用 IGMP 窃听与代理在交换式以太网上实现 IP 组播

摘要：如何更改电脑ip地址?提出了一个高效的窃听与代理方案来实现交换式以太网上的组播并详细描述了其实现细节可以用来指导实现一款高性能的支持 组播的以太网交换机

关键词 ：交换式以太网、窃听、代理中图分类号、文献标识码.

IP 组播 作为一种节省带宽的主要手段, 已经成为开展各种网上多媒体业务的常用技术随着以太网上宽带多媒体应用需求不断增加, 如何让以太网更加有效的支持 IP 组播变得非常重要(传统以太网络对组播包和广播包不加区别)目前已有多种方案被提出来解决这一问题, 如通用组播注册协议: : 国家重大自然科学基金资助项目“高速信息网中关键基础问题”口组管理协议RGM P 等它们都能够在二层交换机网络建立组播分发树, 从而在一定程度上限制组播数据扩散, 但也还都存在各种问题, 其中最主要的有 :

(1) 当只存在发送源而没有组成员时, 不能避免数据在交换机之间的链路上的不必要流动;

(2)  多个路由器通过交换机网

第 2 期： 用 IGM P 窃听与代理在交换式以太网上实现 IP 组播 29

络互联时组播数据可能会进行不必要的扩散, 从而阻塞路由器 为了解决这 2 个问题, 本文将 IGM P 窃听、IGM P 代理[6]和生成树协议[2]相结合, 提出了 1 个高效的、适应多种网络环境的 IP 组播方案, 可以用来指导实现一款高性能的支持 IP 组播的以太网交换机, 使得交换机可以不依赖于组播路由器来支持 IP 组播 本方案假设所有主机运行 IGM Pv2 或以上版本

背景:

如何更改电脑ip地址所谓 IGM P 窃听就是局域网交换机中的CPU 拦截主机与组播路由器之间的 IGM P 会话, 然后根据 IGM P 信息创建组播转发表项, 就可以把组播报文仅仅转发到需要它的端口, 以达到限制组播数据扩散的目的 关于 IGM P 窃听的详细信息见文献[3]

IGM P 代理的目的是在一些结构简单的网络中仅仅利用 IGM P 成员信息而不需要组播路由协议来进行组播转发, 这需要中间网络设备来代理实现 IGM P 协议的主机部分和路由器部分文献[6]阐述了 IGM P 代理在路由器网络中的应用, 本文将其扩展到以太网交换机网络和生成树协议配合使用

2、原理与结构

一般的交换机网络都会运行生成树协议[2], 能否利用生成树来支持 IP 组播? 本文提出的方案正是基于这一想法, 在 IGM P 窃听的基础上将 IGM P 代理和生成树协议相结合, 让低速的组播信令消息沿生成树广播, 而用户数据在生成树上组播, 这样既节省了网络带宽, 又简化了组播协议 IGM P 代理使得交换机可以不依赖于组播路由器来支持 IP 组播; 组播信令消息在生成树上的扩散可以解决只发送的组播源问题和多路由器通过交换机互联问题方案的基本原理如图 所示 交换机网络运行生成树协议, 消除了链路环回每

个交换机既实现如IGMC) 会为组P 协议的路由器部分G建立包含成图 1基于也实现其主机部分, 同时还支持基本的 IGMP 窃听当网络中的某个主机(如H3) 想加入某个组G 时, 就向网络中发送组G 的IGM P 成员报告消息; 交换机在收到成员报告消息后(IGM P 代理和生成树的组成员信息传播员端口(如C-1) 的组播转发表(交换机充当路由器角色) , 并向生成树上所有相邻的交换机 (A和D ) 发送 IGM P 成员报告消息(交换机充当主机角色) , 最后, 网络中所有交换机都了解了组G的成员分布信息, 会为G建立组播转发表不难看出, 据此形成的组播转发树是生成树的一棵子树每个交换机都会定时向所有端口发送 IGM P 查询消息来刷新组播转发状态, 当检测到生成树拓扑变化时, 交换机也要发送 IGMP查询消息来刷新组成员分布状态, 以缩短组加入时延一个实现 IGM P 窃听与代理的交换机的基本结构如图 2 所示硬件在根据MAC 地址和 IP报文类型检测到 IGM P 报文后, 将其送交给CPU , CPU 进一步识别 IGM P 消息类型并进行相应处理, 然后向接口转发 IGM P 消息下面讲述本方案的 2 个重要方面: IGM P消息的识别和处理; 路由器端口探测30 北京邮电大学学报 第 26 卷　

2.1 IGMP 消息的识别和处理

所有路由器端口和主机端口发出的 IGM P 消息均重定向给CPU 处理, 然后再由CPU 根据需要转发给目的端口表列出了本方案中用到的 IGM P 消息前 4 条消息为 IGM Pv2 协议中原有的消息; 其它消息均为本方案扩展定义的如何更改电脑ip地址

