组播在MPLS VPN网络中的实现

2019-11-05 01:08:09

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供稿：网友

1 引言

随着人们生活水平的不断提高，公众对信息的消费急剧增长，各种宽带网络应用如ip TV、视频会议、网络音频应用、网络视频应用、多媒体远程教育等有了广阔的市场前景。同时，大量的带宽消耗对网络运营商在现有网络资源基础上如何提供高效、稳定的服务提出了挑战。

单纯地增加带宽不是解决问题的要害，应寻求一种适应此类一对多模型的技术来缓解对带宽的压力，组播便是这种技术。在组播网络中，即使组播用户数量成倍增长，骨干网络中网络带宽也无需增加。MPLS（MultiPRotocol Label Switching，多协议标签交换技术）是继IP技术以来的下一代广域网传输技术，它是一种充分利用数据标签引导数据包在开放的通信网络上高速、高效传输的新技术，它是在一个无连接的网络中引入连接模式，从而减少了网络复杂性，并且兼容现有各种主流网络技术，能大大降低网络成本，在提高IP业务性能的同时，能确保网络通信的服务质量和数据传输的安全性。组播技术与MPLS VPN技术的结合将为运营商提供一个前所未有的多业务发展空间。

2 组播与MPLS VPN简介

IP数据在网络中以3种方式传输：

单播（Unicast）传输：发送方和每一接收方需要单独的数据通道。在这种通信方式下，源IP主机向指定的目标IP主机发送数据包，从一台主机送出的每个数据包只能传送给一个目标主机，通过路由器或交换机将这些IP数据包从源主机发送到目标主机。在单播方式下，假如有另外的多个用户希望同时获得这个数据包的拷贝是不可能的。发送信息的主机必须向每个希望接收此数据包的用户发送一份单独的数据包拷贝。这种巨大的冗余会带来很大的代价，首先，会给发送数据的源主机带来沉重的负担，因为它必须对每个要求都做出响应，这使得主机的响应会大大延长；其次对路由器和交换机的性能也提出了更高的要求，治理人员被迫购买本来不必要的硬件和带宽来保证一定的服务质量。

广播（Broadcast）传输：发送方和每一接收方共享一个数据通道。在这种通信方式下，源IP主机向一个直接广播地址发送数据包，这意味着目标网络中的所有主机不论是否需要该数据都必须处理此广播数据包，对于不需要此数据的主机来说是一种负担。组播（Multicast）传输：在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接。假如一个发送者同时给多个接收者传输相同的数据，也只需复制一份相同的数据包。它提高了数据传送效率，减少了骨干网络出现拥塞的可能性，同时不会对其他主机造成影响。

综上所述，组播与单播相比，使用IP组播技术分发信息经常能从本质上减少整个网络带宽的需求；与广播相比，IP组播技术可以有效减少对联网主机性能的影响，尤其是在多媒体流应用中组播的优势更加明显。

其一是带宽优势：对于音频与视频网来说，大量的用户经常要在大致相同的时间里访问相同的信息，假如使用IP单播，网络带宽的消耗就会呈线性增长需求，由于典型的MPEG-2视频信息流需要大约1～5 Mbps的带宽用于流畅且逼真的影像，显然用IP组播来发送节目是一种明智的选择。因为重复数据流被单一传送所代替，从而使得网络带宽得到了更有效地使用。

其二是服务器负载优势：假如音频与视频网的网络运营商继续使用单播传送机制，随着用户的增长，它将需要不断增加它的实时音频服务器的能力和数量以满足连接用户的增长需求。当服务器负载增加到一定程度，服务器就不能再发出信息流。假如运营商使用IP组播来发布它们的节目，就不需要购买越来越多高性能的服务器以满足客户数目的增长。很明显IP组播的主要优势在于通过大大减少需要转发和处理的数据量，从而降低了所需服务器性能。

其三是分布式应用优势：在IP单播的情况下，随着需求与应用的增长，多点应用不太可能，因为单播通信中的客户数量不能无限增长。而组播几乎不受客户数量增长的限制。从以上3种传输模式比较中可以看出，多媒体流应用以组播传输为最佳。

