组播协议原理与应用.doc

组播协议原理及应用

目录
1组播综述 3
1.1组播定义 3
1.2为什么需要组播？ 3
1.3组播体系结构 4
2 IGMP工作原理 7
2.1 为什么需要IGMP？ 7
2.2IGMP定义 8
2.3 IGMP报文分类(以IGMPv2为例): 8
2.3.1 Membership Report 8
2.3.2 Leave Group 9
2.3.3 General Query 10
2.3.4 Group-Specific Query 10
2.4 报告抑制 11
2.5查询路由器选举 12
2.6 IGMPv3 简介 12
3 IGMP Snooping工作原理 13
3.1为什么需要IGMP Snooping? 13
3.2IGMP Snooping的作用 13
3.3 IGMP Snooping的工作过程 14
3.4消息报告抑制问题 15
3.5取消消息抑制报告带来的问题 15
3.6 IGMP Snooping工作模式 16
4 组播路由协议 17
4.1 为什么需要组播路由协议？ 17
4.2组播路由协议分类 17
4.3 逆向路径转发 18
4.4 PIM 18
4.4.1剪枝与嫁接 19
4.4.2 PIM-DM简介 21
4.4.3 PIM-DM工作流程 21
4.4.4 SPT 21
4.4.5 组播转发表项的形式 21
4.4.6 PIM-SM简介 22
4.4.7 PIM-SM工作流程 22
4.4.8 共享树 24
4.4.9共享树到SPT的切换 24
4.4.10 RP的产生 25
4.4.11 BSR:BootStrap Router 25
5组播在实际工程中的应用 26
5.1组播设计示例 26

1组播综述
1.1组播定义

单播、组播、广播是计算机网络上三种基本的通信方式。
单播是相互感兴趣的主机双方进行通信的方式，主机不能接收对其不感兴趣的其它主机发送的信息属于点对点通信。
广播是主机向子网内所有主机发送信息，子网内所有都能收到来自某台主机的广播信息，属于点对所有点通信。
组播则则介于两者之间，是主机向向一组主机发送信息，存在于某个组的所有主机都可以接收到信息，属于点对多点通信。
从这个意义上讲，广播可以认为是组范围最大化的组播。当然，二者还是存在显著区别的：首先，广播被限制在子网内，不会被路由器转发。其次，主机被默认为是接收者，而组播方式则需要主机主动加入。
1.2为什么需要组播？

随着数据通讯技术的不断发展，传统的数据通讯业务已不能满足人们对信息的需求。视频点播，网络电视，视频会议等点到多点业务已经被广泛的应用起来。
解决点到多点的通信,可以通过单播和组播方式来实现.

单播可以通过建立多个点对点的连接来达到点对多点的传输。 这种方式将在源点(服务器)与各个接收点建立连接，从服务器开始，就将有多份数据流分别流向分散的接收点。这种方式将加重服务器的负荷，增大对服务器性能的要求；同时还在网络中造成大流量，从而增加网络的负载，导致网络拥塞。
组播则不然，发送方仅发一份数据包，此后数据包只是在需要复制分发的地方才会被复制分发，每一个网段中都将保持只有一份数据流。这样就可以减轻服务器的负担，节省网络带宽。

1.3组播体系结构
组播协议分为主机-路由器之间的组成员关系和路由-路由器之间的组播路由协议.

组成员关系协议包括IGMP(Internet 组管理协议 ).组播路由协议分为域内组播路由协议及域间组播路由协议.
域内的组播路由协议又分为密集模式与稀疏模式.域内组播路由协议主要PIM-DM,PIM-DM,DVMRP等协议.
组播IP地址:
组播地址范围
224.0.0.0-239.255.255.255
保留组播地址
224.0.0.0-224.0.0.255
本地管理组播地址
239.0.0.0-239.255.255.255
用户组播地址
224.0.1.0-238.255.255.255
组播MAC地址:
以太网:01-00-5e-xx-xx-xx
常见保留组播IP地址

地址
含义
224.0.0.1
All host
224.0.0.2
All router
224.0.0.4
All DVMRP router
224.0.0.5
All OSPF router
224.0.0.6
All OSPF DR (Designated Router)
224.0.0.9
All RIPv2 router
224.0.0.10
All EIGRP router
224.0.1.1
NTP
224.0.0.13
All PIM router

