CN1909467A - 在ip网络中采用单播地址来标识多播组的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在IP网络中采用单播地址来标识多播组的方法，属于计算机通信技术领域，该方法包括：首先在网络中为每一个多播组选取一个节点，作为该多播组的主分发节点，在该主分发节点上建立多播信息表，该多播信息表的每个表项对应一个多播组，表项的内容至少包括多播组的名字；在该主分发节点上添加一个虚拟网络接口，并为该接口分配一个IP单播地址；在该主分发节点上建立起虚拟网络接口与多播组之间的对应关系，将该虚拟接口的单播地址作为多播组的地址。该方法可保证多播组地址在全球范围内的唯一性，同时也简化多播组地址的分配及多播路由协议的设计。

Description

在IP网络中采用单播地址来标识多播组的方法

技术领域

本发明属于计算机通信技术领域，特别涉及IP网络上标识多播组的方法。

背景技术

IP网络是采用IP协议(Internet Protocol)进行通信的计算机网络。目前，IP协议有两个版本，IPv4和IPv6。IP协议可以提供三种主机之间的通信方式：单播，广播和多播。其中，单播是两个主机之间点到点的通信方式。广播是指主机一次发送的数据包可以到达一个广播域中的所有主机。多播是指主机一次发送的数据包可以到达网络中的一组主机，与广播不同的是，多播不会将数据包传送到组外的主机。

图1给出了一个简化的IP网络的结构示意图。IP网络网络中主要包括两种节点：主机(Host)节点和路由器(Router)节点。主机节点位于网络的边缘，不承担数据包转发的功能，如个人工作站、服务器等；路由器节点位于网络的核心，负责将数据包在各相邻节点(主机或路由器)之间转发。IP网络中的各节点之间通过通信链路连接起来。通信链路可分成两种：一种是连接两个节点的点到点链路，比如连接两个路由器的一条光纤链路；另一种是连接多个节点的广播链路或链路层网络，比如局域网链路。在IP网络中，连接到同一条链路(无论是点到点链路还是广播链路或链路层网络)的所有节点形成一个子网(Subnet)，而节点则是通过一定的网络接口(如网卡)与子网相连。

目前IP协议中主机间的通信方式主要采用单播，即点到点的通信方式。单播通信通常在两个主机需要相互交换数据，并且不涉及到多个主机间的数据共享时使用。

IP协议中采用全球唯一的单播地址作为主机的标识。单播地址的结构如图2a所示，由子网前缀(Subnet Prefix)和接口标识(Interface ID)两部数据包成。子网前缀表明该主机所在的子网，接口标识表明该主机与子网相连的网络接口。IP单播地址具有寻址信息，路由器可以通过单播地址将数据包进行转发，直到该数据包到达单播地址所对应的主机。其中IPv4的地址长度为32比特，而IPv6的地址长度为128比特，但这两种IP版本中的单播地址都具有图2a中的地址结构。

此外，IP协议中还可以用全球唯一的名字，即域名(Domain Name)来标识一个主机。域名由字符串组成，方便记忆和描述。举例说明，清华大学的WWW服务器站点的域名为www.tsinghua.edu.cn，其IP地址为166.111.4.100。当采用域名来访问一个主机时，需要通过专门的域名服务器(DNS)将域名转化为相应的单播地址。

多播是一种支持点到多点或多点到多点应用的有效通信机制。在多播通信中，通常将所有参与通信的主机看成一个多播组，并为该多播组赋予唯一的IP地址作为其标识。发送者需要向属于一个多播组的所有主机发送数据包时，直接以该多播组的IP地址作为数据包的目的地址，通信网络负责将该数据包传送到多播组的所有成员主机。

利用多播的一个例子就是IP网络中的视频广播。所有希望接收视频流的主机可以加入到一个组，该组具有一个IP地址。视频服务器只需要以该组的IP地址为目的地址发送一次，通信网络负责将该视频流传送到所有希望接收该视频流的主机。相对于其他的替代性方案(如利用单播给每个主机都发送一份视频流，或者利用广播将视频流扩散到整个网络)，多播节约了网络带宽，并同时降低了服务器的负荷。多播的其他应用包括视频会议，软件分发，网络游戏，远程教育等等。

在目前的IPv4及IPv6协议中，均采用独立于单播地址空间的多播地址来标识多播组。如图2b所示，IPv4中的多播地址由4比特的地址类型标识(1110)和多播组标识(groupID)组成，多播地址范围从224.0.0.0到239.255.255.255。如图2c所示，IPv6中的多播地址由8比特地址类型标识(11111111)，标志(flag)，范围(scope)和多播组标识(groupID)四部分组成。无论是在IPv4还是在IPv6协议中，多播地址都采用了类似的结构，即用一个全球范围内唯一的组标识(Group ID)来区分不同的多播组。从严格的意义来讲，这种标识并不能表示地址，因为它不携带可用于寻址的拓扑信息。

