CN1852231A - 一种在宽带无线接入***中的基站及实现组播业务的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在宽带无线接入***中的基站，其连接有路由器及多个用户站，包括：用于侦听用户站和路由器之间的报文的侦听模块或用于拦截用户站和路由器之间的报文代理模块；组播地址转发表维护模块，用于根据所侦听或拦截的报文的类型建立及维护组播地址转发表；组播服务建立模块、组播转发执行模块，其为组播组中的所有用户站分配一个相同的连接标识，藉之管理组用户站的加入或离开、维护用户数据，并发送组播数据到用户站。本发明还提供了一种在宽带无线接入***中实现组播业务的方法。利用本发明，不在该组播组内用户站不能收到组播报文，从而降低了用户站的功耗，并且提高了安全性。另外，基站设备无需进行组播包复制，可节约空口的带宽资源。

Description

一种在宽带无线接入***中的基站及实现组播业务的方法
技术领域
本发明涉及宽带无线接入***，特别是涉及在宽带无线接入***中的基站及其实现组播业务的方法。
背景技术
传统的IP通信(如IPv4通信)是在一个源IP主机和一个目标IP主机之间(单播)或者一个源IP主机和网络中所有的IP主机之间(广播)进行的。如果我们要将信息发送给网络中的多个而非所有IP主机，要么采用广播方式，要么由源IP主机分别向网络中的多个目标IP主机发送IP包。前一种方式不仅会将信息发送给不需要的IP主机而浪费带宽，也可能由于路由回环引起一场严重的广播风暴；后一种方式由于IP包的重复发送而白白浪费掉大量带宽，也增加了服务器的负载。可以说传统的IP通信技术不能有效地解决单点发送、多点接收的问题。
而后来出现的IP组播技术允许源IP主机将IP信息包发送到IP网络上的任意一组目标IP主机上，可以有效地解决单点发送多点接收、多点发送多点接收的问题。在多媒体会议、数据分发、分布式并行处理和分布式交互仿真等方面获得了广泛的应用，成为IP网络中必须采用的技术之一。
如图1、图2及图3所示，分别是现有IP通信中，广播方式、单播方式、组播方式三种方式的数据流示意图。其均是在路由器、基站、用户站及用户之间进行报文的广播、单播、组播等形式的传递。
在宽带无线接入***中，如，世界微波接入互操作组织(Worldwideinteroperability for microwave access，WiMAX)所推动的IEEE 802.16标准中，网络侧有组播报文需要送给用户主机，基站(Base Station，BS)设备收到目的媒体接入控制(Media Access Control，MAC)地址为组播MAC地址的报文，BS设备无法通过二层学习找到输出端口，其一般采用的方法有：
a、广播到所有的用户站(Subscriber Station，SS)，即使只有其中一个SS需要该组播报文。这种实现方法比较简单，但是其亦存在有一定的缺点：其增加了不需要组播报文的接收者的处理负担，也增加了SS设备的功耗。另外，没有加入组的主机也能收到组播报文，会带来不安全的情形。
b、根据一定的规则(例如，可以是手工配置)，把组播报文改变为单播报文，送到有需要的SS，这样，只有需要组播报文的接收者(SS)才会收到该报文，但是在这种实现方法中，需要BS设备或其他设备实现组播复制功能，增加了设备的复杂性，例如，如果组播组内的SS非常多，则需要一个一个的复制到每个SS，这样会增加了BS设备的复杂度，也极大地浪费了空口的带宽资源，由于流量复制，也容易成为网络的瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种宽带无线接入***中的基站及其实现组播业务的方法。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种在宽带无线接入***中的基站，其连接有路由器及多个用户站，包括：用于侦听用户站和路由器之间的报文的侦听模块或用于拦截用户站和路由器之间的报文代理模块；组播地址转发表维护模块，用于根据所侦听或拦截的报文的类型建立及维护组播地址转发表；组播服务建立模块、组播转发执行模块，其为组播组中的所有用户站分配一个相同的连接标识，根据该连接标识管理组用户站的加入或离开、维护用户数据，并发送组播数据到用户站。