IP地址到MAC地址的映射

默认情况下，主机接收的报文有如下限制：
IP地址：目的地址是自己的IP地址，目的地址是255.255.255.255（三层广播）
MAC地址：目的地址是自己的MAC地址，目的地址是ff-ff-ff-ff-ff-ff(三层广播)
因此，主机只能接收目的是自己本机地址以及广播地址的报文。

主机开启组播接收程序时，会向TCP/IP协议注册了一个组播IP地址，所以当收到目的IP地址是这个组播组的地址时，主机就会接收。
同时它又向工作在数据链路层的网卡也注册了一个二层MAC地址，这样的话，当主机接收到一个组播报文的时候，就可以直接现在网卡上判断是否是自己需要的组播报文。

由于IP地址里的5个比特不做映射，因此会出现32个IP组播地址映射为一个MAC地址。例如：
224.0.0.1、225.0.0.1、226.0.0.1等最后映射的MAC地址都为01-00-5e-00-00-01,所以当加入上面三个组播IP地址的主机，在收到组播MAC为01-00-5e-00-00-01时，还无法在数据链路层判断是否需要该组播数据，还需要继续送到IP层来判断。
为什么只有23位MAC地址参与了映射而不是24位?这里有一个有趣的故事：
回到20世纪90年代初，Steve Deering是最早从事组播研究的工程师之一，并且取得了一些研究成果。他希望IEEE能分配16个连续的组织机构唯一性标识(OUI)作为IP组播的MAC地址使用。一个OUI包含24位地址空间，16个连续的OUI正好有28位地址空间。这样就可以将IP组播地址一一映射到MAC地址中。但是，当时一个OUI的价格是1000美元，Steve的经理，John Postel不愿意花16000美元购买全部28位MAC地址。相反，Jonh愿意在预算外花1000美元购买一个OUI，并且拿出一半地址(23位)给Steve供IP组播研究之用。

2 IGMP工作原理
2.1 为什么需要IGMP？

2.2IGMP定义
IGMP:Internet 组管理协议,用于主机与路由器之间交互信息的一种协议
所有要加入组播组的主机和所有连接到有组播主机的子网中的路由器都必须使用IGMP
IGMP消息不能被路由器转发，只能限制在本地网段内部。IGMP的TTL参数永远是1，保证了IGMP的使用范围。
IGMP的版本目前有V1/V2/V3三种。

2.3 IGMP报文分类(以IGMPv2为例):
主机使用的IGMP报文:
Membership Report
Leave Group

路由器使用的IGMP报文:
General Query
Group-Specific Query

2.3.1 Membership Report
Membership Report用于指示一台主机希望加入一个组播组
当主机首次加入到一个组时，它会主动向组发送Membership Report。

当主机想加入一个组播组时，它会主动发起请求加入报文（Membership 报文）,这个报文里包含了主机希望加入的组播组地址。
当路由器收到这个报文时，就知道了它所连接的某个子网内有人需要接收一个组播组数据，因此就向该子网发送这个组播组的数据。

Membership Report还用来响应本地路由器发出的General Query和Group-Specific Query消息

路由器每隔一定时间，发送General Guery查询报文，来检查子网内是否还存在需要接收组播的主机存在，如果有主机还需要接受报文，那么就返回一个Membership Report报文通知路由器.

2.3.2 Leave Group
当主机退出一个组时，它用Leave Group消息通知本地的路由器。
这个消息包含有退出的组的地址，但与Membership Report消息不同的是，Leave group消息是发向“子网中的所有路由器”地址224.0.0.2的,而Membership Report是发向想要加入的组播组地址。

当主机需要退出组播接收程序时发送一个Leave Group报文，报文中包含主机想要退出的组播组地址，路由器收到后，就不再像该子网内发送组播数据。

2.3.3 General Query
路由器通过General Query消息向与其连接的所有子网进行轮询来发现是否有组员存在，并在子网中没有组员时检测到这一情况
General Query消息被发向“子网中的所有主机”224.0.0.1这个地址，而且不涉及任何一个具体组播组.

