IGMP Snooping在IPTV業(yè)務二層設備上的實現(xiàn)研究

摘 要：主要闡述組播的基本概念、IGMP協(xié)議及IGMP Snooping的原理，并對IPTV直播業(yè)務中的二層設備上的IGMP Snooping進行了實現(xiàn)研究。

關鍵詞：組播；IGMP Snooping；二層；IPTV

中圖分類號：TP393.07

隨著寬帶網(wǎng)絡的技術的快速發(fā)展，家庭寬帶用戶的逐漸普及，三網(wǎng)融合也已經(jīng)逐步開始實施。IPTV業(yè)務是三網(wǎng)融合的一個重大切入點，是一種利用寬帶IP網(wǎng)絡，向家庭用戶提供包括數(shù)字電視在內的多種交互式服務的嶄新技術。組播技術因為網(wǎng)絡利用率高、時性好成為IPTV直播業(yè)務中一項關鍵技術。本文主要著重于闡述基于IGMP協(xié)議上的IGMP Snooping（組播偵聽）二層組播技術在IPTV直播業(yè)務中的實現(xiàn)研究。

1 組播與IGMP

1.1 單播、廣播與組播

IP通信有三種方式：單播、廣播、組播。組播是一種單點到多點的協(xié)議體系，它將IP數(shù)據(jù)包從一個源地址傳送到多個目的地，但數(shù)據(jù)拷貝只傳輸一份。組播傳輸方式下，即使用戶數(shù)量成倍增長，主干帶寬不需要隨之增加。與單播相比，多播可以大大的節(jié)省網(wǎng)絡帶寬，提高了數(shù)據(jù)傳送效率；與廣播相比又減少了主干網(wǎng)出現(xiàn)擁塞的可能性，避免了廣播的“泛洪”。

1.2 組播報文中的組播IP與組播MAC

對于組播報文來說，其目的IP是組播IP地址，而目的MAC是組播MAC。在三層IP層中，組播報文的目的IP地址采用D類IP地址，范圍從224.0.0.0到239.255.255.255。組播MAC根據(jù)組播IP映射，強制MAC的頭25bit為01-00-5e，后23位對應IP地址的后23bit，即IP地址前9個bit丟棄不用，前面加上01-00-5e得出的即是該組播IP地址對應的MAC。

1.3 IGMP協(xié)議

IGMP具有三種版本，IGMP v1、v2和v3。本文主要以IGMP v2為實現(xiàn)對象，IGMP協(xié)議報文主要分為加入（Report）、離開（Leave）、查詢（Query）三種報文。主機可以向路由器或交換機請求加入（Report）或離開（Leave）某個組，網(wǎng)絡中的路由器和交換機有選擇的復制并傳輸數(shù)據(jù)，即只將組內數(shù)據(jù)傳輸給那些加入組的主機。主機加入某個組之后會定期收到查詢者發(fā)來的組播查詢（Query）報文，主機定期回復Report以維持該組的加入狀態(tài)。

2 IPTV直播業(yè)務中的IGMP Snooping

2.1 IGMP Snooping原理

IGMP Snooping是運行在二層設備上的組播約束機制，用于管理和控制組播組，是工作在二層的組播技術。簡單來說，IGMP Snooping是為了防止二層設備上組播報文的泛洪，監(jiān)聽IGMP協(xié)議包并提取相應信息，形成組播轉發(fā)表，然后對組播業(yè)務根據(jù)組播轉發(fā)表將組播數(shù)據(jù)流轉發(fā)到正確的端口。

2.2 IGMP Snooping實現(xiàn)研究

2.2.1 IGMP與IPTV業(yè)務研究

IPTV業(yè)務中，對于作為終端的機頂盒，通過發(fā)送IGMP協(xié)議的加入（Report）報文通知IPTV媒體服務器自己希望加入某個組（頻道）并接收某個特定組播組的信息，服務器才會下發(fā)對應頻道的組播流使用戶能收看到該頻道。機頂盒通過發(fā)送IGMP離開（Leave）報文通知服務器希望離開并不再接收某個組的信息，該頻道組播流就會不再下發(fā)給該機頂盒。IPTV媒體服務器來通過IGMP協(xié)議查詢（Query）報文周期性地查詢所有組或某個組的成員是否處于活動狀態(tài)，機頂盒收到查詢報文（Query）時需要回復加入報文（Report）以維持加入狀態(tài)使頻道組播流一直持續(xù)。

2.2.2 框架

如下圖，將二層設備上的控制平面和轉發(fā)平面獨立開，以減少相互影響。二層設備處在機頂盒與媒體服務器之間，在控制平面監(jiān)聽、分析IGMP協(xié)議報文，提取信息配置到組播轉發(fā)表，而轉發(fā)平面根據(jù)組播轉發(fā)表對UDP組播數(shù)據(jù)流進行轉發(fā)。

圖1

對于Report加入和Leave離開報文，控制平面提取出報文中的目的IP（組播IP地址）、源端口（二層設備上從哪個端口收到這個報文）、源MAC（發(fā)出請求的設備源MAC地址），并將這些信息配置到組播轉發(fā)表中。此外，二層設備透明的轉發(fā)IGMP協(xié)議報文。

2.2.3 組播轉發(fā)表

組播轉發(fā)表的關鍵字為組播IP地址，一個組播地址對應一條組播轉發(fā)條目，所有的組播條目可用哈希表或鏈表等形式組織起來。當一個下掛設備發(fā)來請求加入組播IP1，源端口為PortA，源MAC為Mac1，控制平面查看組播轉發(fā)表中如果沒有這個組播IP，則添加組播IP1到表中，并將源端口PortA掛到組播IP1下的端口鏈表中，再將源MAC地址Mac1掛到源端口下。如果另個下掛設備請求加入同一個組播組IP1，源端口PortB，源MAC為Mac2，因為IP1已經(jīng)存在，則找到組播IP1的條目，將PortB掛到組播IP1的端口鏈表中PortA后面，并將Mac2掛到PortB的Mac鏈表中。此時，這條組播轉發(fā)條目如下圖所示。

圖2

二層設備轉發(fā)數(shù)據(jù)包時，如果碰到目的MAC為01-00-5e開頭的報文，則認為是組播報文，進一步分析出目的組播IP地址，在組播轉發(fā)表中根據(jù)組播IP查找應該往哪一個或哪些端口發(fā)送，如上圖中如果是組播IP1的數(shù)據(jù)流則發(fā)送到PortA和PortB，其他端口不會轉發(fā)，避免了組播流在各個端口的泛洪。

另外，對于一些二層設備上如果存在無線端口，需要通過組播轉發(fā)表中記錄的MAC地址來替換組播流的目的組播MAC地址，將其替換為單播MAC地址，再發(fā)送到無線端口，才能使另一端的無線設備收到組播流。

3 結束語

IGMP Snooping解決了二層設備上組播報文的泛洪，大大提高了二層設備上對組播報文的轉發(fā)效率，并減少了網(wǎng)絡擁塞。本文基于三網(wǎng)融合下的IPTV業(yè)務環(huán)境，闡述了IGMP Snooping在二層設備上的原理及具體實現(xiàn)，并通過實驗驗證了實現(xiàn)方案有效、可行。

參考文獻：

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作者單位：貴州大學職業(yè)技術學院，貴州黔東南苗族侗族自治州 556000；黔東南民族職業(yè)技術學院，貴州黔東南苗族侗族自治州 556000