基于eNSP的組播配置實驗
2014-04-29 00:00:00何俊
計算機光盤軟件與應用 2014年7期
摘 要：本文首先對路由協(xié)議與組播協(xié)議和進行簡述，其次通過eNSP模擬器完成網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)配置和多播配置，最后通過實驗測試來驗證這一方法的可行性，并對應用過程中的易發(fā)生的錯誤進行總結(jié)。
關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)；路由協(xié)議；組播協(xié)議；eNSP模擬器
中圖分類號：TP391.6
1988年Steve Deering在其博士論文中提出了IP組播的概念，但是互聯(lián)網(wǎng)的復雜性給IP組播的發(fā)展帶了巨大的困難，因為在互聯(lián)網(wǎng)中的路由器并不都能很好地支持IP組播協(xié)議。盡管如此，IP組播協(xié)議還是向前發(fā)展，并在廣播、視頻會議與實況轉(zhuǎn)播等各領(lǐng)域獲得了廣泛的應用，使傳播變得更高效、快捷。
1 路由協(xié)議
路由協(xié)議包括靜態(tài)和動態(tài)路由。靜態(tài)路由的特點是簡單、開銷小，但不能及時應對網(wǎng)絡(luò)的變化，需人工手動配置路由表，即直連路由；動態(tài)路由的特點是復雜、開銷大，但能很好地適應網(wǎng)絡(luò)的變化。動態(tài)路由又分為距離-向量路由算法和鏈路狀態(tài)路由算法。距離-向量路由算法的典型代表就是RIP，RIP以固定的時隙和相鄰的路由器交換信息，發(fā)送的信息是網(wǎng)絡(luò)距離和下一條路由器，且范圍限制在15跳以內(nèi)。鏈路狀態(tài)路由算法的典型代表是OSPF，OSPF采用分層結(jié)構(gòu)，上層的是骨干區(qū)域，標識符為0.0.0.0；下層稱為下層區(qū)域，其標識符可以是1.1.1.1或2.2.2.2等；骨干區(qū)域通過邊界路由器連接下層區(qū)域。OSPF分層結(jié)構(gòu)使交換信息的種類增加，協(xié)議更加復雜，但每一個區(qū)域內(nèi)交換的信息大大減少，使OSPF可以適用于大規(guī)模的自治系統(tǒng)。OSPF僅當網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生改變時，才向相鄰路由器發(fā)送鏈路狀態(tài)信息，相鄰路由器得到信息后修改路由表，并將此信息從各端口發(fā)送給與它相鄰的路由器（除來的端口外），最終使整個自治系統(tǒng)內(nèi)所有路由器保持鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫同步，即全自治系統(tǒng)維持同一個網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。
2 組播協(xié)議
2.1 組播的地址
組播相對于單播和廣播而言，具有效率高，CPU負載輕，冗余流量少的特點。組播地址也與單播和廣播不同，組播地址是D類地址，前綴是“1110”，地址范圍是224.0.0.0-239.255.255.255。每一個D類地址標志一組主機（并非所有的D類地址都可以作為組播地址），而且組播數(shù)據(jù)報不產(chǎn)生ICMP差錯報文，換句話說，如果在PING命令后輸入組播地址，將永遠不會收到響應。
組播地址換算為MAC地址：假設(shè)組播地址為224.0.0.1，先把IP地址轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制數(shù)：224.0.0.1->11100000.00000000.00000000.00000001；接著只映射IP地址的后23位，因為MAC地址是用十六進制表示的，所以只要把二進制的IP地址4位一組合就可以了，其中第24位取0，即00000000.00000000.00000001，換成十六進制數(shù)為00-00-01。然后再在前而加上固定的首部，即01-00-5E，最后結(jié)果是01-00-5E-00-00-01。
顯然，01-00-5E-00-00-01對應的組播地址并不是唯一的，32位組播地址頭8位是中前4位是“1110”，后4位是任意的，加上第24位也是任意的，所以共對應32個IP組播地址。但這一組32個組播IP地址，同時出現(xiàn)在一個本地局域網(wǎng)絡(luò)里的概率很小，如果出現(xiàn)了，那么加入其中一個組的主機能收到另一個組的組播報，但是該主機的上層協(xié)議會做出判斷，丟棄不屬于自己的組播報。
2.2 組播傳輸路徑與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)
