基于组播的局域网多点监控系统LAN multi-point monitor.pdf

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1、基金颁发部门：河北省科技厅；项目名称：.NET 平台下实现 IP 组播应用的关键技术；编号：072135116基金申请人:张景峰 基于组播的局域网多点监控系统 张景峰，刘海燕，张云峰（北华航天工业学院 计算机科学与工程系，河北 廊坊，065000）【摘要】将组播传输技术应用于局域网数字监控系统，可有效地扩展系统的覆盖范围。本文结合实际应用，讨论了组播路由器的设置、基于.NET Framework 2.0 环境下组播软件的开发，并针对组播技术在安全方面的先天不足，设计了一套使用了数据库、数字签名等多种方法，给出了较为合理的解决方案。实际应用效果较好。【关键词关键词】组播安全；数字签名；监控系统

2、中图分类号：TP393.09 文献标识码：A LAN multi-point monitoring system based on Multicast ZHANG Jingfeng,Liu Haiyan,ZHANG Yunfeng(Computer Science and Engineering Dept.,North China Institute of Astronautic Engineering,Langfang,Hebei,065000,China)【Abstract】Multicast transmission technology will be used in local ar

3、ea network digital monitoring system,to be effective in expanding the coverage of the system.In this paper,with practical applications,discussed the multicast routers settings,and based on.NET Framework 2.0 environment.Multicast technology for the inherent weaknesses in the area of security,design a

4、 set of the use of the database,digital signature provides a more reasonable solution.Practical application of better-performing.【Keyword】Multicast security;Digital signature;monitor system 0 引言 随着计算机网络技术的高速发展，基于局域网的数字网络监控系统已得到广泛的应用。该系统的结构示意图如图 1 所示。图 1 数字网络监控系统结构示意图 现场监控设备用来获取监控现场的原始数据，并执行对现场下达的控制命

5、令。服务器负责接收监控设备通过网络或专用线路传来的数据，将数据存储后通过以太网转发给多个有需要的客户端，并负责将客户端的指令传达到现场设备。客户端是用户使用整个系统的接口，通常为一台配置了专用软件的计算机，通过观察现场的情况，有针对性地下达控制命令。传统的解决方案中，客户端与服务器处于同一个子网中。如果监控系统的地理覆盖面积h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛较大，用户已经拥有了较大的局域网（由多个子网构成）。在这种情况下，客户端与服务器有可能不在同一个子网中

6、，为了有效地保证在局域网中的多个客户端同时对重要位置进行监控，可以采用组播技术进行数据的传输。1 组播工作原理 在基于 TCP/IP 的网络中，数据的传输有点对点的单播、一点对多点的组播和广播三种方式。单播通信包括一个源点和一个终点，需要在 IP 数据报中明确指明源地址和目的地址。在组播通信中，有一个源点和一组终点，是一种一对多的关系，IP 数据报中的源地址是单播地址，目的地址是组播地址。广播也是一种一对多的关系，由于因特网明确表示不支持广播，因此这些多个终点限定于同一个子网中。使用组播时，数据发送者（组播源）将单一的数据包发送到特定的组播组中，数据的接收者（其集合称为主机组）在加入该组播组后

7、，就可接收组中的数据。一个主机组可以跨越多个网络，当组播数据传送到路由器时，由路由器复制并进行转发（当然，路由器需支持组播功能）。复制过程，数据中的目的地址即组播地址不发生改变。IP 组播的这种传输机制，使其在面向多个数据接收者时，提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播的工作原理如图 2 所示。图 2 IP 组播工作原理 IP 组播传输能够正确进行，组播源和数据接收者以及两者之间的下层网络都必须支持组播。本文将结合实际应用，给出实现组播通信的一些关键技术。2 路由器的配置 在各子网间进行互连的路由器必须支持组播，才能够实现数据的组播传输。以 Cisco 路由器为例，目前适用的协

8、议主要有：PIM-DM 和 PIM-SM。PIM-DM 是一种密集模式协议，用于当每一个路由器都有可能参加组播的情况，例如局域网的环境；PIM-SM 是一种稀疏模式协议，用于每一个路由器都有较小可能参加组播的情况，例如广域网的环境。Cisco 路由器配置的方法如下：首先，在全局模式下启用组播路由选择功能：ip multicast-routing 然后，在需要开启组播功能的接口下，输入如下命令：ip pim sparse-dense-mode 3 系统软件实现的关键技术 在通信子网具备了组播功能后，还需针对具体需求分别开发客户端和服务器端的软件。本文所涉及的系统采用 C#编程语言，基于.NET

9、Framework 2.0 环境。3.1 组播通信 h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛IP 使用 D 类地址表示组播地址，其范围是 224.0.0.0 至 239.255.255.255。实际应用时，需要客户端和服务器约定一个组播地址，服务器向指定的组地址传输数据，客户端只需从该组地址中取数据即可。需要注意的是，D 类地址中，不要采用由 IANA（Internet Assigned Numbers Authority，Internet 编号分配机构）分配的保

10、留地址。C#中实现组播通信的关键代码如下：IPEndPoint iep=new IPEndPoint(IPAddress.Parse(239.6.7.1),9998);/定义组播地址和端口号 Socket Gsock=new Socket(AddressFamily.InterNetwork,SocketType.Dgram,ProtocolType.Udp);/创建套接字 IPEndPoint ipser=new IPEndPoint(IPAddress.Any,0);Gsock.Bind(ipser);/将套接字绑定到任意本地地址和端口上 Gsock.SetSocketOption(Soc

