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摘 要：主要阐述组播的基本概念、IGMP协议及IGMP Snooping的原理，并对IPTV直播业务中的二层设备上的IGMP Snooping进行了实现研究。
关键词：组播；IGMP Snooping；二层；IPTV
中图分类号：TP393.07
随着宽带网络的技术的快速发展，家庭宽带用户的逐渐普及，三网融合也已经逐步开始实施。IPTV业务是三网融合的一个重大切入点，是一种利用宽带IP网络，向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新技术。组播技术因为网络利用率高、时性好成为IPTV直播业务中一项关键技术。本文主要着重于阐述基于IGMP协议上的IGMP Snooping（组播侦听）二层组播技术在IPTV直播业务中的实现研究。
1 组播与IGMP
1.1 单播、广播与组播
IP通信有三种方式：单播、广播、组播。组播是一种单点到多点的协议体系，它将IP数据包从一个源地址传送到多个目的地，但数据拷贝只传输一份。组播传输方式下，即使用户数量成倍增长，主干带宽不需要随之增加。与单播相比，多播可以大大的节省网络带宽，提高了数据传送效率；与广播相比又减少了主干网出现拥塞的可能性，避免了广播的“泛洪”。
1.2 组播报文中的组播IP与组播MAC
对于组播报文来说，其目的IP是组播IP地址，而目的MAC是组播MAC。在三层IP层中，组播报文的目的IP地址采用D类IP地址，范围从224.0.0.0到239.255.255.255。组播MAC根据组播IP映射，强制MAC的头25bit为01-00-5e，后23位对应IP地址的后23bit，即IP地址前9个bit丢弃不用，前面加上01-00-5e得出的即是该组播IP地址对应的MAC。
1.3 IGMP协议
IGMP具有三种版本，IGMP v1、v2和v3。本文主要以IGMP v2为实现对象，IGMP协议报文主要分为加入（Report）、离开（Leave）、查询（Query）三种报文。主机可以向路由器或交换机请求加入（Report）或离开（Leave）某个组，网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据，即只将组内数据传输给那些加入组的主机。主机加入某个组之后会定期收到查询者发来的组播查询（Query）报文，主机定期回复Report以维持该组的加入状态。
2 IPTV直播业务中的IGMP Snooping
2.1 IGMP Snooping原理
IGMP Snooping是运行在二层设备上的组播约束机制，用于管理和控制组播组，是工作在二层的组播技术。简单来说，IGMP Snooping是为了防止二层设备上组播报文的泛洪，监听IGMP协议包并提取相应信息，形成组播转发表，然后对组播业务根据组播转发表将组播数据流转发到正确的端口。
2.2 IGMP Snooping实现研究
2.2.1 IGMP与IPTV业务研究
IPTV业务中，对于作为终端的机顶盒，通过发送IGMP协议的加入（Report）报文通知IPTV媒体服务器自己希望加入某个组（频道）并接收某个特定组播组的信息，服务器才会下发对应频道的组播流使用户能收看到该频道。机顶盒通过发送IGMP离开（Leave）报文通知服务器希望离开并不再接收某个组的信息，该频道组播流就会不再下发给该机顶盒。IPTV媒体服务器来通过IGMP协议查询（Query）报文周期性地查询所有组或某个组的成员是否处于活动状态，机顶盒收到查询报文（Query）时需要回复加入报文（Report）以维持加入状态使频道组播流一直持续。
2.2.2 框架
如下图，将二层设备上的控制平面和转发平面独立开，以减少相互影响。二层设备处在机顶盒与媒体服务器之间，在控制平面监听、分析IGMP协议报文，提取信息配置到组播转发表，而转发平面根据组播转发表对UDP组播数据流进行转发。
图1
对于Report加入和Leave离开报文，控制平面提取出报文中的目的IP（组播IP地址）、源端口（二层设备上从哪个端口收到这个报文）、源MAC（发出请求的设备源MAC地址），并将这些信息配置到组播转发表中。此外，二层设备透明的转发IGMP协议报文。
