互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議窺探技術(shù)及其在以太網(wǎng)總線雷達系統(tǒng)中的應(yīng)用

張博君 梁文博 漆先虎

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，點到多點、多點到多點的數(shù)據(jù)傳輸形式已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于工程實踐中。采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)單播方式來完成點到多點、多點到多點的數(shù)據(jù)傳輸，不僅增加了網(wǎng)絡(luò)負荷，而且極大的消耗了網(wǎng)絡(luò)帶寬，明顯已經(jīng)不能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨罅恕４藭r，互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議應(yīng)運而生，能較好的解決上述問題。但互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議并不是完美的，它是一個三層(網(wǎng)絡(luò)層)協(xié)議，可以減少三層設(shè)備(路由器)上不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，但并不能減少二層(數(shù)據(jù)鏈路層)設(shè)備(交換機)上不必要的網(wǎng)絡(luò)流量。IGMP Snooping技術(shù)則是為了減少二層組播過程中不必要網(wǎng)絡(luò)流量提出的一種運行在二層設(shè)備上的優(yōu)化協(xié)議。

2 以太網(wǎng)總線雷達系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蠹敖鉀Q方案

以太網(wǎng)總線雷達系統(tǒng)中的某些數(shù)據(jù)，例如:雷達跟蹤目標時的電視或紅外數(shù)字視頻流、目標航跡、點跡、雜波圖、火控信息、故障信息等，要求同時發(fā)送給多個分系統(tǒng)，屬于點到多點的數(shù)據(jù)傳輸方式，各分系統(tǒng)通過這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)雷達的工作狀態(tài)監(jiān)控及控制。采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)單播方式明顯已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，此時只有采用組播方式才能夠較好解決該問題。出于網(wǎng)絡(luò)最小化和工程成本的考慮，以太網(wǎng)總線雷達系統(tǒng)一般采用軍工級的交換機來構(gòu)建總線系統(tǒng)。而交換機屬于二層設(shè)備，那么如何減少二層設(shè)備中不必要的組播流量，來減輕網(wǎng)絡(luò)負荷，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，就成為以太網(wǎng)總線雷達系統(tǒng)需要解決的問題。支持IGMP Snooping技術(shù)的交換機能很好的管理二層組播數(shù)據(jù)傳輸。能夠很好的解決上述問題。

3 IGMP Snooping概述

IGMP協(xié)議是一個三層(網(wǎng)絡(luò)層)協(xié)議，而交換機屬于二層設(shè)備，如果我們采用交換機來搭建一個雷達總線系統(tǒng)，那么就必須有一個運行在二層設(shè)備上的組播約束機制，來對組播組進行管理。

IGMP Snooping作為二層組播協(xié)議，就是為了避免交換機冗余轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)導(dǎo)致帶寬損失而產(chǎn)生的。它是運行在二層(數(shù)據(jù)鏈路層)設(shè)備上的組播約束機制，用于管理和控制組播組。

它的基本思想是，通過偵聽IGMP成員報告報文和離開報文來維護二層組播表。管理交換機各端口的組播組成員，從而確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的成員對象。

4 IGMP Snooping原理及實現(xiàn)

在沒有IGMP Snooping功能的交換機中，收到組播報文的端口將向其他所有端口轉(zhuǎn)發(fā)組播報文。如圖1所示，主機A、B是組播報文發(fā)送機與交換機1連接，主機 C、D、E、F、G 與交換機2連接，其中主機C、D是與主機A處于同一組播組的組播報文接收機。主機E、F、G是與主機B處于同一組播組的組播報文接收機。當主機A發(fā)送組播報文時，不具備IGMP Snooping功能的交換機1將轉(zhuǎn)發(fā)組播報文到主機B和交換機2。如果交換機2也不具備IGMP Snooping功能，此時它將向它的所有端口洪泛組播報文，即向主機C、D、E、F、G都發(fā)送組播報文，而主機B、E、F、G是不需要該組播報文的。同樣當主機B發(fā)送組播報文時，交換機1將轉(zhuǎn)發(fā)組播報文到主機A和交換機2。交換機2也將向C、D、E、F、G都發(fā)送組播報文，而主機A、C、D是不需要該組播報文的。這樣就會造成不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，增加了網(wǎng)絡(luò)負擔，如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和數(shù)據(jù)量很大的話，這種無關(guān)的組播流量會對網(wǎng)絡(luò)性能造成很嚴重的影響。