当前IP多播组标识方法存在的问题主要包括：

第一，增加了IP网络地址管理的复杂性。由于多播地址与单播地址结构完全不同，多播地址的分配与单播地址的分配需要区别对待，无法统一进行管理。

第二，混淆了多播组的名字标识和地址标识。由于现有的地址标识也同时承担了名字标识的作用，因此多播组的标识缺乏单播地址所具有的灵活性，比如单播中一个主机只有一个固定的域名，但是可以拥有动态的地址，这样即使主机的地址发生改变，仍然可以通过主机的域名来访问。

第三，增加了路由器转发数据包的复杂性。由于多播地址不携带任何用于寻址的信息，因此，路由器需要对多播数据包采用特殊的方式进行处理，增加了路由器在数据包转发处理上的复杂性。

第四，缺乏有效的动态多播地址分配方法。由于组标识(Group ID)缺乏层次结构，多播地址的分配只能在全球范围内进行分配，为保证多播地址互不冲突，多播地址的动态分配算法非常复杂，由多个层次上的多个协议组成，这包括域间分配层次上的MASC协议，域内分配层次上的AAP协议和节点分配层次上的MADCAP协议。这种分配算法的复杂性同样导致管理上的复杂性，如需要单独部署多个多播地址服务器；另一方面由于该算法实现复杂，在实际设备中很少采用。

第五，不利于多播路由协议的部署。多播路由协议通过在网络拓扑中构造一个到达多播组内各主机所在子网的一个生成树(Spanning Tree)来实现多播数据包的有效转发。但是为了构造多播树，首先需要知道多播树的根节点的地址。由于现有的这种IP多播地址内不包含根节点信息，因此需要用特定的方法将多播树的根节点通告整个网络，或者提供地址映射服务器实现多播地址到多播树的根节点的映射。这些方法都会增加多播路由协议部署的复杂性。

上述的这些问题从一定程度上阻碍了多播在IP网络中的应用。因此，需要从一种新的角度来考虑多播组的地址标识。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种新的在IP网络中采用单播地址来标识多播组的方法。该方法可简化IP网络中IP地址的管理，可区分多播组的名字标识和地址标识，并有助于实现多播组地址快速有效的分配以及简化多播协议的设计。

本发明提出的在IP网络中采用单播地址来标识多播组的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)首先在网络中为每一个多播组选取一个节点，作为该多播组的主分发节点，在该主分发节点上建立多播信息表，该多播信息表的每个表项对应一个多播组，表项的内容至少包括多播组的名字；

2)在该主分发节点上添加一个虚拟网络接口，并为该接口分配一个IP单播地址；

3)在该主分发节点上建立起虚拟网络接口与多播组之间的对应关系，将该虚拟接口的单播地址作为多播组的地址。

与现有的多播组的地址标识及其分配方法相比较，本发明的有益效果包括：

简化了IP网络中IP地址的管理。由于多播组地址采用和单播地址同样的结构，多播组地址的分配可以采用和单播地址完全一致的分配方法。地址管理机构IANA及其他地址管理机构向下级机构分配单播地址空间时，也就同时分配了相应的多播组地址空间。

区分了多播组的名字标识和地址标识。原有的多播地址不具备寻址意义，实际上起着名字标识的作用，而这种名字标识又是以二进制数字显示的，非常不利于记忆。在本发明的方案中，多播组的名字可以采用域名，即字符串的形式，大大方便了多播组的描述。而且将多播组的名字和地址分离有助于多播组地址的动态分配，即一个多播组可以始终采用一个名字，但是可以在不同的时期采用不同的地址，通过域名解析即可获得一个多播组的地址。

有助于实现多播组地址快速有效的分配。采用这种标识方法后，由于多播组地址实际上是虚拟网络接口上的单播地址，因此，多播组的地址分配只要保证在一个子网段内不冲突即可，这是很容易检测和实现的。也可以进一步设计类似动态主机配置协议(DHCP)的方法对虚拟网络接口上的地址进行动态配置，这将对多播应用的开展提供了便利。

简化多播协议的设计。在许多的多播协议中，多播分发树的根节点都起到重要作用。现有结构的多播地址与根节点之间毫无关系，需要通过专门的协议或方式来实现多播地址与根节点之间的映射。而本方法中，可以将多播树的根节点作为多播组的主分发节点，这将简化多播路由协议的设计。

