IGMPv3 snooping在 EPON 上的实现方案1.doc

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1、精品论文IGMPv3 snooping 在 EPON 上的实现方案1彭达，马东超，陈雪 北京邮电大学电信工程学院，北京（100876） E-mail：pd26摘要：伴随着人们对组播业务尤其是 IPTV 等视频应用的需求越来越强烈，组播作为一种 新兴业务越来越受到人们的关注。本文针对边缘网对组播数据转发效率不高的问题，提出了 EPON 上源指定组播的组播解决方案，即最新版组管理协议 IGMPv3 的 Snooping（嗅探）实现方案。 EPON 是接入网中的一种宽带接入方式。而 EPON 在某种程度上可以看成一种分布式的以太网交换机，这样 EPON 也需要一种更好的 Snooping 方式。本文

2、就提出了一种基 于 EPON 的 IGMPv3 snooping 协议的实现方案，对 IGMPv3 报文的嗅探实现了指定源的组播 数据转发。大大的降低了 EPON 在数据转发时的负担。本文着重描述了本方案控制流和数据流的具体运行机制，同时进行了仿真分析并与 IGMPv2 snooping 方案进行了比较,仿真验证了本方案的可行性及其在性能上较 IGMPv2 snooping 的明显提高. 关键词：IGMPv3 Snooping；组播；互联网组管理协议；源特定组播 中图分类号：TN9151.引 言随着网络规模的不断扩大，一些网上业务得到了极大发展。网络电视，视频会议等业务 更是发展成为了网络服务

3、领域里极其重要的一部分。这些服务都是 有一个信息源发出信息， 这些信息可以由多个终端接收，这种服务模式可以由组播来实现。而 IGMP Snooping 可以 提高组播转发数据的效率。同时，EPON 是接入网中的一种宽带接入方式。而 EPON 在某种 程度上可以看成一种分布式的以太网交换机，这样 EPON 也需要一种更好的 Snooping 方式。 本文就提出了一种基于 EPON 的 IGMPv3 snooping 协议的实现方案，并通过实验与 IGMPv2 snooping 在数据转发等方面做了比较。2.IGMPV3 SNOOPING 概述IGMPv3 是最新版的组播管理协议。它与 IGMPv

4、2 Snooping 一样也是利用 VLAN 划分 组播域，倾听 IGMP 报文来维护组播 VLAN 表。但是区别在于 IGMPv2 Snooping 为每一个 组创建一个 VLAN，而 IGMPv3 Snooping 以每一个组源对（S,G）为单位创建一个 VLAN。 它的主要工作方式是：交换机提取 IGMP 报文，获得收听者的接口，以（S,G）为单位创建 VLAN，当交换机转发组播数据的时候就可以根据这个 VLAN 表转发。2.1 协议运行机制IGMPV3 的报文形式有两种，询问报文和报告报文。询问报文又分为普通询问报文，指 定组播地址的询问报文和指定地址和源的询问报文。两种报文处理过程如

5、下：2.1.1 报告报文的处理报告报文包括两种，一是由 V2 主机发出的，一是由 V3 主机发出的。本文主要介绍 V3主机发出的报告报文的处理，关于 V2 主机的报告报文的处理见参考文献【1】。 如果是 V3 主机的报告报文：1 本课题得到国家 863 计划课题（2007AA01Z243）、长江学者和创新团队发展计划（IRT0609）和高等学 校学科创新引智计划(B07005)的资助。- 6 -首先查看当前交换机所处模式，如果是 v2 snooping 模式，则不处理；如果是 v2 兼容模式，则也须进行报文转换后再按照下表处理；如果是 v3 snooping 模式，则直接按照下述报 文处理表处

6、理。报文处理方法详见下表。表中所述状态都是对应某个接口上面的某一个组播组的，受到 各种状态类型的报告报文后的组播组状态跃迁表：组播组状态报告类型组播组新状态采取的动作-INCLUDE (A)IS_IN (B)INCLUDE (A+B)(B)=MALIINCLUDE (A)IS_EX (B)EXCLUDE (A*B, B-A)(B-A)=0Delete (A-B)Filter Timer=MALIEXCLUDE (X,Y)IS_IN (A)EXCLUDE (X+A, Y-A)(A)=MALIEXCLUDE (X,Y)IS_EX (A)EXCLUDE (A-Y, Y*A)(A-X-Y)=MALID

