CN106209622A - 一种基于sdn的组播方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDN的组播方法，组播组成员将加入组播组的信息发送到SDN控制器，组播源将注册信息发送到SDN控制器，SDN控制器根据组播组成员的加入信息、组播组成员的离开信息和网络态势，以组播源为根节点形成一棵最短路径树，将最短路径树的信息下发给转发设备，从而在转发设备上建立组播转发表项，形成组播转发路径。本发明的转发路径方面优于PIM‑SM形成的共享树，同时避免了PIM‑DM的泛洪机制引起的不必要的网络资源消耗。

Description

一种基于SDN的组播方法

技术领域

本发明涉及组播技术，特别涉及一种基于SDN的组播方法。

背景技术

组播技术实现了IP网络中点到多点的高效数据传输，可以有效节约网络带宽、降低网络负载，因此在远程教育、在线直播、视频会议、网络游戏等诸多方面都有广泛的应用。现有的组播路由协议以域内的组播路由协议为主，即根据IGMP(Internet GroupManagement Protocol,互联网组管理协议)协议维护的组成员关系信息，采用PIM-SM(Protocol Independent Multicast-Spase Mode,协议无关组播-稀疏模式)或PIM-DM(Protocol Independent Multicast-Dense Mode,协议无关组播-密集模式)组播路由算法构造组播分发树，在路由器中建立组播路由转发表，路由器根据这些表进行组播数据包转发。

PIM-DM常用于组播组成员相对比较密集的小型网络，属于密集模式的组播路由协议，使用“推(Push)模式”传送组播数据，采用周期性的“扩散-剪枝”过程构建组播树，各个被剪枝的节点提供超时机制，当剪枝超时后重新开始这一过程。PIM-DM构建的组播树的路径最短，但是建立过程的效率较低，超时机制无法实时感知组播组成员的离开，且扩散机制在全网产生大量的数据包，消耗了网络带宽。

PIM-SM常用于组播组成员分布相对比较分散、范围较广的大中型网络，属于稀疏模式的组播路由协议，使用“拉(Pull)模式”传送组播数据。PIM-SM的核心是维护共享树，选择某台路由器作为公用的根节点，组播数据通过根节点沿着共享树转发给接收者。但这种设计存在以下两个方面的不足：需要关键位置的路由器跟踪所有源沿着共享树向下发送的各自的流量；相互切换需要额外开销，在切换过程中均有剪枝掉不必要流量的过程。共享树不是最短路径树，因此共享树的转发路径一般都会比最短路径树的转发路径长。共享树的根节点会存在单点失效、性能瓶颈，因此在部署时多采用候选根节点机制，引入了额外的复杂性。

发明内容

为了克服现有技术的PIM-DM的泛洪和低效问题，本发明的目的在于提供一种基于SDN的组播方法，避免了网络资源消耗。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于SDN的组播方法，组播组成员将加入组播组的信息发送到SDN控制器，组播源将注册信息发送到SDN控制器，SDN控制器根据组播组成员的加入信息、组播组成员的离开信息和网络态势，以组播源为根节点形成一棵最短路径树，将最短路径树的信息下发给转发设备，从而在转发设备上建立组播转发表项，形成组播转发路径。

所述的基于SDN的组播方法，包括以下步骤：

转发设备实时向SDN控制器上报网络态势，所述网络态势包括拓扑、端口、传输方式；

SDN控制器处理存储SDN控制器上报的网络态势信息；

宿主机在加入组播组时向SDN控制器发送组播组成员加入信息，组播源发送注册信息；

当SDN控制器收到组播源的注册信息时，触发以组播源为根节点、以组播组成员直连的转发设备为叶节点的最短路径树的计算，计算完成后，将最短路径树的信息下发给转发设备，从而在转发设备上建立组播转发表项，形成组播转发路径。

所述的基于SDN的组播方法，当组播转发路径已经形成后，若有组播组成员离开或新组播组成员加入时，将离开信息或加入信息上报到SDN控制器，SDN控制器更新已经构建的最短路径树，将修改后的最短路径树下发到转发设备。

所述更新已经构建的最短路径树包括组播成员维护步骤：

宿主机主动向其要加入的组播组发送成员关系报告报文以声明加入，转发设备识别后，将转发设备标识、接收端口标识、宿主机标识、宿主机IP地址信息上报到SDN控制器；

转发设备维护一张该转发设备下的组播成员列表，转发设备收到宿主机加入组播组的报文后，将该宿主机添加到组播成员列表中；

转发设备维护一张该转发设备下的组播成员列表，转发设备收到宿主机加入组播组的报文后，将该宿主机添加到组播成员列表中；

宿主机定期发送加入组播组的信息，如果转发设备超过设定的时间后，收不到该宿主机发送的加入组播组的信息，则认为该宿主机已离开，从组播组成员列表中删除该宿主机，同时将该宿主机离开组播组的信息上报到SDN控制器；

