ip組播設(shè)計與實現(xiàn)

1、學(xué)年論文（設(shè)計）題 目 IP組播技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)學(xué)生姓名 學(xué)號所在院（系）電子與信息工程專業(yè)班級指導(dǎo)教師2010年 6月 25日IP組播技術(shù)研究與實現(xiàn)【摘要】介紹了 ip組播技術(shù)的傳輸方式、地址、體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用模式、以及利用window 的WinSock的API應(yīng)用編程的基本命令和方法步驟【關(guān)鍵詞】ip組播；ip地址；機構(gòu)體系；組播協(xié)議；WinSock； API編程The ip multicast engineering research with realizesAbstract： Introduced the ip multicast technologys transmission mod

2、e, the address, the architecture, the application pattern, as well as use window WinSock the API application programming basic command and the method stepKey words： ip multicast; ,ip address, Organization system, Multicast agreement, WinSock, API programming0引言隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，以全球互聯(lián)網(wǎng)(internet)為代表的各種網(wǎng)絡(luò)

3、在近十年得 到了迅猛的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)帶寬越來越高，用戶數(shù)量越來越多，視頻點播(VOD/AOD)、遠(yuǎn)程教學(xué)、 新聞發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)電視，多站點文件傳輸、多媒體遠(yuǎn)程教育、計算機支持的協(xié)同工作等新類型 的多媒體業(yè)務(wù)將成為新一輪運營競爭的焦點，在這種情況下，采用傳統(tǒng)的客戶服務(wù)器模型將 重浪費網(wǎng)絡(luò)資源，相同的數(shù)據(jù)可能在網(wǎng)上傳播很多次，在一些帶寬較低的鏈路上，極可能引 起嚴(yán)重的通信瓶徑，就必然帶來了網(wǎng)絡(luò)擁擠問題。為了緩解網(wǎng)絡(luò)瓶頸，人們提出各種方案，主 要包括采用：鏈路聚合技術(shù)，以增加互連帶寬采用服務(wù)器的集群技術(shù)，以改變網(wǎng)絡(luò)流量結(jié)構(gòu)、 減輕主干網(wǎng)的瓶頸應(yīng)用Qos機制，把帶寬分配給一部分應(yīng)用采用IP組播技術(shù)，有效解決網(wǎng)

4、 絡(luò)的擁塞等，IP組播技術(shù)以其獨特的優(yōu)越性使它成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)多媒體信息技術(shù)的佼佼者。1 IP組播技術(shù)1.1組播簡介談IP組播技術(shù)之前我們先說說IPv4定義包的的幾中傳輸方式:1.1.1單播(Unicast)傳輸 在信息的發(fā)送者與接收者之間建立點對點的網(wǎng)絡(luò)連接。如果 一個發(fā)送者需要同時給多個接收者發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，就必須相應(yīng)地復(fù)制多份相同的數(shù)據(jù)包。 如果有大量的主機希望獲得同一份數(shù)據(jù)包時，這將使發(fā)送者負(fù)擔(dān)沉重、網(wǎng)絡(luò)延時增加。為保 證服務(wù)質(zhì)量就需要增加硬件和帶寬。1.1.2廣播(Broadcast)傳輸 是指在IP子網(wǎng)內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包，所有在子網(wǎng)內(nèi)部的主機 都將收到這些數(shù)據(jù)包。廣播意味著網(wǎng)絡(luò)向子網(wǎng)每一個主

5、機都投遞一份數(shù)據(jù)包，不論這 些主機是否樂于接收該數(shù)據(jù)包。所以廣播的使用范圍非常小，只在本地子網(wǎng)內(nèi)有效， 通過路由器和交換機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制廣播傳輸。1.1.3組播(Multicast)傳輸他是在發(fā)送者和每一個接收者之間實現(xiàn)點到多點的網(wǎng)絡(luò)連 接。如果一個發(fā)送者需要同時給多個接收者傳輸相同的數(shù)據(jù)，只需構(gòu)造一份相同的數(shù)據(jù)包, 在其中的信宿地址域中添入IP組播地址，一次發(fā)送出去，而不必端對端地多次重復(fù)發(fā)送。 他提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞。1.2組播技術(shù)體結(jié)構(gòu)組播協(xié)議分為主機-路由器之間的組成員關(guān)系協(xié)議和路由器-路由器之間的組播路由協(xié) 議。組成員關(guān)系協(xié)議包括IGMP(互連網(wǎng)組管理協(xié)議)。組播路由協(xié)

6、議分為域內(nèi)組播路由協(xié)議 及域間組播路由協(xié)議。域內(nèi)組播路由協(xié)議包括PIM-SM( Protocol Independent Multicast-Sparse Mode)、PIM-DM (Protocol Independent Multicast-Dense Mode)、DVMRP(Distance Vector Multicast Routing Protocol)等協(xié)議，域間組播路由協(xié)議包括 MBGP(MultIProtocol BGP)、 MSDP(Multicast Source Discovery Protocol)等協(xié)議。同時為了有效抑制組播數(shù)據(jù)在鏈路層的 擴(kuò)散，引入了 IGMP S