2.2.3 组播转发表
组播转发表的关键字为组播IP地址，一个组播地址对应一条组播转发条目，所有的组播条目可用哈希表或链表等形式组织起来。当一个下挂设备发来请求加入组播IP1，源端口为PortA，源MAC为Mac1，控制平面查看组播转发表中如果没有这个组播IP，则添加组播IP1到表中，并将源端口PortA挂到组播IP1下的端口链表中，再将源MAC地址Mac1挂到源端口下。如果另个下挂设备请求加入同一个组播组IP1，源端口PortB，源MAC为Mac2，因为IP1已经存在，则找到组播IP1的条目，将PortB挂到组播IP1的端口链表中PortA后面，并将Mac2挂到PortB的Mac链表中。此时，这条组播转发条目如下图所示。
图2
二层设备转发数据包时，如果碰到目的MAC为01-00-5e开头的报文，则认为是组播报文，进一步分析出目的组播IP地址，在组播转发表中根据组播IP查找应该往哪一个或哪些端口发送，如上图中如果是组播IP1的数据流则发送到PortA和PortB，其他端口不会转发，避免了组播流在各个端口的泛洪。
另外，对于一些二层设备上如果存在无线端口，需要通过组播转发表中记录的MAC地址来替换组播流的目的组播MAC地址，将其替换为单播MAC地址，再发送到无线端口，才能使另一端的无线设备收到组播流。
3 结束语
IGMP Snooping解决了二层设备上组播报文的泛洪，大大提高了二层设备上对组播报文的转发效率，并减少了网络拥塞。本文基于三网融合下的IPTV业务环境，阐述了IGMP Snooping在二层设备上的原理及具体实现，并通过实验验证了实现方案有效、可行。
参考文献：
[1]杜旭，张连靖，余江.IGMP Snooping协议实现方案[J].计算机应用，2004（z1）：14-15.
[2]王军，吴志美.交换式以太网上的多播协议[J].软件学报，2003（03）：496-502.
[3]W.Fenner.Internet Group Management Protocol，Version 2.RFC 2236.1997.
作者单位：贵州大学职业技术学院，贵州黔东南苗族侗族自治州 556000；黔东南民族职业技术学院，贵州黔东南苗族侗族自治州 556000
关键词：组播；IGMP Snooping；二层；IPTV
中图分类号：TP393.07
随着宽带网络的技术的快速发展，家庭宽带用户的逐渐普及，三网融合也已经逐步开始实施。IPTV业务是三网融合的一个重大切入点，是一种利用宽带IP网络，向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新技术。组播技术因为网络利用率高、时性好成为IPTV直播业务中一项关键技术。本文主要着重于阐述基于IGMP协议上的IGMP Snooping（组播侦听）二层组播技术在IPTV直播业务中的实现研究。
1 组播与IGMP
1.1 单播、广播与组播
IP通信有三种方式：单播、广播、组播。组播是一种单点到多点的协议体系，它将IP数据包从一个源地址传送到多个目的地，但数据拷贝只传输一份。组播传输方式下，即使用户数量成倍增长，主干带宽不需要随之增加。与单播相比，多播可以大大的节省网络带宽，提高了数据传送效率；与广播相比又减少了主干网出现拥塞的可能性，避免了广播的“泛洪”。
1.2 组播报文中的组播IP与组播MAC
对于组播报文来说，其目的IP是组播IP地址，而目的MAC是组播MAC。在三层IP层中，组播报文的目的IP地址采用D类IP地址，范围从224.0.0.0到239.255.255.255。组播MAC根据组播IP映射，强制MAC的头25bit为01-00-5e，后23位对应IP地址的后23bit，即IP地址前9个bit丢弃不用，前面加上01-00-5e得出的即是该组播IP地址对应的MAC。
1.3 IGMP协议
IGMP具有三种版本，IGMP v1、v2和v3。本文主要以IGMP v2为实现对象，IGMP协议报文主要分为加入（Report）、离开（Leave）、查询（Query）三种报文。主机可以向路由器或交换机请求加入（Report）或离开（Leave）某个组，网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据，即只将组内数据传输给那些加入组的主机。主机加入某个组之后会定期收到查询者发来的组播查询（Query）报文，主机定期回复Report以维持该组的加入状态。
