CN100454893C - 一种快速组播的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种快速组播的实现方法，在组播业务的需求发起前，根据对时域的分析，寻找到组播树的时域重叠子树的边缘节点；在所述边缘节点上配置静态组播成员，配置了静态组播成员的接口产生对组播业务的需求；产生从所述边缘节点到组播树根节点的组播重叠子树，使得组播业务流预先传送到所述边缘节点上；组播树路径通过所述边缘节点的任一接收者发出对组播业务流的需求后，建立从该接收者到该边缘节点的组播转发树，组播业务流从该边缘节点传输到该接收者。本发明方法能够为接收端提供更快捷的组播业务服务，并且实现简单，与现有的组播协议的兼容性强。

Description

一种快速组播的实现方法
技术领域
本发明涉及组播在网络中的实现。
背景技术
组播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题，实现了网络中点到多点的高效数据传送，能够大量节约网络带宽、降低网络负载。作为一种与单播和广播并列的通信方式，组播的意义不仅在于此。更重要的是，可以利用网络的组播特性方便地提供一些新的增值业务，包括在线直播、数字电视，网络电视、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网的信息服务领域。
网络中的组播协议针对路由设备而言主要是PIMSM、PIMDM、DVMRP等域内组播协议，MSDP等域间组播协议。组播协议按需产生或根据需求维护组播路由的特点从理论上可以节省网络带宽，并且使得组播协议能够在复杂的动态网络环境维持正常的运行。但在实际的一些具体应用中会存在应用及时性较低的问题。
以目前的IPTV应用为例：IPTV的数据承载路由协议是组播协议，但IPTV的用户需要其收看节目的即时性不能和传统的电视有明显的差别，即终端用户在发出应用需求后要能够很快接收到所要求收看的节目。并且，当用户在不同的IPTV节目间切换时，切换带来的延迟也应该在人的感觉所能承受的范围之内。上述需求反映在组播协议上就是要求组播协议能够保证从某一个具体的组播应用需求发起到发起者接收到组播业务数据的延迟尽量少。我们在应用中发现，目前的组播协议都不能完全满足这样的需求。
在5跳以上路由环境中，我们对基于PIMSM组播协议的IPTV转发进行了测试，其延迟在1～7秒，并且随着网络环境的复杂，其延迟越大。导致这个延迟的原因是组播协议本身所不能完全避免的。因为无论是采用“扩散再剪枝”组播路由形成和维护机制的DVMRP和PIMDM组播协议，还是采用“显示加入/剪枝”组播路由形成和维护机制的PIMSM协议，从某一具体的组播需求的发起到接收到所需要的组播业务流，都会存在一个组播应用延迟时间Delay。
在DVMRP和PIMDM协议中，设嫁接报文从叶子路由器到源直连路由器的传送延迟是Graft_Delay，组播数据报文从源到叶子路由器的传送时间是M_Traffic_Delay，则有：0＜Delay≤Graft_Delay+M_Traffic_Delay。Graft_Delay和M_Traffic_Delay与传输的间隔(跳数)成正比。
在PIMSM中，设Join报文从叶子节点到RP(Rendezvous Point，集合点)的传送延迟是Join_Delay，组播数据报文从RP到叶子节点的传送时间是M_Traffic_Delay，Register的抑制周期是T_Register(Time_Register)，则PIMSM的组播应用延迟时间Delay满足以下关系：0＜Delay≤Join_Delay+T_Register+M_Traffic_Delay。Join_Delay和M_Traffic_Delay与叶子节点到RP的距离(跳数)成正比，T_Register与Register定时器的配置有关，默认值是60s。因为存在上述问题，如果使用现有的组播协议，在一些对应用有实时性要求的组播应用环境，如IPTV等，就难以满足需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在原组播协议的基础上，针对一些组播业务对应用实时性的需求，提出一种快速组播的实现方法，能够有效降低组播应用延迟。
