IP組播技術(shù)原理及其應(yīng)用管理的經(jīng)驗介紹

　　目前，不少企業(yè)或政府部門，通過自建或租用線路，開發(fā)屬于自己的寬帶IP城域網(wǎng)，并在其上開展視頻會議等應(yīng)用。一般來說，搭建一個星型網(wǎng)絡(luò)，進行點對點的TCP/IP數(shù)據(jù)包傳輸，并非難事，只要能Ping通對方就行，因為TCP/IP 提供可靠傳輸，接收方如果沒有收到數(shù)據(jù)包，發(fā)送方會重發(fā)這些包。但是在組播方式下，采用的是不可靠的UDP傳輸，發(fā)送方?jīng)]有重發(fā)數(shù)據(jù)包的機制，如果傳輸環(huán)境不進行優(yōu)化，或者網(wǎng)絡(luò)交換機的配置不很合理，就很容易造成數(shù)據(jù)包的延時或丟失，導(dǎo)致傳輸視頻會議的圖像時，在接收端出現(xiàn)馬賽克、停頓，甚至黑屏等現(xiàn)象。

一、網(wǎng)絡(luò)概況

　　筆者所在的地級市，下轄9個縣，我們利用IP over Optical技術(shù)，組建了覆蓋全市的光纖千兆IP城域網(wǎng)，在該網(wǎng)絡(luò)上利用組播技術(shù)，成功地召開了多次交互式視頻會議，網(wǎng)上用戶還可以實時收看CCTV-5轉(zhuǎn)播的視頻新聞和世界杯足球賽等。該網(wǎng)絡(luò)選用了美國Foundry公司的產(chǎn)品，其中在地級市的核心交換機采用BigIron 8000，而在9個縣中，有5個單位的匯接層交換機為BigIron 4000，另外4個單位的匯接層交換機為NetIron，這些型號的交換機都是第三層交換機。至于各個單位的接入層交換機則有多種型號，包括3Com、 Cisco、Intel和華為等。以上這些產(chǎn)品組成了以BigIron 8000為中心的樹型網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正好與政府部門的分級管理模式相符合。

二、組播協(xié)議

　　組播技術(shù)是根據(jù)路由器下游是否有組播成員來決定是否轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的，這樣，支持組播協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，由于只在路由有分支的節(jié)點復(fù)制數(shù)據(jù)包，與傳統(tǒng)單播協(xié)議在源端復(fù)制后，再一一發(fā)送出去的方式比較，不但大大節(jié)省了帶寬資源，還減輕了源端及中間路由器節(jié)點處理重復(fù)分組的負擔，縮短了通信所需的處理時間，大大提高了網(wǎng)絡(luò)工作的效率。

　　IP網(wǎng)上的組播有以下三個常用的協(xié)議

1．Internet群組管理協(xié)議(IGMP)

　　該協(xié)議被主機用來通知直連的路由器，提出具體組播地址，申請加入或離開一個組播組。發(fā)送者則要確定一個合適的地址，這個地址代表一個主組，然后，組播數(shù)據(jù)包通過普通的IP地址以UDP廣播方式傳送到提出申請的主機所在子網(wǎng)內(nèi)的各主機用戶。

2．獨立組播協(xié)議(PIM)

　　該協(xié)議實現(xiàn)對各種組播應(yīng)用的支持，有密集模式PIM-DM和稀疏模式PIM-SM兩種。在Foundry產(chǎn)品上，加載PIM會自動啟用IGMP。

3．距離矢量組播路由協(xié)議(DVMRP)

　　該協(xié)議屬于密集模式，它根據(jù)自己的算法建立組播路由表。在Foundry產(chǎn)品上，加載DVMRP也會自動啟用IGMP。

　　要想在IP網(wǎng)絡(luò)上召開交互式視頻會議或發(fā)布視頻新聞，就需要利用IP網(wǎng)絡(luò)組播的密集模式，并且啟動PIM或DVMRP協(xié)議。在Foundry產(chǎn)品上啟動這些協(xié)議時，不同的VLAN配置方法可產(chǎn)生不同的效果。 {{分頁}}

三、重在管理

　　在管理方面，我們做了以下工作。

1．劃分VLAN

　　劃分VLAN（虛擬局域網(wǎng)）是為了控制廣播包的擴散。對于我們的視頻會議應(yīng)用，采用MPEG 2標準，由于設(shè)備相對獨立，與網(wǎng)上其他桌面用戶之間不存在信息交流，所以我們在全市范圍內(nèi)共10臺三層交換機上專門開辟了一個VLAN 24，并給定一個單獨的網(wǎng)段，不設(shè)網(wǎng)關(guān)。Foundry的802.1p/q標準標記允許建立跨越交換機邊界的虛擬局域網(wǎng)，于是VLAN 24跨越了不同的交換機，使得盡管這10臺三層交換機最遠距離為90km以上，還能處在同一VLAN內(nèi)，避免了一些不相干廣播包的干擾，大大提高了接收端處理數(shù)據(jù)的效率。

