多媒体技术

1. 多媒体技术 中南大学信息科学与工程学院 黄东军

2. 第十章 网络组播技术

3. 1 组播的概念 • 广播：将源端数据发送到一个网络中的所有主机的传播方式。广播使用广播地址。 • 单播：将源端数据发送到网络中的某个特定主机的传播方式。单播使用特定主机地址。 • 组播：将源端数据发送到网络中的一组主机的传播方式。组播使用组地址。

4. 1 组播的概念 Src Src 组播：一种有效节省网络带宽的传输方式。

5. 2 组播的应用 • 广泛应用于一对多（one-to-many）的传送需要 • 举例: • 新闻/体育消息/股票信息/天气信息的更新发布 • 远程教育（Distance learning） • 网络路由信息更新（routing updates） • 远程会议（Teleconferencing ，audio, video, shared whiteboard, text editor） • 分布式交互式游戏和仿真（Distributed interactive gaming or simulations） • 内容发布（Content distribution）; 软件发布（Software distribution） • Web缓存更新（Web-cache updates ） • 数据库应用（Database replication）

6. 3 组播与广播、单播的比较 • 广播（Broadcast）: • 将一个数据拷贝发送到网络中的所有主机 • 实现简单（Simple）, 但是效率不高（inefficient） • 即使主机对该数据不感兴趣也必须处理它 • 因此占用了主机的CPU资源 • 会产生广播风暴“broadcast storms” • 多个重复的单播（Replicated Unicast） • 发送者依次向各接收主机发送相同的数据 • 发送者必须事先知道每个接收主机的地址 • 通讯量在发送方过于集中， • 但比较可靠（Reliability=> per-receiver state, separate sessions/processes at sender）

7. 4 IP组播的体系结构 服务模型 Service model Hosts 主机与路由器关系协议(IGMP) Routers 组播路由协议 Multicast routing protocols

8. 5 IP 组播模型: RFC 1112 • 发送者（源）不需要知道接收主机 • 使用组地址“group address”标识一个群组 • 即IP包的头部使用的是组地址而不是单播地址 • 群组所包含的主机数量是任意的（any size）; • 群组成员可以位于互联网任何地方 • 群组关系（Group membership）是非显式知道的（not explicitly known） • 接收主机可以在任何时候加入或者退出群组通信（Receivers can join/leave at will）

9. 5 IP 组播模型: RFC 1112 • 网络负责构造分配树（Distribution tree，也叫组播树 ）以实现组播传输 • 在组播传输中，任何子网中不能出现同一数据的两个副本 • 组播数据只能传送给群组成员（由于群组成员可以在任何时候加入或者退出群组，因此组播传送是一个非常动态化的问题（multicast delivery tree changes dynamically）

10. 6 IP 组播地址 • IP组播使用D类IP地址（Class D IP addresses） • 224.0.0.0 – 239.255.255.255 • 组地址的分配（Address allocation）: • IANA指定了一些永久地址 （Well-known : 224.0.0.x and 224.0.1.x）；其他组地址是临时组地址（Transient multicast addresses），需要动态分配 • 每一个组地址代表一个主机群组（host group） • IP组地址是非结构化的（flat address space） 1 1 1 0 Group ID

11. IP组播服务：组播数据的接收 • 提供两种操作 • 加入组播群组: Join-IP-Multicast-Group(group-address, interface) • 退出群组：Leave-IP-Multicast-Group(group-address, interface) • 加入群组后，主机通过常规IP接收操作（ normal IP-receive operation）接收组播数据包

12. IP multicast address 1 1 1 0 28 bits Group bit 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 23 bits 7 IP组播地址到链路层组地址的映射 • 以太网（Ethernet）等局域网使用802地址: • 采用直接映射（Direct mapping! 较unicast简单! 无需ARP等协议.） LAN multicast address

13. IP Multicast Architecture Service model Hosts Host-to-router protocol(IGMP) Routers Multicast routing protocols(various)

14. 8 群组关系管理协议（Internet Group Management Protocol） • IGMP: 在子网中建立、维护和撤销群组的信号协议“signaling protocol”。 • 目标: 保持路由器对整个局域网上群组关系的更新（keep router up-to-date with group membership of entire LAN） • 但是，路由器不需要知道所有成员的存在，而只需要知道是否有成员主机存在

15. IGMP协议的工作原理 Routers: Q • 一个网络选择一个路由器充当查询者“querier” • 查询者周期性发送群组关系查询报文IGMP （Membership Query message） 到一个特定地址（all-systems group ，224.0.0.1) • 所有主机接收到该报文后，启动一个随机计时器（random timers，0~10 秒) Hosts:

16. IGMP协议的工作原理(cont.) Routers: Q • 一旦有一个主机超时，它就发送一个群组关系应答报文（Membership Report）到组G • 其他主机也接收到该报文，立即终止其定时器 • 路由器负责监听所有群组的应答报文，如果一个群组未给出应答（超时），路由器就终止对该群组报文的转发 Hosts: G G G G

17. IP Multicast Architecture Service model Hosts Host-to-router protocol(IGMP) Routers Multicast routing protocols

18. 9 组播路由（Multicast Routing） • 组播路由的基本目标：在网络层为传送组播数据包而建立组播分配树 • 组播树的叶结点是指包含有群组成员主机的子网 (detected by IGMP) • 组播路由是一个比较困难的课题（Multicast service model makes it hard） • 组播的匿名性 • 动态加入和退出（Dynamic join/leave）

