1 前言

組播(multicast)是一到多或者多到多的多方通信形式，遠程會議、交互式仿真、分布式內容系統(tǒng)、多方游戲等應用都對組播業(yè)務(multicast service)提出了需求。在OSI模型的網(wǎng)絡層或者應用層實現(xiàn)業(yè)務是目前組播業(yè)務的兩種實現(xiàn)體制，本文對這兩種體制的體系結構進行了討論，對兩種體系結構的發(fā)展及其對IP網(wǎng)絡體系結構的影響提出了一些看法。

2 IP組播的歷史、現(xiàn)狀及困境

1988年Deering提出了將組播的功能機制增加到數(shù)據(jù)網(wǎng)IP層的組播實現(xiàn)體系結構，這種體系結構稱為 IP組播(IP multicast)。IETF RFC1112對IP組播的業(yè)務提供的方式和形式進行了描述和定義，被看成是IP組播的標準業(yè)務模型的定義。

標準IP組播業(yè)務模型定義了主機和路由器IP層應有的功能機制和上層所看到的組播業(yè)務的形式。主機組(host group)是IP組播概念的核心，多個主機組成主機組，用一個IP組播地址標識，以組地址為目的地址的組播數(shù)據(jù)以IP數(shù)據(jù)報的best-effort方式轉發(fā)到主機組的各個主機。組播路由器承擔組播數(shù)據(jù)的尋路和轉發(fā)控制功能，這些路由器及鏈路在網(wǎng)絡中形成了一個控制組播數(shù)據(jù)傳送的邏輯結構，稱為組播轉發(fā)結構(delivery structure)，這種結構一般是樹形的結構，稱為轉發(fā)樹，在轉發(fā)樹上的組播路由器接收、復制、轉發(fā)組播數(shù)據(jù)。

歷經20多年的研究和發(fā)展，IP組播已經形成了較為完整的組播協(xié)議體系，包括組播主機和網(wǎng)絡的交互協(xié)議、組播路由協(xié)議、組播的地址管理協(xié)議等。

組播路由協(xié)議是IP組播協(xié)議體系中最核心的功能。IP組播路由協(xié)議的發(fā)展分成域內(intra-domain)和域間(inter-domain)兩個階段：最初的IP組播路由協(xié)議將網(wǎng)絡看成沒有層次結構的平面網(wǎng)絡，組播路由算法采用廣播方式交互協(xié)議消息，因而只能應用在IP網(wǎng)絡的路由自治域內，稱為域內路由協(xié)議；域間路由協(xié)議的出現(xiàn)是為了解決在大型的、分層的IP網(wǎng)絡中組播路由問題，大型IP網(wǎng)絡采用自治域結構形式組織網(wǎng)絡，域間路由協(xié)議解決了分層結構網(wǎng)絡的組播路由問題。

1992年IP組播實驗網(wǎng)——Mbone建立，從1992～1997年，IP組播的協(xié)議標準和部署方法在Mbone中進行研究實驗。1997年以后，分層結構網(wǎng)絡域間組播路由的標準化成為IP組播研究的主要領域，域間路由協(xié)議體系的部署實驗開始在Internet 2的兩個骨干網(wǎng)（vBNS, Abilene）中進行，從1999年中開始采用MBGP/MSDP[1,2]和PIM-SM[3]協(xié)議體系實現(xiàn)域間組播路由。

目前絕大多數(shù)面向內部網(wǎng)絡的路由器都實現(xiàn)了PIM-SM組播路由協(xié)議和IGMP協(xié)議，具有支持組播業(yè)務的能力。在一些內部網(wǎng)絡中，IP組播業(yè)務已經得到一些應用，比如基于IP組播建立的視頻傳輸系統(tǒng)可以有效地支持大規(guī)模的接收終端，但是由于對組播業(yè)務的管理還缺乏有效的解決方案，路由器的組播功能往往沒有開放。

隨著對IP網(wǎng)絡組播研究的深入，業(yè)界普遍認識到僅僅依靠標準組播業(yè)務模型無法很好地支持所有的組播應用，而大量的、可以預見的組播應用是源節(jié)點確定的應用，由此提出了采用單源組播業(yè)務模型支持單源組播應用的思想，IETF提出的 SSM（source specified multicast）[4]體系結構是基于單源組播思想的，SSM采用了嚴格的一到多業(yè)務模型。

