November 10, 2009
《網路新知專題》
淺談MBone：Virtual Network on Top of Internet
作者：周獻彬
前言
MBone（Multicast Backbone）是一種建構在Internet上的特殊網
路型態，它使現有的Internet具有multicast的傳輸能力。利用
MBone技術，Internet上想要同時溝通的主機，可以形成一個群組，
互相傳遞資料。
MBone的可貴之處，在於即使群組中成員增加，multicast的資料
流也不會增加網路使用頻寬；此相對於傳統的Unicast傳輸方式，只
能一對一地傳輸資料，MBone提供了多點（Multicast）而且即時（
Real Time）的傳輸技術，實現了在網際網路（WAN）上進行視訊會
議、遠距教學等等活動的理想。因為MBone是架構在Internet上，其
實並不存在Multicast的專屬網路骨幹，所以MBone在很多文件上也
被稱之為虛擬網路。
第一次正式的MBone試用是1992年三月在美國聖地牙哥（San
Diego）舉辦IETF（Internet Engineering Task Force）會議，當
時透過Internet以multicast技術將會場的聲音傳播到橫跨三大洲的
20個站。遠方的與會者也可以參加討論，有很好的互動效果。有了
這次成功的實驗之後，MBone的規模迅速的發展起來。而隨著MBone
Tools和應用軟體的開發成功，像影像傳輸、電子白板等，MBone技
術被廣泛的應用在許多領域。本院也在1994年11月和美國BARRNet完
成Mbone Tunnel的架設，為北台灣地區學術單位提供MBone轉接服務
，並陸續參與多次的MBone視訊會議。
本文以下將簡單介紹MBone的網路概念、MBone的組成架構及運作
原理，並與讀者共同探討目前MBone所遭遇到的問題。
MBone 網路傳輸概念
1.unicast、broadcast、multicast在討論MBone之前，一定要先
了解unicast、broadcast、multicast三種傳輸方式的差異。以
Ethernet網路架構而言，封包（Packet）在同一個subnet中傳遞時
，以收方地址來判別該由那台主機接收；若在不同的subnet時，就
要透過路由器（Router）根據收方地址，把這個packet送往收方主
機所在的另一個subnet上。這就是Internet上最普遍、一對一方式
傳送的unicast。
另一類傳輸模式為一對多模式，分為broadcast和multicast 二種
。當broadcast時，同一subnet上所有主機都會收到broadcast
packet。但是broadcast packet會被subnet router擋下來，不會傳
送到另一個subnet，否則網路就會被broadcast packet癱瘓了。
multicast是一對一個群組（group）的傳輸模式，不同於
broadcast的是，同一subnet中只有參加multicast group的主機才
會收到封包，其他的主機就不會受到無謂的干擾，而且multicast
packet會透會mrouter（multicast router）的運作將封包送到另一
個subnet的multicast group。另一方面，multicast和broadcast相
同的特性是，不管接收封包的主機有幾台，都只有一個資料流，也
就是說，同一個subnet裏，不管接收主機的數量，所需的頻寬都是
一樣的。
2.IP multicasting：multicast究竟是如何辦到的呢? 在TCP/IP
的環境中，IP address被分為五大類，如圖一。
(圖一)
（有關Class E部份，目前仍有爭議，還在討論中尚未確定）
以第一個位元start bits的不同，可分為Class A、B、C、D、E
五大類。其中Class D的start bits為"1110"，範圍從224.0.0.0~
239.255.255.255，這段位址不屬於任何主機，是特別保留給
multicast address。當一部主機要送multicast packet到某一個
group的主機時，他們之間要先選定一個閒置的Class D IP，並避免
和其他群組的multicast packet IP相同。然後這個multicast
packet送出時，網路上參與這個group的主機，除了接收屬於自己IP
的packet之外，也會接收自這個Class D IP的packet。於是達成了
multicast的目的了。
MBone的通訊協訂
MBone最引人注目的地方，就是能夠在Internet上進行動態即時的