其中，所述侦听模块为用于IPv4的IGMP侦听模块或用于IPv6网络的MLD侦听模块，所述代理模块为用于IPv4的IGMP代理模块或用于IPv6的MLD代理模块。
其中，所述IGMP侦听模块及IGMP代理模块所侦听或拦截的报文包括来自路由器的IGMP查询报文、来自用户站的IGMP报告报文及IGMP离开报文。
其中，所述IGMP侦听模块及IGMP代理模块所侦听或拦截到IGMP查询报文，可确定和路由器相连的基站设备的端口；所述IGMP侦听模块及IGMP代理模块拦截到IGMP报告报文，根据接收IGMP报告的端口和报告报文中的组来判断是否将端口加入组播组，或者新建组播组转发表；所述IGMP侦听模块及IGMP代理模块拦截到IGMP离开报文，其向收到该IGMP离开报文的端口发送一特定组查询消息，以确认该端口是否还有此组播组的成员。
其中，所述MLD侦听模块及MLD代理模块所侦听或拦截的报文包括组成员资格查询消息、组成员资格报告消息及组成员资格减少消息报文。
本发明还提供了一种在宽带无线接入***中实现组播业务的方法，其包括：(a)基站设备利用其内的侦听模块代理模块侦听或拦截在用户站与路由器之间传送的报文；(b)根据所侦听或拦截的报文的类型维护组播地址转发表；(c)根据组播地址转发表并通过基站设备给组播组内所有用户站分配一个相同的连接标识来建立基站和用户站之间的组播服务。
其中，所述侦听模块为用于IPv4的IGMP侦听模块或用于IPv6网络的MLD侦听模块，所述代理模块为用于IPv4的IGMP代理模块或用于IPv6的MLD代理模块；所述在用户站与路由器之间传送的报文，对于IPv4网络，该报文为IGMP查询报文、IGMP报告报文或IGMP离开报文；对于IPv6网络，该报文为组成员资格查询消息、组成员资格报告消息或组成员资格减少消息报文。
其中，进一步包括组播建立：基站设备侦听或拦截主机和路由器之间传送的IGMP报告报文；根据该IGMP报告报文中的组播号查询设备内的组播地址转发表中是否存在该组播组；如果组播地址转发表中不存在该组播组，创建一个组播组转发表，在该组播组转发表中加入源用户站设备信息，分配一个新的连接标识，并将组播组转发表中的出口设置为该连接标识；通知源用户站设备接收该连接标识的报文。
其中，进一步包括组播加入：基站设备侦听或拦截主机和路由器之间传送的IGMP报告报文；根据该IGMP报告报文中的组播号查询设备内的组播地址转发表中是否存在该组播组；如果组播地址转发表中存在该组播组，则在该组播地址转发表中加入源用户站设备信息，获取出口连接标识；通知源用户站设备接收该连接标识的报文。
其中，进一步包括组播离开：基站设备侦听或拦截用户站和路由器之间传送的离开报文；根据该IGMP离开报文中的组播组号查询基站设备内的组播地址转发表，并删除该组播地址转发表中源用户站设备信息，获取出口连接标识信息；通知源用户站设备不接收该连接标识的报文；判断该组播地址转发表中是否还有用户站设备，如果有，则不处理；如果从网络侧收到该组播组的报文，通过该连接标识发送出去。
其中，进一步包括组播删除：基站设备侦听或拦截用户站和路由器之间传送的离开报文；根据该IGMP离开报文中的组播组号查询基站设备内的组播地址转发表，并删除该组播地址转发表中源用户站设备信息，获取出口连接标识信息；通知源用户站设备不接收该连接标识的报文；判断该组播地址转发表中是否还有用户站设备，如果没有，删除组播地址转发表，回收连接标识；如果从网络侧收到该组播组的报文，则丢弃。
