朱維嘉，郭曉，帥千鈞

(中國傳媒大學 計算機與網絡中心，北京 100024)

基于PIM-SM組播的園區(qū)網IPTV的架構與實現

朱維嘉，郭曉，帥千鈞

(中國傳媒大學 計算機與網絡中心，北京 100024)

MPEG2編碼的視音頻TS流直接封裝在UDP的組播數據包中，通過IP承載網發(fā)送給接收用戶，組播協議PIM-SM通過生成(*，G)和(S，G)表項實現RPT/SPT轉發(fā)組播數據包，TCAM結構支持系統(tǒng)的硬件轉發(fā)。系統(tǒng)實現在園區(qū)網內IPTV的組播方式轉發(fā)，滿足用戶需求的同時對網絡系統(tǒng)本身無影響。

PIM-SM；RP；DR；RPT；SPT；RPF；(*，G)；(S，G)；IIF；OIF

1 引言

IPTV是向家庭用戶提供包括數字電視在內的多種交互式服務的嶄新技術。用戶在家可以通過計算機或者網絡機頂盒+普通電視機來接收IPTV，對于園區(qū)網絡來說，利用組播來傳輸IPTV是一種可行的方法，稀疏模式獨立組播協議PIM-SM不依賴于特定的單播路由協議，適用于較大范圍網絡。

本文對PIM-SM協議[1]基于RPT/SPT的算法進行深入研究，并搭設實際系統(tǒng)來實現IPTV在PIM-SM網絡中的硬件轉發(fā)。

2 系統(tǒng)設計

如圖1，將數字信號TS流輸入復用器生成多路節(jié)目的TS流輸出到視頻網關進行UDP/IP包封裝，每路節(jié)目對應一個多播地址，再進入到PIM-SM網絡中進行傳輸，用戶端接收經VLC解碼即可觀看。

3 基于RPT/SPT的算法研究

PIM-SM有兩種樹狀結構，一種是基于RP的共享樹叫RPT(RP Tree)，一種是基于源的SPT(Shortest-path tree)，這兩種組播轉發(fā)樹提供了組播發(fā)送者到接收者之間的轉發(fā)線路。PIM-SM協議通過建立和維持RPT樹和SPT樹來保證組播數據包的合理轉發(fā)。單播路由表的變動、接收組播組用戶的加入和離開、超過策略閥值等都可能造成RPT/SPT的變化從而造成組播流轉發(fā)路徑的變化。

圖1 系統(tǒng)結構圖

PIM-SM協議的算法策略是默認沿著RPT轉發(fā)組播數據流，根據策略觸發(fā)切換成SPT繼續(xù)轉發(fā)數據流。

組播數據包在進行轉發(fā)時，遵循最長匹配原則，如果存在(S，G)表項，先查詢匹配(S，G)，如果沒有(S，G)，再查詢匹配(*，G)，匹配上相應表項后，再做入端口檢查，只有從正確方向發(fā)來的數據才能被轉發(fā)，從其他接口過來的數據被認為無效。

3.1 鄰居發(fā)現和DR選舉

PIM-SM通過對外發(fā)送HELLO消息來發(fā)現并維護鄰居關系，PIM路由器中每個配置的三層接口都會對外發(fā)送HELLO消息，HELLO數據包的目的地址是組播地址224.0.0.13，當同一個網段所有PIM路由器都接收HELLO消息來發(fā)現和維護鄰居消息，建立鄰居關系后PIM路由器才會接收其他的PIM控制消息，從而創(chuàng)建組播路由表項，建立維護組播分發(fā)樹。PIM鄰居的變化將導致網絡中組播拓撲的變化從而導致組播分發(fā)樹發(fā)生變化。

一個網段可能有多個PIM路由器，一般會選出一臺作為本網段的DR(Designated Router，指定路由器)，DR主要有兩個作用，在連接組播源的共享網段，DR負責向RP發(fā)送Register登記信息；在連接組成員的網段，DR負責向RPT樹發(fā)送JOIN信息。

3.2 RPT的生成

表1 PIM Join/Prune數據包格式

如表1所示，Join/Prune數據包中，對于組播組G，包含的JOIN/PRUNE Source address 有三種類型，本文后面將包含這三種類型源地址的Join/Prune數據包寫成 Join/Prune(G，RP，SWR)、Join/Prune(G，S，SR)和Join/Prune(G，S，S)

