CN114866464B - 一种自动发现ip组播域及组播代理节点的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动发现IP组播域及组播代理节点的系统，包括服务器、核心网络和业务节点；服务器作为系统中的组播源，为系统的业务发起者和组播业务流的数据源；负责维护系统中的网络拓扑结构，包括当前系统有哪些组播域、每个组播域中有哪些业务节点以及各个业务节点的在线状态；核心网络负责按照通用的网络协议进行组播业务数据流的存储和转发；业务节点为系统的业务接收者，负责接收和处理由服务器发出的组播业务数据流。优点是：能够动态地、及时地感知网络配置和网络拓扑结构的变化对组播的影响，且每个业务节点均可能作为组播域的根节点或组播业务的代理节点，消除了对中心节点的依赖，增强了组播应用的灵活性和可靠性。

Description

一种自动发现IP组播域及组播代理节点的系统

技术领域

本发明涉及IP组播技术领域，尤其涉及一种自动发现IP组播域及组播代理节点的系统。

背景技术

目前IP组播技术已被广泛应用于多媒体网络教学、视频会议、网络音视频广播、网络游戏等方面。在现有以太网络中，虽然容许组播存在，但是通常组播数据都会被限制在本地子网范围内，不能穿越路由器或者交换机到达另外的子网。在实际应用中，如果一个组播应用需要跨越多个子网，可采用的方法有：

1、在交换机和路由器上全面部署跨网段组播服务。这种方法需要在交换机和路由器上配置IGMP、IGMP Snooping、IGMP Proxy以及组播路由协议等，对网络管理员的技术水平要求很高，专业性非常强。另外，如果部分网络设备不支持相关协议，还需要更换。

2、在每个子网上配置一个代理节点，组播源将数据单播到代理节点，再由代理节点在本子网上进行组播。如一种跨网段组播数据系统及其方法(专利号：CN 101707526)提出了一种在无需修改路由器配置和组播路由协议的情况下，在应用层实现跨网段组播的方法。虽然该方法能实现跨网段组播，但存在以下缺点：

(1)在每个子网，需要部署额外的Coaster作为代理节点。而且Coaster作为每个子网的关键节点，负载较大，且一旦它出现故障，整个子网的业务将会中断。

(2)该方法只能静态设置IP组播域，无法自动更新网络组播域，当网络拓扑结构改变时，需要根据新的网络拓扑重新进行部署。

(3)在实际应用中，很多网络会采用大子网，小组播域的网络拓扑方式，如在某一子网的交换机中重新划分了多个VLAN，则该子网的某些节点可能会收不到组播数据。

(4)如果网络管理员将交换机和路由器全面部署为跨网段组播服务，则子网上增加的额外的Coaster代理节点反而会导致应用故障，如业务节点收到多份相同的组播业务数据。

虽然在理论上IP组播技术并不要求组播源感知有哪些组播接收者(后续称为：业务节点)和这些业务节点在网络拓扑中的分布情况，但在实际应用中，由于核心网络设备对组播协议的支持差异较大，导致跨网段组播应用时可能出现故障，这时就需要寻找代理节点。同时，由于VLAN技术的广泛运用，同一网段中也可能出现多个组播域，以网段为基础来部署代理节点也可能导致应用故障。而且，静态的组播代理节点很难适应网络拓扑结构的变化。

综上，在实际应用中，组播源往往需要关注有哪些业务节点和这些业务节点组成了哪些组播域。而组播域的范围依赖于核心网络中交换机和路由器的配置。如何让组播源动态地感知IP网络中的组播域并动态选择每个组播域中的代理节点，确保组播应用的可靠性和灵活性，是一个亟需解决的现实问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动发现IP组播域及组播代理节点的系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自动发现IP组播域及组播代理节点的系统，包括服务器、核心网络和业务节点；

服务器作为系统中的组播源，为系统的业务发起者和组播业务流的数据源；负责维护系统中的网络拓扑结构，包括当前系统有哪些组播域、每个组播域中有哪些业务节点以及各个业务节点的在线状态；

核心网络负责按照通用的网络协议进行组播业务数据的存储和转发；

业务节点为系统的业务接收者，负责接收和处理由服务器发出的组播业务数据流；各业务节点负责构建本节点所在的组播域，在每个组播域中均需要选举一个业务节点作为本组播域的代理业务节点，由其负责向服务器报告本组播域包含的业务节点成员以及业务节点成员的加入和退出。