当宿主机主动离开组播组时，宿主机主动发送离开组播组报文，转发设备识别后，从组播组成员列表中删除该宿主机，将该宿主机离开组播组的信息上报到SDN控制器。

所述更新已经构建的最短路径树包括组播源的维护步骤：

宿主机直接向组播组发送数据，转发设备在识别组播数据后且无组播转发表项时，封装一条组播源注册信息上报给SDN控制器，触发SDN控制器的组播树计算及组播转发表项下发；转发设备在收到组播转发表项后，转发组播数据；

转发设备在收到组播数据后，维护定时器，组播源宿主机停止发送组播数据后，转发设备所维护的定时器超时，转发设备上报组播源注销信息到SDN控制器；SDN控制器在收到注销信息后，删除组播树，释放网络资源，并下发删除组播转发表项到各转发设备。

所述最短路径树采用CSPF路由算法计算。

所述最短路径树采用以下方法建立：

先以2个组播组成员与组播源形成一棵组播树，当有新的组播组成员加入时，计算新的组播组成员到组播树的最优路径，计算完成后，更新组播树。

所述更新组播树，具体为：

当SDN控制器接收到组播源注册信息或需修改已经建立的组播树时，在接收者和组播源之间计算一条符合业务需求的转发路径，该转发路径所经过的转发设备形成组播树的分支，为这些转发设备生成(S，G)表项；(S，G)表项包括组播源的地址S、组播组的地址G、出接口列表和入接口；组播树以组播源为根，以组播组成员为叶子；以转发设备上收到组播数据的接口为上游，转发组播数据的接口为下游；

当组播组成员离开时，转发设备上报组播组成员离开信息到SDN控制器；SDN控制器在触发组播树更新后，从该组播成员节点逆着组播树向组播源方向进行剪枝；上游转发设备在出接口列表中删除与下游节点的接口，并检查自己是否拥有该组播组的接收者，如果没有则继续向上游进行剪枝。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明通过SDN控制器的集中感知全网网络态势，能够快速获知全网组播接收者和组播源的网络拓扑分布，针对一个组播组建立一棵优化后的最短路径树，下发给转发设备，并能快速感知组播组成员的加入与离开，从而对组播树的转发路径进行实时动态的调整管理。这种方法具有两方面的优势，一是在转发路径方面会优于PIM-SM形成的共享树；二是在构建最短路径树时，是由集中管控的SDN控制器根据全网网络态势和组播成员的网络分布进行计算，避免了PIM-DM的泛洪机制引起的不必要的网络资源消耗。

附图说明

图1为本发明的实施例的SDN控制器的架构示意图。

图2为实现本发明的实施例的基于SDN的组播方法的设备的示意图。

图3为本发明的实施例的基于SDN的组播方法的流程图。

图4为本发明的实施例的基于SDN的组播方法时序图。

图5为本发明的实施例的基于SDN的组播树生成示意图。

图6为本发明的实施例的基于SDN的组播树剪枝示意图。

图7(a)为本发明的实施例的PIM-SM形成的组播树。

图7(b)本发明的实施例的基于SDN的组播树优化后的组播树。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例的基于SDN的组播方法由位于SDN控制器中的核心控制层的组播模块实现，所述组播模块与拓扑发现/管理模块、资源管理模块、路由计算模块、虚拟化模块、网络监测模块交互。SDN控制器的架构如图1所示，包括北向接口、核心控制层、南向接口。

如图2所示，实现本实施例的基于SDN的组播方法的设备包括SDN控制器、转发设备、宿主机；转发设备可将路由、交换信息、带宽使用状况、误码、丢包、时延、拥塞等信息实时上报到逻辑集中的SDN控制器，组播组成员的加入、离开和组播源的注册信息也实时上报到SDN控制器，使得SDN控制器可以掌握全网网络态势。

本实施例的基于SDN的组播方法如图3所示，包括以下步骤：

转发设备实时向SDN控制器上报网络态势，所述网络态势包括拓扑、端口、传输方式；

SDN控制器处理、存储SDN控制器上报的网络态势信息；

宿主机在加入组播组时向SDN控制器发送组播组成员加入信息，组播源发送注册信息；

当SDN控制器收到组播源的注册信息时，触发以组播源为根节点、以组播组成员直连的转发设备为叶节点的最短路径树的计算，计算完成后，将最短路径树的信息下发给转发设备，从而在转发设备上建立组播转发表项，形成组播转发路径。

当组播转发路径已经形成后，若有组播组成员离开或新组播组成员加入时，将离开或加入信息上报到SDN控制器，SDN控制器更新已经构建的最短路径树，将修改后的组播转发表项下发到各转发设备，达到实时更新组播转发路径的效果，具体流程如图4，包括：