组播应用延迟的产生是因为组播应用需求在时间域上的随机性带来的。组播协议针对应用需求的这种随机性，从节省带宽的角度考虑，使组播的传输要根据组播需求申请来触发或维持。
针对于在线直播、数字电视，网络电视，网络电台等应用而言，其对组播的应用方式具有自身的特点。从用户角度看，组播的应用需求在时间域内是随机的，但从所有用户的应用需求的全体上分析，每一种组播应用在网络的逻辑拓扑(组播生成树)越向树根，时间域上的重叠性越强。即使这个重叠会在组播应用的时域内的某些时间段发生随机的离散现象，但就IPTV此类具有弱广播特性的应用，从整个时域看，这些离散时间段所占的比例是很小的，在组播生成树的一定层以上，其需求的时间域离散随机性很弱。在传统的动态组播方式下，这些比例很小的离散点却会导致一棵庞大的组播树的拆除和重建。组播树的重建必然会带来组播延迟。重建的组播树越大，组播延迟也就越大。而目前网络中大规模开展的组播业务往往具有上述的特点。
根据上述分析，在相对带宽富裕和对快速性有较高要求的应用环境中，本发明提供了一种快速组播的实现方法，包括以下步骤：
(a)在组播业务的需求发起前，根据对时域的分析，寻找到组播树的时域重叠子树的边缘节点；
(b)在所述边缘节点上配置静态组播成员，配置了静态组播成员的接口产生对组播业务的需求；
(c)产生从所述边缘节点到组播树根节点的组播重叠子树，使得组播业务流预先传送到所述边缘节点上；
(d)组播树路径通过所述边缘节点的任一接收者发出对组播业务流的需求后，建立从该接收者到该边缘节点的组播转发树，组播业务流从该边缘节点传输到该接收者。
进一步地，上述快速组播的实现方法还可具有以下特点：所述组播树为组播共享树，所述边缘节点上配置的是静态共享树组播成员。
进一步地，上述快速组播的实现方法还可具有以下特点：所述组播树为组播信源树，所述边缘节点支持源特定组播且配置的是静态信源树组播成员。
进一步地，上述快速组播的实现方法还可具有以下特点：所述组播树为组播信源树，所述步骤(b)边缘节点上配置的是静态共享树组播成员，配置了该组播成员的接口产生对组播共享树业务的需求，且所述步骤(b)和步骤(c)之间还包括以下步骤：由组播共享树业务的需求触发产生从所述边缘节点到组播共享树根节点的组播共享转发树，使组播共享树业务流预先传送到所述边缘节点上，然后由所述边缘节点发起组播共享树到组播信源树的切换；从而在步骤(c)中形成了从所述边缘节点到组播信源树的源的信源重叠子树。
同现有的组播相比较，本发明具有能够为接收端提供更快捷的组播业务服务，并且具有实现简单，与现有的组播协议的兼容性强等特点。
附图说明
图1是组播共享树在时域上的展开图。
图2是本发明以PIMSM组播协议的组播共享树环境为例实现快速组播的流程图。
具体实施方式
本发明快速组播实现方法的基本工作原理是在接收端发起某一具体的组播业务前，在该组播业务的组播转发树的时域重叠部分的最下层边缘网络设备Edge_MRouter上预先触发对应的组播转发树中与时间相对无关的子树生成，并将所需要的组播业务流预先传输到Edge_MRouter上。这样当用户发起组播应用需求时，能够以较短的组播应用延迟获得组播业务流M_Traffic，实现快速组播路由。
传统PIM-SM组播最初采用的是任意源组播组(ASM：Any SourceMulticast)的业务模型，共享树和RP规程使用(*，G)组对来表示一个组播会话，其中(G)表示一个特定的IP组播组，而(*)表示发向组播组G的任何一个源。