源主機向多個目的主機發(fā)送數(shù)據(jù)包的路徑可以描述為一棵樹，稱之為組播分布樹，分布樹包括有源樹和共享樹；組播源作為根結(jié)點，目的主機為葉子結(jié)點，其間以最短路徑連接的樹即為有源樹，也稱最短路徑樹SPT（Shortest Path Tree），其特點是路徑最優(yōu)，延時最小，但占用內(nèi)存較多；共享樹與有源樹的區(qū)別就是根的不同，其用網(wǎng)絡(luò)中一些點做為公共樹根，也叫匯合點RP（Rendezvous Point），其特點是占用內(nèi)存少，但路徑不是最優(yōu)，并引入了額外的延時。
組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是逆向轉(zhuǎn)發(fā)，當路由器收到組播數(shù)據(jù)報文后，依據(jù)單播路由表查找組播報文源地址的路由接口，如果該路由信息接口就是數(shù)據(jù)報文的入接口，則向分發(fā)樹的下游轉(zhuǎn)發(fā)，否則，丟棄。這一轉(zhuǎn)發(fā)機制稱為“逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)”機制（RPF，Reverse Path Forwarding），避免環(huán)路的產(chǎn)生。
2.3 組播體系結(jié)構(gòu)
組播協(xié)議包括主機-路由器（含三層交換機）之間的組成員關(guān)系協(xié)議和路由器-路由器之間的組播路由協(xié)議；組成員關(guān)系協(xié)議典型代表為互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議IGMP（Internet Group Management Protocol），組播路由協(xié)議包括域內(nèi)組播路由協(xié)議及域間組播路由協(xié)議；域內(nèi)的組播路由協(xié)議又包括密集模式與稀疏模式。密集模式主要有PIM-DM（Protocol Independent Multicast-Dense Mode ）、DVMRP（ Distance Vector Multicast Routing Protocol），稀疏模式主要有PIM-SM（Protocol Independent Multicast-Sparse Mode）。
2.4 IGMP的工作原理
在一般的網(wǎng)絡(luò)中，源主機與目的主機分屬在不同的子網(wǎng)中，路由器會將源主機的組播報文隔離本地子網(wǎng)中，這樣就需要路由器將組播報文轉(zhuǎn)發(fā)給目的主機所在的子網(wǎng)，目的主機無法直接接收源主機的組播流。
主機與路由器交互信息的IGMP協(xié)議目前最高為V3版，所有要加入組播組的主機和所有連接到有組播主機的子網(wǎng)中的路由器都必須使用IGMP，IGMP消息不能被路由器轉(zhuǎn)發(fā)，只能限制在本地網(wǎng)段內(nèi)部。IGMP的TTL參數(shù)永遠是1，保證了IGMP的使用范圍。
當一臺主機要加入某個組播組，它會主動向組播路由器發(fā)送Membership Report消息，路由器通過向全子網(wǎng)主機（地址為224.0.0.1）發(fā)送General Query消息響應主機發(fā)送的消息，想要加入組播的主機收到消息后再做出響應，發(fā)出Membership Report消息，路由器即向全子網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)組播流；同時路由器以一定的時間間隔發(fā)送General Query消息來輪詢所接端口有無組員存在，如3次皆無響應，則不再向該端口轉(zhuǎn)發(fā)組播報文。當目的主機要離開組播組時，它要先向本地組播路由器發(fā)送Leave Group消息，地址為組地址224.0.0.2，即全子網(wǎng)路由器，當本地路由器收到消息后，必須判斷子網(wǎng)中是否仍有其它組員存在，于是向全子網(wǎng)主機發(fā)出Group-Specific Query消息，若同一子網(wǎng)中還有其他主機需要組播報文轉(zhuǎn)發(fā)時，其他主機向路由器發(fā)出Membership Report消息，路由器繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)組播報文，否則，停止轉(zhuǎn)發(fā)。
以上工作流程可知，IGMP必須對全子網(wǎng)主機轉(zhuǎn)發(fā)，這浪費了子網(wǎng)帶寬和主機資源，因此引入了IGMP Snooping協(xié)議，IGMP Snooping 工作于二層交換機，使得交換機只向有需要的目的主機轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)，而不向無需要的端口轉(zhuǎn)發(fā)。