目前MPLS VPN技术可以说是一项最热门的技术和应用，它可以分为二层MPLS VPN和三层MPLS VPN两类。二层MPLS VPN：L2 MPLS VPN的目的是在IP网络上提供类似ATM和FR的专用连接，服务提供商只为用户提供传统的二层链路（如ATM，FR，以太网等），并将相应的链路标识（ATM VPI/VCI，FR DLCI，以太网的VLAN ID）映射到一条MPLS LSP上穿越运营商的核心网络，用户在这样的专有连接上自己组织路由结构。

三层MPLS VPN：三层MPLS VPN是一种基于MPLS技术的IP VPN，是在网络路由和交换设备上应用MPLS技术，简化核心路由器的路由选择方式，利用结合传统路由技术的标记交换实现的IP虚拟专用网络。MPLS VPN适用于对服务质量、服务等级划分、网络资源的利用率、网络的可靠性有较高要求的VPN业务。

MPLS是目前唯一能够实现IP网中的QoS与流量工程的网络技术，所以，当所需建立的网络对于这些功能有所要求时，尤其是当面向的是对服务质量有较高要求的实时业务时，则应当选用MPLS作为实现IP VPN的隧道协议。 3组播在MPLS VPN网络中的实现

以往，在VPN中实现组播通信的唯一方法是把组播通信量封装在单播数据包中通过GRE（Generic Route Encapsulation，通用路由封装）隧道来传输。应用这种方式，参与组播通信的各站点必须完成点对点的GRE隧道连接，当增加站点时此站点必须与各站点间建立点对点连接，这将带来扩展性问题。而提供组播支持的MPLS VPN就没有此类问题。

组播MPLS VPN是通过把组播路由信息带入路由转发表来实现对组播支持的。当客户边界（CE）路由器转发的组播通信量或组播控制信息到达提供商边界（PE）路由器时，PE路由器查询组播VPN路由转发表（MVRF）进行转发决策。那么，服务提供商网络是如何区分不同VPN来完成组播通信量和组播控制信息的传递的呢？

一组可互传组播通信量MVRF构成一个组播域。举例来说，一个客户的组播域可涵盖此客户传递特定组播通信量的所有的客户边缘路由器。组播VPN为每个组播域建立一个静态的默认组播分配树（MDT），此MDT定义了组播域中传输组播通信量的提供商边界路由器之间的路径。对于高带宽应用的组播类型如视频，还提供一种动态MDT称为数据组播分配树（Date MDT），当组播流量超过某一设定值时动态MDT被建立，这样组播流量可以沿着一条优化路径流动。下面举例说明组播在MPLS VPN中的传输过程。如图1所示，提供商MPLS核心由P1，P2，P3，P4 4台路由器组成，它们分别连接各自的提供商边界路由器，客户边界路由器通过PE路由器提供的VPN通道相互连接。VPN客户A由站点a，b，c组成，VPN客户B由站点a，b组成。客户A的默认组播分配树（MDT）包括P1，P2和P4及相连的PE路由器，由于P3路由器只与其他客户有关不被包括在内。在客户A的组播应用中站点 b连接组播服务器O。假设客户A站点a的一个成员希望加入组播实例，如图1所示，主机M发出IGMP组加入请求，客户边界路由器CE1转发请求至PE1，提供商边界路由器PE1沿着此组播域的默认组播分配树将组播加入请求转发至组播资源所在的提供商边界路由器PE2，PE2转发加入请求至客户边界路由器CE2，这时CE2开始向PE2转发组播数据，PE2则沿着默认组播分配树转发组播数据。当转发组播数据的同时PE2监测到组播流量超出建立数据组

播分配树的设定值，PE2将沿着默认组播分配树向客户A的组播域中的所有PE路由器通告数据组播分配树建立信息，经一短暂间隔，PE2开始沿着数据组播分配树传输组播流量。由于只有PE1发出组播请求，因而只有PE1加入数据组播分配树并接收流量。

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