PIM-SM协议下也可以采用源特定组播(SSM：Source SpecificMulticast)，只要在节点设备上增加相应功能模块就可以。SSM模式是一种区别于传统组播的新的业务模型，SSM直接建立由(S，G)标识的一个组播最短路径树，其中(G)表示一个特定的IP组播组地址，而(S)表示发向组播组G的特定源的IP地址。SSM的一个(S，G)对也被称为一个频道(Channel)。
下面分别介绍本发明在两种组播环境下的三个实施例。
第一实施例
通过静态共享树组播成员Igmp_static_member(*，G)在组播共享树环境(*，G)中实现快速组播。
静态共享树组播成员是指在支持组播某一网络设备Router的接口上通过人为配置产生一个共享树的组成员，该组成员在功能上与通过Igmp协议产生的共享树组成员相同，并且属于静态配置，只要不通过配置清除，就一直有效。在共享树环境中实现快速组播的步骤如下：
步骤A1，在组播共享树业务的需求发起前，根据对共享树时域的分析，寻找到组播共享树的时域重叠子树的边缘节点；
步骤B1，在该节点上配置静态共享树组播成员Igmp_static_member(*，G)，由于该组播成员的作用，使得配置了该组播成员的接口产生对组播共享树业务的需求；
步骤C1，由组播共享树业务的需求触发产生从该边缘节点到共享树组播根节点的组播共享重叠子树，使得组播共享树业务流预先传送到该边缘节点上；
步骤D1，组播共享树路径通过该边缘节点的任一接收者发出对组播共享树业务流M_Traffic(*，G)的需求后，建立从该接收者到该边缘节点的组播转发树，组播共享树业务流从该边缘节点传输到该接收者。
下面以一应用实例对PIMSM协议的(*， G)组播共享树的快速组播实现进行说明。
作为使用快速组播的运营商而言，发起某一具体应用的用户在各个时间段的分布在那些位置有相当一部分是可以预先知道的。以IPTV应用为例，某一具体的组播应用(节目)对于各汇聚网络设备而言，其应用需求的发起时间可根据该汇聚设备下属的用户对该应用的购买时间段而预先估计。根据在对各个时间段上用户群体的需求的预分析，可以获得较为合理的组播边缘节点。对于非时间段购买应用的用户，如果其发起的组播应用被运营商接受，而该组播应用树的分支没有覆盖已经存在的边缘节点时，可在该分支覆盖的汇聚层路由器上启动边缘节点。这样，此分支其后的对该组播应用的需求就能够得到较快的满足。
如图1所示为组播共享树在时域上的展开图，Receiver(t1)～Receiver(tn)表示分别以t1、t2...tn-1、tn为开始时刻发起组播共享树应用请求的n个接收者，Root是组播共享树的根节点。现提出快速组播应用的需求：各Receiver希望在发出组播共享树业务流M_Traffic(*，G)请求后，能够快速地接收到组播共享树业务流。
各个时刻(*，G)的组播共享转发树为：
1.t1时刻(*，G)的组播共享转发树为R0→R11→R21→R31→R41。
2.t2时刻(*，G)的组播共享转发树为R0→R11→R21→R31→R42。
3.tn-1时刻(*，G)的组播共享转发树为R0→R11→R21→R34→R44。
4.tn时刻(*，G)的组播共享转发树为R0→R11→R21→R34→R45。
通过分析t1～tn时刻的组播转发树可以发现各转发树在R0→R11→R21部分是重合的，即R0→R11→R21组播转发树部分只同第一个组播共享树业务流应用请求的发起时刻有关，与组播共享树业务流应用的其它请求的随机性无关。当(*，G)的应用是一天24小时都存在或第一个应用请求的发起时间可以预先知道的情况(如IPTV)下，可以认为组播共享转发树中的R0→R11→R21部分与组播共享应用请求的发起时间无关，R21为组播共享树中的时域重叠子树的边缘网络节点。分析边缘节点的方法有很多种，可以根据具体的应用特点设计和选择，其根本目标是可以将组播的源和RP推到离用户更近的节点上。快速组播的边缘节点的设置一般推荐以汇聚层网络设备为优选，这样可以较好的管理和降低因为快速组播引入的带宽无效占用。