圖1 無IGMP Snooping功能的組播數(shù)據(jù)傳輸示意圖

如果交換機實現(xiàn)了IGMP Snooping功能，那么交換機在轉(zhuǎn)發(fā)組播報文時，將僅向注冊有組播報文接收機的那些端口轉(zhuǎn)發(fā)組播報文。如圖2所示，圖中實線表示一組組播數(shù)據(jù)傳輸，虛線表示一組組播數(shù)據(jù)傳輸，可以看出如果交換機具備了IGMP Snooping功能，那么主機A的數(shù)據(jù)只會發(fā)給與它同一組播組的主機C、D。主機B的數(shù)據(jù)只會發(fā)給與它同一組播組的主機E、F、G。這樣會大大減少網(wǎng)絡(luò)中不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，很好的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。

IGMP Snooping主要有兩個任務(wù)，一個是通過對IGMP報文的監(jiān)聽及二層組播表維護來減少不必要的組播數(shù)據(jù)流量。另一個是根據(jù)組播表中的組播成員信息轉(zhuǎn)發(fā)組播報文。

IGMP協(xié)議報文有三種類型:IGMP查詢報文、IGMP成員報告報文以及IGMP離開報文。IGMP Snooping通過監(jiān)聽IGMP成員報告報文和IGMP離開報文，來維護二層組播表。圖2中交換機1的組播表如表1所示。圖2中交換機2的組播表如表2所示。

圖2 有IGMP Snooping功能的組播數(shù)據(jù)傳輸示意圖

表1 交換機1二層組播表

表2 交換機2二層組播表

表1和表2中的第一列(組播組成員主機)在實際組播表中是沒有的，這里是為了方便大家理解，實際的組播表只包括組播MAC地址、組播IP地址、端口掩碼這三項。有些組播表還有端口生存時間這一項，它的作用是表示端口生存時間，當定時器計時到一定時間后，端口生存時間減為0，則自動從組播組中刪除該端口。由于大部分的應(yīng)用都是當發(fā)送離開報文時，組播組成員才離開組，所以這里我們對端口生存時間不做討論。

表1和2中主機A、C、D為同一組播組，主機B、E、F、G為同一組播組，組播MAC地址為組播組對應(yīng)的MAC地址，組播IP地址為組播組對應(yīng)的IP地址。端口掩碼為16位二進制數(shù)，每一位二進制位表示交換機的一個端口，若為“1”表示該端口連接的是組播組成員，“0”則不是。

圖2中主機 A、C、D屬于組播 IP地址為255.0.0.1的組播組，對應(yīng)的MAC地址為01:00:2C:01:21:30。主機B、E、F、G屬于組播 IP地址為255.0.0.2的組播組，對應(yīng)的MAC地址為01:00:2C:01:21:31。結(jié)合表1中的端口掩碼和圖2可以看出主機A連接在交換機1的0端口，主機B連接在交換機1的1端口。結(jié)合表2中的端口掩碼和圖2可以看出主機C、D分別連接在交換機2的2、3端口，主機E、F、G 分別連接在交換機 2的 4、5、6端口。表1和2中端口掩碼的第15位都為“1”，表示交換機1與交換機2是通過15端口相連接的。那么IGMP Snooping的工作過程如下，以主機A、C、D這一組播組為例:

a.交換機1定時向整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送IGMP查詢報文。發(fā)送給主機C、D的查詢報文由交換機1發(fā)給交換機2，然后由交換機2轉(zhuǎn)發(fā)。

b.當主機A接收到此報文后，會以IGMP查詢報文對應(yīng)以太幀中的源MAC地址為目的MAC地址，以主機A所在組播組的MAC地址01:00:2C:01:21:30為源MAC地址，發(fā)送IGMP報告報文，通知交換機1端口0存在一個組播組成員，交換機1從端口0接收到IGMP成員報告報文后，從對應(yīng)的以太幀中獲取目的MAC地址，即01:00:2C:01:21:30。此地址即為該組播組的MAC地址。對于主機C、D，交換機1將查詢報文發(fā)送給交換機2，交換機2轉(zhuǎn)發(fā)給主機C、D，主機C、D同樣以IGMP查詢報文對應(yīng)以太幀中的源MAC地址為目的MAC地址，以主機C、D所在組播組的MAC地址01:00:2C:01:21:30為源MAC地址返回報告報文給交換機2，交換機2再轉(zhuǎn)發(fā)給交換機1。

c.交換機1查找組播表，若表中有對應(yīng)的組播MAC地址，則將端口掩碼對應(yīng)位置置為“1”。本例如表1所示，交換機1端口0連接的是主機A，端口15連接的是交換機2，由于交換機2轉(zhuǎn)發(fā)主機C、D的報告報文，所以交換機1認為與交換機2相連的端口15也是組播組成員，故將端口掩碼置為1000 0000 0000 0001，即端口0和15都是該組播組成員。