优选的，组播业务数据流发送与转发的过程具体为，

S1、当服务器需要开启一组组播业务时，服务器首先确定有哪些业务节点需要接收本组播业务，通过单播控制命令向这些业务节点发送启动组播业务命令，同时在该命令中告知业务节点需要在哪个组播组及端口上接收组播数据；业务节点收到该命令后，将启动相关组播业务的接收，加入到该命令指定的组播组和端口上；

S2、服务器根据收集到的组播域的信息，将需要接收本次组播业务的业务节点按照不同的组播域进行分组；若有业务节点与服务器在同一组播域，则服务器将在本组播域中按照约定的组播组及端口直接发送组播数据；若有业务节点与服务器不在同一组播域，则服务器需要在这些业务节点所在的每个组播域中，根据预定的策略选举一个代理业务节点，即根节点，将业务数据单播给该代理业务节点，并要求该代理业务节点将业务数据在其组播域中组播到约定的组播组和端口上。

优选的，组播域根节点的选举过程具体为，

A1、服务器和各业务节点约定一个已知的组播组和端口号，服务器和各业务节点均加入这个组播组并在该端口上侦听相关报文；

A2、对于同网络竞争组播域根节点的业务节点，采用约定的规则判断自身业务节点能否成为组播域根节点；

A3、对于服务器所在的组播域，服务器始终作为该组播域的根节点，并在该组播域中周期性地发送根节点KeepAlive报文；

A4、当业务节点处于初始状态时，将在其组播域中周期性地发送非根节点KeepAlive报文，并启动一个等待成为根节点的时段，进入该时段等待成为根节点；

A5、当节点处于等待成为根节点状态时，如果收到根节点KeepAlive报文，则停止等待成为根节点的时段，同时启动一个等待根节点KeepAlive报文的时段，进入非根节点状态；

A6、当节点处于等待成为根节点状态时，如果收到非根节点KeepAlive报文，需要根据预定的策略来确定自己是否能成为根节点，若不能，则停止等待成为根节点的时段，同时启动一个等待根节点KeepAlive报文的时段，并进入等待根节点就绪状态；

A7、当节点处于等待成为根节点状态时，并且等待成为根节点的时段超市，则节点进入根节点状态，将在该组播域中周期性地发送根节点KeepAlive报文；

A8、当节点处于非根节点状态，将在该组播域中周期性地发送非根节点KeepAlive报文，若等待根节点KeepAlive报文的时段超时，则进入等待成为根节点状态；

A9、当节点处于等待根节点就绪状态时，如果收到根节点KeepAlive报文，则进入非根节点状态，若等待根节点KeepAlive报文的时段超时，则重新进入等待成为根节点状态；

A10、当根节点处于根节点状态时，将根据非根节点的KeepAlive报文，确定本组播域中的所有业务节点，并报告给服务器；

A11、根节点为每个非根节点启动接收非根节点KeepAlive报文定时器，当时段超时后，根节点重新确定本组播域中的所有业务节点，并报告给服务器。

本发明的有益效果是：1、组播应用不再要求特殊的网络配置和网络拓扑，使得在工程应用中的部署更加简单和高效。2、系统能够动态地、及时地感知网络配置和网络拓扑结构的变化对组播的影响，且每个业务节点均可能作为组播域的根节点或组播业务的代理节点，消除了对中心节点的依赖，增强了组播应用的灵活性和可靠性。3、系统通过单播手段传输控制信息，通过组播、单播和组播转发的方式传输业务数据，可有效地减少系统中的网络负载，实现负载均担和流量平衡，提高组播业务系统的并发性。

附图说明

图1是本发明实施例中选举根节点时业务节点的状态迁移过程示意图；

图2是本发明实施例中一个具体的系统的结构示意图；

图3是本发明实施例中一个具体的组播业务场景示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本实施例中，提供了一种自动发现IP组播域及组播代理节点的系统，该系统能够在IP网络环境下，只需交换机和路由器使能基础的IGMP支持，就能让组播源动态地感知本IP网络中的所有组播域并动态选择每个组播域中的组播代理节点，确保本IP网络中的所有业务节点都能收到由组播源发出的业务数据，从而有效地减少网络中的数据流量，同时还能够快速、自动地适应网络拓扑结构的改变和网络配置的变化。