即使在t1～tn的时间区间内发生过组播应用需求的停止，但当n很大(随机用户很多时)时，这个停止的时间段在整个t1～tn时间段所占的比例很低。基于上述观点，可以不考虑转发树的下层是否有应用请求和应用停止，在R0→R11→R21一直保持组播共享树路由表，并且使组播共享树业务流在任何时刻都沿R0→R11→R21转发至路由器R21。
针对图1的组播共享树的快速组播的流程如图2所示，包括以下步骤：
步骤110，在任何一个接收者Reciver发起对组播共享树业务M_Traffic(*，G)的需求前，在根据分析获得的边缘节点R21的下行接口配置静态共享树组播成员Igmp_static_member(*，G)；
步骤120，静态共享树组播成员在R21上触发产生组播共享树路由，R21向其上游的组播邻居R11发送组播共享树加入Join(*，G)；
步骤130，R11接收到Join(*，G)，产生共享树路由条目，R11根据Rpf单播路由向根节点R0发送Join(*，G)；
步骤140，当根节点R0收到Join(*，G)并产生共享树路由条目后，组播共享树业务流在组播共享树上的时域重叠子树组播转发路径R0→R11→R21就建立起来；
步骤150，组播共享树业务流从已经产生的转发路径R0→R11→R21传输到R21；
步骤160，组播共享树路径通过该边缘节点的任一接收者Receiver发出对组播共享树业务流的需求后，建立从Receiver到R21的组播转发树；
步骤170，组播共享树业务流从R21传输到该接收者Reciever。
在第二、第三实施例信源树环境中的应用步骤和上述流程类似，后面就不再一一说明。
可以看出，静态组共享树组播成员Igmp_static_member(*，G)的作用，使得配置了该组成员的接口在该成员配置存在期间内维持对组播共享树业务的需求，从而维持了已经形成的组播共享重叠子树。组播共享重叠子树的维持，保证了组播共享树业务流能够一直传送到组播共享重叠子树的边缘节点。当Receiver(t1)～Receiver(tn)中任何一个接收者发起组播共享树业务流应用需求时，组播共享转发树只需要从R21开始向下建立，而且组播业务流传输的距离(跳数)和延迟也会减少，从而缩短了组播应用延迟，达到了快速组播的目的。
第二实施例
通过静态共享树组播成员Igmp_static_member(*，G)在组播信源树环境(S，G)中实现快速组播。(S，G)环境不一定可以使用静态(S，G)成员实现快速组播，因为支持(S，G)静态组成员的网络设备必须支持SSM，而并不一定所有的(S，G)环境都支持SSM，此时可采用本实施例的方法。
本实施例与通过静态共享树组播成员Igmp_static_member(*，G)在组播共享树环境中实现快速组播的方法相似，区别点在于：(1)配置静态共享树组播成员的边缘节点需要是组播信源树的时域重叠子树的边缘节点；(2)如果是PIMSM组播协议，需要通过静态共享树组播成员首先触发组播共享树，然后通过SPT切换将转发树从组播共享树切换到组播信源树上。
其实现步骤如下：
步骤A2，在组播信源树业务的需求发起前，根据对组播信源树时域的分析，寻找到组播信源树的时域重叠子树的边缘节点；
步骤B2，在该节点上配置静态共享树组播成员，使得配置了该组播成员的接口产生对组播共享树业务的需求；
步骤C2，由组播共享树业务的需求触发产生从该边缘节点到组播共享树根节点的组播共享转发树，使组播共享树业务流预先传送到该边缘节点上；
步骤D2，由该边缘节点发起RPT→SPT树切换，使得组播树由共享树切换到信源树上，形成了从源S到边缘节点的信源重叠子树；
步骤E2，组播业务流沿切换后的信源重叠子树传送到边缘节点上；