　　對于視頻新聞，采用MPEG 1標準，由于接收方是城域網(wǎng)上的普通用戶，所以只在源端設(shè)定一個獨立的VLAN 25。目前在網(wǎng)上運行的視頻新聞有2套系統(tǒng)，一套采用MediaPlayer 7.1，另一套采用專用的客戶端軟件。

2．設(shè)置優(yōu)先級

　　網(wǎng)絡(luò)管理員利用可選服務(wù)質(zhì)量，通過IEEE 802.1p/q虛擬局域網(wǎng)標記和優(yōu)先級別分配，將QoS的優(yōu)點延伸到交換機邊界。

　　Foundry的BigIron交換機支持8個等級（0～7）的優(yōu)先級，這8個優(yōu)先級被分為4組，在默認狀態(tài)下，最高級別的優(yōu)先級可請求到80%的帶寬。對于VLAN 24來說，就需要為它設(shè)置最高級別的優(yōu)先級（第7級）。

3．配置組播協(xié)議

　　在視頻會議系統(tǒng)調(diào)試時，由于沒有配置好組播協(xié)議，整個城域網(wǎng)存在著丟失數(shù)據(jù)包較多的現(xiàn)象，我們先用HP公司的 Netperf軟件對網(wǎng)絡(luò)點對點狀態(tài)下的TCP連接與UDP連接性能（包括丟包率）進行測試，測試時網(wǎng)絡(luò)所傳遞的數(shù)據(jù)量為11.29Mbps，遠大于視頻會議的數(shù)據(jù)流量（6Mbps），測試結(jié)果表明沒有任何丟包，而且交換機CPU的使用率也很低（NetIron為4%，BigIron 8000為1%）。后來，又邀請第三方用美國Fluke公司的Enterprise LANMeter 683測試儀對全網(wǎng)進行更為嚴密的檢測，結(jié)論為該網(wǎng)絡(luò)是穩(wěn)定和健壯的。

　　以上測試結(jié)果說明網(wǎng)絡(luò)交換性能良好，那么為什么在整個視頻會議系統(tǒng)調(diào)試時，卻會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象呢？我們仔細檢查了組播協(xié)議的配置。

　　對于VLAN 24 來說，由于所有參加視頻會議的設(shè)備均處在同一個虛擬局域網(wǎng)內(nèi)，不需要組播路由，只需在最靠近組播源的三層交換機上加載 IGMP即可。實際應(yīng)用中，我們就在核心層交換機BigIron 8000中屬于VLAN 24的 int ve 24上啟用了DVMRP，由它來自動加載IGMP；在5個匯接層交換機BigIron 4000上不再啟用 DVMRP，否則就要引起混亂，造成組播數(shù)據(jù)包的丟失；但是由于BigIron和NetIron上的 DVMRP版本不同，所以在另外4個匯接層交換機 NetIron上仍然需要啟用 DVMRP。{{分頁}}

　　對于VLAN25來說，由于接收方是城域網(wǎng)上的所有普通用戶，他們與組播源分別屬于不同的VLAN和不同的IP子網(wǎng)，所以需要在所有VLAN的虛擬端口上啟用組播路由協(xié)議，包括千兆口上用于級聯(lián)的VLAN。實際應(yīng)用中，我們在每個VLAN（不包括VLAN 24）的虛擬端口上都啟用了PIM。經(jīng)過多次試驗，我們發(fā)現(xiàn)：（1）PIM使用IP ROUTE中的路由信息，而DVMRP則根據(jù)它自己的算法，另外生成一個路由表；（2）在同一交換機上，不同的VLAN如果有的使用PIM，有的使用 DVMRP，則這些VLAN中的主機不能加入同一組地址；（3）在同一交換機上，不同VLAN、不同子網(wǎng)的主機在相同的PIM或DVMRP的支持下，可以加入同一組地址；（4）在同一交換機上，同一VLAN下的不同子網(wǎng)的主機可以公用一個PIM或DVMRP；（5）同一VLAN下的不同子網(wǎng)，只有地址最小的網(wǎng)段能進入DVMRP的路由表中。