系统包括服务器、核心网络和业务节点；

服务器作为系统中的组播源，为系统的业务发起者和组播业务流的数据源；负责维护系统中的网络拓扑结构，包括当前系统有哪些组播域、每个组播域中有哪些业务节点以及各个业务节点的在线状态；

核心网络负责按照通用的网络协议进行组播业务数据的存储和转发；

业务节点为系统的业务接收者，负责接收和处理由服务器发出的组播业务数据流；各业务节点负责构建本节点所在的组播域，在每个组播域中均需要选举一个业务节点作为本组播域的代理业务节点，由其负责向服务器报告本组播域包含的业务节点成员以及业务节点成员的加入和退出。

本实施例中，组播业务数据流发送与转发的过程具体为，

S1、当服务器需要开启一组组播业务时，服务器首先确定有哪些业务节点需要接收本组播业务，通过单播控制命令向这些业务节点发送启动组播业务命令，同时在该命令中告知业务节点需要在哪个组播组及端口上接收组播数据；业务节点收到该命令后，将启动相关组播业务的接收，加入到该命令指定的组播组和端口上；

S2、服务器根据收集到的组播域的信息，将需要接收本次组播业务的业务节点按照不同的组播域进行分组；若有业务节点与服务器在同一组播域，则服务器将在本组播域中按照约定的组播组及端口直接发送组播数据；若有业务节点与服务器不在同一组播域，则服务器需要在这些业务节点所在的每个组播域中，根据预定的策略选举一个代理业务节点，即根节点，将业务数据单播给该代理业务节点，并要求该代理业务节点将业务数据在其组播域中组播到约定的组播组和端口上。

如图1所示，本实施例中，组播域根节点的选举过程具体为，

A1、服务器和各业务节点约定一个已知的组播组和端口号，服务器和各业务节点均加入这个组播组并在该端口上侦听相关报文；因此，根据网络配置，只要在同一组播域中，各节点(包括服务器)相互之间都可以收到对方的组播报文，而不同组播域中的节点是不能收到对方的组播报文的。

A2、对于同网络竞争组播域根节点的业务节点，采用约定的规则判断自身业务节点能否成为组播域根节点；比如判断规则可以采用IP地址值大小进行判断，但不限于该判断规则；

A3、对于服务器所在的组播域，服务器始终作为该组播域的根节点，并在该组播域中周期性(每隔1秒)地发送根节点KeepAlive报文；

A4、当业务节点处于初始状态时，将在其组播域中周期性(每隔1秒)地发送非根节点KeepAlive报文，并启动一个等待成为根节点的时段(5秒)，进入该时段等待成为根节点；

A5、当节点处于等待成为根节点状态时，如果收到根节点KeepAlive报文，则停止等待成为根节点的时段，同时启动一个等待根节点KeepAlive报文的时段(3秒)，进入非根节点状态；

A6、当节点处于等待成为根节点状态时，如果收到非根节点KeepAlive报文，需要根据预定的策略(如按IP地址的大小来确定根节点)来确定自己是否能成为根节点，若不能，则停止等待成为根节点的时段，同时启动一个等待根节点KeepAlive报文的时段(10秒)，并进入等待根节点就绪状态；

A7、当节点处于等待成为根节点状态时，并且等待成为根节点的时段超市，则节点进入根节点状态，将在该组播域中周期性(每隔1秒)地发送根节点KeepAlive报文；

A8、当节点处于非根节点状态，将在该组播域中周期性(每隔1秒)地发送非根节点KeepAlive报文，若等待根节点KeepAlive报文的时段超时，则进入等待成为根节点状态；

A9、当节点处于等待根节点就绪状态时，如果收到根节点KeepAlive报文，则进入非根节点状态，若等待根节点KeepAlive报文的时段超时，则重新进入等待成为根节点状态；

A10、当根节点处于根节点状态时，将根据非根节点的KeepAlive报文，确定本组播域中的所有业务节点，并报告给服务器；

A11、根节点设备为每个非根节点设备启动接收非根节点KeepAlive报文定时器(3秒)，当时段超时后，根节点设备重新确定本组播域中的所有业务节点，并报告给服务器。