本发明的有益效果在于：利用宽带无线接入***的点到多点的特性，实现组播业务在该宽带无线接入***上的传输。不在该组播组内的主机，将不能收到组播报文，从而降低了SS功耗，并且保证了安全性。另外，BS设备无需进行复杂的组播包复制，其工作简单，且节约了空口的带宽资源。
附图说明
图1是IPv4网络或IPv6网络中报文进行广播方式传递的示意图；
图2是IPv4网络或IPv6网络中报文进行单播方式传递的示意图；
图3是IPv4网络或IPv6网络中报文进行组播方式传递的示意图；
图4是组播协议分层体系示意图；
图5是本发明中的IGMP侦听流程示意图；
图6是本发是中的IGMP代理流程示意图。
具体实施方式
本发明中所称主机，是指无法转发未显式定址到其自身的IP数据包的节点(非路由器)。通常，主机是IP通信量的源和目标。主机会悄悄地丢弃它接收到的、未显式定址到其自身的通信量，如在图1至图3中的用户可以认为是一种主机的形式。
请参见图4所示的组播协议分层体系，可以看出，其中因特网组管理协议(Internet Group Management Protocol，IGMP)处于组播协议的最底层，是整个组播协议的基础，IGMP用于路由器对主机加入或离开组播组的情形进行动态管理，建立三层组播地址转发表。在组播协议中，只有IGMP协议直接与点播主机联系，运行IGMP的路由器负责管理组用户主机加入、离开，通过维护用户数据，发送组播数据到主机。
在本发明所提供的基站设备中，其至少包括有：用于IPv4网络中的IGMP侦听(IGMP Snooping)模块及IGMP代理(IGMP Proxy)模块；用于IPv6网络的组播监听发现协议(Multicast Listener Discovery，MLD)侦听模块及MLD代理模块；进一步包括组播地址转发表维护模块；及组播服务建立模块、组播转发执行模块。
其中，二层设备(如基站设备)可利用IGMP侦听模块拦截主机和路由器之间传送的IGMP报文，以此维护二层的组播地址转发表。
IGMP代理模块可以拦截用户和路由器之间的IGMP报文建立组播地址转发表，IGMP代理模块的上联端口执行主机的角色，下联端口执行路由器的角色。其上联端口执行主机的角色，响应来自路由器的查询，当新增用户组或者某组播组最后一个用户退出时，该IGMP代理模块主动向路由器发送成员报告包或者离开包。下行方向的业务包按照组播表进行转发。其下联端口执行路由器的角色，完全按照IGMP V2中规定的机制执行，包括查询者选举机制，定期发送通用查询信息，收到离开包时发送特定查询等。
其中IGMP侦听模块和IGMP代理模块二者的实现的功能的主要区别在于，IGMP代理模块在两个端口分别实现不同的功能，工作量相对较大，其优点是当网络中没有路由器时，IGMP代理模块可以起到查询者的作用，而且如果要扩展组播路由功能，IGMP代理比IGMP侦听更加方便。
而组播服务建立模块是通过802.16(WiMAX)宽带无线接入标准连接标识(connection ID，CID)分配过程来建立的，其可实现组播建立、组播加入、组播离开、组播删除等几种功能。
组播转发执行模块用于实现具体的组播转发过程。
而对于IPv6网络，不同的地方在于IP主机和路由器之间的组播协议报文为组播监听发现协议(Multicast Listener Discovery，MLD)消息。和IPv4的IGMP协议相比，只是MLD消息格式不同，协议的协商过程是相同的。
802.16(WiMAX)宽带无线接入***本身是一个点到多点(Point to MultIPoint，PMP)***，其协议中也定义了组播功能，但该组播功能只是在BS、SS之间内部实现，外部的组播协议并不能直接使用该功能。
下面将结合图5来说明本发明的IGMP侦听的实现过程和组播服务的实现过程。下面的描述是结合IPv4网络中的IGMP V2版本进行的。
IGMP snooping实现：首先，BS设备需要识别IGMP报文，然后根据IGMP报文的类型来维护二层组播地址转发表。IGMP V2版本有查询、报告、离开三种报文类型。