如果一台组播路由器在3次查询的时间间隔里没有收到一个特定子网的Membership Report消息，那么这个路由器将宣布这个子网中没有组员,不再向这个子网发送组播数据。
2.3.4 Group-Specific Query
路由器的Group-Specific Query消息是根据主机发出的Leave Group消息而发出的，当路由器收到Leave Group消息时，必须判断子网中是否仍有组员存在。目的地址为该发出Leave Group的主机所在组的组地址。

2.4 报告抑制

当一台主机想加入某个组播组（224.5.5.5）时，发送关于224.5.5.5的Membership Report，由于这是个组播报文，当二层交换机收到时，没有关于这个目的MAC地址（01-00-5e-05-05-05）的转发表项,因此就从所有端口发送出去，这时，当网络中还有需要接收224.5.5.5组播数据的主机收到这个关于224.5.5.5的Membership Report时，自己就不会再发送关于224.5.5.5的Membership 报文.这样可以减少组播数据在网络中的泛洪。

还有另外一种情况，会出现报告抑制，就是当路由器发送General Guery或Group-Specific Guery时。
当一台主机用Membership Report回应查询报文时，另一台主机也收到了Membership Report，知道还有人和它一样，还需要接受组播数据，而且把这一需求也通知了路由器，所以自己也没有必要再发一次Membership Report通知路由器，就抑制了Membership Report的发送。

2.5查询路由器选举
当子网中有多个路由器时，选举查询者的规则就十分简单：有较小的IP地址的路由器成为查询者。
所以子网中现有的路由器在收到新路由器的General Query消息后，就检查源地址。如果它的IP地址的值更小，则会继续发送查询。
当新的路由器收到其中一个查询，并发现这台路由器有较小的IP地址时，它就变成非查询者。非查询者将旁听整个IGMP过程。
所有非查询路由器启动一个查询计时器，无论何时只要收到来自IGMP的General Query消息，计时器被复位。默认的计时器持续时间是查询间隔的两倍。如果查询计时器满，就认为IGMP查询有问题，选择查询者过程重新开始。

2.6 IGMPv3 简介

在IGMPv3中主要增加了Group-and-Source-Specific Query ,它能允许一个组不仅用组地址进行识别，而且也能被源地址识别。
当一个组有多个源时，IGMPv3路由器可以根据组员的请求对源进行过滤。

3 IGMP Snooping工作原理
3.1为什么需要IGMP Snooping?

如上图所示，当路由器收到Membershi Report后，就将组播数据发送到所连接的子网，这时候如果该子网范围内还有另外一台主机不需要接收组播数据，但是由于组播是一种特殊的广播，所有不希望接受组播的主机通过二层交换机的广播，还是会收到组播数据，虽然它会在数据链路层丢弃组播数据，但是却浪费了这台主机的带宽，它的带宽被大量它不需要的数据充斥！

3.2IGMP Snooping的作用
IGMP Snooping能使二层交换机将组播数据只朝需要接收的用户所在的端口转发，从而不会影响到其它的用户。

如上图所示，二层交换机在收到路由器返回的组播数据时，只将组播数据从之前发送过Membership Report的主机所在的端口发送出去，不会从之前没有发送过Membership Report的主机所在的端口发送出去。
3.3 IGMP Snooping的工作过程

Snooping的中文含义是“窥探”，从这个词的含义我们就很容易理解它的工作过程：交换机“窥探”用户主机与路由器之间的交互报文，跟踪组信息及申请的端口。当交换机“窥探”到主机朝路由器发出的IGMP report（请求）报文，交换机便把该端口加入组播转发表中；当交换机“窥探”到IGMP Leave（离开）时，交换机便把该端口从表中删除。路由器会定时发IGMP Query报文，在收到IGMP Query报文后，如果在一定的时间段内没有收到主机的IGMP Report报文，便把该端口从表中删除。

如上图所示，交换机在端口1上收到了目的地址为01-00-5e-05-05-05的组播报文，由于开启了snooping，检测到这是一个组播报文，因此就将生成了一个关于该组播MAC地址的转发表项，当路由器响应请求，发送组播报文时，二层交换机收到这个组播报文，根据之前形成的组播MAC地址转发表项，将组播报文从相应的端口转发出去以达到目的主机。

3.4消息报告抑制问题
如果主机收到了其他主机发出的Membership Report后,就抑制了自己的Membership Report的发送,这样的话就会造成交换机的组播MAC地址表里不会出现关于该主机所在的端口的转发信息.

如上图所示，由于主机收到了其他主机发送的Membership Report，所以就抑制了自己的Membership Report，导致了组播转发表项的不完整，该主机将无法收到组播数据。

在开启IGMP Snooping之后,交换机的CPU在收到Membership Report时,不会将Report报文转发到其他接口,这样其他主机就无法收到其他主机发出的Membership Report报文,不会产生消息报告抑制现象,从而保证交换机组播MAC地址表的完整.