11、ketOptionLevel.IP,SocketOptionName.MulticastTimeToLive,50);/设置 TTL TTL 原本用来控制数据包在网络中的存活时间，防止由于路由器配置错误导致出现数据包传播的死循环；在组播方式下，它还代表了数据包的活动范围，即数据包在网络中能够经过多少个路由器的转发，每转发一次数值减 1。例中 50 指可以最多经过 50 个路由器。3.2 组播安全 组播在安全性方面存在着很大的不足，主要体现在对于组播组成员不能实施有效的控制上。比如，任何主机（不一定是该组播组的成员）都可以随时向某个组播地址发送 UDP 包；任何主机可以随时加入或退出组播组；组播

12、组的成员数目没有上限，可以是任意多个等等。组播的安全性可以从两个方面加以考虑：?组成员认证：保证所发送的数据只能被本组的合法成员接收?源认证：对数据发送方身份的认证 3.2.1 组成员认证 组成员认证是保证组播安全的一道防线。主要是通过数据库服务器进行用户身份的认证，在用户加入组播之前，先进行身份认证，只有认证通过的用户，才能加入组播组。只有加入组播组的用户才会获得该组的通信密钥。为了提高安全性，该过程通过 TCP 通信实现。3.2.2 源认证 源认证是保证组播安全的重要防线。目前比较主流的方案是通过数字签名来确认数据的来源。基本思路：发送方在发送数据之前先对数据进行签名，接收方收到数据后用预

13、先收到的公钥对数据进行签名验证，验证通过，说明数据是来自期望发送方，否则丢弃该包。在该流程中，需要考虑的问题有：1 密钥安全性 数字签名的机制决定了拥有公钥的任何用户都可以验证数据，任何拥有私钥的用户都可以对数据签名。因此，确保只有合法用户才能获得公钥，只有发送方自己才知道私钥，是保证源认证有效的基础。系统采取随机公、私钥的形式来保证密钥的安全性。即每次系统初始化时，随机产生一对公私钥，这样每次用于签名的密钥都是不同的，即使第三方在一次通信时，侥幸获得了密钥，但下次通信时，又会失效。公钥分发的最好时机，应该在用户组成员认证成功后发送，而且仅仅发送一次，避免第三方的窃取。2 签名算法 签名算法需

14、要在安全性和高效性进行折衷的选择，过高的安全性，势必会带来效率的低下。针对于组播系统而言，其本身所带来的系统开销、网络开销都不小，为此，选择综合指标中等的 DSA 签名算法比较合适。其中的哈希算法选择散列值位数较小的为宜。关键代码如下：h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 /签名算法 DSACryptoServiceProvider DSA=new DSACryptoServiceProvider();/创建DSA实例 DSA.ImportParameters

15、(true);/确定签名（true）还是验证（false）DSASignatureFormatter DSAFormatter=new DSASignatureFormatter(DSA);/创建签名实例 DSAFormatter.SetHashAlgorithm(MD5);/选择哈希算法 return DSAFormatter.CreateSignature(Hashdata);/对哈希散列值进行签名。DSASignatureDeformatter DSADeformatter=new DSASignatureDeformatter(DSA);/验证算法，基本上同签名算法类似，不同点如下 D

16、SASignatureDeformatter DSADeformatter=new DSASignatureDeformatter(DSA);/创建验证实例 DSADeformatter.VerifySignature(Hashdata,SignatureData);/进行验证 4 结束语 基于局域网的数字监控系统已得到广泛的应用，对于地理覆盖范围较大、已存在多个子网的应用场合，可使用组播技术进行数据的传输。本文结合实际应用，给出了一个完整的软、硬件方案，并针对组播安全这一关键问题，设计了较为合理的解决方法。经测试，系统在.NET Framework 2.0 环境运行稳定，效果较好。本文的创新

17、点在于：利用组播进行数据传输，解决了监控系统跨越多个子网的问题；利用数据库技术、数字签名技术有效地解决了组成员身份认证和组播源的认证。参考文献 1 吴开兴，潘铭华.一种网状结构的流媒体应用层组播模型J.微计算机信息.2008,1-3,260-262.2 何永忠，冯登国.一个组播源认证方案的安全分析J.计算机工程 2006,18(32)3 张春瑞，王开云.基于 IPSec 的组播数据源认证设计方案J.计算机工程与设计.2006，10 4 罗益容.基于主机的跨网段多播系统设计J.计算机工程与设计，2007 年,28(5):1072-1074.5 陈晓林,杨昌等.一个主动组播路由协议的设计与实现J计

18、算机工程与应用,2004,(29).76-77 6 陈薇,邓北星,李星.基于路由信息的应用层组播系统J.微计算机信息.2008,5-3,7-8.7 TIAN Rui-xiong,ZHANG Qian,et al.Robust and efficient path diversity in application layer multicast for video streamingJ.IEEE Transactions in Circuits and Systems for Video Technology,2005,15(8):961-972.8 Secure Hash Algorithm

19、SHA-1.NIST FIPS PUB 180-1.1995 9 Merkle R C,A Certified Digital SignatureJ.Advances in Cryptology-Crypto.Berlin:Soringer-Verlag,LNCS 435,1989.218238 10 Rivest R L,Shamir A,Adleman A L.A Method for Obtaining Digital signature and Public-Key Crypto System.Communications of the ACM,1978(21):120126 作者简介

20、：张景峰（1970），男，黑龙江省佳木斯人，硕士，北华航天工业学院计算机系副教授，研究方向为计算机网络及应用；Biography:Zhang Jing-Feng Biography:Zhang Jing-Feng(1970-),male,HeiLongJing JiaMuSi,Master.North china institute of aerospace engineering computer science and engineering department.Associate Professor.Computer network and application technology.项目经济效益：（500 万左右）项目经济效益：（500 万左右）基金项目：河北省科技厅指导基金项目（072135116）基金项目：河北省科技厅指导基金项目（072135116）h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