CN100499530C - 一种ip组播路由转发优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IP组播路由转发优化方法。在运行PIM-SM协议的IP转发设备中，本方法仅使用源地址和组地址即(S，G)路由进行组播转发；对于非(S，G)路由生成虚拟(S，G)路由进行组播转发。采用该方法使PIM-SM在转发过程中只使用(S，G)路由实现转发功能，提高了PIM-SM协议的转发效率，还可以使原本只支持DVMRP和PIM-DM协议的硬件设备可以通过更换软件而直接支持PIM-SM协议。该方法可以应用于路由器或IP交换机等转发设备，提高设备转发效率。

Description

一种IP组播路由转发优化方法

所属领域：

本发明涉及的是一种网络组播方法，特别是一种IP网络组播优化方法，属于计算机网络通信领域。

背景技术：

组播路由协议是IP(互联网络协议)网络第三层上实现组播报文转发的路由控制协议。组播路由协议的功能是为组播报文的转发提供路由信息，也就是向转发引擎说明应该将收到的组播报文转发到哪些方向。目前常用的IP组播路由协议有三种类型：DVMRP(距离向量组播路由协议)、PIM-SM(协议无关组播路由协议之稀疏模式)和PIM-DM(协议无关组播路由协议之密集模式)。

转发引擎是在IP转发设备中按路由表的指示，具体执行报文转发功能的部件。为了实现组播报文高速转发，设备中的转发引擎通常使用硬件实现。而硬件转发在提高了转发效率的同时，也带来了一些限制，比如不能很好地支持复杂的处理过程，提高产品成本等。组播路由协议和组播转发引擎在设备中的关系参见图1：其中图中箭头表示路由提交方向，1是物理接口，2是链路层协议，3是IP转发引擎，4是IP层，5是TCP/UDP协议层，6是单播路由协议层，7是组播路由协议层。

对于DVMRP和PIM-DM协议，它们只使用(S，G)路由，转发处理过程比较简单。其中(S，G)路由是一种组播路由类型，路由匹配条件为源地址和组地址。由于这两个协议只使用(S，G)路由，不使用(*，G)路由和(*，*，RP)路由，因此在转发引擎中可以比较容易地实现高速转发。其中，(*，G)路由是一种路由匹配条件为组地址的组播路由类型，(*，*，RP)路由是一种路由匹配条件为集中点地址的组播路由类型。

但是由于协议本身的技术特点，在很多应用场合不适合使用DVMRP和PIM-DM协议，而需要使用PIM-SM协议。在PIM-SM协议的设计中，转发处理过程比较烦琐。因此使用只支持(S，G)路由的转发引擎的IP转发设备，就只能运行DVMRP或PIM-DM协议，而不能有效运行PIM-SM协议。对于不易支持复杂处理过程的转发引擎实现PIM-SM协议，就会涉及到转发过程的优化问题。

如果可以使PIM-SM在转发过程中只使用(S，G)路由实现转发功能，那么不但可以提高PIM-SM协议的转发效率，还可以使原本只支持DVMRP和PIM-DM协议的硬件设备可以通过更换软件而直接支持PIM-SM协议。在传统路由器中，报文转发采用软件实现。由于软件实现的灵活度高，可以完成复杂的处理，所以可以实现标准的PIM-SM组播路由转发。但软件的处理效率是很有限的，目前的高速路由器和IP交换机都不采用软件实现转发处理。

中国发明专利00119490公布了一种宽带以太网组播的方法。该方法是工作在网络模型第二层链路层的一种组播协议，即以太网协议层，是以太网技术的一个扩展。实际中更复杂的组播功能通常在第三层即网络层，具体说是IP协议层来实现。而第三层的组播问题是本发明要解决的问题。

发明目的：

为了支持PIM-SM协议，在现有硬件转发引擎中实现(S，G)、(*，G)和(*，*，RP)三种路由类型，本发明提出虚拟(S，G)路由的新方法，这是一种用于在转发引擎中替代(*，G)和(*，*，RP)路由的一种特殊(S，G)路由。

