CN100426787C - 以太网交换机动态发现组播路由器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种以太网交换机动态发现组播路由器的方法，基于IPv6组播基础协议之组播侦听者发现协议中的探询者选举机制，其步骤包括：以太网交换机在端口上定期触发探询者选举过程，以获得路由器的响应，从而发现组播路由器的分布方位；当监测到在某个端口上存在选举行为时，意味着在该端口所连接的方向上存在组播路由器，则所述以太网交换机记录该端口号，将组播路由器信息写入其组播路由器端口分布表。本发明方法与现有技术相比，在子网存在以太网交换机的情况下，提供了检测组播路由器的通用手段，技术实现简单，无硬件上的修改，节省了设备供应商的开发成本，为用户节省了升级路由器所带来的网络改造成本。

Description

以太网交换机动态发现组播路由器的方法

技术领域

本发明涉及一种以太网交换机搜索网络组播路由器的方法，尤其涉及的是一种以太网交换机动态发现IPv6组播路由器的方法。

背景技术：

MLD(Multicast Listener Discovery，组播侦听者发现)是应用于IPv6的组播成员发现和管理协议，也是IPv6组播的基础协议，目前有V1和V2两个版本，该协议的有效作用域限于子网范围，分别运行在子网内的路由器和主机上，通过协议中规定的三种报文，路由器能够记录和维护子网内的组播接收状态，这三种报文分别是：探询报文Query，用于探询子网内部的组播接收状态，由路由器产生并向子网内发送，分为General Query和非General Query；报告报文Report，用于主机向路由器申请接收组播数据流；停止报文Done，用于主机告知路由器自己已经不需要接收某组播数据流，由主机产生并向路由器发送。MLD支持在共享媒质的子网如以太网上有多个组播路由器共存的子网结构，在这种情况下，从所有的MLD路由器中选择一台路由器作为探询者Querier发送Query，其它路由器只同步地接收报文，Querier的选举方法为：在所有的MLD路由器连接该子网的网络接口中，link-localIPv6地址最低的路由器被选为Querier。

以太网交换机的大量应用使得子网内部的广播域限制在交换机端口或由若干端口组成的VLAN一级。以太网交换机通过读取数据帧源物理地址来学习节点以太网地址与交换机端口的对应关系，在以太网交换机的学习过程中，当它从某个端口接收到一帧后，如果无法查到其目的MAC地址对应的端口，它会将该帧广播到所有其它的端口，直到它接收到来自这个MAC地址的响应后，才能学到其与交换机端口的对应关系。但是这种学习方法对于组播报文却是无效的，因为组播报文对应的以太网地址不会以源地址的形式出现，此时以太网交换机原有的学习方式对组播就显得无能为力，因此，MLD中发给路由器的报文就会始终被广播发送，如果并非所有的交换机端口都连接了组播路由器，则这样的发送方式就与利用以太网交换机来抑制广播的初衷背道而驰，因此，有必要为以太网交换机提供一种发现组播路由器的机制，以使交换机在转发只需要组播路由器接收的数据时不使用广播方式。

针对使用以太网交换机的子网，目前IETF提出的MRD(MulticastRouter Discovery，组播路由器发现)协议还只是一个草稿，见draft-ietf-magma-mrdisc-02.txt，该协议草稿提出在以太网交换机和组播路由器之间增加三种三层报文，通过以太网交换机和组播路由器之间的请求/应答机制实现以太网交换机对组播路由器的发现，而在目前网络设备商已经交付给用户的路由器和交换机上并不支持这些功能，用户如果需要二层能够支持组播控制则需要对路由器和以太网交换机同时进行更新或升级。