視訊會議，而Internet上又有不固定的傳輸延遲和頻寬限制等負面
因素存在，會嚴重影響視訊會議的品質，因此MBone採用了一些不同
的通訊協訂，如下：
1.UDP：MBone在Transport Layer中採用UDP（User Dategram
Protocol）通訊協訂，而不是一般常用的TCP（Transport
Control Protocol）。TCP是一種可信賴、連續導向、有順
序性的通訊協訂，而UDP卻是另一種不可信賴、非連續導向、
無順序性的通信協訂。然由於TCP的可靠性（reliability）
和流量控制（flow control）並不適用於real-time的資
料傳遞；相反的，UDP近乎沒有控制，卻正好適合Real-time
的使用。例如：當網路塞車時，TCP會先等到Time-out後，
因收不到acknowledge再要求重送流失的packet，反而會造
成更長時間的延遲，對real-time的要求顯然無法達到。而
UDP則是不理會packet的流失，仍繼續不斷的送出packet，
雖然收方會少收到一些packet，但只要流失量不是太大，對
於更強調real-time的影像和聲音資料來說，是可以接受的。
另一個重要的原因則是，UDP和IP multicasting的配合可以傳送
到一個群組，而TCP只能作點對點的連接。
2.RTP：除了UDP之外，MBone在Application Layer採用RTP（Real-
Time Protocol）來協助達成real-time的要求。RTP是由
IETF的 Audio-Video Transport Working Group所發展的，
其作法是為每個送出的RTP packet貼上時間（Timeing）和
序號(Sequencing)的標籤，收方主機有一緩衝區(buffer)
存在，當RTP packet接收之後，都先存入緩衝區內，根據
所貼上的時序標籤，將packet重新排列組合，再送給應用
程式。如此packet就能依序的被播放，而不必擔心網路延
遲的問題了。
3.IGMP：IGMP（Internet Group Management Protocol）在
Network Layer是屬於IP通信協訂的一部份，主要是同一
subnet中的mrouter和主機溝通群組訊息的通訊協訂。它
能夠讓mrouter記錄那一個主機屬於那一個multicast group，
這樣mrouter才知道要該將multicast packet傳送到那些
主機。換言之，IGMP就是在使用與管理Class D的multicast
address。
因為網路上的主機可以任意的加入（join）或離開（leave）一個
multicast group。在IGMP中使用JoinGroup與LeaveGroup二種訊息
來記錄group membership的狀態。
利用這兩個訊息，mrouter就能夠記錄一份，在某一multicast
group上有多少主機的table。當網路上的mrouter收到multicast
packets要傳送時，mrouter會判斷那些multicast packets是要送到
那一個multicast group，以及在該multicast group裡有那些hosts
，再將收到的multicast packets送到指定的主機上。
MBone的組成架構
1.Islands：指具有IP multicast功能的網路，例如Ethernet。在
同一個Island裏的主機，就是在同一個subnet，可直接做multicast
的動作而不必經由router。
2.Mrouter：為解決現有Internet Router沒有支援multicast packet
routing的問題，在一個Island中選擇一台主機（若是subnet的router
更好），執行一個"mrouted"（multicast routing daemon）的程式，
負責處理不同subnet間multicast packet的傳送。
mrouted這個程式主要為Mrouter提供三個功能：
(a)決定routing path：Mrouter除了記錄"IGMP table"之外，還
有一張"Routing table"，記錄對外有那些tunnel存在，和tunnel
另一端連接的Mrouter IP address。這樣Mrouter就能判斷multicast
packet要往那些tunnel傳送。
(b)複製pakcet：若要送往的tunnel不只一個，Mrouter就必須將
收到的packet複製成需要傳送的數量。
(c)multicast packet轉換：為了讓multicast packet能通過一般
