摘要：提出了一種在MPLS網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建多播樹的新方法——逆向構(gòu)建算法。用數(shù)值分析和仿真方法證明了逆向構(gòu)建多播樹不僅可以解決MPLS多播標(biāo)簽數(shù)不足的問題，還可以有效地減小多播轉(zhuǎn)發(fā)表的體積，提高帶寬利用率。
關(guān)鍵詞：MPIS聚集多播服務(wù)質(zhì)量

1 多捶發(fā)展簡介
    隨著Internet的發(fā)展，視頻廣播、視頻會議等應(yīng)用迅速增加。其中大部分應(yīng)用需要通過一對多或多對多的通信方式來完成，并且在傳輸數(shù)據(jù)的同時，需要服務(wù)質(zhì)量Qos(Quality of Service)保障。因此，多播技術(shù)的應(yīng)用和QoS的支持成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用拓展的重要因素。
    多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS(Multi Protocol Label Switehing)作為IETF的一個標(biāo)準(zhǔn)，很有可能成為下一代主干網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸方式。它對帶寬控制和QoS保障提供了很好的支持。整合多播與MPLS不僅可以加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)性能的發(fā)揮，而且有利于多播的拓展和應(yīng)用。
    本文提出了使用逆向多播樹算法在MPLS上構(gòu)建多播應(yīng)用的方法，使用定源多播SSM(Source Speeific Multicast)協(xié)議構(gòu)建多播樹，即從葉子節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)逆向構(gòu)建多播樹。

2 MPLS與多播相結(jié)合的問題與解決
    IETF提出了關(guān)于如何在MPLS域內(nèi)構(gòu)建多播的整體框架。將所有標(biāo)準(zhǔn)多播協(xié)議以MPLS的方式進(jìn)行了分析，并且考慮了MPIS下多播的特性，如聚集、洪泛和剪枝等。指出要在MPKS下實(shí)現(xiàn)多播就意味著實(shí)現(xiàn)一對多的標(biāo)簽交換路徑LSP(Label Switched Path)或者多對多的ISP，而目前的MPLS只提供了一對一的LSP。
    解決方法之一是使用映射方法，將一對多的LSP映射為多組一對一的LSP。使用該方法在MPLS域內(nèi)構(gòu)建稀疏模式多播協(xié)議P1M-SM（Protoeol Independent Mulficast-Sparse Mode)，需要使用加入，剪枝信息構(gòu)建LSP多播樹。將邊界路由器LER(Label Edged Router)作為多播組的集合點(diǎn)RP(Rendezvous Point)，當(dāng)人口LER接收到加入請求后，將請求轉(zhuǎn)發(fā)至RP。RP在多播轉(zhuǎn)發(fā)表MFT(Multicast Forwarding Table)內(nèi)加入記錄，新記錄為指向新加入LER的LSP。標(biāo)簽交換路由LSR器(LabelSwitched Router)只需要按照標(biāo)簽進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，不需要保存多播組狀態(tài)。但是，該方法存在嚴(yán)重的隱患：當(dāng)有大量的活動組存在于域內(nèi)時，很有可能導(dǎo)致標(biāo)簽不足；而且，MFT的體積會隨著多播組的增加不斷增大。隨之而來的是路由器內(nèi)存消耗的迅速上升、查表時間的延長和轉(zhuǎn)發(fā)速度的下降。
    為減少路由器內(nèi)保存的多播組狀態(tài)數(shù)和MFT的體積，提出了聚集多播樹(Aggregated Mulficast)算法。該算法并不需要為每個多播組建立相應(yīng)的多播樹，而是用一棵聚集樹支持多個多播組。文獻(xiàn)以此方法為基礎(chǔ)構(gòu)建MPIS上可靠多插應(yīng)用，即當(dāng)有鏈路斷開時，該聚集樹失效，由后備鏈路重新組合生成新的聚集樹，以提高多播傳遞的可靠性。但是某個多播組很可能與聚集樹并不完全匹配，可能發(fā)生多播信息被傳送到一些節(jié)點(diǎn)，而這些節(jié)點(diǎn)并非該多播組的成員，從而造成帶寬的浪費(fèi)。
    文獻(xiàn)中通過第2層的支持實(shí)現(xiàn)了MPLS廣播機(jī)制，并對其進(jìn)行了擴(kuò)展，使其在MPLS域內(nèi)支持稠密模式(Dense Mode)的多播通信。但稠密模式本身就會造成帶寬的浪費(fèi)。