附图说明

图1一个简化的IP网络的结构示意图；

图2a IPv4及IPv6协议中的单播地址结构；

图2b IPv4协议中的多播地址结构；

图2c IPv6协议中的多播地址结构；

图3演示本发明方法的一种实施方式的示例性网络

图4a主分发节点上的网络接口表

图4b主分发节点上的网络接口表(绑定配置)

图5主分发节点上的多播信息表

具体实施方式

本发明的方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的一种在IP网络中采用单播地址来标识多播组的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)首先在网络中为每一个多播组选取一个节点，作为该多播组的主分发节点，在该主分发节点上建立多播信息表，该多播信息表的每个表项对应一个多播组，表项的内容至少包括多播组的名字；

2)在该主分发节点上添加一个虚拟网络接口，并为该接口分配一个IP单播地址；

3)在该主分发节点上建立起虚拟网络接口与多播组之间的对应关系，将该虚拟接口的单播地址作为多播组的地址。

本发明的上述方法的一种实施例的网络结构如图3所示，其中主机H1～主机H4构成了一个多播组。以下内容描述了在这个网络中实施本发明方法的过程。这些描述只是示意性的说明本发明，而不应被视作对本发明内容的限制。

本实施例的网络是基于IPv4协议的，因此最后得到的该多播组的地址标识是一个32位的IPv4单播地址(对于IPv6网络，整个标识方法是一样的，区别只是在于多播组的地址标识是一个128位的IPv6单播地址)。

本实施例的方法包括以下步骤：

1)首先选择路由器A作为该多播组的主分发节点。(本实施例也可以选择该网络中的其他节点-如路由器B或主机H1等，作为多播组的主分发节点，但是，选择不同的主分发节点将影响将来多播通信的性能，这是因为多播分发树的建立是以主分发节点为根节点来建立的。一般说来，为了获得比较好的多播通信性能，可以根据实际的多播应用来选择主分发节点，如果多播应用为视频会议这种多点到多点的业务类型，则选择的主分发节点最好是到各个多播组成员主机的距离都比较一致的核心路由器或主机节点；如果多播应用为IPTV视频分发这种点到多点的业务类型，则选择的主分发节点应该为靠近多播源的路由器或主机节点。)

在路由器A上建立多播信息表，记录以该节点为主分发节点的多个多播组的相关信息。该多播信息表的每一个表项都对应一个多播组，至少包括多播组的名字，同时还可以包括多播组的其他信息，如多播组对应的虚拟网络接口，IP地址，多播组的成员，多播组的建立者等等。

在本实施方案中，该多播组的名字采用的是全球唯一的域名，group.thu.edu，当然，本实施例也可以直接在主分发节点(路由器A)上为该多播组设置一个仅在该节点上唯一的名字，如mygroup，或者是标识，如12345，只要能够保证与其他的多播组的名字区分开来即可。在多播信息表中为该多播组插入一个表项，表项中多播组的名字为group.thu.edu。

2)然后在路由器A上添加一个虚拟网络接口vif0，并为该接口分配一个IP协议中的单播地址166.111.64.3；

在不同的节点上，添加一个新的虚拟网络接口的方法与节点的操作系统有关。由于本实施例是将虚拟网络接口作为一种新的设备来对待，而不同的操作系统的设备管理方法不同，如在Windows上，设备是在注册表中来维护的，每一个设备都对应着注册表中的一个描述表项及相应属性，在Linux上，设备是一种特殊的文件。但是不同的操作系统都存在添加虚拟设备的方法，如在Windows上可以添加虚拟软区，虚拟串口等等。这里本实施例不去描述每个操作系统上虚拟网络接口的添加过程，而是描述添加后的虚拟网络接口所需具备的一些主要特征，这些特征在任何操作系统上都能实现。

路由器A上所有的网络接口及其部分属性如图4a所示。本实施例中路由器A原来已经有三个实际的网络接口：if0，if1，if2，这三个网络接口分别位于不同的子网中，其中if0接口在子网S1中，其对应的子网前缀是166.111.64.0/24，IP地址为166.111.64.1；if1接口在子网S10中，其对应的子网前缀是166.111.4.0/24，IP地址为166.111.4.1；if2接口在子网S11中，其对应的子网前缀是166.111.5.0/24，IP地址为166.111.5.1。

新添加的虚拟网络接口vif0拥有和其他实际网络接口相应的属性(如设备名称，设备类型，IP地址，子网掩码，网络层协议类型等)，但是在设备类型上，用一个区别于其它设备的设备类型标识(0x1A)来指明该网络接口为一个虚接口，以便与其他实际网络接口区分开来。

本实施例可以直接配置虚拟网络接口vif0的属性，如图4a所示，将其子网前缀与if0的子网前缀(166.111.64.0/24)设为一致，表明该虚拟网络接口位于子网S1中。在S1的地址空间166.111.64.0/24中为vif0分配一个不与其他网络接口地址相冲突的单播地址：166.111.64.3。