3 網(wǎng)絡(luò)配置實驗
本次實驗采用了eNSP模擬器，eNSP是華為旗下免費的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，圖形化界面，包含的仿真設(shè)備極其豐富，支持大型網(wǎng)絡(luò)模擬，可以做為學習和網(wǎng)絡(luò)布署實施前的測試，所得實驗數(shù)據(jù)均為模擬數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)足以證明在真實環(huán)境下配置命令的可行性與正確性。
3.1 基礎(chǔ)配置
0區(qū)與1區(qū)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1，全網(wǎng)通過IP協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，全網(wǎng)的設(shè)備端口IP 地址如圖1，全網(wǎng)通過OSPF路由協(xié)議實現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)，建立單播路由表。路由器與交換機基礎(chǔ)配置要點：
3.1.1 路由器端口配置步驟：
第一步，直接進入互連端口界面，命令如：
[AR1]interface gigabitethernet 0/0/0
配置過程中，如果忘了命令的全稱，可以用縮寫或用Tab 鍵自動補全功能。
第二步，進入端口界面后，直接配置IP 地址和子網(wǎng)掩碼，命令如：
[AR1-GigabitEthernet0/0/0] ip address 10.0.0.1 24
第三步，設(shè)置回環(huán)地址，如：
[AR1]interface loopback 0
[AR1-LoopBack0]ip address 1.1.1.1 32
第四步，配置OSPF協(xié)議時，要注意，局端的路由與交換機配置為0區(qū)，其它臺站的配置為1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)等。要包含回環(huán)地址和所有與路由器直接相連的網(wǎng)段，并注意子網(wǎng)掩碼的輸入格式，如：
[AR1]ospf 1
[AR1-ospf-1]area 0
AR1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 1.1.1.1 0.0.0.0
[AR1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.0.0 0.0.0.255
[AR1-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.1.0 0.0.0.255
第五步，邊界器的特點如圖1，與0區(qū)設(shè)置相連的的端口屬于0區(qū)，還用area 0命令，但與臺站端相連的端口則屬于1區(qū)或2區(qū)3區(qū)等，要用area 1或area 2等命令。如：
[AR2-ospf-1]area 0
[AR2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 2.2.2.2 0.0.0.0
[AR2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.0.0 0.0.0.255
[AR2-ospf-1]area 1
[AR2-ospf-1-area-0.0.0.1]network 10.1.0.0 0.0.0.255
最后，設(shè)備配置完成后，要注意保存，命令如下：
3.1.2 交換機與路由器的不同點是：
華為交換機不可以直接進入端口界面配置IP地址，而是要建立VLAN，給VLAN配置虛擬接口IP地址，簡稱虛地址。而后，要把物理端口放入相應的VLAN中，并設(shè)置通過特性來保證安全性。命令舉例如下：
[LSW1]vlan 1001
[LSW1]int vlan 1001
[LSW1-Vlanif1001]ip address 10.0.1.2 24
[LSW1-Vlanif1001]quit
[LSW1]interface gigabitethernet 0/0/1
[LSW1-GigabitEthernet0/0/1]port hybrid pvid vlan 1001
[LSW1-GigabitEthernet0/0/1]port hybrid untagged vlan 1001
圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖
3.1.3 基礎(chǔ)配置測試