7、nooping、CGMP等二層組播協(xié)議。IGMP建立并且維護(hù)路由器直聯(lián)網(wǎng)段的組成員關(guān)系信息。域內(nèi)組播路由協(xié)議根據(jù)IGMP 維護(hù)的這些組播組成員關(guān)系信息，運用一定的組播路由算法構(gòu)造組播分發(fā)樹進(jìn)行組播數(shù)據(jù)包 轉(zhuǎn)發(fā)。域間組播路由協(xié)議在各自治域間發(fā)布具有組播能力的路由信息以及組播源信息，以使 組播數(shù)據(jù)在域間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。1.3組播IP地址組播 IP 地址用于標(biāo)識一個 IP 組播組。IANA( internet assigned number authority)把 D 類地址空間分配給IP組播，其范圍是從224.0.0.0到239.255.255.255。)，IP組播地址前四 位均為1110. 224.0

8、.0.0224.0.0.255為預(yù)留的組播地址(永久組地址)，地址224.0.0.0保留 不做分配，其它地址供路由協(xié)議使用；224.0.1.0238.255.255.255為用戶可用的組播地址 (臨時組地址)，全網(wǎng)范圍內(nèi)有效；239.0.0.0239.255.255.255為本地管理組播地址，僅在特定的本地范圍內(nèi)有效。2實現(xiàn)IP組播的前提條件和技術(shù)體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)IP組播傳輸，則組播源、接受者及兩者之間的下層網(wǎng)絡(luò)都必須支持組播。這包括 以下幾方面：（1）主機的TCP/IP的實現(xiàn)支持接受和發(fā)送IP組播；（2）主機的網(wǎng)絡(luò)接口卡支 持組播；（3）有一套用于加入、離開、查詢的組播管理協(xié)議，即IGMP（V1

9、,V2）;（4）有一套IP 地址分配策略。并能將第3層IP地址映射到第2層MAC地址上；（5）支持IP組播的應(yīng)用 軟件；（6）所有介于組播源和接受者之間的路由器，集線器、交換機、TCP/IP棧、防火墻 均需支持組播。PIM daemom通過系統(tǒng)調(diào)用從底層的socket接受消息，PIM消息，IGMP消息和內(nèi)部 控制消息，具體的功能流程圖如圖1所示：PIM控制消息IGMP模塊PIM daemon組播路由協(xié)議模塊原始輸入Socket消息協(xié)議 Socket選項設(shè)置Socket選項查詢IO控制發(fā)送KERNELIP包組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊組播數(shù)據(jù)包圖1組播路由協(xié)議流程圖其中PIM從PIM的socket接受的消息

10、通過PIM接受函數(shù)處理，從IGMP的socket 接受的IGMP消息和內(nèi)部控制消息通過IGMP接受函數(shù)處理各種消息的分內(nèi)和含義。 （1）PIM消息的PIM-HELLO鄰居發(fā)送消息，在每個端口上周期發(fā)送，消息接受方據(jù)此 確定與發(fā)送方的藺家咀關(guān)系。（2）IGMP消息，MEMBERSHIP-REPORT:成員關(guān)系報 告消息。（3）內(nèi)部控制消息:nocache指示底層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時未找到匹配的緩沖區(qū)，wrongvif指示組播數(shù)據(jù)從不正確的入口輸入。Wholepkt指示消息中包含整包組播數(shù)據(jù)，用于注；冊0組播協(xié)議分為主機-路由器之間的組成員關(guān)系協(xié)議和路由器-路由器之間的組播路由協(xié) 議。組成員關(guān)系協(xié)議包括IG

11、MP(互連網(wǎng)組管理協(xié)議)。組播路由協(xié)議分為域內(nèi)組播路由協(xié)議 及域間組播路由協(xié)議。域內(nèi)組播路由協(xié)議包括PIM-SM( Protocol Independent Multicast-Sparse Mode)、PIM-DM (Protocol Independent Multicast-Dense Mode)、DVMRP(Distance Vector Multicast Routing Protocol)等協(xié)議，域間組播路由協(xié)議包括 MBGP(Multiprotocol BGP)、 MSDP(Multicast Source Discovery Protocol)等協(xié)議。同時為了有效抑制組播數(shù)據(jù)在