在现有的以太网交换机有关组播的技术中，都没有解决组播路由器的发现问题。Snooping技术通过增加三层功能可以发现连接着组播接收者的交换机端口和连接了Querier的端口，但却无法发现全部的连接组播路由器的端口。Cisco的CGMP技术用于IPv4设备发现组播路由器和组播接收者，但是其要求以太网交换机和路由器都进行功能扩展才能达到目的，使得组播路由器的发现依赖组播路由器的某个功能模块，而并非所有用户都在使用Cisco的路由器和以太网交换机，全面替换或更新网络设备的成本之大使得用户难以承受，用户需要一种成本低廉的解决方案。如果新功能的增加并不需要对现有的IPv6组播路由器进行更新或替换，将可以很好地保护用户的利益。

因此，现有技术存有缺陷，而有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以太网交换机动态发现组播路由器的方法，其所要解决的技术问题是：在目前大多数局域网都使用以太网交换机来进行组网和广播域管理的情况下，为了防止由于以太网交换机无法确定组播路由器的方位而导致的组播控制报文的广播发送，为以太网交换机增加了发现组播路由器的功能，并且这种功能变化不影响到网络的原有构成形式，即不需要用户升级或重新购买路由器，使得用户维护网络的成本最低化。本发明方法提供了一种仅在以太网交换机上进行功能增强而实现IPv6组播路由器发现的方法，通过对成本较低的以太网交换机本身的功能扩展增加这一动态发现组播路由器机制以维护网络和提升网络性能，不需要对按标准实现的IPv6组播路由器进行改动。

本发明的技术方案如下：

一种以太网交换机动态发现组播路由器的方法，基于IPv6组播基础协议之组播侦听者发现协议中的探询者选举机制，其步骤包括：

a)以太网交换机在端口上定期触发探询者的选举过程，以获得路由器的响应，从而发现组播路由器的分布方位；

b)当监测到在某个端口上存在选举行为时，意味着在该端口所连接的方向上存在组播路由器，则所述以太网交换机记录该端口号，将组播路由器信息写入其组播路由器端口分布表。

所述的方法，其中，所述以太网交换机上还设置有：

一项二层功能，使以太网交换机能够识别IPv6组播地址对应的以太网MAC地址，即识别[33:33:xx:xx:xx:xx]类地址。

所述的方法，其中，所述以太网交换机上还设置有：

一项三层功能，周期性地进入监测状态，产生触发探询者选举过程的总探询报文，其IPv6源地址为link-local格式IPv6地址。

所述的方法，其中，所述方法中以太网交换机发现组播路由器方位后，记录相应的探询者信息，该探询者信息包括探询者的link local地址、MAC地址和对应端口号。

所述的方法，其中，所述方法还包括以太网交换机初始阶段在所有端口触发选举过程，以判断各个端口是否存在组播路由器；在正常运行阶段，以太网交换机只在其组播路由器端口分布表中记录的端口进行触发并监测，并提供选项，使用户可以配置以太网交换机为仍然在所有端口触发并监测。

所述的方法，其中，所述方法还包括在以太网交换机正常运行、有组播路由器开始接入端口或路由器打开组播功能模块时：所述组播路由器在初始工作时，自动触发探询者的选举过程并发送总探询报文，此时以太网交换机将收到该总探询报文，将收到该总探询报文的端口与其组播路由器端口分布表中的端口号进行比较，如果其不在组播路由器端口分布表中，则将其加入，并将此总探询报文与当前探询者的link-local地址比较，如果其更低，便将其作为新的探询者加以记录，再将该总探询报文转发至原探询者所在端口。

所述的方法，其中，所述方法还包括在以太网交换机的监测过程中，所述以太网交换机收到当前探询者的探询报文时：所述以太网交换机在其组播路由器端口分布表中记录的端口号上，用假选举请求的link-local地址替换原探询报文的源地址，并重新计算校验和，然后发送，而对交换机的其它端口，可以直接发送原来的探询报文，或者统一发送假选举请求。

所述的方法，其中，所述方法在以太网交换机级联的情况下所述组播路由器的发现过程为：如果以太网交换机接收到目的地址为[33:33；xx:xx:xx:xx]类地址的以太帧时，进行进一步分析，如果其为假选举请求，则意味着在该端口级联了其它的交换机，此时所述以太网交换机检查自己的组播路由器端口分布表，查找表中除该级联端口外是否还存在其它端口，如果不存在，则只转发该假选举请求而不予回应，如果组播路由器端口分布表中存在其它端口，则进一步检查级联端口是否为探询者所处端口，若然则回送应当请求，若非则回送以探询者地址为源地址的总探询报文。