(1)组播组成员的维护

由于IGMP采用了成员关系报告抑制机制，导致路由器并不知道该网段下组播成员的数量，这会影响SDN控制器管理全网拓扑，也会给基于SDN的可靠组播、基于SDN的组播接纳控制等特性无法实现。

本方案提出的基于SDN的组播成员维护，采用如下机制：

●由宿主机主动向其要加入的组播组发送成员关系报告报文以声明加入，转发设备识别后，将转发设备标识、接收端口标识等信息上报到SDN控制器；

●转发设备维护一张该转发设备下的组播成员列表，转发设备收到宿主机加入组播组的报文后，将该宿主机添加到组播成员列表中；

●宿主机定期发送加入组播组的信息，如果转发设备超过一定时间后，仍收不到该宿主机发送的加入组播组的信息，则认为该宿主机已离开，从组播组成员列表中删除该宿主机，同时将该宿主机离开组播组的信息上报到SDN控制器；

●当宿主机主动离开组播组时，宿主机主动发送离开组报文，转发设备识别后，从组播组成员列表中删除该宿主机，将该宿主机离开组播组的信息上报到SDN控制器。

(2)组播源的维护

宿主机直接向组播组发送数据，转发设备在识别组播数据后且无组播转发表项时，封装一条组播源注册信息上报给SDN控制器，触发SDN控制器的组播树计算及组播转发路径下发。转发设备在收到组播转发路径表向后，转发组播数据。

转发设备在收到组播数据后，维护定时器，组播源宿主机停止发送组播数据后，转发设备所维护的定时器超时，转发设备上报组播源注销信息到SDN控制器。SDN控制器在收到注销信息后，删除组播树，释放网络资源，并下发删除组播转发表项到各转发设备。

(3)组播树的生成

基于SDN的组播方法借鉴PIM-SM的实现方式，可以利用任意单播路由协议所生成的单播路由表为IP组播提供路由。本专利采用CSPF(基于约束的最短路径优先算法)路由算法，是一种改进的最短路径优先(SPF)算法，计算最短路径的输入条件有多个：链路带宽、端到端延时、跳数、是否经过某网络节点等多个约束条件，以及OSPF TE扩展产生的流量工程数据库(TEDB，TEDB不仅收集了网络拓扑信息，还增加了链路属性)。CSPF基于资源的可用性和所选部分是否违反用户策略约束，在当前网络拓扑结构中删除不满足条件的节点和链路，然后再通过最短路径优先算法计算出一条满足用户QoS需求的端到端的最优路径。

如图5所示，当SDN控制器接收到组播源注册信息或需修改已经建立的组播树时，在宿主机A接收者、宿主机B接收者和组播源之间计算一条符合业务需求的转发路径，该转发路径所经过的转发设备形成了组播树的分支，为这些转发设备生成(S，G)表项。(S，G)表项包括组播源的地址S、组播组的地址G、出接口列表和入接口等。组播树以组播源为根，以组播组成员为叶子。转发设备上收到组播数据的接口称为“上游”，转发组播数据的接口称为“下游”。

如图6所示，当组播组成员离开时，转发设备上报组播组成员离开信息到SDN控制器。SDN控制器在触发组播树更新后，从该组播成员节点逆着组播树向组播源方向进行剪枝；上游转发设备在出接口列表中删除与下游节点的接口，并检查自己是否拥有该组播组的接收者，如果没有则继续向上游进行剪枝。

在某些网络环境下，网络带宽资源有限，可以考虑以计算资源换取网络资源方式，节省网络带宽资源。在采用了CSPF算法后，已经可以充分利用网络资源，为各组播树提供可以满足QoS需求的转发路径。仍可以进一步优化。

图7(a)为PIM-SM形成的组播树，包括组播源S,转发设备A1,A2,A3,B1，B2,B3；虚线是以S为源，宿主机A、B、C为组播接收者计算出的组播树路径，当宿主机C加入组播组时，实际上可以由B3->B2这条转发路径直接接入组播树，而不需要经由B3->A3->S这条路径，优化后的组播树如图7(b)所示。这种优化的方法的本质是，在已经形成组播树的前提下，如宿主机A和B到组播源S的组播树已经建立，新的组播组成员只需计算到该组播树的最优路径，如需计算B3到集合{S，A1，A2，B1，B2}的最优路径。如果计算出的最优路径是B3-S的路径，则计算结果与没有优化之前持平，也就是说，优化后计算出的路径，至少会与没有优化之前持平。毫无疑问，这引入了高额的计算量，但在带宽资源极为宝贵的某些网络环境下，用计算资源换取网络带宽资源，是值得的。