當用戶申請接收組播組G的數據流時，接收用戶直連網絡上的DR會接收到一個申請加入組播組G的IGMP數據包，會檢查本地組播路由表，如果沒有相應表項，則創(chuàng)立(*，G)表項，并將申請用戶所在的端口加到組播輸出端口OIF(outgoing interface)中，同時DR向表向輸入端口IIF(incoming interface)發(fā)送一個JOIN數據包，如圖1，這里IIF端口是根據單播路由計算出來的前往RP的轉發(fā)端口，JOIN數據包的目的IP地址是224.0.0.13，當上一級DR收到以后，如果本身存在(*，G)表項，則將收到JOIN數據包的端口加入到OIF中，如果本身不存在(*，G)，則生成(*，G)同時再向RF的IIF端口發(fā)送JOIN 數據包。最終接受組播組G用戶直連的DR加入到組播組G的RPT中。

圖1 PIM JOIN

3.3 組播源S的登記

如果組播源S連接，則與組播源相連網絡的DR直接向RP發(fā)出PIM-register 單播數據包，如圖2，連接源S的DR同時會生成(S，G)表項，如果存在(*，G)且OIF≠Null，則復制(*，G)OIF端口到(S，G)OIF中，同時會向RPT樹的上游路由器發(fā)送Prune(G，S，SR)數據包。RP接收到register數據包，生成(S，G)flag=T表項，如果RP存在(*，G)表項且OIF≠ null，RP一方面將register包中的組播流按照(*，G)OIF列表沿著RPT轉發(fā)給接收者，另一方面通過向S的轉發(fā)端口發(fā)送JOIN數據包請求加入(S，G)的SPT樹。

圖2 PIM register

如果RP下面沒有該組播組G的接收用戶或者RP加入到了SPT樹且通過(S，G)表目收到了數據流，則RP會發(fā)送register-stop信息給DR。DR收到register-stop后會啟動register-suppresion timer 抑制register信息的發(fā)送，如圖3：

圖3 PIM REGISTER-STOP

當S和RP之間的SPT建立起來以后，組播流從S沿著SPT樹發(fā)向RP，RP再通過RPT樹向組播組G接收用戶的直連網絡DR轉發(fā)組播流。

3.4 RPT向SPT的切換

當組播流從源S沿著SPT樹到達RP，再沿著RPT樹到達連接接收用戶的DR時，可以通過設置SPT-Threshold來控制DR從RPT向SPT的切換，默認情況下SPT-Threshold為0，表明當連接接收用戶的DR收到第一個沿RPT到達的數據包后立刻觸發(fā)從RPT到SPT的切換過程。

當DR觸發(fā)從RPT切換到SPT過程后，它向S的方向發(fā)送JOIN(G，S，S)數據包，請求加入源地址為S組播地址G的SPT樹；當(S，G)被創(chuàng)立時，OIF端口列表復制(*，G)的OIF端口列表。只有直接連接接收用戶的DR才能主動觸發(fā)RPT到SPT的切換過程。(S，G)表項初始化時SPT-bit沒有設置，表明SPT樹還沒有完全建立，路由器依然從(*，G)表項IIF端口接收來自S的組播組為G的數據流。當從(S，G)的IIF端口接收到源S目的G的數據包，(S，G)表項flags：T，此時SPT樹建立；如果此時(*，G)和(S，G)有不同的IIF口，路由器沿著RPT向上級路由器發(fā)出PRUNE數據包(如圖4)，不再希望收到源S組播組地址G的數據包。如果RPT上級路由器存在(S，G)表項(無論(S，G)表項是否 flag=R)，上級路由器都會在(S，G)表項的OIF列表中刪除收到PRUNE數據包的端口；如果上級路由器沒有(S，G)表項，它將生成(S，G)flag：R表項，復制(*，G)OIF到新生成(S，G)OIF中，同時在OIF列表中刪除接收到PRUNE(G，S，SR)的那個端口。在任何時候，對于明確的S和G，路由器最多僅能有一個(S，G)表項。

當路由器上(S，G)flag：R的OIF=Null時，flags增加P，表項將繼續(xù)存在；如果此時路由器連接上新的組G接收用戶(或者收到RPT下游路由器JOIN(G，RP，SWR))，則路由器將接收用戶端口(或收到JOIN包的端口)加入到(*，G)和(S，G)flag=R 的OIF列表中，同時向RPT上游路由器發(fā)送JOIN(G，RP，SWR)信息。