所述以太网交换机在级联的情况下收到应答请求后，将收到应答请求的端口号记录到其组播路由器端口分布表中。

所述的方法，其中，所述方法还包括：设置一个配置变量，针对组播侦听程序发现版本的不同，表明以太网交换机当前用于哪一版本MLD协议，或由软件通过分析报文自动判断组播侦听程序发现的版本。

所述的方法，其中，所述方法还可结合Snooping机制使用，分别实现对组播路由器和组播接收者的发现功能。

本发明所提供的一种以太网交换机动态发现组播路由器的方法，与现有技术相比，在子网存在以太网交换机的情况下，提供了检测组播路由器的通用手段，技术实现简单，对于以太网交换机而言，无硬件上的修改，节省了设备供应商的开发成本，而且这种检测手段不受用户网络使用哪个厂商的路由器的制约，只要其IPv6路由器支持组播即支持MLD即可使用本发明所述的方法，为用户节省了升级路由器所带来的网络改造成本。

附图说明

图1是本发明方法的由以太网交换机所连接的子网示意图，图中标注为10xx的设备是组播路由器，标注为11xx的设备是以太网交换机，标注为12xx的设备是用户主机；

图2是本发明方法的MLDv1的General Query格式；

图3是本发明方法的MLDv2的General Query格式。

具体实施方式

下文，将详细描述本发明。

本发明方法中的以太网交换机不需考虑在它的每个端口上有多少个路由器，只需要记录在哪些端口上有组播路由器，至于端口外的连接方式是与别的以太网交换机级联，还是为存在多个路由器的共享媒质方式，本发明方法都可以正常的使用，换句话说，传统的使用以太网交换机组网方式不需做任何改动，本发明方法都可以稳定工作。

以下描述中对探询报文不需要区分General Query和非GeneralQuery而是采取同样处理策略的情况，统称之为Query。

本发明方法基于下列一些在网络技术标准中的规定：

a  根据IETF的RFC3513和RFC2464的规定，IPv6在以太网上的link-local地址为FE80::/64，其中后64位为改进的EUI-64格式的Interface ID(节点的网络接口识别符)，改进的EUI-64格式对应于以太网MAC48地址的Interface ID为：[xx:xx:xx:FF:FE:xx:xx:xx]，其中前三字节为以太网接口地址的前三字节，第四、五字节为固定的[FF:FE]，最后三个字节为以太网接口地址的后三字节。

b MLD规定了当节点在完成link-local IP地址配置之后，在发送MLD报文时的IP包地址须为其link-local地址，在同一个子网内部的组播路由器在刚刚启动组播MLD功能模块时都会假定自己是Querier，然后向子网内部发送General Query(下文称GQ)，如果一个Querier路由器接收到来自其它路由器的GQ，就将自己的link-local IP地址与该Query的源IP地址相比较，假若比较结果为对方比自己小，则放弃自己的Querier身份，不再发送Query，经过这样一番比较，子网内必定只有一个路由器成为Querier。而当一个非Querier路由器收到一个Query之后，如果发现其IP地址大于自身IP地址，且经过一段时间后还未收到IP地址小于自己的Query，则其将自身重新设置为Querier，并开始发送GQ，与其它路由器在新的一轮选举中开始竞争，所以Querier的选举在路由器启动和运行期间都可以进行。

c  另外，IETF规定一个IPv6组播地址所对应的48位的以太网地址为：[33:33:xx:xx:xx:xx]，这个以太网地址的最低四个字节取自IPv6组播地址的最低4个字节。