发明的技术方案：

本发明所提出的IP组播路由转发优化方法，由转发引擎专职完成转发流程，由软件处理附加的协议处理过程；软件按协议标准将路由信息加入组播路由表保存，并提交到转发引擎的转发路由表，用于控制组播报文的转发。在运行PIM-SM协议的IP转发设备中，仅仅使用源地址和组地址即(S，G)路由进行组播转发；对于该协议的组播路由转发，从组播数据流之中获取源地址和组地址信息，生成特殊(S，G)路由加入转发引擎的组播路由转发表，取代该协议原本应当采用的匹配集中点地址的组播路由(*，*，RP)和匹配组地址的组播路由(*，G)进行组播转发。

具体步骤为：

1.PIM-SM协议软件向转发引擎提交(*，G)和(*，*，RP)类型的路由时，都忽略不加处理，只有(S，G)路由仍然直接提交到转发引擎。

2.转发引擎收到组播数据，如果没有找到对应的转发路由，或反向路径转发，检查失败，则将数据报文传递到协议软件进行处理。

3.协议软件在收到数据报文后检查组播路由表，如果发现对应的(*，G)或(*，*，RP)路由，而没有(S，G)路由，则以找到的路由为基础，加入从数据报文中得到的源地址和组地址，生成(S，G)类型路由，提交到转发引擎；这个新(S，G)路由就称为虚拟(S，G)路由。虚拟(S，G)路由不应加入协议软件中的组播路由表，以免影响协议的正确运行；也可以加入组播路由表，但设置特殊标志与标准协议生成的(S，G)路由加以区分。

对于所生成的虚拟(S，G)路由，如果标准协议也生成了(S，G)路由，由于转发引擎中对于同一个(S，G)二元组只能存在一个路由，因此在软件中进行一些配合调整。

转发引擎使用(S，G)类型路由实现PIM-SM协议的组播转发处理，因此对于IP网络上的三种组播路由协议，距离向量组播路由协议DVMRP、密集模式协议无关组播路由协议PIM-DM、稀疏模式协议无关组播路由协议PIM-SM，都可以只使用(S，G)路由实现组播报文转发。该方案所应用的转发设备是路由器或IP交换机等。设备中的转发引擎可以是软件模块或硬件部件，对PIM-SM协议进行附加处理的软件部分位于PIM-SM协议软件模块内部，或PIM-SM协议软件模块与转发引擎之间的驱动适配模块中。

有益效果：

本方法简化了PIM-SM协议的组播路由转发流程，使得IP转发设备在遵从标准协议的前提下，以较低的实现复杂度和实施成本实现高效率的PIM-SM协议组播路由转发。该方法虽然增加了软件处理的功能，但是系统开销增加很小，并且所有改进仅仅体现在设备内部，对外屏蔽。从设备外在表现来看，采用本技术的设备完全符合PIM-SM协议标准，与所有符合标准的网络设备不存在兼容问题。

本方法可以应用于使用软件转发引擎或硬件转发引擎的IP转发设备。尤其是应用在硬件转发的设备时，可以有效降低硬件转发引擎的设计复杂度，降低生产成本，提高转发效率。该方法可应用于IPV4网络和IPV6网络，可应用的产品形态包括IP网络内的各种转发设备，如路由器、三层交换机、宽带接入设备、IP网关等。

附图说明：

图1组播路由协议和组播转发引擎关系图

图2标准的PIM-SM转发流程图

图3经过优化后的转发引擎处理流程图

图4经过优化后的PIM-SM协议软件相关处理流程

实施例：

按照RFC2362所规定的PIM-SM协议标准，PIM-SM协议模块

在以下情况生成(*，*，RP)路由：

-PMBR获得新的RP地址信息；

-RP收到来自PMBR的PIM JOIN/PRUNE(*，*，RP)加入报文。

在以下情况生成(*，G)路由：

-收到IGMP成员加入信息；

-收到PIM JOIN/PRUNE(*，G)加入报文。

在以下情况生成(S，G)路由：

-叶子节点启动SPT转发树切换；(SPT即源路径树)