對于交換機2，它也會定時向整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送IGMP查詢報文，收到交換機1和主機C、D的IGMP報告報文后，它也會建立一個如表2所示的組播表。由于交換機1轉(zhuǎn)發(fā)主機A的報告報文，所以交換機2認為與交換機1相連的端口15也是組播組成員。該組播MAC地址和組播IP地址與表1中主機A所在組相同，表示主機A、C、D在同一組播組。將端口掩碼置為1000 0000 0000 1100，表示交換機2 的2、3、15 端口相連的主機C、D和交換機1都是該組播組的成員。

d.若主機C、D被設(shè)置為不再接收組播組255.0.0.1的組播報文，則主機C、D會立即發(fā)送一個IGMP離開報文到IGMP查詢者，即交換機1和2。對于交換機1來說，主機C、D的離開報文由交換機2轉(zhuǎn)發(fā)，那么交換機1認為與交換機2連接的端口15不再是該組播組的成員，收到離開報文后它會刪除交換機1組播表中的對應(yīng)項，即將端口15從表中該組刪除，即將端口掩碼對應(yīng)項置為0。對于交換機2來說，它也會將端口2、3(即主機C、D)，從交換機2組播表中的對應(yīng)項中刪除，這樣主機C、D將不再是該組播組的成員，不再接收該組播組的數(shù)據(jù)。

e.組播報文的轉(zhuǎn)發(fā)過程是這樣的，當交換機1收到主機A發(fā)送的組播報文時，它會取出組播報文的目的MAC地址，即01:00:2C:01:21:30，也就是組播MAC地址。然后在組播表中查找該MAC地址對應(yīng)的表項，若找到對應(yīng)項，則根據(jù)端口掩碼直接向該組成員轉(zhuǎn)發(fā)組播報文。若沒找到對應(yīng)表項則丟棄該組播報文。

以上就是IGMP Snooping的工作過程，對于主機B、E、F、G這一組組播組，工作過程與主機A、C、D這一組組播組是相同的。如果組播報文的發(fā)送方不是主機 A、B，而是主機 C、D、E、F、G 中的任意一臺或者幾臺，它的工作過程和以上介紹的是相同的。

5 IGMP Snooping技術(shù)在以太網(wǎng)總線雷達系統(tǒng)中的應(yīng)用

以太網(wǎng)總線雷達系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基本框圖如圖3所示。以太網(wǎng)總線雷達系統(tǒng)一般具有兩臺交換機，圖3中的交換機1一般安裝在雷達箱體內(nèi)，交換機2一般安裝在雷達操控方艙中。兩臺交換機通過雷達匯流環(huán)中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。

圖3 以太網(wǎng)總線雷達系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基本框圖

在雷達系統(tǒng)中某些分系統(tǒng)往往同時需要某一分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，所以某一分系統(tǒng)就需要同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給多個分系統(tǒng)。比如某些支持遠程終端的雷達系統(tǒng)，因為需要電視/紅外數(shù)字視頻同時顯示在本地終端和遠程終端上，所以必須要采用組播的通信方式。但如果圖3中的交換機1和2不具備IGMP Snooping技術(shù)的話，那么當數(shù)字視頻由電視/紅外跟蹤器發(fā)送給交換機1和交換機2后，交換機1和2將向所有與它相連的端口洪泛數(shù)字視頻，本來不需要數(shù)字視頻的端口也會收到該數(shù)據(jù)，這樣將會影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能，嚴重的還會造成整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。如果采用了IGMP Snooping技術(shù)，那么數(shù)據(jù)只會發(fā)送給注冊有組播成員的端口，這樣將大大減少不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。

6 結(jié)束語

本文對IGMP Snooping技術(shù)進行了介紹和分析，通過分析可以看出將IGMP Snooping技術(shù)應(yīng)用于以太網(wǎng)雷達總線系統(tǒng)的交換機中，將大大減少組播過程中不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。所以雷達系統(tǒng)設(shè)計師在選擇構(gòu)建以太網(wǎng)總線雷達系統(tǒng)的交換機時，應(yīng)選擇支持IGMP Snooping技術(shù)的交換機。

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