本发明的核心思想是利用MLD中的Querier选举机制来达到发现组播路由器的目的。为给以太网交换机增加一些特性，使得其具有发现组播路由器的功能，在下面的描述中，将以太网交换机的工作情况分为两类：监测状态即执行动态组播路由器发现工作和正常运行状态即执行正常的单播和组播数据的转发工作。在每个监测状态之后是正常运行状态，之后又是监测状态，通过定时器控制上述状态的切换。

首先，针对如何触发MLD中的Querier选举过程，本发明提出在以太网交换机上增加下述功能特性：

1)增加一项二层功能，使以太网交换机能够识别IPv6组播地址对应的以太网MAC地址，即识别[33:33:xx:xx:xx:xx]类地址；

2)增加一项三层功能，周期性地进入监测状态，产生触发Querier选举过程的GQ，其IPv6源地址为link-local格式IPv6地址。根据前面提到的以太网地址对应的EUI-64格式，必然可以构造出64位恒大于标准EUI-64格式以太网地址的数值，并将之与IPv6的link-local地址前缀[FE80::/64]相结合，构造出一个IPv6地址，为描述上的简便，下文中将这种能够触发Querier选举过程的Query称为假选举请求PEQ(Pseudo Election Query)。为实现发现组播路由器之目的，本发明方法的步骤包括：

1)以太网交换机在端口上定期触发探询者Querier的选举过程；

2)当监测到在某个端口上存在选举行为时，意味着在该端口所连接的方向上存在组播路由器，则该以太网交换机记录该端口号，写入组播路由器端口分布表(Multicast Router Position Table)，为表述上的简便，下文中将该表称为MRPT。

针对以太网交换机如何选择端口进行触发，本发明方法的处理方式为：以太网交换机初始阶段在所有端口触发选举过程，以判断各个端口是否存在组播路由器；在正常运行阶段，以太网交换机只在MRPT表中记录的端口进行触发并监测，并提供选项，使用户可以配置以太网交换机为仍然在所有端口触发并监测。

针对以太网交换机在每个端口如何判断是否有Querier的选举行为，本发明方法的处理方式为：当接收到目的地址为[33:33:xx:xx:xx:xx]类地址的以太帧时，进行进一步分析，如果其为普通的GQ，则该交换机端口连接有组播路由器，且正在参与进行Querier的选举。

针对以太网交换机如何处理监测到的Query，本发明方法的处理方式为：分析所收到的所有Query，不管其是否为GQ，都比较这些Query的link-local IPv6地址，而后可以找出一个Querier，记录Querier所处的端口方位、Querier的link-local IPv6地址和MAC地址。

针对以太网交换机级联的情况，本发明方法设置一个用于级联的以太网交换机之间应答的专用总探询报文GQ，以下称之为应答请求AQ(Acknowledge Query)。

针对以太网交换机级联的情况下的组播路由器发现，本发明方法的处理方式为：如果以太网交换机接收到目的地址为[33:33:xx:xx:xx:xx]类地址的以太帧时，进行进一步分析，如果其为PEQ，则意味着在该端口级联了其它的交换机，此时以太网交换机应检查自己的MRPT，查找表中除该级联端口外是否还存在其它端口，如果不存在，则只转发该PEQ而不予回应，如果MRPT中存在其它端口，则进一步检查级联端口是否为Querier所处端口，若然则回送AQ，若非则回送以Querier地址为源地址的GQ。

针对以太网交换机在级联的情况下收到AQ后的处理，本发明提出的方法为：将收到AQ的端口号记录到MRPT中。

针对以太网交换机正常运行时，有组播路由器开始接入端口或路由器打开组播功能模块的情况，本发明的处理方法为：组播路由器在初始工作时，会自动触发Querier的选举并发送GQ，此时以太网交换机将收到该GQ，将收到该GQ的端口与MRPT中的端口号进行比较，如果其不再MRPT中，则将其加入MRPT，并将此GQ与当前Querier的link-local地址比较，如果其更低，便将其作为Querier加以记录，再将该GQ转发至原Querier所在端口。