实施例二

如图所示，本实施例中，给出一个具体的例子，详细说明系统以及相关的业务流程。

一、系统组成如下：

1、服务器作为组播数据源，与业务节点1和业务节点2处于同一个子网1，子网1构成了组播域1；

2、业务节点3和业务节点4处于子网2中，业务节点5和业务节点6处于子网3中，子网2和子网3构成了组播域2；

3、业务节点7和业务节点8处于子网4中，子网4构成组播域3；

4、业务节点9和业务节点10处于子网5中，子网5构成组播域4；

5、子网6被划分为两个组播域：组播域5和组播域6。业务节点11和业务节点12属于组播域5，而业务节点13和业务节点14属于组播域6。

二、系统初始化：

1、服务器开放一个固定端口用于接收各组播域中根节点报告的本组播域中所有业务节点的相关信息，如设备名称，IP地址等；

2、各业务节点根据图1描述的状态机自动选举各自组播域的代理业务节点，即根节点，根节点收集本组播域中的所有业务节点信息，追踪业务节点的变化，并将其上报到服务器。

3、服务器根据每个根节点报告的信息，动态地维护本系统中的每个组播域的构成情况。如图2所示的系统的具体组成情况如下：

(1)组播域1的根节点为服务器自身，该组播域中还包含业务节点1和业务节点2。

(2)组播域2的根节点为业务节点3，该组播域中还包含业务节点4、业务节点5和业务节点6。

(3)组播域3的根节点为业务节点7，该组播域中还包含业务节点8。

(4)组播域4的根节点为业务节点9，该组播域中还包含业务节点10。

(5)组播域5的根节点为业务节点11，该组播域中还包含业务节点12。

(6)组播域6的根节点为业务节点13，该组播域中还包含业务节点14。

当系统完成初始化后，服务器不再需要通过人工配置本系统的子网分布情况，也无需关注本系统中的网络设备是否使能了相关的组播配置、是否有子网中存在VLAN隔离等情况。网络拓扑结构的改变和网络配置的变化都将动态地反馈到服务器维持的组播域的相关信息中。

三、组播业务

当服务器需要发起一个组播业务(如视频广播)时，服务器根据业务要求选定出需要接收该组播业务的所有业务节点，首先通过单播命令分别通知每个业务节点开始准备接收服务器发出的组播业务数据，业务节点收到该命令后，将启动相关组播业务的接收，加入到该命令指定的组播组和端口上。其次，服务器根据其维护的系统中组播域的相关信息，将这些业务节点按照组播域进行分组。除开服务器所在的组播域不需要选择组播代理节点外，其余的组播域中均需要一个组播代理节点，服务器可随机选择一个业务节点作为组播代理节点，然后将组播业务数据通过单播的方式发送给组播代理节点，再由组播代理节点将收到的组播业务数据在其组播域中通过组播的方式进行转发。

如图3所示，系统执行一个组播业务的具体过程如下；

1、服务器选择业务节点1、业务节点2、业务节点4、业务节点5、业务节点6、业务节点9、业务节点10、业务节点13和业务节点14需要接收本次组播业务。

2、服务器根据其维护的系统中组播域的相关信息，知道本次组播业务在组播域1、组播域2、组播域4和组播域6中进行，而组播域1与服务器在同一个组播域中，不需要组播代理业务节点，组播域2、组播域4和组播域6需要组播代理业务节点。服务器选择业务节点4、业务节点9和业务节点13分别为组播域2、组播域4和组播域6中的组播代理业务节点。

3、服务器通过单播的方式分别向业务节点1、业务节点2、业务节点4、业务节点5、业务节点6、业务节点9、业务节点10、业务节点13和业务节点14发送启动组播业务命令，同时告诉业务节点4、业务节点9和业务节点13为被选中的组播业务代理节点。