12、鏈路層的 擴(kuò)散，引入了 IGMP Snooping、CGMP等二層組播協(xié)議。3 IP組播的應(yīng)用模式點對多點應(yīng)用模式點對多點應(yīng)用模式是指一個發(fā)送者，多個接收者的應(yīng)用模式，也 是最常見的組播應(yīng)用模式。典型應(yīng)用有視頻會議、網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV )、分布式數(shù)據(jù)庫更新、 廣播和監(jiān)控等。多點對點應(yīng)用模式多點對點應(yīng)用模式是指多個發(fā)送者，一個接收者的應(yīng)用模式。通 常是應(yīng)用在具有雙向請求的場合，任何一端(多點或點)都有可能發(fā)起請求。在這種多點對點 的應(yīng)用模式中，接收者可以接收多個發(fā)送者發(fā)送的數(shù)據(jù)，其典型的應(yīng)用有網(wǎng)絡(luò)拍賣、投票選 舉、數(shù)據(jù)收集、遠(yuǎn)程視頻采集監(jiān)控。多點對多點的應(yīng)用多點對多點的應(yīng)用模式是指多個發(fā)送者和多

13、個接收者的應(yīng)用模 式。通常，每個接收者可以接收多個發(fā)送者發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時，每個發(fā)送者可以把數(shù)據(jù)發(fā)送 給多個接收者，其典型的應(yīng)用有多媒體會議、協(xié)同工作、遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)、并發(fā)處理、資源同步等。4利用WinSock實現(xiàn)IP組播通信Windows Sockets定義了 Windows的網(wǎng)絡(luò)編程接口，可以運行在包括 TCP IP, XNSDECN,IPX SPX 等多種協(xié)議之上。而 Windows Sockets 類則是對 WindowsSocket sAPI 封 裝，包括Csocket和CasyncSocket類。使用他們可以大大簡化網(wǎng)絡(luò)通信程序的編寫。利用 Berkeley Socket現(xiàn)IP組播通信的主

14、要過程和編程方法如下：圖2 Winsock實現(xiàn)IP組播過程流程圖使用函數(shù)Socket ()創(chuàng)建1個UDP套接字。使用函數(shù)Bind ()將套接字與本地的某個地址和端口連接起來。(3)使用IP_ Multicast. TTL選項調(diào)用函數(shù)SetSockopt ()來設(shè)置TTL (0255),其缺省值為1,表示組 播數(shù)據(jù)全部在一個網(wǎng)段內(nèi)，例如：U _ Char t t l;SetSockopt (SOCK, IPPRO TO _ IP, IP_ MUL TICAST_TTL , &t t l, Sizeof ( t t l);設(shè)置IP_ Add_ Membership選項和要加入的組播組的地址結(jié)構(gòu)，調(diào)

15、用函數(shù) Setsockopt ()加入到指定的組播組。如只打算發(fā)送數(shù)據(jù)，則不必加入組播組，例如：Struct ip _ mreq;(struct in_ addrir_ mult iaddr, st ruct in_ addrimr_interfacemreq;Setsockopt (SOCK, IPPRO TO _ IP, IP_ ADD_MEMBERSH IP, &m req, sizeof (mreq);調(diào)用函數(shù)Sendto ()發(fā)送組播數(shù)據(jù)，調(diào)用函數(shù)Recvfrom ()接收組播數(shù)據(jù)。設(shè)置IP_ Drop_ Membership選項和要脫離的組播組的地址結(jié)構(gòu)。調(diào)用函數(shù) Setsocko

16、pt ()脫離指定的組播組，例如：struct ip_ mreq mreq;SetSockopt (SOCK, IPPRO TO_IP, IP_ DRO P_MEMBERSH IP,&mreq,sizeof (mreq);(7)完畢后關(guān)閉套接字。此外，通過IP_ Multicast_ IF參數(shù)，系統(tǒng)管理員可在安裝的時候為組播創(chuàng)建默認(rèn)的接口, 例如：struct in_ addr addr;Setsockopt(SOCK, IPPRO TO_IP, IP_ MUL TICA ST_ IF,&addr, sizeof (addr);其中addr是指定的輸出接口的本地IP地址，可使用一個INADDR

17、_ANY地址來回送到默認(rèn)的接口。通過IP_Multicast_ Loop參數(shù)可以控制IP層是否回送所送的數(shù)據(jù),例如：U _ char loop;Setsockopt(SOCK, IPPRO TO _ IP, IP_ MUL TICA ST_LOOP, &loop , sizeof (loop);將loop設(shè)置為0則禁止回送，設(shè)置為1則允許回送。5結(jié)語隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各種高帶寬的多媒體應(yīng)用層出不窮，如網(wǎng)絡(luò)視頻會議、 多媒體遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程會診、互聯(lián)網(wǎng)直播等。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是為典型的點到點通信而設(shè)計的，為 保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，采用的傳輸協(xié)議多數(shù)是點到點的協(xié)議。在這種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用高帶 寬的多媒體業(yè)務(wù)就必將引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，延遲增加，并導(dǎo)致出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸。采用IP組播技術(shù) 能夠有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，所以IP組播技術(shù)在今后將具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)(美)MarcusGoncalves,KittyNiles.IP多路廣播技術(shù)與應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，2000.(英)Beau Williamson.IP組播網(wǎng)絡(luò)