针对以太网交换机在监测过程中，收到当前Querier的Query(包括GQ和非GQ)时，交换机如何处理的问题，本发明方法的处理过程为：在MRPT表中记录的端口号上(可以设置为除Querier端口外)，用PEQ的link-local地址替换原Query的源地址，并重新计算校验和，然后发送，而对交换机的其它端口，可以直接发送原来的Query，或者也统一发送PEQ。

针对MLD版本不同的问题，本发明方法的处理过程为：设置一个配置变量，表明以太网交换机当前用于哪一版本MLD协议，或由软件通过分析报文自动判断MLD版本。

本发明方法也可以结合Snooping机制使用，分别实现对组播路由器和组播接收者的发现功能。

如图1所示为一个有以太网交换机连接而成的子网，包括多个主机和路由器。

假设路由器1001～1004的link-local IPv6地址单调递减，并假设路由器1002、1004未启动，三个交换机也均未启动，其他路由器和主机都已启动，那么图1中的子网被分割成了暂时未连通的多块，路由器1001和1003分别成为各自区域内的Querier。

如果此时交换机1101启动，将形成一个包括路由器1001、交换机1101和用户主机1201～1204的一个子网。假设初始时交换机1101并未收到用户主机1201的周期性Query，则其将向所有端口发送PEQ，路由器1001原本就是Querier，此时发现自己的link-local地址小于PEQ的，便继续发送GQ，在等待了MRDT时段之后，交换机1101未收到来自其他端口的Query，便认定与路由器1001连接的端口存在组播路由器，且其为Querier，记录其link-local地址，之后就正常地为路由器1001的Query进行转发，并定期地开始下一轮路由器检测。

此后如果再将路由器1002启动且将其组播功能打开，则其首先认为自己是Querier，向外发送GQ，交换机1101收到此GQ并学习到该端口也存在组播路由器，将之计入MRPT表中，同时又发现路由器1002与路由器1001相比，其link-local地址更低，便将路由器1002记作Querier，然后向其他端口广播转发该GQ，实现Querier选举过程。

如果此后交换机1102启动，其也将开始进行组播路由器的初次检测，其检测的结果为只有与交换机1101连接的端口上有组播路由器，将该端口记录在交换机1102的MRPT中，并记录相应的Querier的信息。

如果此后交换机1103也启动，则此时路由器1001～1003，以及交换机1101～1103一起构成了一个较大的子网，用户主机1103开始进行路由器检测，它将发现在与交换机1102和路由器1003相连的端口上有路由器，且Querier为路由器1003对应的信息，交换机1102和1101也都会得到这个Querier的GQ，并更新其记录。

如果此后路由器1004启动，则交换机1103将发现在其所记录的Querier端口上又收到具有更低的link-local地址的GQ，则将Querier信息加以修改，并将这个GQ广播发送到其它端口，交换机1101和1102再度更新其Querier信息。此时交换机1103的一个端口上连接了两台组播路由器，但这并不影响交换机1103的正常运转。

图2和图3是MLD的两个版本中的Query格式，由于MLDv2兼容MLDv1，因此在使用本方法时也要考虑版本兼容性的问题，处理两个版本的GQ时，格式很简单，两个版本的非GQ差异很大，因此在本方法中处理兼容性有两个办法：一，应设置一个配置变量，表明以太网交换机当前用于哪一版本MLD协议；二，由软件通过分析报文自动判断MLD版本，但这会增加以太网交换机处理器的开销。当结合Snooping机制使用本方法时，可以使用第二种方法，因为Snooping机制也要进入三层分析MLD报文。

本发明提供了一种在利用以太网交换机建立子网的情况下，可以使以太网交换机动态地发现组播路由器的方法，所增加的负荷开销大部分发生在以太网交换机内部，基本不会对网络造成负担，其它一小部分开销也只是发生在子网内部，而且发生的频率可以通过参数控制。此外，本发明方法不需要对原有组播路由器升级或更换，节省了网络维护的成本，保护了用户的利益。

