SDN网络IPv6组播机制研究*

李 丹，秦 华

（北京工业大学信息学部，北京 100124）

0 引 言

近年来，随着互联网的迅猛发展，诸如视频直播、网络教学等实时业务广泛应用，多个接收者需要同时从一个或多个源节点接收相同的流媒体数据，致使网络传输的信息容量大大增加，占用了大量的网络带宽。针对这样的应用需求，传统的点播技术不仅对源节点资源和网络带宽的消耗很大，而且限制了用户数量的扩展。比较而言，组播是一个更好的传输方案。但是，传统网络中，路由器需要预先配置，然后才可以动态支持组播订阅者的加入操作、离开操作和组播树的生成操作。针对组播流量对带宽的需求未动态选择传输路径，很容易造成链路拥塞，不能够为用户提供较好的服务质量。以OpenFlow技术为核心的软件定义网络框架，具有集中控制的功能[1-2]，能够自己感知网络拓扑的变化，为IPv6组播实现提供好的解决方案。

文献[3]提出了一种在IPv4网络下基于SDN分层组播的视频会议系统架构。该系统舍弃了传统的互联网组管理协议（IGMP）和多点控制单元（MCU）硬件设备，结合可伸缩视频编码（SVC）实现分层视频组播，以满足不同设备能力的会议终端需求，用视频层数之间的切换来避免拥塞。

文献[4]在IPv4网络下从控制器的安全性出发，设计了一种基于OpenFlow的可信可控的组播控制器。组播控制器通过OpenFlow交换机连接到身份认证的主机，组播控制器制定并下发流表给OpenFlow交换机，实现将组播数据传输到通过身份认证的主机。基于组播接收者的身份认证，实现了组播接收者的可信；组播在组播组成员管理时，使用可信可控的组播控制器进行集中管理，没有使用传统的IGMP协议。

文献[5]提出了一种基于IPv4的新型组播机制OpenFlow，称为OpenFLow组播（OFM）。在控制器中设计了一个集中控制器负责实现组播，负责处理组播订阅者请求、构造组播树以及组播状态维护。交换机根据生成的组播流表转发组播流量，没有考虑带宽拥塞的需求。

文献[6]采用TCAM为交换机细粒度流量控制提供了较大的存储空间，并采用分段路由解决流量工程中的可扩展问题。通过在组播源端交换机和分支交换机上用包头编码MPLS标签来更改包头，配置有序列表段来表明路由路径，并考虑了交换节点的负载情况，但TCAM非常昂贵且能耗高。它用斯坦纳树构造组播生成树，但没有考虑到组成员加入、离开的动态性。

本文在SDN网络中研究IPv6组播实现技术，在保证协议栈（MLD）[7]不变的前提下，对组播订阅者加入和离开进行感知和维护；可根据组播流量需求，考虑在网络带宽负载情况下，根据组播订阅者加入/离开组播组的动态次序构建组播生成树；对组播转发路径进行动态调整，实现组播业务的有效转发。

1 总体思路

1.1 传统网络与SDN网络实现对比

SDN将分布式路由转换为集中式路径选择，其控制器具有主导网络资源管理和流量控制的能力，能够实现更灵活、细粒度的流量调度管理。传统网络与SDN网络实现组播功能方式的对比，如表1所示。

表1 传统网络与SDN网络实现对比

1.2 SDN网络下功能性需求

组成员管理功能。在SDN网络中，组播订阅者将MLD报文发送给组成员管理功能进行处理。该功能对组播订阅者的加入、离开消息进行维护。即需要感知组播订阅者的加入，同步在组播拓扑中增加该成员并维护网络拓扑，同时离开后在拓扑中删除该成员并维护网络拓扑。