圖4 PRUNE(S，G，SWR)

3.5 觸發(fā)(S，G)表項變更的條件

直連用戶的DR可以直接觸發(fā)RPT切換成SPT，超過門限閥值路由器會生成(S，G)flag：表項，同時從(*，G)OIF列表復制到(S，G)OIF列表；從SPT樹接收到源S組播流則觸發(fā)flag：T。

對于連接組播源S的DR，只要有源S的組播流進入，就創(chuàng)立(S，G)flag=T表項。通過復制(*，G)表項OIF列表來生成(S，G)OIF列表，接收Join/Prune(G，S，S)觸發(fā)(S，G)表項OIF列表的變化，如果一直接收源組播流，(S，G)表項將一直存在。

對于RP，接收到合法組播源S的單播register數據包就觸發(fā)生成(S，G)flag：T表項，接收Join/Prune信息可能觸發(fā)對(S，G)OIF列表變化，只要周期性收到register數據包，即使OIF=NULL，(S，G)項也將一直存在。

對于其他的中間路由器，Join(G，S，S)和Prune(G，S，SR)這兩類信息能觸發(fā)生成(S，G)表項：flags：T或flags：R表項。

4 控制與數據層面的分離

組播轉發(fā)通常采用純軟件或者硬件方式轉發(fā)，軟件處理由于需要消耗大量系統(tǒng)資源，不適合IPTV組播流，而硬件轉發(fā)一般通過分布式方式實現，如圖5。將PIM-SM控制平面與數據平面分離，控制平面通過軟件方式實現，而數據平面利用TCAM+FPGA方式，將轉發(fā)表存放于TCAM中，利用FPGA實現轉發(fā)處理邏輯[2]。

圖5 控制與數據層面的分離

5 相關配置

PIM-SM網絡中每臺參與組播路由轉發(fā)的路由器必須進行相應的組播配置，如表2：

表2 組播配置列表

6 結論

利用VLC播放平臺，可以在PIM-SM網內任何點接收到組播流，如圖7：

圖7 用戶端接收到的IPTV節(jié)目流

接收用戶直連網絡DR的組播路由表如圖8默認情況下，連接接收用戶的DR上相關組播表項都會有FLAG：JT標識，表示從RPT切換成SPT結構接收源S組G視頻流的。

圖8 DR IP MROUTE

用戶點播過程中，DR上PIM和維系組播轉發(fā)表的CPU占用率如圖9所示，可以看到對于PIM-SM網絡轉發(fā)設備，組播路由協議和組播轉發(fā)占用的資源很小。

圖9 DR PIM/MFIB CPU Utilization

園區(qū)網內基于PIM-SM組播協議可以實現IPTV的實時直播功能，組播協議的處理和組播流的硬件轉發(fā)對網絡設備本身資源的占用很小，對于接收用戶分散和稀疏的情況下，本系統(tǒng)可以在不影響現有數據轉發(fā)前提下向用戶提供高質量的IPTV服務。

[1]D Estrin，D Farinacci，A Helmy，D Thaler，S Deering，M Handley，V Jacobson，C Liu，P Sharma，L Wei.RFC 2362-Protocol Independent Multicast-Sparse Mode (PIM-SM)[EB/OL].1998[2013-5-26]，http：//www.faqs.org/rfcs/rfc2362.html.

[2]馮淵.T比特路由器上PIM-SM協議實現研究[D].解放軍信息工程大學，2005.

ArchitectureandRealizationofIPTVinCampusNetworkBasedonPIM-SM

ZHU Wei-jia，GUO Xiao，SHUAI Qian-jun

(Computer and Network Information Center，Communication University of China，Beijing 100024)

TS traffic encoded with MPEG2 is encapsulated in multicast packet of UDP，sending to receivers over IP network.Through matching (*，G)and(S，G)lists following RPT/SPT，multicast packets is forwarding by PIM-SM .Hardware Forwarding is supported by TCAM 。The system achieve IPTV with multicast in campus network，fulfilling the requirement of users，simultaneously，the network system has no influence.

PIM-SM；RP；DR；RPT；SPT；RPF；(*，G)；(S，G)；IIF；OIF

2013-06-06

朱維嘉(1980-)，男(漢族)，安徽巢湖人，中國傳媒大學工程師.E-mail：wjzhu@cuc.edu.cn

TN915.6

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1673-4793(2013)04-0022-05

(責任編輯：宋金寶)