本发明方法是一种可以使以太网交换机动态地发现子网内IPv6组播路由器的方法，为了减少以太网广播的负面影响，以太网交换机需要知道组播路由器所处方位，以便有方向地转发数据。本发明方法中利用了MLD协议的Querier选举机制和有关IPv6link-local地址的规定，并在交换机一侧增加了一些判别策略，使得交换机在完成传统的二层交换功能的基础上，可以动态地判断出组播路由器的端口分布方位。

应当理解的是，本发明的上述描述是针对具体实施例的，并非权利要求的全部和对权利要求的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1、 一种以太网交换机动态发现组播路由器的方法，基于IPv6组播基础协议之组播侦听者发现协议中的探询者选举机制，所述以太网交换机上设置有使以太网交换机能够识别IPv6组播地址的二层功能和产生触发探询者选举过程的伪探询报文的三层功能，其步骤包括：

a)以太网交换机在端口上定期触发探询者选举过程的伪探询报文，以获得路由器的响应，从而发现组播路由器的分布方位；

b)当监测到在某个端口上存在选举行为时，意味着在该端口所连接的方向上存在组播路由器，则所述以太网交换机记录该端口号，将组播路由器信息写入其组播路由器端口分布表。

2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以太网交换机上设置的二层功能，使以太网交换机能够识别IPv6组播地址对应的以太网MAC地址，即识别[33:33:xx:xx:xx:xx]类地址。

3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述以太网交换机上设置的三层功能，周期性地进入监测状态，产生触发探询者选举过程的伪探询报文，其IPv6源地址为link-local格式IPv6地址。

4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法中以太网交换机发现组播路由器方位后，记录相应的探询者信息，该探询者信息包括探询者的link-local IPv6地址、MAC地址和对应端口号。

5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以太网交换机初始阶段在所有端口触发选举过程，以判断各个端口是否存在组播路由器；在正常运行阶段，以太网交换机只在其组播路由器端口分布表中记录的端口进行触发并监测，并提供选项，使用户可以配置以太网交换机为仍然在所有端口触发并监测。

6、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在以太网交换机正常运行、有组播路由器开始接入端口或路由器打开组播功能模块时：所述组播路由器在初始工作时，自动触发探询者的选举过程并发送一般探询报文，此时以太网交换机将收到该一般探询报文，将收到该一般探询报文的端口与其组播路由器端口分布表中的端口号进行比较，如果其不在组播路由器端口分布表中，则将其加入，并将此一般探询报文与当前探询者的link-local地址比较，如果其更低，便将其作为新的探询者加以记录，再将该一般探询报文转发至原探询者所在端口。

7、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在以太网交换机的监测过程中，所述以太网交换机收到当前探询者的探询报文时：所述以太网交换机在其组播路由器端口分布表中记录的端口号上，用伪选举请求的link-local地址替换原探询报文的源地址，并重新计算校验和，然后发送，而对交换机的其它端口，可以直接发送原来的探询报文，或者统一发送伪选举请求。

8、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在以太网交换机级联的情况下所述组播路由器的发现过程为：如果以太网交换机接收到目的地址为[33:33:xx:xx:xx:xx]类地址的以太帧时，进行进一步分析，如果其为伪选举请求，则意味着在该端口级联了其它的交换机，此时所述以太网交换机检查自己的组播路由器端口分布表，查找表中除该级联端口外是否还存在其它端口，如果不存在，则只转发该伪选举请求而不予回应，如果组播路由器端口分布表中存在其它端口，则进一步检查级联端口是否为探询者所处端口，若然则回送应当请求，若非则回送以探询者地址为源地址的一般探询报文；

所述以太网交换机在级联的情况下收到应答请求后，将收到应答请求的端口号记录到其组播路由器端口分布表中。

9、 根据权利要求1～8任一权项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：设置一个配置变量，针对组播侦听程序发现版本的不同，表明以太网交换机当前用于哪一版本MLD协议，或由软件通过分析报文自动判断组播侦听程序发现的版本。

10、 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还可结合Snooping机制使用，分别实现对组播路由器和组播接收者的发现功能。

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