7、elete (X-A)Delete (Y-A)Filter Timer=MALIINCLUDE (A)ALLOW (B)INCLUDE (A+B)(B)=MALIINCLUDE (A)BLOCK (B)INCLUDE(A)SendQ(MA,A*B)INCLUDE (A)TO_EX (B)EXCLUDE (A*B,B-A)(B-A)=0Delete (A-B) Send Q(MA,A*B)Filter Timer=MALI INCLUDE (A)TO_IN (B)INCLUDE (A+B)(B)=MALISendQ(MA,A-B)EXCLUDE (X,Y)ALLOW (A) EXCLUDE (X

8、+A,Y-A)(A)=MALI EXCLUDE (X,Y)BLOCK (A)EXCLUDE (X+(A-Y),Y)(A-X-Y) =Filter TimerSendQ(MA,A-Y)EXCLUDE (X,Y)TO_EX (A)EXCLUDE (A-Y,Y*A)(A-X-Y)= FilterTimer Delete (X-A) Delete (Y-A)SendQ(MA,A-Y) Filter Timer=MALIEXCLUDE (X,Y)TO_IN (A)EXCLUDE (X+A,Y-A)(A)=MALISendQ(MA,X-A)Send Q(MA)通过上表我们可以看出，状态转换后可能会发生的变

9、化有如下几种：（1）某接口的一个组播组处于包含模式时添加某个组播源：首先检查所对应的组播组 G 和源 S 的 VLAN，看该接口是否包括在 VLAN 的接口集合中，包括不做任何处理，如果不包括就把该接口添加进该 VLAN 的接口集合即可。如果不存在对应的 VLAN，就先创建一个对应（S,G）的 VLAN，再将此接口加入 VLAN 的接口集 合即可。（2）某接口的一个组播组处于包含模式撤销某个源： 首先如果接口处于此种状态，就一定存在对应该（S,G）的 VLAN，只需将该接口从该VLAN 接口集合中删除即可。有一种特殊情况是如果发现删除后 VLAN 中剩余的接口全是 路由器的接口了，可以认为是此

10、组播组没有用户参与了，那么就可以直接删除该 VLAN.（3）某接口上的一个非 SSM 范围内的组播组处于排除模式添加某个源:此时应首先建立一个对应组播组 G 和所有源 S 的特殊 VLAN，即(*,G)VLAN。如果已 存在就不新建了，继续按以下流程执行即可。把该接口以及路由器所连接口添加到该 (*,G)VLAN 的接口集合中。再建立一个对应该(S,G)的 VLAN，把(*,G)VLAN 的接口集合全 盘拷贝到(S,G)VLAN 中，然后再把该接口从这个接口集合中删除出去。有一种特殊情况就 是排除模式添加的源为空，此时表示链路上的主机希望收听所有源，收到此消息后就仅建立 一个(*,G)VLAN

11、 即可。（4）某接口上的一个非 SSM 范围内的组播组处于排除模式撤销某个源： 首先检查转发表，如果存在对应于（S,G）的 VLAN 则直接把该接口加入到 VLAN 中的出接口表即可。然后对比此（S,G）VLAN 和（*,G）VLAN 的接口集合，如果相同，就可 以删除（S,G）VLAN。2.1.2 询问报文的处理 协议对询问报文的处理需要先对报文类型进行判断，共有三种类型：普通询问报文，指定组播地址的询问报文，指定地址和源的询问报文。然后要根据报文中的 QRV 字段，QQIC字段以及 S 标志的进行相应的处理。2.2 数据转发机制根据以上原则交换机建立好若干 VLAN 后，所要处理的组播数据

12、就可以根据所创建的 VLAN 来处理。具体叙述如下：当受到组播数据后，交换机先提取出组播报文的源和目的地 址，查找与其对应的（S,G）VLAN，然后就向这个 VLAN 的接口转发数据。如果没有此 VLAN， 就再查找（*,G）VLAN，如果有就按照这个 VLAN 转发。如果连（*,G）VLAN 也没有，就 说明此组没有收听者，此时节需要对所有路由器所连接口转发。3. EPON 上的实现EPON 系统是一种采用点到多点网络结构，无源光纤传输方式，基于高速以太网平台和 TDM 时分 MAC 媒体访问控制方式，提供多种综合业务的宽带接入技术，其中 OLT 通过分 路器与多个 ONU 相连。如果我们把

