IP组播流量管理与拥塞控制

周 胜 权

浙江女子专修学院

    摘  要: IP组播技术实现了IP网络中点到多点的高效数据传送，能够有效地节约网络带宽、降低网络负载。但是，在组播网络设计时仍应十分小心，以免引起网络性能恶化或由于不恰当地使用IP组播应用而过分地消耗网络带宽，使网络发生故障。另外，随着Internet迅猛发展，其网络规模越来越庞大，结构越来越复杂，仅仅依靠端到端的拥塞控制是不够的，网络必须参与资源的控制工作。目前IP组播拥塞控制策略是在路由器中采用包调度算法结合缓存管理技术，由此而产生了几种IP处理的方法。本文主要从IP组播流量管理和拥塞控制两方面进行了一些探讨。

    关键词：组播、流量管理、拥塞控制

　　近年来，随着网络技术的发展，网络多媒体应用层出不穷。目前，在Internet上产生了许多新的应用，其中不少是高带宽的多媒体应用，譬如网络视频会议、网络音频/视频广播、多媒体远程教育、远程会诊。而传统网络最初是为保证数据可靠传输而设计的，所用的传输协议多为点到点的协议。其所具有的特点将增加网络发送负载，带来网络延时。这就带来了带宽的急剧消耗和网络拥挤问题。为了缓解网络瓶颈，人们提出各种方案：增加互连带宽，改变网络流量结构，IP组播技术等等，其中，IP组播技术有其独特的优越性——在组播网络中，即使用户数量成倍增长，主干带宽也不需要随之增加。

　　传统的IP通信是在一个源IP主机和一个目标IP主机之间(单播)或者一个源IP主机和网络中所有的IP主机之间(广播)进行的。现在要将信息发送给网络中的多个而非所有IP主机，如果采用传统的IP通信技术就有两种方法可以选择：要么采用广播方式，要么由源IP主机分别向网络中的多个目标IP主机单播发送IP包。广播方式不仅会将信息发送给不需要的IP主机而浪费带宽，也可能由于路由回环引起一场严重的广播风暴。单播方式由于IP包的重复发送而白白浪费掉大量带宽，同时也增加了服务器的负载。可见，传统的IP通信技术不能有效地解决单点发送多点接收的问题。而IP组播却很好地解决了这个问题。

　　组播是指信源将信息发向所有网络节点的某个确定子集的点到多点的通信形式。IP组播是指在IP网络中数据包以尽力传送的形式发送到所有网络节点的某个确定子集，这个子集称为组播组。IP组播的基本思想是源IP主机只发送一份数据，一个或多个接收者可接收相同数据的拷贝。即允许源IP主机向网上所有IP主机的一部分(子集)发送IP分组，只有该子集内的主机(目标主机)可以接收该分组，而网络中其它IP主机不能收到该分组。这种逻辑上的子集(目标主机)就是组播组，用D类IP地址(224.0.0.0～239.255.255.255)来标识。

IP组播技术有效地解决了单点发送多点接收、多点发送多点接收的问题，实现了IP网络中点到多点的高效数据传送。能够有效地节约网络带宽、降低网络负载。IP组播技术在实时数据传送、网络电视、多媒体会议、数据拷贝、游戏和仿真等诸多方面都得到了广泛的应用。

一、流量管理

    带宽控制是网络设计的一个基本问题，也是进行网络设计时要考虑的第一个问题，对组播网络也是如此。

    随着网络技术的发展，多媒体应用的日益普及，对网络提出的带宽要求也是越来越高。在许多情况下，由于不正确的配置会造成带宽的大量浪费。虽然IP组播的使用是节省网络带宽的一个非常有效的方法，但是，在组播网络设计时仍应十分小心，以免引起网络性能恶化或由于不恰当地使用IP组播应用而过分地消耗网络带宽，使网络发生故障。