3 逆向多播樹構(gòu)建算法
    聚集樹算法會在部分枝節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生帶寬的浪費(fèi)，PIM—SM的實(shí)施會消耗過多的資源。于是本文采用了仿SSM多播路由協(xié)議的方法，通過逆向構(gòu)建多播樹在MPLS域內(nèi)實(shí)多播。

3．1 通過質(zhì)數(shù)法則聚集標(biāo)簽
    為實(shí)現(xiàn)多播信息在路由器內(nèi)的復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)，對每個路由器添加多播轉(zhuǎn)發(fā)表MFT。每個表中包含該路由器的接口號。IFID(Intefface ID)以及通過該接口轉(zhuǎn)發(fā)的多播組的聚集標(biāo)簽號AMID(Aggregated Muhieast Group ID)。這里使用了標(biāo)簽聚集算法，使MFT的體積不會隨著多播組的增加而變大，一直保持常量，其數(shù)目為該路由器的接口數(shù)。為了使一個聚集標(biāo)簽號代表多個多播組，為每個多播組分配一個組標(biāo)簽號GID(Group ID)，并且要求該標(biāo)簽號必須為質(zhì)數(shù)。把從同一個接口轉(zhuǎn)發(fā)的多播組標(biāo)簽號的乘積作為該接口的AMID。
    公式1：
    設(shè)有質(zhì)數(shù)G1D1，GID2．GID3，GID4。
    乘積AMIDl=GIDl}GID2*GID4，必不可被GID3整除，必可被GIDl、GID2、GID4中任意一個數(shù)整除，這是由質(zhì)數(shù)本身的特點(diǎn)決定的。
    因此，以組GID能否整除聚集標(biāo)簽號AMID來判斷是否需要向接口發(fā)送來自于多播組GID的多播信息。以樹形結(jié)構(gòu)表示某MPLS域內(nèi)的多播拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。多播組G1、G2、G3的多播源主機(jī)通過LSR1連接到MPLS域，LSR3連接著多播組GI和G3的組成員，LSR4連接著多播組GI和G2的組成員。

    假定多播組Gl、G2、G3都已經(jīng)分配了多播組標(biāo)簽號GID，分別為質(zhì)數(shù)2、3、5，則如圖1中所示，可得到KSR2內(nèi)MFT表，如表l所示。

3．2 逆向構(gòu)建多播樹
    多播源發(fā)送建立信息至相連的LER，該LER為其分配一個組標(biāo)簽GID，LER內(nèi)部保存GLT（Group Label Table）表。表內(nèi)包括：多播源S、多播組G、多播組在該MPLS域內(nèi)的組標(biāo)志號GID，并保證S、G、GID在該MPLS域內(nèi)一一對應(yīng)。當(dāng)LER為某多播組分配好GID后，即通過相連的LER廣播該GID，防止相同的GID被分配給不同的多播組。
    多播組成員發(fā)送加入請求、申請加入多播組時，請求經(jīng)過的從葉子節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的路徑就成為多播樹的一部分。多播源將按照該路徑自上而下發(fā)送多播信息。因此，新成員加入多播組的過程即為樹枝節(jié)點(diǎn)內(nèi)MFT建立的過程，亦為多播樹建立的過程。
    (1)加入多插組。逆向構(gòu)建多播樹算法，類似于SSM協(xié)議。組成員發(fā)送的加入請求到達(dá)LER后，LER分析該數(shù)據(jù)內(nèi)的多播組地址，然后查找LER內(nèi)部的GLT表，找到該多播組的源地址s，按照指向該地址的LSP把數(shù)據(jù)包發(fā)往該多播樹的根節(jié)點(diǎn)——多播源。LSR從接口i接收到加入請求后，從數(shù)據(jù)包中提取組信息GID，然后在MFT中對該接口i對應(yīng)的AMID進(jìn)行檢查和更新：
    If(mod(AMID[i]，GID)!=0))
    AMID[i]=AMID[i]}GID；
    如果GID可以整除AMID[i]，則說明該接口會將GID代表的多播組信息從該接口轉(zhuǎn)發(fā)出去；否則，更新該AMID[i]，與新GID作乘法運(yùn)算。
    (2)多播數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS網(wǎng)絡(luò)中，單播包和多播包被賦予不同的標(biāo)簽號。當(dāng)LER收到多播源發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，即查找GLT表，將對應(yīng)的GID壓入數(shù)據(jù)包。然后，采取與LSR相同的操作——查找MFT，判斷該從哪些接口向外發(fā)送該包。方法如下：
   