13、 OLT 与路由器的接口看成交换机与接入路由器所连的 口，把 ONU 与 PC 所连口看成是交换机连接 PC 机接口，那么可以认为 EPON 系统在实现 Snooping 协议的层面上是一种分布式的以太网交换机。在这种特殊交换机上实现协议有两 种办法，即基于 MAC 层以上实现和基于 RS 层的实现。本文提出一种基于 MAC 层的实现方法，即以 OLT 为主的混合实现方式。下面仍然采 用协议运行机制和数据转发机制两方面详述这种方法的实现过程。3.1 协议运行机制（控制流）此种方式由 OLT 监测 IGMP 报文。当主机发送一个 IGMP 报文要求加入某个组播组时， ONU 并不对此报文进行处理

14、，直接发给 OLT，由 OLT 来监测此报告报文，首先要取出该报 文的 LLID 和源 MAC 地址（就是发送此报告报文的主机的 MAC 地址），然后给该 LLID 所标识的 ONU 发送一个 OAM 报文（此 OAM 报文可以用新定义的一种类型实现）。它所 要携带的信息包括该主机的 MAC 地址和该组播组的组播组的 MAC 地址。只有该 LLID 所 标识的 ONU 会受到此 OAM 报文，它受到后首先在自己的 MAC 地址转发表中找到该 MAC 地址所对应的主机所连的接口，然后系能一个转发表项，以该组播 MAC 地址为该转发表项 的 MAC 地址，刚获取的 PC 机所连接口为出接口，如果过

15、了一段时间又收到 OLT 发来的带 有同一组播 MAC 地址的另一 PC 机的 MAC 地址的新的 OAM 报文后，要把另一 PC 机所连 的接口也加入那条转发表项的接口集合中。这样在 ONU 端就很好的建立起了接口与组播地 址的转发关系对应表。离开过程 OLT 也需要给 ONU 发送 OAM 报文通知 ONU 在对应的转发表项的接口集合 中删除某一个接口即可。3.2 数据转发机制（数据流）OLT 收到路由器下发的组播数据后，只要发现 MAC 地址是组播地址，就仅是填上广播 的 SCB 形式的 LLID 后下发。ONU 收到后跟单播报文的处理方式类似，就是简单的以目的 MAC 查找转发表后从出

16、接口转发而已。但此处需要特别注意的是此种转发表的出接口可能 不止一个，要在出接口列表中的所有出接口都转发该组播报文。3.3 其他实现方法根据同样的思路还有一下几种类似方法介绍如下：仅在 ONU 实现。此种方法是由 ONU 监测 IGMP 报文以(S,G)建立对应关系供转发报文 使用，对路由器下发的组播报文，OLT 会广播给所有的 ONU。以 ONU 为主的混合方式。此种方式与上一种的区别是，ONU 在得到组播信息后要采 用一种 OAM 报文告知 OLT，使得 OLT 端也能知道接口与（S,G）的对应关系。仅在 OLT 端实现。此种方式由 OLT 单独监听 IGMP 报文，记录哪个 ONU 的报

17、告，同 时建立组播组与源和 ONU 的对应关系。当 OLT 转发组播数据时，查找到 N 个目的 ONU 后，复制 N 份数据，直接转发给所对应的 ONU 即可。3.4 实现小结通过比较我们看出，本文提出的以 OLT 为主的混合实现方式，看似实现方式较为繁琐 且舍近求远，但却有其特定的应用场合。在 EPON 系统中，OLT 和 ONU 是一对多的关系， 因此整个系统的成本与 ONU 的成本关系很大。如果按照上文提到的在 ONU 侧实现的方案， 则 ONU 的复杂度要增加很多，对 CPU，操作系统和软件模块的支持要求较高。EPON 系统 的成本会由于 ONU 的数量而成倍的增加，其负面效应是可观的