组播拓扑维护功能。与SDN控制器一起，维护整个网络实时的网络拓扑信息，包括交换机的加入、离开、改变、交换机端口的变化和新增链路的实时带宽信息。

组播选路功能。根据组播拓扑维护功能，维护网络拓扑信息、实时可用带宽信息和组成员管理功能维护的组播订阅者信息。为每个新加入（S，G）组的交换机节点（S2）找到距离转发组播流量交换机（S1）的最短路径。如果有多条路径，选择路径带宽之和较大的路径。

2 SDN网络下IPv6组播功能的设计

基于IPv6组播的RFC标准，在保证组播订阅者MLD协议栈不变的前提下，依据SDN控制器具有动态、可管理和可配置的特性，提出了SDN网络下Ipv6组播功能的设计，如图1所示。

SDN网络中，实现IPv6组播需要设计3个功能：组成员管理、组播拓扑维护和组播选路。图1是整体功能设计图。整体架构主要有3部分组成：控制器应用层、控制器控制层和物理拓扑层。

控制器应用层是ONOS控制器中的应用APP，开发者可以自定义实现一个或多个APP来完成自己的应用需求。本文针对单播源组播应用场景，在应用层上实现组成员管理、组播拓扑维护和组播选路3个功能。

控制器控制层由下往上包含协议层、适配器层、南向接口层、核心层和北向接口层。它通过OpenFlow协议接收物理拓扑等信息，并抽象给应用层。

物理拓扑层是由交换机通过链路连接成的网络拓扑。在实验环境中，可以通过Mininet模拟器模拟实现。

2.1 组成员管理功能

组成员管理功能管理组播订阅者的加入和离开消息，负责处理订阅者发来的MLD数据报文，维护订阅者列表HSL（主机交换机连接）表，如表2所示。

图1 SDN网络下IPv6组播的整体架构设计

表2 HSL表

处理过程的流程，如图2所示。对于加入组播组的报文，根据订阅者加入的组播组地址，在HSL表中新增一条记录，记录下组播源地址、组播组地址以及控制器存储的主机的IP地址、MAC地址、所连交换机的地址，端口信息在HSL表中添加一条记录。对于离开组播组的报文，在HSL表中删除一条记录。

2.2 组播拓扑维护功能

SDN控制器通过LLDP协议与交换机通信获得整个网络信息，包括网络拓扑、链路延迟等。网络管理和决策必须获得准确的网络监测数据。控制器可以周期性地向交换机发送查询消息，也可以由触发条件触发控制器发送查询消息。本文采用第二种方式。

链路带宽是进行组播选路的重要决策数据，同样可以通过南向接口的OpenFlow协议获取。在OpenFlow协议中，控制器通过发送OFPT_STATS_REQUEST消息向交换机查询端口的统计信息，包括已接收的字节数（g_bytes）、已发送的字节数（f_bytes）。控制器按照式（1）计算链路的吞吐量BT，再根据该链路的总带宽和当前周期T计算链路已使用的带宽，然后按照式（2）即可计算出该端口直连链路的可用带宽B_available。

图2 订阅者加入/离开组播组流程

组播拓扑维护功能利用SDN控制器周期性地发送OFPT_STATS_REQUEST消息，获取各个时刻的可用带宽信息。当有组成员加入时，组播拓扑功能通知控制器触发OFPT_STATS_REQUEST，实时获取各链路当前的可用带宽值，为新加入的订阅者选择组播路径提供必要的信息。

网络交换机表示为拓扑图中的顶点，如（S1，S2，S3，S4…）。每个顶点相连的边表示连接关系。网络拓扑中记录交换机互联关系、互联端口以及互联链路的可用带宽。图1中的网络拓扑可以表示为如表3所示。