a、IGMP查询：该IGMP查询报文是从路由器下发的，主要用于确认下面组播组成员的情况，组播组成员收到查询后应给予响应，即发IGMP报告报文。对于IGMP侦听模块，其需根据IGMP查询可确定路由器端口，该路由器端口是和该路由器相连的二层设备(BS)的端口。
b、IGMP报告：IGMP报告报文的产生有两种情况，其一是对路由器查询的响应；其二是主动向路由器发起。对于IGMP侦听模块，其不能区分该两种情况，因为这两种情况产生的报告报文完全是一样的，其只需根据接收IGMP报告的端口和报告报文中的组来判断是否将端口加入组播组，或者新建组播组转发表。
c、IGMP离开：当一个组成员想不再接收某一组播组的报文，其可以向路由器发IGMP离开报文，当IGMP侦听模块接收该IGMP离开报文时，其向收到该IGMP离开报文的端口发送一特定组查询消息，以确认该端口是否还有此组播组的成员。
而在IPv6网络中，对应有这3种报文，分别为组成员资格查询消息、组成员资格报告消息、组成员资格减少消息。该三种消息的格式和IPv4网络中的报文格式不同，但其协商过程和IPv4网络是相同的。
而组播服务建立模块所能实现的功能主要有：组播建立、组播加入、组播离开、组播删除几种情况。可以结合图5进行说明。
组播建立：BS设备侦听主机和路由器之间传送的报文(步骤500)，判断其是否为IGMP报告报文(步骤510)；如是，则根据报文中的组播号(步骤520)；藉之查询设备内的组播地址转发表中是否存在该组播组，判断其是否为新的组播组(步骤530)；如果不存在，则需要创建一个组播组转发表，在该组播组转发表中加入源SS设备信息，分配一个新的CID，将组播组转发表中的出口设置为该CID(步骤540)；通过协议通知源SS设备接收该CID报文。如果从网络侧收到这个组播组的报文，则通过该CID发送出去(步骤550)。
组播加入：BS设备侦听主机和路由器之间传送的报文(步骤500)，判断其是否为IGMP报告报文(步骤510)，如是，则根据报文中的组播号(步骤520)，藉之查询设备内的组播地址转发表中是否存在该组播组，判断其是否为新的组播组(步骤530)，如果存在，只需在表中加入源SS设备信息，得到出口CID(步骤545)；通过协议通知源SS设备接收该CID报文。如果从网络侧收到这个组播组报文，则通过该CID发送出去(步骤550)。
组播离开：BS设备侦听主机和路由器之间传送的报文(步骤500)，如果其不是IGMP报告报文(步骤510)；则判断其是否为IGMP离开报文(步骤515)，如果BS设备收到的报文为IGMP离开报文，则根据该IGMP离开报文中的组播组号查询BS设备内的组播地址转发表，删除该组播地址转发表中源SS设备信息，得到出口CID信息，协议通知源SS设备不接收该CID报文(步骤525)。并判断该组播地址转发表中是否还有SS设备(步骤535)，如果有，则不处理。如果从网络侧收到这个组播组的报文，依然通过该CID发送出去。
组播删除：BS设备侦听主机和路由器之间传送的报文(步骤500)，如果其不是IGMP报告报文(步骤510)；则判断其是否为IGMP离开报文(步骤515)，如果BS设备收到的报文为IGMP离开报文，则根据该IGMP离开报文中的组播组号查询BS设备内的组播地址转发表，删除该组播地址转发表中源SS设备信息，得到出口CID信息，协议通知源SS设备不接收该CID报文(步骤525)。并判断该组播地址转发表中是否还有SS设备(步骤535)，如果没有，则删除组播地址转发表，回收CID(步骤560)。如果从网络侧收到这个组播组的报文，则丢弃。
如图6所示，是本发明中的IGMP代理的流程示意图。其与图5中所揭示的IGMP侦听有很多相似之处。其亦包括有组播建立、组播加入、组播离开和组播删除等步骤。