步骤F2，组播信源树路径通过该边缘节点的任一接收者发出对组播信源树业务流M_Traffic(S，G)的需求后，建立从该接收者到该边缘节点的组播转发树，组播信源树业务流从该边缘节点传输到该接收者。
可以看出，由于静态共享树组播成员Igmp_static_member(*，G)的作用，使得配置了该组成员的接口在该成员配置存在期间内维持对组播信源树业务的需求，从而维持了已经形成的组播信源重叠子树。组播信源重叠子树的维持，保证了组播信源树业务流能够一直传送到信源重叠子树的边缘节点。因而也减少了组播业务流传输的距离(跳数)和延迟，达到了快速组播的目的。
第三实施例
通过静态信源树组播成员Igmp_static_member(S，G)在组播信源树环境(S，G)中实现快速组播。
静态信源树组播成员Igmp_static_member(S，G)是指在支持IgmpV3的某一网络设备Router的接口上通过人为配置产生一个组播信源树的组播成员，该组播成员在功能上与通过IgmpV3协议产生的信源树组播成员相同，并且属于静态配置，只要不通过配置清除，就一直有效。在支持SSM协议时，可以在组播信源树的时域重叠子树的边缘节点上配置静态信源树组播成员，通过该组播成员触发和维持组播信源树的根节点到该边缘节点的组播树的存在，并能够使组播信源树业务流能够预先传送到该边缘节点上。
其实现步骤如下：
步骤A3，在组播信源树业务的需求发起前，根据对组播信源树时域的分析，寻找到组播信源树的时域重叠子树的边缘节点，并使得该节点支持源特定组播(SSM)；
步骤B3，在该节点上配置静态信源树组播成员，使得配置了该组播成员的接口产生对组播信源树业务的需求；
步骤C3，由组播信源树业务的需求触发产生从该边缘节点到组播信源树根节点的组播信源转发树，使组播信源树业务流预先传送到该边缘节点上；
步骤D2，组播信源树路径通过该边缘节点的任一接收者发出对组播信源树业务流M_Traffic(S，G)的需求后，建立从该接收者到该边缘节点的组播转发树，组播信源树业务流从该边缘节点传输到该接收者。

Claims (6)

1、一种快速组播的实现方法，包括以下步骤：
(a)在组播业务的需求发起前，根据对时域的分析，寻找到组播树的时域重叠子树的边缘节点；
(b)在所述边缘节点上配置静态组播成员，配置了静态组播成员的接口产生对组播业务的需求；
(c)产生从所述边缘节点到组播树根节点的组播重叠子树，使得组播业务流预先传送到所述边缘节点上；
(d)组播树路径通过所述边缘节点的任一接收者发出对组播业务流的需求后，建立从该接收者到该边缘节点的组播转发树，组播业务流从该边缘节点传输到该接收者。
2、如权利要求1所述的快速组播的实现方法，其特征在于，所述组播树为组播共享树，所述边缘节点上配置的是静态共享树组播成员。
3、如权利要求1所述的快速组播的实现方法，其特征在于，所述组播树为组播信源树，所述边缘节点支持源特定组播且配置的是静态信源树组播成员。
4、如权利要求1所述的快速组播的实现方法，其特征在于，所述组播树为组播信源树，所述步骤(b)边缘节点上配置的是静态共享树组播成员，配置了该组播成员的接口产生对组播共享树业务的需求，且所述步骤(b)和步骤(c)之间还包括以下步骤：由组播共享树业务的需求触发产生从所述边缘节点到组播共享树根节点的组播共享转发树，使组播共享树业务流预先传送到所述边缘节点上，然后由所述边缘节点发起组播共享树到组播信源树的切换；从而在步骤(c)中形成了从所述边缘节点到组播信源树的源的信源重叠子树。
5、如权利要求1所述的快速组播的实现方法，其特征在于，快速组播的边缘节点的设置选择汇聚层的网络设备。
6、如权利要求1所述的快速组播的实现方法，其特征在于，所述步骤(a)进行时域分析时，某一具体的组播业务对于各汇聚网络设备而言，其业务需求的发起时间根据该汇聚网络设备下属的用户对该业务的购买时间段而预先估计。
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