SSM業(yè)務模型引入了組播通道的概念，組播通道（組播源地址，組播組）是二元組，組播源地址是唯一可以發(fā)送組播數(shù)據(jù)的源主機的IP地址，組播組是一個SSM組播地址，組播通道是組播路由器轉發(fā)組播數(shù)據(jù)報使用的信息。

與標準組播業(yè)務模型相比較，SSM業(yè)務模型具有以下的優(yōu)點：SSM模型提供了組播接入的限制機制；組播源節(jié)點確定，路由協(xié)議實現(xiàn)簡化；組播組的管理由源節(jié)點管理和協(xié)調，不需要全網(wǎng)絡的組地址管理機制。

SSM業(yè)務模型提出后，迅速得到了學術界、工業(yè)界的重視和支持，實現(xiàn)SSM業(yè)務的協(xié)議體系研究進入了一個快速發(fā)展時期，提出了PIM-SSM和IGMPv3草案，PIM-SSM是支持SSM業(yè)務模型的組播路由協(xié)議，IGMPv3草案支持SSM業(yè)務模型。

從因特網(wǎng)中IP組播的應用現(xiàn)狀看，盡管經過了20多年的發(fā)展，IP組播并沒有取得預期的成功。一方面，因特網(wǎng)中的網(wǎng)絡極少開放IP組播業(yè)務，至今還沒有全因特網(wǎng)范圍的組播業(yè)務；另一方面，基于IP組播的上層應用也屈指可數(shù)，相對于WWW等新的體系結構，IP組播的發(fā)展非常緩慢。

從因特網(wǎng)發(fā)展的過程和IP網(wǎng)絡的體系結構看，阻礙IP組播業(yè)務發(fā)展的主要因素為：

IP組播體系結構缺乏可擴展性。路由器需要為每個活動的組維護路由狀態(tài)信息，而且這些組播地址不能聚合，網(wǎng)絡中大量的活動組將需要路由器巨大的存儲和處理開銷。此外，組播組成員的動態(tài)使網(wǎng)絡必須動態(tài)維護路由狀態(tài)，更增加了組播路由器的處理開銷。

開放的IP組播模型在開放的因特網(wǎng)環(huán)境中難以支持有效的管理和控制機制。標準的IP組播業(yè)務模型是一種any source、any receiver的開放模型，任何節(jié)點都可以創(chuàng)建組，可以向組發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點可以加入任何感興趣的組接收數(shù)據(jù)，發(fā)送節(jié)點不知道具體的單個接收節(jié)點，接收節(jié)點也不需要知道發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點。在這種模型下，接入控制、組管理、組地址的協(xié)調機制一直沒有有效的解決方案.

IP組播還沒有清晰的商業(yè)費用模型，網(wǎng)絡運營商之間有不同的利益取向。目前骨干網(wǎng)運營商以帶寬使用獲得收益，對承載的是IP單播業(yè)務還是IP組播業(yè)務沒有必要區(qū)分，也就沒有動力在路由器中增加對IP組播的支持。

3 應用層組播

面對IP組播業(yè)務在因特網(wǎng)中的困境，一些研究者開始反思IP組播體系結構本身的問題，提出將復雜的組播功能放在端系統(tǒng)實現(xiàn)的新思想。端系統(tǒng)實現(xiàn)組播業(yè)務的思想是將組播作為一種疊加的業(yè)務，實現(xiàn)為應用層的服務，因此，端系統(tǒng)組播又稱為應用層組播(application layer multicast)。圖1顯示了應用層組播在IP體系結構中所處的位置。應用層組播網(wǎng)的節(jié)點是組播成員主機，數(shù)據(jù)路由、復制、轉發(fā)功能都由成員主機完成，成員主機之間建立一個疊加在IP網(wǎng)絡之上的、實現(xiàn)組播業(yè)務邏輯的功能性網(wǎng)絡，稱為疊加網(wǎng)（overlay network），主機基于自組織算法建立和維護疊加網(wǎng)。圖2示意了應用層組播的基本思想及其與IP組播的差別，IP組播的數(shù)據(jù)沿著物理鏈路復制和轉發(fā)，而應用層組播的數(shù)據(jù)則在主機實現(xiàn)復制和轉發(fā)，數(shù)據(jù)報沿著邏輯鏈路轉發(fā)，多跳邏輯鏈路可能經過同一條物理鏈路。