下面讨论两种可以防止在组播网络上消耗过多带宽的技术。这两种方法是相辅相成的，它们可以被一起使用，以提供更好的组播流量管理。

1、速率限制

速率限制的主要实现方法是通过在特定接口上限制输入或输出组播信息流的带宽。这是一种具有相当强制性的方法。

（1）接口速率限制

一般来说，网络工程师并不知道网络中哪一个发送源将向组播组发送组播信息，因此速率限制的最普遍的应用是对一个接口上发送的所有组播信息设置一个绝对上限值。这个绝对上限值叫速率限制汇总。当使用这种形式的速率限制时，每当某个接口上发送组播信息时，就要将该接口上发送的所有组播信息流的速率汇总和上述的速率限制汇总相比较。如果信息流的速率汇总超过了速率限制汇总，则路由器就必须开始丢弃组播信息包，直到达到规定的速率为止。

输入接口的配置与出接口的配置相同，路由器只需在接口上设置一个它可接收的最大速率。如果全部接收到的组播信息的速率汇总超过了设置的最大速率值，则路由器开始丢弃在输入接口上的组播信息，直到输入的组播数据流的速率达到规定的速率为止。

（2）对单独组播流的速率限制

有时以接口为基础的速率限制汇总并不能满足对网络带宽限制的要求，因为这种技术只设置了在一个接口上允许传送或是接收的组播信息速率的上限值。在某些情况下，需要对每个单独的组播信息流规定一个最大速率。这可以通过对组播转发表中的某一个组播转发项设置一个速率限制来实现这种对各个单独组播流的速率限制。

当路由器发送和接收组播信息流时，将该组播信息流与相应的组播转发项上设置的速率限制值进行比较。如果组播信息流的速率小于配置的速率限制，则将正常转发和接收组播信息包；否则就丢弃该组播信息包。

2、区域划分

除速率限制外，另一种控制带宽的有效方法是使用区域划分和IP组播边界。其基本思想是将组播信息速率的限制进行层次划分。层次结构中的每一个等级定义了一个组播地址的范围，在该地址范围内发送的组播信息速率可达到该等级所规定的最大速率。例如，表4.1给出了一个简单的三层结构，它被用来将组播信息速率划分成三个区域，每个区域有一个对应的速率限制上限。

使用这种区域结构就可以阻止高速组播信息传输出准备处理该速率的组播信息的区域，比如阻止高速组播信息离开校园网以免在广域网上传输。这就使得带宽高的网络可以处理高速率的组播信息流，而且将该信息流仅仅限制在该区域内，而不会被扩散至低带宽的网络中去。

表1   简单的三层区域结构

组范围

速率（Kbit/s）

239.255.0.0/16

>256

239.193.0.0/16

<=256

224.0.1.0~238.255.255.255

<=128

    二、拥塞控制

    IP组播拥塞控制问题的重要性，随着IP组播日益广泛的应用需求而变得越来越迫切。TCP基于窗口的端到端的拥塞控制对于Internet的稳定性起到了关键性作用，但是随着Internet迅猛发展，其网络规模越来越庞大，结构越来越复杂，仅仅依靠端到端的拥塞控制是不够的，网络必须参与资源的控制工作。

目前IP组播拥塞控制策略是在路由器中采用包调度算法结合缓存管理技术，由此而产生了几种IP处理的方法，如下所述：

    1、先进先出

    先进先出（FIFO）提供了基本的存储转发功能，也是目前Internet使用最广泛的一种方式，它在网络拥塞时存储分组，在拥塞解除时按分组到达顺序转发分组。它采用默认的排队方法，因此不需要配置。其缺点是不提供ＱｏＳ功能，对突发数据流在传输时间要求严格时，应用程序会引起过多的延迟，并对突发性的、存在包丢失的连接公平性较差，对上层的TCP快速恢复的效率也较低。

    2、优先级排队算法

    优先级排队（PQ：Priority Queuing）算法是在禁止其它流量的前提下，授权一种类型的流量通过。使用优先级排队算法给路由接口上传输的数据分配优先级，当有空闲路由时，路由就来回扫描所有队列，将高优先队级列数据发出；只有当高优先级队列空了以后，才能为低优先级服务；如果优先级队列满，则扔掉数据包，路由器不处理。优先级排队算法适用于网络链路不断阻塞的情况。

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