其中，组播建立：BS设备拦截主机和路由器之间传送的报文(步骤600)，判断其是否为IGMP报告报文(步骤610)；如是，则根据报文中的组播号(步骤620)；藉之查询设备内的组播地址转发表中是否存在该组播组，判断其是否为新的组播组(步骤630)；如果不存在，则需要创建一个组播组转发表，在该组播组转发表中加入源SS设备信息，分配一个新的CID，将组播组转发表中的出口设置为该CID(步骤640)；向路由器发送该IGMP报告报文(步骤660)，通过协议通知源SS设备接收该CID报文(步骤670)。
组播加入：BS设备拦截主机和路由器之间传送的报文(步骤600)，判断其是否为IGMP报告报文(步骤610)；如是，则根据报文中的组播号(步骤620)；藉之查询设备内的组播地址转发表中是否存在该组播组，判断其是否为新的组播组(步骤630)；如果存在，只需在表中加入源SS设备信息，得到出口CID(步骤650)；通过协议通知源SS设备接收该CID报文。如果从网络侧收到这个组播组报文，则通过该CID发送出去(步骤670)。
组播离开：BS设备拦截主机和路由器之间传送的报文(步骤600)，如果其不是IGMP报告报文(步骤610)；则判断其是否为IGMP离开报文(步骤615)，如果BS设备收到的报文为IGMP离开报文，则根据该IGMP离开报文中的组播组号查询BS设备内的组播地址转发表，删除该组播地址转发表中源SS设备信息，得到出口CID信息，协议通知源SS设备不接收该CID报文(步骤625)。并判断该组播地址转发表中是否还有SS设备(步骤635)，如果有，则不处理。
组播删除：BS设备拦截主机和路由器之间传送的报文(步骤600)，如果其不是IGMP报告报文(步骤610)；则判断其是否为IGMP离开报文(步骤615)，如果BS设备收到的报文为IGMP离开报文，则根据该IGMP离开报文中的组播组号查询BS设备内的组播地址转发表，删除该组播地址转发表中源SS设备信息，得到出口CID信息，协议通知源SS设备不接收该CID报文(步骤625)。并判断该组播地址转发表中是否还有SS设备(步骤635)，如果没有，则删除组播地址转发表，回收CID(步骤645)。并向路由器发送IGMP离开报文(步骤655)如果从网络侧收到这个组播组的报文，则丢弃。
如果BS设备拦截得是路由器IGMP的查询报文(步骤665)，则BS设备会向路器发送IGMP应答报文(步骤675)。
从上述描述中可以看出，本发明的BS设备利用其内的IGMP侦听模块或IGMP代理模块(对IPv4而言)。BS设备可侦听或拦截主机和路由器之间传送的IGMP报文，并根据IGMP报文的类型(如IGMP查询报文、IGMP报告报文或IGMP离开报文)来维护组播组转发表。
BS设备根据组播组转发表，依照802.16(WiMAX)宽带无线接入标准规定建立下行组播服务。BS设备给组播组内所有SS分配一个相同的CID(对该CID没有特殊要求)，组播组内的SS可以不知道该CID用于组播链路，只需要知道：通过这个CID传输的数据需要MAC层识别和处理。这样就可以实现针对该组播组内的所有SS的组播服务。不在组播组内的主机，将不能收到组播报文，降低了SS功耗，并且保证了安全性。另外不需要BS设备做复杂的组播包括复制工作，且节约了空口带宽资源。

Claims (11)

1、一种在宽带无线接入***中的基站，其连接有路由器及多个用户站，其特征在于，包括：
用于侦听用户站和路由器之间的报文的侦听模块或用于拦截用户站和路由器之间的报文代理模块；
组播地址转发表维护模块，用于根据所侦听或拦截的报文的类型建立及维护组播地址转发表；
组播服务建立模块、组播转发执行模块，其为组播组中的所有用户站分配一个相同的连接标识，根据该连接标识管理组用户站的加入或离开、维护用户数据，并发送组播数据到用户站。
2、根据权利要求1所述的在无线接入***的基站，其特征在于，所述侦听模块为用于IPv4的IGMP侦听模块或用于IPv6网络的MLD侦听模块，所述代理模块为用于IPv4的IGMP代理模块或用于IPv6的MLD代理模块。
3、根据权利要求1或2所述的在无线接入***的基站，其特征在于，所述IGMP侦听模块及IGMP代理模块所侦听或拦截的报文包括来自路由器的IGMP查询报文、来自用户站的IGMP报告报文及IGMP离开报文。