按以上命令在eNSP模擬器上完成網(wǎng)絡(luò)配置，由于篇幅，配置過程從略。配置大體分兩步走，首先完成area0上的基礎(chǔ)配置，并在完成Client1上的配置（IP地址為10.0.2.2，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)為10.0.2.1），并在AR2上測試（ping）與Client1的連通性。其次完成area1上的基礎(chǔ)配置，并在完成Client2上的配置（IP地址為10.1.20.1，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)為10.1.20.254）， 并在Client2上測試（ping） 與Client1、Client3、Client4和Client5的連通性。實驗測試結(jié)果為連通性良好。
圖2 測試連通圖
3.2 組播配置
3.2.1 交換機和路由器的組播配置的要點：
第一步，在交換機和路由器上開通多播功能，命令如下：
[AR1]multicast routing-enable
第二步，進入設(shè)備的物理端口或VLAN虛接口，將接口配置為PIM SM 模式，命令如下：
[AR1]interface gigabitethernet 0/0/0
[AR1-GigabitEthernet0/0/0]pim sm
或
[LSW1]int vlan 1001
[LSW1-Vlanif1001]pim sm
第三步，在核心路由器上要配置c-bsr和c-rp， 命令如下：
[AR1]pim
[AR1-pim]c-bsr priority 10
[AR1-pim]c-bsr loopback 0
[AR1-pim]c-rp priority 10
[AR1-pim]c-rp loopback 1
第四步，為了實現(xiàn)組播rp的備份與負載均衡，即實現(xiàn)Anycast Rp， 在1區(qū)的核心路由器與0區(qū)的核心路由器之間的loopback0上建立MSDP鄰居關(guān)系，命令如下：[AR1]msdp
[AR1-msdp]ornating-rp LoopBack0
[AR1-msdp]peer 3.3.3.3 connect-interface LoopBack0
[AR3-msdp]ornating-rp LoopBack0
[AR3-msdp]peer 1.1.1.1 connect-interface LoopBack0
第五步，交換機有連接PC的接口，要開啟IGMP，命令如下：
[LSW3-Vlanif30]igmp enable
交換機有連接PC的vlan， 要開啟igmp-snooping，命令如下：
[LSW3-vlan30]igmp-snooping enable
3.2.2 全網(wǎng)組播配置測試
按以上命令在eNSP模擬器上依次完成各仿真設(shè)備的組播配置，由于篇幅，詳細配置過程從略。為測試組播流，需要在系統(tǒng)上安裝VLC media player做為組播服務(wù)端與客戶端，然后在client1設(shè)置組播源的文件路徑，組播組IP地址為225.1.1.1，組播組MAC地址為01-00-5E-01-01-01，源IP地址為10.0.2.2；在client2設(shè)置組播版本為Version2，并設(shè)置源IP為10.1.20.1，目的IP為225.1.1.1，目的MAC地址為01-00-5E-01-01-01，client3、client4及client5只需改一下源IP地址即可，不再贅述。
在client1上點擊運行按鈕，播放節(jié)目源，在client2、client3和client4上點擊加入按鈕及啟動VLC按鈕，測試結(jié)果如圖3，其中，client2、client3和client4的播出畫面與聲音幾乎同步，但三者與client1相比，有大約一秒的延時；通過在LSW4上測試可知，LSW4對client5也無組播報文轉(zhuǎn)發(fā)。
圖3 運行client1、client2、client3和client4
4 結(jié)束語
組播配置的成功與否，關(guān)鍵是首先做好基礎(chǔ)配置，因為組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是依據(jù)單播路由表查找組播報文源地址的路由接口，所以源主機與目的主機一定要連通后才可以做組播配置；其次，只能使用一種組播路由協(xié)議（本例中使用pim-sm），并且在核心路由器上要配置c-bsr和c-rp。組播配置如果不成功，可以通過調(diào)試，找到故障點：首先查看LSW3上的組播轉(zhuǎn)發(fā)表是否建立，即：
參考文獻：
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作者簡介：何?。?976-），男，福建上杭人，節(jié)傳機房主任，工程師，本科，研究方向：節(jié)目傳輸。
作者單位：國家新聞出版廣電總局731臺，福建龍巖 364000