2.2　路由器端口探测

当组播路由器或网络监测设备与交换机网络相连时, 可能需要接收网络中

所有组的数据流, 为此, 本方案要求此类 图 2　支持 IGM P 窃听与代理的交换机结构

表1　本方案中交换机的CPU 需要识别和处理的 IGMP 消息

IGM P 类型码 名称 目的 IP 地址 含义

0x11 IGM P 通用查询 224 0 0 1 查询所有组的组成员

0x11 IGM P 具体组查询 用户组地址 查询某个组的组成员

0x16 IGM Pv2 成员报告 用户组地址 主机想加入组

0x17 IGM P 离开消息 224 0 0 1 主机离开某个组

0xFF JO IN ALL 224 0 0 25 分配路由器端口

0xFE L EAV E ALL 224 0 0 25 取消路由器端口

10xFC  RGM P L EAV E 224 0 01125 上游设备不想接收某组数据

0xFD RGM P JO IN 224 0 0 25 上游设备想接收某组数据

设备定期向交换机发送JO IN ALL 消息, 这个消息在交换机网络沿着生成树扩散, 每个交换机将收到 JO IN ALL 消息的端口加入到路由器端口列表, 然后向该端口转发所有从其它端口收到的组播数据, 并且在收到第一个JO IN ALL 消息后开始定时广播JO IN ALL 消息要取消路由器端口时, 路由器则向交换机网络发送L EAV E ALL 消息, 每个交换机将收到LEAV E ALL 消息的端口从路由器端口列表中删除, 如果路由器端口列表为空时, 广播L EAVEALL 消息

3　协议过程

3.1组播转发状态维护与数据转发

图 3 显示了交换机内的组播转发过程查询状态机负责查询所有端口的成员信息,每个端口中的每个组有一个成员信息状态机负责登记该端口的成员状态, 所有属于某一个组的成员放在该组的成员端口列表中, 这 2 个状态机的具体机制参见文献[8]每个端口的路由器端口状态机决定是否向该端口转发所有组的数据流, 所有的路由器端口都放在路由器端口列表中信息扩散策略负责向外发送组播信令消息,除了JO IN ALL 消息外,基本的转发策略同如何更改电脑ip地址

交换机根据组播转发表来转发组播数据, 每个组的转发表项由路由器端口列表和该组的　第 2 期 谭敏强等: 用 IGM P 窃听与代理在交换式以太网上实现 IP 组播 31 成员端口列表组成, 当路由器端口列表或者成员端口列表变化时, 组播转发表项必须随之更新1交换机的组播转发决策

图 3　交换机内组播转发过程

3.2　只发送组播源的处理

在传统的局域网组播方案中, 当组播源向一个没有任何组成员的组地址组播时, 交换机由于不清楚组成员分布的确切信息和组播路由器的兴趣而不能贸然丢弃该数据流, 只能把组播数据向所有端口扩散, 此举显然浪费了网络带宽 在本方案中由于成员信息会扩散到整个网络, 每个交换机都了解所有组成员的分布信息, 所以, 就可以分辨出那些没有组成员存在的组播流, 并丢弃之 这样, 没有组成员存在的组播流只能在组播源和第一跳交换机之间流动而不会扩散到网络中去也就是说本方案在本质上支持源剪枝(Source Pruning)

3.3　路由器互联交换机网络

一般情况下交换机无法了解组播路由器对组的兴趣, 所以, 只能向所有连有路由器的端口转发所有组播数据,但有的路由器根本就不需要接收该组数据, 这就会造成带宽浪费本方案解决这一问题的办法如下: 首先假设一个交换机端口最多只连接一个组播路由器, 路由器如果需要接收所有组的数据, 就必须定期向交换机发送JO IN ALL 消息以分配路由器端口, 如果路由器不想接收任何组播数据, 向交换机发送一个L EAV E ALL 消息; 如果路由器想接收某个特定组的数据, 定期向交换机发送RGM P JO IN 消息, 如果停止接收某个组的数据或收到不

必要的组播流则发送RGM P L EAV E 消息这样, 交换机就了解了路由器的兴趣并在交换机网络的生成树上扩散该信息, 如图 5 所示交换机将 RGM P JO IN 和 RGM P L EAV E 消息当作 IGM P 成员报告和离开消息看待组播路由器根据组播路由协议对自己的要求向交换机发送上述4个消息本方案要求组播路由 图 5　多路由器通过交换机网络互联

器运行采用显式加入离开机制的组播路由协议(如 P IMSM [9]) 如果路由器运行的是采用数据流驱动的扩散剪枝模式的协议(如DVM RP[4]) 时, 路由器不能在数据流动之前确定自己是否需要某个组播数据流, 也就不能向交换机发送上述消息了

32 北京邮电大学学报 第 26 卷　

4　性能分析

IP 组播 2 2 IP IGM P 代理机制和基于生成树的 与传统 IGM P 窃听方案相比, 本文提出的方案实现简单, 更加灵活有效, 如表 2 所示

表 　在一个典型的局域网内用 种方案实现 组播时的设备需求对比

设备需求 本文提出的方案 传统 IGM P 窃听方案

交换机 运行生成树协议, 实现 IGM P 窃听和 只有窃听, 没有代理, 路由器端口需要手工配置代理, 自动发现路由器端口主机 运行 IGM Pv2 或以上版本组播源( ), 否则存在只发送的源问题, 并连在根交换机上否则存在组播数据的不必要扩散问题必须与组播路由器连接来与消息开销少, 但同样支持源剪枝与还能解决多个

5) 仅仅能解决前一个问题

IP 组播, 实现简单, 消息开销少; 基于生成树的扩散机制使得在转发组播数据时无需象路由器网络一样检查源地址、无论交换机是否在组播转发树上都要维护组播转发状态; (2) 具有生成树协议的固有缺点 但在接入网上冗余链路本来就不会很多

5　结束语

窃听与代理方案来实现交换式以太网上的如何修改ip地址

扩散机制; (2) 交换机可以不依赖于组播路由器来支持消息来动态探测路由器端口应用本