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、多方游戲等應用都對組播業務(multicast service)提出了需求。在OSI模型的網絡層或者應用層實現業務是目前組播業務的兩種實現體制，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展及其對IP網絡體系結構的影響提出了一些看法。

2 IP組播的歷史、現狀及困境

1988年Deering提出了將組播的功能機制增加到數據網IP層的組播實現體系結構，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組播的標準業務模型的定義。

標準IP組播業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據以IP數據報的best-effort方式轉發到主機組的各個主機。組播路由器承擔組播數據的尋路和轉發控制功能，這些路由器及鏈路在網絡中形成了一個控制組播數據傳送的邏輯結構，稱為組播轉發結構(delivery structure)，這種結構一般是樹形的結構，稱為轉發樹，在轉發樹上的組播路由器接收、復制、轉發組播數據。

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

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

1992年IP組播實驗網——Mbone建立，從1992～1997年，IP組播的協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，域間路由協議體系的部署實驗開始在Internet 2的兩個骨干網（vBNS, Abilene）中進行，從1999年中開始采用MBGP/MSDP[1,2]和PIM-SM[3]協議體系實現域間組播路由。

目前絕大多數面向內部網絡的路由器都實現了PIM-SM組播路由協議和IGMP協議，具有支持組播業務的能力。在一些內部網絡中，IP組播業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可以有效地支持大規模的接收終端，但是由于對組播業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網絡組播研究的深入，業界普遍認識到僅僅依靠標準組播業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點確定的應用，由此提出了采用單源組播業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務模型。

SSM業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送組播數據的源主機的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組播數據報使用的信息。

與標準組播業務模型相比較，SSM業務模型具有以下的優點：SSM模型提供了組播接入的限制機制；組播源節點確定，路由協議實現簡化；組播組的管理由源節點管理和協調，不需要全網絡的組地址管理機制。

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

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

從因特網發展的過程和IP網絡的體系結構看，阻礙IP組播業務發展的主要因素為：

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信息，而且這些組播地址不能聚合，網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，組播組成員的動態使網絡必須動態維護路由狀態，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環境中難以支持有效的管理和控制機制。標準的IP組播業務模型是一種any source、any receiver的開放模型，任何節點都可以創建組，可以向組發送數據，節點可以加入任何感興趣的組接收數據，發送節點不知道具體的單個接收節點，接收節點也不需要知道發送數據的節點。在這種模型下，接入控制、組管理、組地址的協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費用模型，網絡運營商之間有不同的利益取向。目前骨干網運營商以帶寬使用獲得收益，對承載的是IP單播業務還是IP組播業務沒有必要區分，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組播業務在因特網中的困境，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實現的新思想。端系統實現組播業務的思想是將組播作為一種疊加的業務，實現為應用層的服務，因此，端系統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。應用層組播網的節點是組播成員主機，數據路由、復制、轉發功能都由成員主機完成，成員主機之間建立一個疊加在IP網絡之上的、實現組播業務邏輯的功能性網絡，稱為疊加網（overlay network），主機基于自組織算法建立和維護疊加網。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組播的數據沿著物理鏈路復制和轉發，而應用層組播的數據則在主機實現復制和轉發，數據報沿著邏輯鏈路轉發，多跳邏輯鏈路可能經過同一條物理鏈路。