Internet router，multicast packet必須在Mrouter中轉換為
標準的unicast packet，再由tunnel送出。
3.Tunnel：各個Island用來連接的通道，Tunnel兩端是執行"mrouted"
的主機。這是虛擬的點對點連接，因為並不是兩端點直接相連，而
是要看Internet的實際連接情形而定。
tunnel有二個參數：metric、threshold。
(a)metric：用來決定routing path。
(b)threshold：和TTL（Time-To Live）值合用，用來限制multicast
packet的擴散範圍。因為每個packet有其TTL值，每經過一個Mrouter
時會被減1，當packet TTL值小於tunnel的 threshold時，該packet
就會被丟棄，不再傳送了。表一為IETF針對各種不同訊號提出的建議
值。
MBone運作原理
1.一個Island中的一台主機送出一個multicast IP的packet。
2.在這個Island中執行"mrouted"的Mrouter接收這些packet，然
後查看自己的routing table，若是有tunnel存在則往外送，否
則不做處理。
3.要往外送的packet被重新包裝成為unicast packet，其unicast
的IP address就是tunnel另一端"mrouted"的Mrouter IP address。
4.接收端的Mrouter接收到這些packet之後，還原成原來的multicast
packet，若是Island裏的主機要接收這些packet，則往Island裏
傳送。此外這個Mrouter也會查看自己的routing table是否有
tunnel存在，若有則再繼續往外傳送。
5.在不同Island的主機，都能接收到這些IP multicast的packet。
MBone視訊會議應用程式
以下列舉一些常見的MBone Tools：
1.SD（Session Directory）：MBone的會議排程軟體。可以新開
立或參與進行中某一會議，而且SD會自動選擇閒置的Class D IP，
以避免造成和其他的會議衝突。
2.VAT（Visual Audio Tool）：讓兩人以上的網路使用者，參與
以聲音為主的互動式會議，好像網路電話一般。VAT會顯示所有
與會者的資料，並且以這些資料來強調發言者的身份。
3.NV（Network Video）、VIC（Video Conference):MBone的影像
擷取和傳送軟體，有Voice-activate switching功能，作用的
主視窗會隨聲音而互相切換，要搭配VAT等其他工具軟體使用。
4.WB（White Board）：
(a)可以在較低頻寬的網路環境下使用，因為WB每秒產生的資料遠
小於影像或聲音型態的資料。
(b)不像其他的MBone Tool，WB提供可靠性的multicast傳送，所
以它不使用RTP為傳輸協訂，而採用另外發展的WB protocol。
結語
MBone的確是功能強大的網路架構，我們深切期待MBone能蓬勃發
展，在Internet建構更便利的網路環境。不過目前MBone還在實驗階
段，在開始正式服務之前，有些困難仍待解決，包括：
1.頻寬的限制：以一個可以接受的video session，每秒至少要
128K資料量，在TANet現在網路嚴重塞車的情形下，要在TANet
網路骨幹上分出頻寬來進行MBone視訊會議，實在是很困難的事
情。這方面除了等待網路骨幹擴充或另佈專屬線路之外，也沒
有什麼特別有效的方法。
2.Tunnel的問題：MBone的使用管理較為鬆散，使用只要以e-mail
方式向最近的MBone node申請，告知所在的subnet Mrouter
address，待同意加入後，tunnel就建立起來了。但若連接的
tunnel某些線路故障時，雖然packet仍可透過routing而傳送
到目的地，但經過的tunnel已不是最佳化的路徑，為避免影響
品質，只能以人為方式重新reroute，沒有達到自動的要求。
3.Class D IP管理的問題：Class D類的網址在目前並沒有一個特
定的組織和特定的方式來管理，欲建立session的使用者可以任
意選用一個 IP。在目前MBone尚不普及時，可能是很簡單且直
接的方法，但隨著使用者人數逐漸增加，發生IP衝突的機會也
愈來愈高，因此，如何規範multicast address的使用，也是一
個重要的課題。
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