网络组播_可扩展组播及其在数据中心网络中的应用
中图分类号：TN915.1 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 (2012) 04-0011-004 摘要：文章认为组播协议的可扩展性一直是阻碍组播技术广泛部署的重要因素之一，为此文章探讨了互联网环境下几种可扩展组播的解决方案：基于组成员稀疏分布的可扩展组播方案、基于布鲁姆过滤器的可扩展组播方案、基于聚合组播树的可扩展组播方案；数据中心网络中可扩展组播面临的新挑战主要来自于硬件限制导致无法同时容纳大量的组播组，同时基于组成员稀疏分布的可扩展组播方案和聚合组播树的方案在数据中心网中应用受限，为此文章探讨了数据中心网络环境下混合使用组播和单播的可扩展组播方案、基于布鲁姆过滤器的可扩展组播方案。
关键词： 可扩展组播；布鲁姆过滤器；数据中心网络
Abstract: Scalability of the multicast protocol is important when deploying multicast technology. This paper describes some scalable multicast solutions, including group-member-based sparse distribution, Bloom Filter, and tree-based aggregated multicasting. There are two particular issues in scalable multicasting in data center networks: the limited capacity of multicast group, and the limited applications for group-member-based sparse distribution and Bloom Filter. In this paper, we discuss unicast-multicast-mixed scalable multicasting and Bloom Filter-based scalable multicasting in the data center in more depth.
Key words: scalable multicast; Bloom Filter; data center network
网络层组播(IP Multicast)[1]最初是由Steve Deering于1988年提出，其主要思想是通过减少发送重复报文，提高网络带宽利用率，减少终端和路由器的处理负担，为多点通信提供一种高效的通信机制。虽然组播技术提出已经有20多年的时间，但组播技术始终未得到广泛的商用，其中可扩展性是一个很重要的原因[2]。
随着互联网的快速发展，云计算服务模式应运而生。作为云计算服务的核心组成部分，数据中心网络为执行运算的大量服务器之间提供路由和传输服务。虽然组播技术在互联网中的部署面临重重困难，但数据中心网络的特殊环境却为组播技术的应用提供了新的契机：
(1)数据中心网络中的大量应用具有组通信模式：如在线搜索引擎将搜索请求同时发向多台索引服务器，分布式文件存储系统将同一份文件数据同时备份到多台服务器上等等。应用组播技术能够大大节约网络带宽，降低运营成本。
(2)数据中心网络通常由单一的实体运营，通信多为内部节点之间的通信，而且收费机制也有别于因特网服务提供商(ISP)的收费机制。因此组播技术在数据中心网络中的应用不存在收费机制、安全性等部署障碍。然而数据中心网对组播的可扩展性也提出了新的挑战。
1 互联网可扩展组播研究
成果
本文从实现原理角度对互联网环境下可扩展组播的研究成果进行分类介绍。
1.1 基于组成员稀疏分布的可扩展
组播方案
组成员稀疏分布是指组播组的成员较分散地分布在网络中，导致组播树中仅有少数的节点从多个端口转发组播报文，这类节点被称作分枝节点。这类方案的核心思想是只在分枝节点中存储组播状态，其他节点不存储组播状态、按单播操作实现数据的转发，通过只在部分节点中保存组播状态保证可扩展性。动态隧道组播(DTM)、递归单播树(REUNITE)和逐跳组播路由协议(HBH)是这类方案的代表[3-6]。
DTM是第一个针对组成员稀疏分布提出的可扩展组播方案。DTM在使用IP层组播协议生成的组播树上创建隧道，隧道经过的路由器不保存组播状态。
REUNITE方案抛弃了组播地址，使用IP地址(第一个加入该组播组的成员地址)作为目标地址。REUNITE方案将组播路由信息分为两部分，一是存放于控制平面的组播控制表(MCT)和存储于数据平面的组播转发表(MFT)。
HBH方案的大致思想与REUNITE相同，但不同之处在于：HBH方案的MCT和MFT存储的目标地址可以是下一个分枝节点的地址，也可以是组成员的地址。而REUNITE方案的MCT和MFT存储的目标地址是组成员的地址。这样设计的目的是提高组播树的稳定性。
这类方案通过仅在分枝节点上保存组播状态实现可扩展组播。但在实际应用时存在以下问题：
(1)只适用于组成员分布稀疏的组播组。当组成员数目较大时，本类方案的可扩展性将大打折扣。
(2)组播状态都是软状态，通常需要组成员定期向组播源发送消息进行状态更新，组成员信息的维护开销较大。
1.2 基于Bloom Filter的可扩展组播
方案
这类方案应用布鲁姆过滤器(Bloom Filter)[7]压缩组播状态，提高可扩展性。根据Bloom Filter的存放位置，我们可以将这类方案分为两类：一类是将Bloom Filter存放在网络设备中的in-switch Bloom Filter可扩展组播方案，如捎带组播(FRM)[8]。另一类是将Bloom Filter存放在报文中的in-packet Bloom Filter方案，如面向应用的组播协议(AOM)[9]和支持线速转发的订阅/分发网络通信(LIPSIN)[10]方案。但Bloom Filter固有的假真现象会造成报文风暴、路由环路和重复流等后果[11]。降低假真现象的出现概率是这类方案亟需解决的问题。