4、组播代理业务节点准备接收服务器下发的业务数据并向其组播域通过组播方式进行转发，其他业务节点加入相应的组播组，准备接收组播数据。

5、服务器开始在其组播域中组播业务数据，并通过单播的方式将业务数据发送给每个组播业务代理节点。

6、当需要停止组播业务时，服务器通过单播命令告诉各业务节点停止接收数据，同时服务器立即停止发送组播业务数据，本次组播业务终止。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提供了一种自动发现IP组播域及组播代理节点的系统，本系统中组播应用不再要求特殊的网络配置和网络拓扑，使得在工程应用中的部署更加简单和高效。系统能够动态地、及时地感知网络配置和网络拓扑结构的变化对组播的影响，且每个业务节点均可能作为组播域的根节点或组播业务的代理节点，消除了对中心节点的依赖，增强了组播应用的灵活性和可靠性。系统通过单播手段传输控制信息，通过组播、单播和组播转发的方式传输业务数据，可有效地减少系统中的网络负载，实现负载均担和流量平衡，提高组播业务系统的并发性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种自动发现IP组播域及组播代理节点的系统，其特征在于：包括服务器、核心网络和业务节点；

服务器作为系统中的组播源，为系统的业务发起者和组播业务流的数据源；负责维护系统中的网络拓扑结构，包括当前系统有哪些组播域、每个组播域中有哪些业务节点以及各个业务节点的在线状态；

核心网络负责按照通用的网络协议进行组播业务数据流的存储和转发；

业务节点为系统的业务接收者，负责接收和处理由服务器发出的组播业务数据流；各业务节点负责构建本节点所在的组播域，在每个组播域中均需要选举一个业务节点作为本组播域的代理业务节点，由其负责向服务器报告本组播域包含的业务节点成员以及业务节点成员的加入和退出；

组播业务数据流发送与转发的过程具体为：

S1、当服务器需要开启一组组播业务时，服务器首先确定有哪些业务节点需要接收所述组播业务，通过单播控制命令向需要接受所述组播业务的业务节点发送启动组播业务命令，同时在所述启动组播业务命令中告知业务节点需要在哪个组播组及端口上接收组播数据；业务节点收到所述启动组播业务命令后，将启动相关组播业务的接收，加入到该命令指定的组播组和端口上；

S2、服务器根据收集到的组播域的信息，将需要接收本次组播业务的业务节点按照不同的组播域进行分组；若有业务节点与服务器在同一组播域，则服务器将在本组播域中按照约定的组播组及端口直接发送组播数据；若有业务节点与服务器不在同一组播域，则服务器需要在这些业务节点所在的每个组播域中，根据预定的策略选举一个代理业务节点，即根节点，将业务数据单播给该代理业务节点，并要求该代理业务节点将业务数据在其组播域中组播到约定的组播组和端口上；

组播域根节点的选举过程具体为：

A1、服务器和各业务节点约定一个已知的组播组和端口号，服务器和各业务节点均加入这个组播组并在该端口上侦听相关报文；

A2、对于同网络竞争组播域根节点的业务节点，采用约定的规则判断自身业务节点能否成为组播域根节点；

A3、对于服务器所在的组播域，服务器始终作为该组播域的根节点，并在该组播域中周期性地发送根节点KeepAlive报文；

A4、当业务节点处于初始状态时，将在其组播域中周期性地发送非根节点KeepAlive报文，并启动一个等待成为根节点的时段，进入该时段等待成为根节点；

A5、当节点处于等待成为根节点状态时，如果收到根节点KeepAl ive报文，则停止等待成为根节点的时段，同时启动一个等待根节点KeepAlive报文的时段，进入非根节点状态；

A6、当节点处于等待成为根节点状态时，如果收到非根节点KeepAlive报文，需要根据预定的策略来确定自己是否能成为根节点，若不能，则停止等待成为根节点的时段，同时启动一个等待根节点KeepAlive报文的时段，并进入等待根节点就绪状态；

A7、当节点处于等待成为根节点状态时，并且等待成为根节点的时段超市，则节点进入根节点状态，将在该组播域中周期性地发送根节点KeepAlive报文；

A8、当节点处于非根节点状态，将在该组播域中周期性地发送非根节点KeepAlive报文，若等待根节点KeepAlive报文的时段超时，则进入等待成为根节点状态；

A9、当节点处于等待根节点就绪状态时，如果收到根节点KeepAl ive报文，则进入非根节点状态，若等待根节点KeepAlive报文的时段超时，则重新进入等待成为根节点状态；

A10、当根节点处于根节点状态时，将根据非根节点的KeepAlive报文，确定本组播域中的所有业务节点，并报告给服务器；

A11、根节点为每个非根节点启动接收非根节点KeepAlive报文定时器，当时段超时后，根节点重新确定本组播域中的所有业务节点，并报告给服务器。