本实施例也可以采用绑定的方法来配置虚拟网络接口vif0的属性，如图4b所示，对虚拟网络接口增加一个属性，该属性的名字为绑定接口，该属性的值为if0，即将虚拟网络接口vif0和if0相绑定。虚拟网络接口vif0与其绑定接口if0在一个子网S1中，vif0的IP地址直接设置，从if0所在的子网S1的地址空间中166.111.64.0/24中为vif0分配一个不与其他网络接口地址相冲突的单播地址：166.111.64.3。vif0的其它属性(如子网前缀、网络层协议、链路层地址等等)的缺省值将和if0的对应属性保持一致，就不必逐个设置虚拟网络接口vif0的属性。在主分发节点存在大量虚拟网络接口的时候，采用绑定配置的方法可大大降低需要配置的属性的数量。

3)在多播组的主分发节点上添加虚拟网络接口后，再建立虚拟网络接口与多播组之间的对应关系。一方面，对虚拟网络接口vif0上增加一个属性，该属性的名字为关联多播组，所赋的值为group.thu.edu(与多播组的名字相同)，即该属性明确指示虚拟网络接口vif0对应的多播组为group.thu.edu，如图4a所示。另一方面，在主分发节点上的多播信息表中查找多播组名字为group.thu.edu的表项，并填入该多播组对应的虚拟网络接口名字vif0及其IP地址166.111.64.3，如图5所示。

经过上述过程，由主机H1～主机H4组成的多播组将采用全球唯一的IP地址166.111.64.3来标识。在此过程中，多播组的名字采用的是全球唯一的域名，因此，即使将来更改了多播组的主分发节点及地址，也可以保持域名不变，通过域名解析服务获得该多播组新的主分发节点和地址，这样，多播组的标识方法具有了和主机标识方法一样的灵活性。

Claims (7)

1、一种在IP网络中采用单播地址来标识多播组的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)首先在网络中为每一个多播组选取一个节点，作为该多播组的主分发节点，在该主分发节点上建立多播信息表，该多播信息表的每个表项对应一个多播组，表项的内容至少包括多播组的名字；

2)在该主分发节点上添加一个虚拟网络接口，并为该接口分配一个IP单播地址；

3)在该主分发节点上建立起虚拟网络接口与多播组之间的对应关系，将该虚拟接口的单播地址作为多播组的地址。

2、如权利要求1所述的采用单播地址来标识多播组的方法，其特征在于，所述的IP网络为采用IPv4协议的IPv4网络或采用IPv6协议的IPv6网络。

3、如权利要求1所述的采用单播地址来标识多播组的方法，其特征在于，所述多播组的主分发节点是一个路由器节点或是一个主机节点。

4、如权利要求1所述的采用单播地址来标识多播组的方法，其特征在于，所述多播组的名字采用全球唯一的域名、采用一个仅在主分发节点上定义的名字或采用一个仅在主分发节点上定义的标识之一种。

5、如权利要求1所述的采用单播地址来标识多播组的方法，其特征在于，所述步骤2)中在主分发节点上添加的虚拟网络接口的主要特征包括：

该虚拟网络接口具有一个与其他设备区分开的设备类型标识；

虚拟网络接口具有与实际的网络接口相应的属性；

虚拟网络接口设置的IP地址及子网掩码在主分发节点所在的其中一个子网中，并且不与该子网内的其他网络接口的IP地址相冲突；

虚拟网络接口的各种属性通过直接配置而成或通过与实际网络接口绑定来配置。

6、如权利要求5所述的虚拟网络接口的主要特征要求，其特征在于，所述虚拟网络接口的各种属性与实际网络接口绑定配置的方法，包括：

对虚拟网络接口增加一个属性，该属性的名字为绑定接口，该属性的值为该主分发节点上的另一个实际网络接口的名字；

虚拟网络接口与其绑定接口在一个子网中，虚拟网络接口的IP地址直接配置，且不与该子网中的其他地址相冲突；

虚拟网络接口的其它属性在没有直接配置的情况下，其缺省值与其绑定接口的对应属性的值保持一致。

7、如权利要求1所述的采用单播地址来标识多播组的方法，其特征在于，所述步骤3)中在主分发节点上建立虚拟网络接口与多播组之间的对应关系的方法，包括以下步骤：

对虚拟网络接口增加一个属性，该属性的名字为关联多播组，该属性的值为该虚拟网络接口对应的多播组的名字；

更新主分发节点上的多播组信息表，以多播组的名字为索引，查找该多播组所对应的表项，再将虚拟网络接口的名字及IP地址添加到该表项中。

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