-收到PIM JOIN/PRUNE(S，G)RPT剪裁报文。(RPT即集中点路径树)

-收到PIM JOIN/PRUNE(S，G)加入报文。

以上PMBR指PIM组播边界路由器，是PIM-SM协议中一个特殊的组网节点。RP指集中点，是PIM-SM协议中一个特殊的组网节点。JOIN/PRUNE是PIM协议规定的一种报文类型——加入/剪裁报文，其功能是下游设备向上游设备说明它需要接收的组播数据类型，或要拒绝的数据类型。这个请求从下游一步步发送到数据源头时，沿途的设备就会从上游到下游将数据一步步转发下来。IGMP成员是指通过IGMP协议加入组播网络的数据接收者。IGMP——因特网组管理协议是配合PIM协议的一个比较简单的附属协议。

在这些情况下，按协议标准应该将这些路由加入协议软件中的组播路由表保存，并提交到转发引擎的转发路由表，用于控制组播报文的转发。图2所示为标准的PIM-SM转发流程，包括报文转发部分，和执行报文转发时涉及的上层协议的处理过程，具体包括以下步骤：

1)转发引擎接收到组播报文。该报文包括源地址S和组地址G，进入设备的接口为IIF；

2)转发引擎按(S，G)路由、(*，G)路由、(*，*，RP)的顺序查找组播路由表。(即首先用S和G地址去查(S，G)路由。如果有完全匹配的(S，G)路由，则取它。否则放弃S，用G去查找(*，G)路由。再查不到则放弃G，用RP地址去查找(*，*，RP)路由。)；

3)如果没有找到任何路由，则按协议规定将组播数据封装在Register报文中发向RP点，或抛弃组播报文，结束该方法；

4)如果找到了路由，则做RPF检查。(即反向路径检查，用于判断组播报文的方向是否正确)；

5)如果RPF检查未通过，则按协议规定判断是否需要启动SPT切换，结束该方法；

6)如果RPF检查通过，如果路由是(S，G)路由，而且路由上的SPT位为0，则继续查找(*，G)路由；

7)如果找到(*，G)路由而且路由上记录的入接口不是IIF，则通知协议软件，则处理SPT数据到达事件；

8)如果找到的路由存在出接口，则将报文从每个出接口发送出去。否则就抛弃报文。

在协议规范中，报文转发流程与协议处理流程没有做刻意的区分。图2的流程图以转发流程为主，也包含了协议规定的由转发流程所触发的一些协议事件处理。

图3示出了网络设备中路由转发引擎所执行的优化组播处理流程。此流程实现了基于(S，G)路由的组播转发过程，但只能支持DVMRP和PIM-DM协议的运行。具体过程如下：

1)转发引擎接收到组播报文。该报文包括源地址S和组地址G，进入设备的接口为IIF；

2)转发引擎查(S，G)路由，即用S和G地址去查(S，G)路由；

3)如果没有找到任何路由，则将组播数据交上层协议软件处理，结束该方法。

4)如果找到了路由，则做RPF检查，即反向路径检查，用于判断组播报文的方向是否正确；

5)如果RPF检查未通过，则将组播数据交上层协议软件处理，结束该方法；

6)如果RPF检查通过，如果找到的路由存在出接口，则将报文从每个出接口发送出去，否则就抛弃报文。

图4示出了采用本发明提出的虚拟路由概念的优化转播方法，用虚拟(S，G)路由的方法替代协议所规定的(*，G)和(*，*，RP)路由。使用此方法，可以使上层协议软件更好地适应图3描述的流程，最终使得原本不能适应此类硬件芯片的PIM-SM协议可以正常工作。具体流程步骤如下：