表3 SL表

2.3 组播选路功能

根据组播订阅者的动态加入、离开消息，组成员管理功能维护HSL表。该表中的交换机是需要转发组播流量的交换机。由SL表中信息可知，组播拓扑维护功能已经维护了整个网络拓扑和链路之间的实时带宽。以上2张表为组播选路提供了选路依据，根据组成员管理功能和组播拓扑维护功能维护的表信息，可以选取合适的算法生成组播转发树。在进行组播算法选取时，必须考虑组播通信的扩展性问题。为了解决网络的链路拥塞，最小化网络资源利用，解决SDN中组播的可扩展性问题，本文提出了根据组播流量可用带宽需求选取的最短路径，对选择好的路径制定转发规则，通知控制层对接收组播流量的交换机进行流表下发的操作。转发组播流量的交换机以Gswitch字段描述存储在表GSL中。该表维护了一个（S，G）组的所有转发组播流量的交换机。0001、0002、0003、0004分别代表图1中的交换机S1、S2、S3、S4。根据组播订阅者加入/离开时的动态行为，同步添加/删除所需的交换机到相应的（S，G）组的交换机集合中。如果一个（S，G）组对应的交换机集合中没有交换机存在，则表示该（S，G）组没有订阅者接收组播流量，可以下发优先级较高的流表使组播转发表失效。

表4 GSL表

2.3.1 算法思想

一个网络可以用加权图G=(V,E)表示，如图3示。V表示节点集合，即交换机节点；E(S,t)表示链路集合，权值表示为从源节点S到组播订阅者t节点路径的可用带宽，即图3中的数字表示。图3的网络示例图是单播网络拓扑图。组播生成树的建立以单播链路信息为依据进行组播的选路。S节点为源端节点，组播树的生成与组成员的加入次序有关，不同的加入次序会生成不同的组播生成树。但是，组播路径选择的算法不变。根据组播流量需求带宽，对链路的带宽进行升序排序，在保证整个网络连通的情况下，依次删除带宽最小的路径，根据带宽选取网络，如图4所示。为每一个加入组播树的节点（d1）选择一个离转发组播流量交换机节点（ds1）的最短路径，即以d1为选择点，找到距离ds1的最短路径。如果有多条路径，则选择路径带宽总和较大的路径。

图3 示例网络

图4 满足带宽约束的单播路由网络

2.3.2 算法步骤

步骤1：初始时，X只包含源点，即X={S}。Y包含除S外的其他顶点，即Y={其余顶点}。X集合和Y集合中节点之间的可用带宽，在某一个时间是固定的。根据组播流量需求，提供组播路径选择的依据。

步骤2：当Y中的第一个节点（d1）加入组播树时，为节点d1选择一个离组播源S的最短路径。如果路径有多条，则选择带宽总和较大的路径。

步骤3：当Y中的其他节点（d2）加入组播树时，为该节点选择一个离转发组播流量交换机节点（除组播源节点）的最短路径。如果路径有多条，则选择带宽总和较大的路径。

步骤4：重复步骤3，直到所有节点都加入组播树。

步骤5：当Y中的最后一个节点离开组播树时，意味组播网络中已不存在组播订阅者，则并行下发流表，删除转发组播流量的交换机中的转发表（根据流表的优先级）。

算法的节点选择结果，如表5所示。根据节点加入的次序I、A、B、C、D、E、L、G、H、K、F、J，依据图4的路由网络，生成组播树。

依据算法，根据加入的节点次序，生成的组播树如图5所示，组播源端只发送一份流量。

表5 不同节点加入组播树的过程

图5 组播树生成示例

3 实验验证

在mininet模拟器[8]环境下构建网络拓扑图，连接到onos控制器上，并把源端和组播订阅者的IPv4地址改为IPv6地址，如图6所示。

在mininet模拟器中通过xterm命令开启3个主机。h1为源端，发送组播流量；h2、h3为组播订阅者，接收组播流量。用python命令运行发送和接收组播流量的程序，实验结果如图7所示。其中，h2、h3同一时刻能收到相同的数据。

图6 实验网络拓扑

图7 组播实验结果

4 结 语

本文基于传统网络下的IPv6组播思想，利用SDN灵活控制的思路，提出了在SDN控制器下实现IPv6组播的方案，并结合链路带宽，提供可保证服务质量的组播路径选择，但是没有考虑时延、时延抖动等因素，可以作为未来的研究内容。

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