4、根据权利要求3所述的在无线接入***的基站，其特征在于，所述IGMP侦听模块及IGMP代理模块所侦听或拦截到IGMP查询报文，可确定和路由器相连的基站设备的端口；所述IGMP侦听模块及IGMP代理模块拦截到IGMP报告报文，根据接收IGMP报告的端口和报告报文中的组来判断是否将端口加入组播组，或者新建组播组转发表；所述IGMP侦听模块及IGMP代理模块拦截到IGMP离开报文，其向接收到该IGMP离开报文的端口发送一特定组查询消息，以确认该端口是否还有此组播组的成员。
5、根据权利要求2所述的在无线接入***的基站，其特征在于，所述MLD侦听模块及MLD代理模块所侦听或拦截的报文包括组成员资格查询消息、组成员资格报告消息及组成员资格减少消息报文。
6、一种在宽带无线接入***中实现组播业务的方法，其特征在于，包括：
(a)基站设备利用其内的侦听模块代理模块侦听或拦截在用户站与路由器之间传送的报文；
(b)根据所侦听或拦截的报文的类型维护组播地址转发表；
(c)根据组播地址转发表并通过基站设备给组播组内所有用户站分配一个相同的连接标识来建立基站和用户站之间的组播服务。
7、根据权利要求6所述的在宽带无线接入***中实现组播业务的方法，其特征在于，所述侦听模块为用于IPv4的IGMP侦听模块或用于IPv6网络的MLD侦听模块，所述代理模块为用于IPv4的IGMP代理模块或用于IPv6的MLD代理模块；所述在用户站与路由器之间传送的报文，对于IPv4网络，该报文为IGMP查询报文、IGMP报告报文或IGMP离开报文；对于IPv6网络，该报文为组成员资格查询消息、组成员资格报告消息或组成员资格减少消息报文。
8、根据权利要求7所述的在宽带无线接入***中实现组播业务的方法，其特征在于，进一步包括组播建立：
基站设备侦听或拦截主机和路由器之间传送的IGMP报告报文；
根据该IGMP报告报文中的组播号查询设备内的组播地址转发表中是否存在该组播组；
如果组播地址转发表中不存在该组播组，创建一个组播组转发表，在该组播组转发表中加入源用户站设备信息，分配一个新的连接标识，并将组播组转发表中的出口设置为该连接标识；
通知源用户站设备接收该连接标识的报文。
9、根据权利要求7所述的在宽带无线接入***中实现组播业务的方法，其特征在于，进一步包括组播加入：
基站设备侦听或拦截主机和路由器之间传送的IGMP报告报文；
根据该IGMP报告报文中的组播号查询设备内的组播地址转发表中是否存在该组播组；
如果组播地址转发表中存在该组播组，则在该组播地址转发表中加入源用户站设备信息，获取出口连接标识；
通知源用户站设备接收该连接标识的报文。
10、根据权利要求7所述的在宽带无线接入***中实现组播业务的方法，其特征在于，进一步包括组播离开：
基站设备侦听或拦截用户站和路由器之间传送的离开报文；
根据该IGMP离开报文中的组播组号查询基站设备内的组播地址转发表，并删除该组播地址转发表中源用户站设备信息，获取出口连接标识信息；
通知源用户站设备不接收该连接标识的报文；
判断该组播地址转发表中是否还有用户站设备，如果有，则不处理；
如果从网络侧收到该组播组的报文，通过该连接标识发送出去。
11、根据权利要求7所述的在宽带无线接入***中实现组播业务的方法，其特征在于，进一步包括组播删除：
基站设备侦听或拦截用户站和路由器之间传送的离开报文；
根据该IGMP离开报文中的组播组号查询基站设备内的组播地址转发表，并删除该组播地址转发表中源用户站设备信息，获取出口连接标识信息；
通知源用户站设备不接收该连接标识的报文；
判断该组播地址转发表中是否还有用户站设备，如果没有，删除组播地址转发表，回收连接标识；
如果从网络侧收到该组播组的报文，则丢弃。
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