    參照公式1，由于所有GID為質(zhì)數(shù)，AMID為若干質(zhì)數(shù)的乘積，所以AMID一定不會被其他質(zhì)數(shù)整除。當(dāng)AMID可以被GID整除時，該AMID對應(yīng)的接口一定為該GID所屬多播組的多播數(shù)據(jù)經(jīng)過的接口。
    如圖l所示，當(dāng)LSR2從接口1接收到GID為5的多播包后，即計算mod(10，5)=O；mod(6，5)=1。因此，判斷該包應(yīng)該從接口2傳至LSR3。
    (3)退出多播組。當(dāng)葉子節(jié)點(diǎn)想要退出多播組時，發(fā)送退出信息至與它連接的LER。LER查找GLT，將該多播組對應(yīng)的標(biāo)簽號GID壓入退出數(shù)據(jù)包，并沿LSP傳至該多播源。當(dāng)LSR接收到退出信息時，會更新它的MFT。方法如下：
   
    即使該接口對應(yīng)的AMID[i]不再可以被GID整除。當(dāng)一個LSR所有下游接口都返回退出信息時，該節(jié)點(diǎn)向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送退出信息。

4 數(shù)值分析與仿真
4．1 質(zhì)數(shù)耗盡問題
    由于MPLS域內(nèi)采取20bit作為傳輸標(biāo)記。所以，質(zhì)數(shù)的數(shù)量是否會由于多播組的增加被用盡是個需要考慮的問題。為此，計算100~1000內(nèi)質(zhì)數(shù)分布，得到的質(zhì)數(shù)分布圖如圖2所示?？梢钥闯鲑|(zhì)數(shù)隨著自然數(shù)增大逐漸增多。

4．2 逆向法與稀疏模式法比較
    與MPLS上建立PIM-SM多播樹方法相比，逆向構(gòu)建多播樹算法可以節(jié)省轉(zhuǎn)發(fā)表體積，減少查詢時間。假設(shè)一個LSR節(jié)點(diǎn)有n個接口，該域內(nèi)有m個多播組。則壞的情況下，轉(zhuǎn)發(fā)表體積為TableSize=n*m，而逆向構(gòu)建算法的MFT始終保持MFTableSize=n。逆向構(gòu)建多播樹不需要RP節(jié)點(diǎn)的支持。在MPLS域間，多播組標(biāo)簽號、多播組和多播源分別一一對應(yīng)。

4．3 逆向法與傳統(tǒng)聚集法比較
    與聚集多播樹相比，逆向構(gòu)建多播樹不需要控制節(jié)點(diǎn)生成聚集樹，并且可以節(jié)省大量帶寬。為更好地說明問題，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)仿真工具jns對聚集樹算法和逆向構(gòu)建多播樹算法進(jìn)行仿真。仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，通過收集LSR3和LSR4在兩種不同多播算法下的流量來比較帶寬使用情況。

    在聚集多播樹算法下，LSR2節(jié)點(diǎn)把G1、G2、G3多播組的信息分別傳遞給LSR3和LSR4。因此，對于聚集樹算法，通過節(jié)點(diǎn)LSR3與LSR4的流量是相同的。在逆向構(gòu)建多播樹算法下，LSR2只把G1和G2多播組的信息傳給LSR3，把Gl、G3多播組的信息傳給LSR4。
    兩種算法下LSR3與LSR4多播流量對比分別如圖3和圖4所示。從圖3、圖4中可以看出，在完成同樣的多播信息的傳遞與接收時，使用逆向構(gòu)建多播樹算法，經(jīng)過LSR3、LSR4兩個節(jié)點(diǎn)的多播流量明顯低于聚集樹算法。因此，使用逆向建立多播樹算法可以有效地節(jié)省帶寬。

    MPLS技術(shù)解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中IP分組交換的問題，能提供靈活的流量工程與虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)。MPLS與多播的結(jié)合可以有效解決多播的擴(kuò)展問題。本文提出了逆向構(gòu)建多播樹算法，并且將其與傳統(tǒng)的MPLS上構(gòu)建多播樹的方法進(jìn)行比較，證明了其實(shí)施的可行性和優(yōu)越性。
    逆向構(gòu)建多播樹在縮減轉(zhuǎn)發(fā)表的同時．降低了潛在的帶寬浪費(fèi)，為MPLS域內(nèi)實(shí)現(xiàn)多播提供了一種新方法。但是，其具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，如健壯性、安全性及利用MPLS的特性對多播應(yīng)用提供QoS保障等問題還需要進(jìn)一步研究。