学习资料，如同与老师面对面的交流。可以支持数以百计的全国性网上课室；支持数以万计的全省性网上课室。IP网上课室组播和传统网上课室类似，但IP网上课室与传统的网上课室相比，优势在于通过组播技术，骨干网上网络流量大减，覆盖区域大增，网络教育科目极大丰富，网上教育的运营成本大幅降低。

IP组播数据传输业务：IP组播数据传输可以大大减少多媒体通信网络的拥挤程度，通过给相应的大客户组播数据包赋予高优先级的方式，可以在减少网络

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资源消耗的同时实现相应的网络SLA服务质量。与传统网络数据传输相比，优势在于通过组播技术，骨干网上网络流量大减，相关组播数据可以赋予高优先级，得到SLA服务。网络数据传输的运营成本下降。 六、结束语

IP组播技术有效地解决了带宽被大量占用和网络拥塞问题，实现了IP网络中点到多点的高效数据传送，能够有效地节约网络带宽、降低网络负载。目前组播技术应用的增长十分迅速，而且这种趋势正在逐步加快，随着宽带多媒体应用的迫切需求、ISP、ICP对IP组播网络的支持、设备提供商的投入、各种专业组织的介入，IP组播技术必然有着广阔的发展前景。 参考文献

1．赵 英 IP地址管理与子网划分 机械工业出版社 2001 2．陈向阳 计算机网络与通信 清华大学出版社 2005 3．顾金星 IP组播网络设计开发 电子工业出版社 2006 4．周贤伟 IP组播与安全 国防工业出版社 2006

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