具体算法描述如下：

●先以2个组播组成员与组播源形成一棵组播树T；

●当有新的组播组成员H加入时，计算H到组播树T的最优路径，计算完成后，更新组播树T。

需要注意的是，这种方法理论上并不是最优的组播树路径，最优的组播树路径是一棵斯坦纳树(Steiner Tree)，属于NP完全问题，因此优化后的算法计算出的组播树只是一棵更优的树，但不是最优的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于SDN的组播方法，其特征在于，组播组成员将加入组播组的信息发送到SDN控制器，组播源将注册信息发送到SDN控制器，SDN控制器根据组播组成员的加入信息、组播组成员的离开信息和网络态势，以组播源为根节点形成一棵最短路径树，将最短路径树的信息下发给转发设备，从而在转发设备上建立组播转发表项，形成组播转发路径。

2.根据权利要求1所述的基于SDN的组播方法，其特征在于，包括以下步骤：

转发设备实时向SDN控制器上报网络态势，所述网络态势包括拓扑、端口、传输方式；

SDN控制器处理存储SDN控制器上报的网络态势信息；

宿主机在加入组播组时向SDN控制器发送组播组成员加入信息，组播源发送注册信息；

当SDN控制器收到组播源的注册信息时，触发以组播源为根节点、以组播组成员直连的转发设备为叶节点的最短路径树的计算，计算完成后，将最短路径树的信息下发给转发设备，从而在转发设备上建立组播转发表项，形成组播转发路径。

3.根据权利要求2所述的基于SDN的组播方法，其特征在于，当组播转发路径已经形成后，若有组播组成员离开或新组播组成员加入时，将离开信息或加入信息上报到SDN控制器，SDN控制器更新已经构建的最短路径树，将修改后的最短路径树下发到转发设备。

4.根据权利要求2或3所述的基于SDN的组播方法，其特征在于，所述更新已经构建的最短路径树包括组播成员维护步骤：

宿主机主动向其要加入的组播组发送成员关系报告报文以声明加入，转发设备识别后，将转发设备标识、接收端口标识、宿主机标识、宿主机IP地址信息上报到SDN控制器；

转发设备维护一张该转发设备下的组播成员列表，转发设备收到宿主机加入组播组的报文后，将该宿主机添加到组播成员列表中；

转发设备维护一张该转发设备下的组播成员列表，转发设备收到宿主机加入组播组的报文后，将该宿主机添加到组播成员列表中；

宿主机定期发送加入组播组的信息，如果转发设备超过设定的时间后，收不到该宿主机发送的加入组播组的信息，则认为该宿主机已离开，从组播组成员列表中删除该宿主机，同时将该宿主机离开组播组的信息上报到SDN控制器；

当宿主机主动离开组播组时，宿主机主动发送离开组播组报文，转发设备识别后，从组播组成员列表中删除该宿主机，将该宿主机离开组播组的信息上报到SDN控制器。

5.根据权利要求1所述的基于SDN的组播方法，其特征在于，所述更新已经构建的最短路径树包括组播源的维护步骤：

宿主机直接向组播组发送数据，转发设备在识别组播数据后且无组播转发表项时，封装一条组播源注册信息上报给SDN控制器，触发SDN控制器的组播树计算及组播转发表项下发；转发设备在收到组播转发表项后，转发组播数据；

转发设备在收到组播数据后，维护定时器，组播源宿主机停止发送组播数据后，转发设备所维护的定时器超时，转发设备上报组播源注销信息到SDN控制器；SDN控制器在收到注销信息后，删除组播树，释放网络资源，并下发删除组播转发表项到各转发设备。

6.根据权利要求1所述的基于SDN的组播方法，其特征在于，所述最短路径树采用CSPF路由算法计算。

7.根据权利要求1或6所述的基于SDN的组播方法，其特征在于，所述最短路径树采用以下方法建立：

先以2个组播组成员与组播源形成一棵组播树，当有新的组播组成员加入时，计算新的组播组成员到组播树的最优路径，计算完成后，更新组播树。

8.根据权利要求7所述的基于SDN的组播方法，其特征在于，所述更新组播树，具体为：

当SDN控制器接收到组播源注册信息或需修改已经建立的组播树时，在接收者和组播源之间计算一条符合业务需求的转发路径，该转发路径所经过的转发设备形成组播树的分支，为这些转发设备生成(S，G)表项；(S，G)表项包括组播源的地址S、组播组的地址G、出接口列表和入接口；组播树以组播源为根，以组播组成员为叶子；以转发设备上收到组播数据的接口为上游，转发组播数据的接口为下游；

当组播组成员离开时，转发设备上报组播组成员离开信息到SDN控制器；SDN控制器在触发组播树更新后，从该组播成员节点逆着组播树向组播源方向进行剪枝；上游转发设备在出接口列表中删除与下游节点的接口，并检查自己是否拥有该组播组的接收者，如果没有则继续向上游进行剪枝。