19. 简单组播路由技术概览 • 基于泛播与剪枝技术的路由 • 首先在整个网络泛播组播数据包 • 然后剪除不含成员主机的网络分枝 • 属于这类技术的协议: DVMRP, PIM-DM • 基于链路状态的组播路由协议 • 一个路由器知道有成员主机加入群组时，它就在整个网络广播该群组关系 • 一个路由器接收到组播数据时，它就利用Dijkstra算法计算到目标主机的最短路经，并转发组播数据 • 协议举例: MOSPF

20. 基于泛播的组播路由过程 G G S G

21. 泛播（Flooding） G G S G

22. 剪枝（Pruning） G G Prune (s,g) Prune (s,g) S G

23. 嫁接（Grafting） G G G Report (g) Graft (s,g) Graft (s,g) S G

24. 嫁接完成后 G G G S G

25. 距离向量组播路由（Distance-Vector Multicast Routing） • DVMRP由两部分组成: • 常规距离向量协议 (like RIP) • 组播数据包转发协议 • DVMRP 转发组播数据包 if • The packet arrived from the link used to reach the source of the packet • 即反向路径转发 – RPF • 仅在子链路上转发组播数据包 • 如果下游链路没有成员节点，则进行剪枝处理

26. DVMRP 协议的缺点 • 像其他基于距离向量的协议一样, 受无穷计数（count-to-infinity）和环路影响（transient looping） • 伸缩性受到类RIP协议的制约. 也引入了新的伸缩性问题（scaling limitations）: • 路由器的(S,G) 状态，使路由器存储开销比较大! • 广播对网络冲击比较大.

27. R R R H R R H Multicast Backbone (MBone) • An overlay network of IP multicast-capable routers using DVMRP • Tools: sdr (session directory), vic, vat, wb R Host/router H MBone router Physical link Tunnel Part of MBone

28. Multicast OSPF (MOSPF) • MOSPF是OSPF的扩充，以便支持组播 • 路由器（Multicast-capable routers）广播链路状态广告（ link state routing advertisements） • 链路状态报文中包含有组播地址（Link-state packets include multicast group addresses to which local members have joined） • 一个路由器接到组播数据包时就计算（应用Dijkstra算法）到目标节点的最短路径以便形成组播树

29. MOSPF: Example Source 1 Z W Q T Receiver 1 Receiver 2

30. Link Failure/Topology Change Source 1 Z X W Q T Receiver 1 Receiver 2

31. Group Membership Change Source 1 Z Receiver 3 W Q T Receiver 1 Receiver 2

32. 共享树 vs. 源基树 • 源基树（Source-based trees） • 为每一个源端建立一个组播树 • 每个路由器维护(S,G) 状态（state）的组播路由表 • Eg: DVMRP, MOSPF, PIM-DM, PIM-SM • 共享树（Shared trees） • 所有成员共享一个组播树 • 无论哪个源端都是用同一个组播树传输数据 • 路由器只需要维护(*,G) 状态（ (*,G) state at intermediate routers） • Eg: CBT, PIM-SM

33. 源基树（Source-based Trees） Router Source S Receiver R R R R S S R

34. 共享树（Shared Tree） Router Source S Receiver R R R RP R S S R

35. Shared vs. Source-Based Trees • Source-based trees • Shortest path trees – low delay, better load distribution • More state at routers (per-source state) • 在密集模式的网络环境下比较有效（Efficient in dense-area multicast） • Shared trees • Higher delay (bounded by factor of 2), traffic concentration • Choice of core affects efficiency • Per-group state at routers • 比较适合稀疏模式的网络环境（Efficient for sparse-area multicast）

36. Core-based Routing Protocols • Specify “meeting place” aka “core” or “rendezvous point (RP)” • Sources send initial packets to core • Receivers join group at core • Requires mapping between multicast group address and “meeting place” • Examples: CBT, PIM-SM

37. 协议独立组播路由协议：Protocol Independent Multicast (PIM) • Support for both shared and per-source trees • Dense mode (per-source tree) • Similar to DVMRP • Sparse mode (shared tree) • Core = rendezvous point (RP) • Independent of unicast routing protocol • Just uses unicast forwarding table

38. PIM Protocol Overview • Basic protocol steps • Routers with local members Join toward Rendezvous Point (RP) to join shared tree • Routers with local sources encapsulate data in Register messages to RP • Routers with local members may initiate data-driven switch to source-specific shortest path trees • PIM v.2 Specification (RFC2362)

39. PIM Example: Build Shared Tree Shared tree after R1,R2 join Source 1 Join messagetoward RP (*,G) (*,G) RP (*,G) (*,G) (*,G) (*,G) Receiver 1 Receiver 3 Receiver 2

40. Data Encapsulated in Register Unicast encapsulated data packet to RP in Register Source 1 (*,G) (*,G) RP (*,G) (*,G) (*,G) (*,G) Receiver 1 Receiver 3 Receiver 2 RP de-capsulates, forwards down shared tree

41. RP Send Join to High Rate Source Shared tree Source 1 Join messagetoward S1 (S1,G) RP Receiver 1 Receiver 3 Receiver 2

42. Build Source-Specific Distribution Tree Shared Tree Source 1 Join messages (S1, G) (S1,G),(*,G) (S1,G),(*,G) RP (S1,G),(*,G) Receiver 1 Receiver 3 Receiver 2 Build source-specific tree for high data rate source

43. Thank you !