18、。如果我们按照“在 OLT 侧 和 ONU 侧均实现方法 2”的方案实现，由于 ONU 侧只不过把组播 MAC 也放入单播转发表 中，因此 ONU 侧的改动是非常微小的，对成本的影响也会比其他方法小。因此，我们可以 在基于降低成本的考虑上采用本文提出的这种方案。4. 实现与比较为了验证协议实现的正确性，搭建了下图所示拓扑进行测试。选用 GWTT 的 EPON 设 备，以 vxworks 为平台加入了本协议的实现代码。其中 PC 机作为接收者均用 sniffer 模拟 IGMPv3 报告实现加入组播频道(指定组和源)，其中组均为 224.10.0.2，源加入采用包含模式， 具体源如图 1。然后用

19、 1 台 PC 作数据源发送各个频道的组播数据流此处将源 PC 仿真成 7 个数据源，根据参考文献【2】，7 个源均仿真为独立的泊松数据源，即在 t 时间内发送的报文 个数符合泊松分布，报文长度符合负指数分布。同时在接收者上面用 sniffer 抓一定量的报 文进行检验。经抓取的报文得知，协议确实能够根据频道确保组播数据发到相应的接收者处，具体测 试用例以及检查点不赘述。图 1 仿真拓扑图为了与普通 EPON 系统做对比，我们定义了 EPON 系统中 OLT 向每个 ONU 的接口转发数据报文的个数为数据转发负担。我们测试两种情况下的数据转发负担。情况一：ONU 侧接口数量固定，连续发送数据。

20、情况二：ONU 侧接口数增加，而在一定时间内发送数据。 实验拓扑图同为图 1，实验配置与上文同。经过统计得出 EPON 两种情况的数据转发负担分 别由图 2 和图 3 所示。图 2 转发负担图（随时间变化）图 3 转发负担图（随接口变化）通过实验结果可见，在加入了 IGMPV3 SNOOPING 后，不管是接口数固定还是时间固定接口数递增的情况情况下 EPON 系统的转发负担得到改善，从而可以大大降低 EPON 系 统对无用数据的转发负担。使 EPON 系统转发效率得到充分改善。5.结束语IGMPSnoping 使 EPON 系统的实际问题之一，可以提高组播业务的效率。本文提出 IGMPv3

21、snooping 协议基于 EPON 的实现方案。鉴于当前 IETF 没有给出 IGMPv3 snooping 协议规范，因此本文对边缘交换机上的源指定组播有一定参考价值。同时通过实验比较得出 v3 snooping 在数据报文转发方面和 v2 snooping 相比有了重大改善。参考文献1 王军 等。“交换式以太网上的多播协议”J，软件学报2004 Vol14，No3 2 周炯鎜 通信网理论基础北京 北京邮电大学出版社 19883 Fenner W. RFC 2236 November 1997 Internet group management protocol , Version 24

22、B. Cain. RFC 3376 October 2002Internet Group Management Protocol, Version 3A Discussion Of IGMP Snooping Implement On EPONPeng Da, Ma Dongchao, Chen XueBeijing University of Posts & Telecommunications （100876）AbstractWith peoples demand on multicast sush as IPTV have became stronger an stronger,the

23、multicast as anew business attracted more and more attention.In order to improve the multicast data forwarding efficiency on edge network, we bring out a scheme of source-specific multicast for Ethernet switching. It is based on the IGMP v3 snooping, the most recent internet group management protoco

24、l.EPON is a kind of broadband access.It also can be regard as a Ethernet switching.Then it also needs a better Snooping.This paper present a scheme that IGMPv3 snooping implement on EPON.The source-specific multicast data are forwarded by snooping the IGMPv3 packet and state.This paper describes the

25、 operation of management and data flow and simulates the mechanism. Furthermore, the scheme is compared with the IGMPv2 snooping and simulation results show that the scheme can improve multicast data forwarding efficiency.Keywords: IGMPv3 Snooping Multicast; IGMP; EPON作者简介： 彭达（1983），男，沈阳人，北京那个邮电大学硕士研究生，研究方向为组播，接入网。 马东超（1980），男，北京人，北京邮电大学博士研究生，研究方向为组播、接入网、计 算机网络。陈雪，女，北京邮电大学电信工程学院教授，博士生导师，研究方向为接入网。