4．協(xié)調(diào)交換機的互連

　　不同型號的交換機相連時，需要協(xié)調(diào)好彼此的配置，否則會影響組播數(shù)據(jù)的傳輸。例如，其中一個縣級單位的匯接層交換機是 BigIron 4000，如果視頻會議終端與它直接相連，則能正常工作；如果在BigIron 4000與視頻會議終端之間加入一臺接入層交換機，型號為Intel 530，結(jié)果圖像傳輸不正常，有嚴重丟幀現(xiàn)象。經(jīng)過仔細分析，發(fā)現(xiàn)是兩臺交換機的配置沒有協(xié)調(diào)好，后來開通了Intel 530交換機的雙工功能，圖像傳輸即恢復(fù)正常。

5．檢查端口流量

　　在視頻會議的調(diào)試初期，地級單位控制中心上的解碼設(shè)備收到了很多額外的數(shù)據(jù)包，仔細檢查與這些解碼設(shè)備直連的接入層交換機FastIron上各個端口的流量后，發(fā)現(xiàn)當在城域網(wǎng)上進行視頻傳輸時，F(xiàn)astIron會打開組播協(xié)議，如果此時組播組里沒有接收設(shè)備，則 FastIron會將其接收到的組播數(shù)據(jù)包廣播給每一個端口，直到有接收設(shè)備加入到組播組時，F(xiàn)astIron才停止廣播，把數(shù)據(jù)包只發(fā)給已加入組播組的端口。

　　這是因為Foundry的FastIron屬于接入層設(shè)備，是第2層交換機，當交換機檢測進入的數(shù)據(jù)流，并且檢查目的 MAC地址以確定如何轉(zhuǎn)發(fā)這個數(shù)據(jù)流時，由于目的MAC地址是一個組播地址，且在交換表中沒有該數(shù)據(jù)流應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)到何處的條目，所以這個視頻流就簡單地被發(fā)送到其所有的端口。

　　要解決這個問題有以下方法：（1）第2層交換機可以窺探IGMP查詢和報告消息以了解組播組成員的端口對應(yīng)關(guān)系，這使得交換機可以動態(tài)跟蹤組播組成員，不過，窺探每個組播數(shù)據(jù)包和控制包會消耗交換機很多的處理能力，并會因此降低交換機的轉(zhuǎn)發(fā)性能、增加包轉(zhuǎn)發(fā)延時；（2）在打開與FastIron直接相連的編解碼設(shè)備時，按照先開接收設(shè)備，后開視頻發(fā)送設(shè)備的順序操作，這種方法的缺點是工作人員往往由于疏忽而造成誤操作；（3）將只有二層交換功能的FastIron換成三層交換機NetIron，由于后者的價格比前者貴很多，所以這種方法會造成浪費。

　　實際應(yīng)用中，對視頻傳輸軟件進行改進，每當需要發(fā)送視頻組播包時，先用軟件模擬一個接收設(shè)備，提出申請，加入組播組，這樣就不會引發(fā)FastIron的廣播，從根本上解決這個問題。

6．優(yōu)化傳輸環(huán)境

　　在視頻會議系統(tǒng)的調(diào)試初期，另一個造成數(shù)據(jù)包丟失的原因是有些三層交換機光纖端口的校驗碼（FCS）值較大，這會引起頻繁啟用握手信號，影響正常數(shù)據(jù)的傳輸。由于產(chǎn)生FCS錯誤的原因主要有壞的網(wǎng)卡及驅(qū)動、電磁干擾，及其他線路噪聲、超負荷工作的路由和網(wǎng)橋、傳輸線纜超標等，所以有針對性地檢查了一些光纖的光功率，有幾條光纖的功率已將到交換機接受范圍的臨界，于是將這幾條光纖的尾纖和跳線接頭用無水酒精擦洗干凈，重新接上后再進行測試，一切正常。

7．管理組播地址

　　根據(jù)Internet地址分配機構(gòu)的規(guī)定，應(yīng)用系統(tǒng)中可采用的組播地址范圍是：224.0.1.0～238.255.255.255。

　　在實際應(yīng)用中，我們一般都采用靜態(tài)設(shè)置，如在視頻會議系統(tǒng)中設(shè)置好組播地址，以后永遠不變，這種方式雖然比較簡單，在目前視頻會議系統(tǒng)使用不多時沒有問題，但是如果有兩個此類會議系統(tǒng)同時運行，或使用相同組播地址的不同系統(tǒng)同時運行（由于沒有統(tǒng)一管理組播地址，開發(fā)商互相不知道），那么就會出現(xiàn)無法解決的地址沖采用了堅固、符合人類工程學(xué)的新式外殼，能夠適應(yīng)任何工作環(huán)境。注塑成型的防護套能夠承受現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，同時提供舒適的、防滑握持。