2 IPTV直播业务中的IGMP Snooping
2.1 IGMP Snooping原理
IGMP Snooping是运行在二层设备上的组播约束机制，用于管理和控制组播组，是工作在二层的组播技术。简单来说，IGMP Snooping是为了防止二层设备上组播报文的泛洪，监听IGMP协议包并提取相应信息，形成组播转发表，然后对组播业务根据组播转发表将组播数据流转发到正确的端口。
2.2 IGMP Snooping实现研究
2.2.1 IGMP与IPTV业务研究
IPTV业务中，对于作为终端的机顶盒，通过发送IGMP协议的加入（Report）报文通知IPTV媒体服务器自己希望加入某个组（频道）并接收某个特定组播组的信息，服务器才会下发对应频道的组播流使用户能收看到该频道。机顶盒通过发送IGMP离开（Leave）报文通知服务器希望离开并不再接收某个组的信息，该频道组播流就会不再下发给该机顶盒。IPTV媒体服务器来通过IGMP协议查询（Query）报文周期性地查询所有组或某个组的成员是否处于活动状态，机顶盒收到查询报文（Query）时需要回复加入报文（Report）以维持加入状态使频道组播流一直持续。
2.2.2 框架
如下图，将二层设备上的控制平面和转发平面独立开，以减少相互影响。二层设备处在机顶盒与媒体服务器之间，在控制平面监听、分析IGMP协议报文，提取信息配置到组播转发表，而转发平面根据组播转发表对UDP组播数据流进行转发。
图1
对于Report加入和Leave离开报文，控制平面提取出报文中的目的IP（组播IP地址）、源端口（二层设备上从哪个端口收到这个报文）、源MAC（发出请求的设备源MAC地址），并将这些信息配置到组播转发表中。此外，二层设备透明的转发IGMP协议报文。
2.2.3 组播转发表
组播转发表的关键字为组播IP地址，一个组播地址对应一条组播转发条目，所有的组播条目可用哈希表或链表等形式组织起来。当一个下挂设备发来请求加入组播IP1，源端口为PortA，源MAC为Mac1，控制平面查看组播转发表中如果没有这个组播IP，则添加组播IP1到表中，并将源端口PortA挂到组播IP1下的端口链表中，再将源MAC地址Mac1挂到源端口下。如果另个下挂设备请求加入同一个组播组IP1，源端口PortB，源MAC为Mac2，因为IP1已经存在，则找到组播IP1的条目，将PortB挂到组播IP1的端口链表中PortA后面，并将Mac2挂到PortB的Mac链表中。此时，这条组播转发条目如下图所示。
图2
二层设备转发数据包时，如果碰到目的MAC为01-00-5e开头的报文，则认为是组播报文，进一步分析出目的组播IP地址，在组播转发表中根据组播IP查找应该往哪一个或哪些端口发送，如上图中如果是组播IP1的数据流则发送到PortA和PortB，其他端口不会转发，避免了组播流在各个端口的泛洪。
另外，对于一些二层设备上如果存在无线端口，需要通过组播转发表中记录的MAC地址来替换组播流的目的组播MAC地址，将其替换为单播MAC地址，再发送到无线端口，才能使另一端的无线设备收到组播流。
3 结束语
IGMP Snooping解决了二层设备上组播报文的泛洪，大大提高了二层设备上对组播报文的转发效率，并减少了网络拥塞。本文基于三网融合下的IPTV业务环境，阐述了IGMP Snooping在二层设备上的原理及具体实现，并通过实验验证了实现方案有效、可行。
参考文献：
[1]杜旭，张连靖，余江.IGMP Snooping协议实现方案[J].计算机应用，2004（z1）：14-15.
[2]王军，吴志美.交换式以太网上的多播协议[J].软件学报，2003（03）：496-502.
[3]W.Fenner.Internet Group Management Protocol，Version 2.RFC 2236.1997.
作者单位：贵州大学职业技术学院，贵州黔东南苗族侗族自治州 556000；黔东南民族职业技术学院，贵州黔东南苗族侗族自治州 556000