1)协议软件接收到转发引擎接提交的组播报文。该报文包括源地址S和组地址G，进入设备的接口为IIF；

2)协议软件按(S，G)路由、(*，G)路由、(*，*，RP)的顺序查找软件的组播路由表。即首先用S和G地址去查(S，G)路由；如果有完全匹配的(S，G)路由，则取它。否则放弃S，用G去查找(*，G)路由。再查不到则放弃G，用RP地址去查找(*，*，RP)路由；

3)如果没有找到任何路由，则按协议规定将组播数据封装在Register报文中发向RP点，或抛弃组播报文，结束该方法；

4)如果找到了路由，则做RPF检查，即反向路径检查，用于判断组播报文的方向是否正确；

5)如果RPF检查未通过，则按协议规定判断是否需要启动SPT切换，结束该方法；

6)如果RPF检查通过，如果路由是(S，G)路由，而且路由上的SPT位为0，则继续查找(*，G)路由，否则跳转到步骤8；

7)如果找到(*，G)路由而且路由上记录的入接口不是IIF，则处理SPT数据到达事件。

8)如果直接找到的是(*，G)或(*，*，RP)路由，则从报文中得到S，G信息，加入这个路由，得到一个新的(S，G)路由，即本文所称的虚拟路由。

9)将这个虚拟路由提交到转发引擎，从而使转发引擎可以正常转发这一个流的报文；

10)软件模块抛弃这个组播报文；

图2说明了按照标准协议规范，PIM-SM协议控制下的组播报文处理流程。其中以底层的报文转发过程为主，也包含了一部分与转发过程相关的上层协议控制流程。按协议规定，上层协议必须处理由转发过程所触发的一些事件，才能保证上层控制协议的功能完整性。这是IP组播协议的一个特点。

图2描述的流程也可以拆分为转发流程和上层控制流程两部分。但是如果不采用特殊手段，转发流程部分必须使用三种路由形式((S，G)、(*，G)和(*，*，RP)路由)才能正常运行PIM-SM协议。

图3说明了一种组播报文的转发流程，在转发引擎上执行，没有包括上层协议的控制处理。这个流程是简化的，只使用了(S，G)路由，从而只能直接支持DVMRP协议和PIM-DM协议，不能直接支持PIM-SM协议。

图4则描述了组播上层控制协议与转发相关的处理流程。这个处理流程中加入了本发明所提出的创新方法，只向转发引擎提供一种类型的路由——(S，G)路由，从而使图3所描述的转发流程可以支持PIM-SM协议的运行。

图3和图4是互相配合的关系，底层转发流程与上层控制流程通过合作，可实现图2所描述标准流程的相同功能。

简化的路由转发硬件芯片只支持(S，G)路由，从而无法运行PIM-SM协议。从以上流程步骤可以看出，本发明所提出的技术方案，即图3和图4流程的配合，通过只支持(S，G)路由的简化路由转发硬件设备，即可以实现图2流程的相同功能。根据本发明的技术方案，转发流程的实现只需要路由设备支持(S，G)路由即可，而根据图2所示流程的转发，则需要路由设备支持(S，G)、(*，G)和(*，*，RP)路由。因此，根据本发明的组播路由转发方法可以大大简化路由设备的复杂度，降低转发成本。本方法在转发引擎中对于PIM-SM协议使用(S，G)路由代替(*，G)和(*，*，RP)路由。由于转发引擎中对于同一个(S，G)二元组只能存在一个路由，所以当标准协议也生成了(S，G)路由时需要做一些配合调整。调整规则如下：

1.协议软件向转发引擎提交路由时，如果转发引擎中存在(S，G)二元组相同的旧路由，旧路由自动失效。即新提交的路由覆盖旧路由。

2.当标准协议协议生成(S，G)路由时，通常应提交到路由引擎，使已有的虚拟(S，G)路由失效。但3中的情况例外。

3.在SPT树切换过程中，将(S，G)路由立刻加入转发引擎可能会使虚拟(S，G)路由被过早替换，导致数据流中断。应按以下规则处理：

-当SPT上游接口与原有RPT上游接口一致时，SPT的(S，G)路由不提交到转发引擎。(理论上也可以提交，但没有实际作用。)

-当SPT上游接口与原有RPT上游接口不一致时，SPT的(S，G)路由不能立刻提交到转发引擎，而是等候数据流到来。由于数据入接口与RPT的虚拟(S，G)路由上游接口不一致，数据报文到达时将会产生RPF检查失败，转发引擎将把报文交协议软件处理。这时再将SPT的(S，G)路由提交到转发引擎，替换虚拟(S，G)路由。

-当SPT上的设备没有(*，G)路由时(即不在RPT树中)，(S，G)路由可以立刻提交到路由引擎；也可以暂不提交，直到数据流到来时发生路由不匹配，转发引擎将把报文交协议软件处理。这时再将SPT的(S，G)路由提交到转发引擎。

Claims (6)

1.一种IP组播路由转发优化方法，转发引擎只须支持(S，G)路由形式，通过优化组播协议控制流程，建立虚拟(S，G)路由替换PIM-SM协议所要求的(*，G)路由、(*，*，RP)路由，转发引擎接收组播报文后，只使用(S，G)路由进行处理，具体包括如下步骤：

1)转发引擎接收组播报文，该报文包括源地址S和组地址G；

2)转发引擎用S和G地址去查(S，G)路由；

3)如果没有找到任何路由，则将组播数据交上层协议软件处理，结束该方法；

4)如果找到了路由，则做RPF检查，即反向路径检查，用于判断组播报文的方向是否正确；

5)如果RPF检查未通过，则将组播数据交上层协议软件处理，结束该方法；

6)如果RPF检查通过，如果找到的路由存在出接口，则将报文从每个出接口发送出去，否则就抛弃报文。

2.根据权利要求1所述的IP组播路由转发优化方法，其特征在于：如果没有找到任何路由，则将组播数据交上层协议软件处理，具体处理步骤为：所述上层协议软件按协议规定将组播数据封装在Register报文中发向RP点，或抛弃组播报文。

3.根据权利要求1或者2任意一项所述的IP组播路由转发优化方法，其特征在于：如果RPF检查未通过，则将组播数据交上层协议软件处理，具体处理步骤为：所述上层协议软件按协议规定判断是否需要启动SPT切换，抛弃所述组播报文。

4.根据权利要求1所述的IP组播路由转发优化方法，其特征在于：当协议软件向转发引擎提交路由时，如果转发引擎中存在(S，G)二元组相同的旧路由，旧路由自动失效，即新提交的路由覆盖旧路由。

5.根据权利要求4所述的IP组播路由转发优化方法，其特征在于：所述协议软件向转发引擎提交路由的步骤之前，该方法还包括：

1)当SPT上游接口与原有RPT上游接口一致时，SPT的(S，G)路由不提交到转发引擎；

2)当SPT上游接口与原有RPT上游接口不一致时，SPT的(S，G)路由不能立刻提交到转发引擎，而是等候数据流到来，由于数据入接口与RPT的虚拟(S，G)路由上游接口不一致，数据报文到达时将会产生RPF检查失败，转发引擎将把报文交协议软件处理，这时再将SPT的(S，G)路由提交到转发引擎，替换虚拟(S，G)路由；

3)当SPT上的设备没有(*，G)路由时，(S，G)路由可以立刻提交到路由引擎；也可以暂不提交，直到数据流到来时发生路由不匹配，转发引擎将把报文交协议软件处理，这时再将SPT的(S，G)路由提交到转发引擎。

6.根据权利要求3所述的IP组播路由转发优化方法，其特征在于：所述如果找到的路由存在出接口，则将报文从每个出接口发送出去的步骤具体包括：如果路由是(S，G)路由，而且路由上的SPT位为0，则继续查找(*，G)路由，如果找到(*，G)路由而且路由上记录的入接口不是IIF，则处理SPT数据到达事件。

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