如上图所示，交换机的CPU拦截了另外的主机发送的Membership Report，所以主机永远不会收到其他主机发送的Membership Report，只要自己需要接受组播数据，就必须得靠自己来发送Membership Report，这样交换机就可以维护一个完整的组播MAC地址转发表。

3.5取消消息抑制报告带来的问题

如果存在组播路由器,但是由于IGMP Snooping抑制了消息报告,那么Membership Report报文将无法发送到组播路由器,因此组播路由器将无法将组播数据发送到相应的子网.

解决办法:采用路由连接口,设置与路由器相连的端口为路由连接口,这样，当交换机CPU拦截了Membership 报文，由于设置了路由连接口，所以它只会将 Membership Report不加改变的从路由连接口发出去，这样路由器就可以收到这个Memebership Report,就可以进行下一步的动作了。
3.6 IGMP Snooping工作模式
IVGL:在该模式下,各VLAN间的组播流是相互独立的.主机只能朝与自己处于同一个VLAN的路由连接口请求组播.
SVGL:在该模式下, 主机可以跨VLAN申请组播流.指定一个Multicast VLAN,在该VLAN收到的组播数据流可以向其他VLAN的主机转发.

IVGL的模式很容易理解，这里就不过多介绍了。
SVGL的模式可以简单地理解为，一个VLAN发送Membership Report报文的时候，是借用别的VLAN的路由连接口发送出去的，当路由器返回组播报文时，也是通过别的VLAN的路由连接口将数据送到这个VLAN.

4 组播路由协议
4.1 为什么需要组播路由协议？

在介绍了二层组播协议IGMP IGMP Snooping之后，主机和路由器以及主机和二层交换机之间所存在的组播转发关系应该很明确了，那么现在的问题是，如何将组播数据从一个台路由器跨过一个网络传送到另一台路由器上呢？这就是组播路由协议的工作。

4.2组播路由协议分类
分为域内组播路由协议及域间组播路由协议
域内的组播路由协议又分为密集模式与稀疏模式.域内组播路由协议主要PIM-DM,PIM-DM,DVMRP等协议.
我们在园区网中经常使用的域内组播路由协议为PIM-DM和PIM-SM。

4.3 逆向路径转发

为什么需要逆向路径转发呢？
如上图所示，R2在两个接口上都收到了组播数据，这时候会出现两个问题：
1． 如果R2将这两路组播数据都转发到有需求的子网内，那么主机就会收到重复的数据流，如果是视频流的话，就会出现重复播放，图象抖动的现象。
2． R2如果选择了一条离源比较远的路径，那么接收组播数据的时候，会花费比较长的时间，造成延时。
所以需要进行一个RPF检查，从不同的接口收到两条数据流，提取出源的地址，然后根据路由表检查到达这个源的下一跳接口，如果到达这个源的下一跳接口，与收到组播数据的接口相同，那么这个接口的RPF检查成功，如果达到这个源的下一跳接口，与收到组播数据的接口不同，那么这个接口的RPF检查将失败，从这个接口丢弃组播数据。
那么在上图中，R2的S2接口的RFP检查失败，它将丢弃从这个接口接收到的组播数据。

4.4 PIM
PIM(Protocol Independent Multicasting)独立于单播协议,使用任意单播路由协议进行RPF检查.与其他的路由协议不同，PIM不在路由器之间发送和接收路由更新信息。
UDP端口号：103
PIM路由器组地址为：224.0.0.13
PIM协议分为：
PIM-DM（协议无关组播-密集模式）
PIM-SM（协议无关组播-稀疏模式）

4.4.1剪枝与嫁接
当组播路由器的某个接口RPF检查失败时,该路由器会从这个接口发出一个剪接报文,以通知邻居路由器不要再向它发送组播数据.

如上图所示，R2在S2口上做RPF检查失败，所以从RPF检查失败的接口发出一个剪枝消息给R3，通知R3不要再向R2发送组播数据。

还有一种情况，如果所连接的子网内没有组播接受请求，那么路由器也会发送剪枝消息给上游路由器。

嫁接报文正好与剪枝报文相反,它是用来通知上游路由器将组播报文转发给自己.

如上图所示，当R2的S1口down掉之后，R2根据单播路由表重新在各接口上进行RPF检查，于是从S2接口发送嫁接消息给R3，通知R3，R2现在有接收需求。

当路由器所连接内的子网内又出现接收需求时，路由器就向上游路由器发送嫁接消息，上游路由器开始发送组播数据。
4.4.2 PIM-DM简介
PIM-DM用于指导路由器如何将组播数据在网络中传输到有组播接收需求的地方.
PIM-DM使用推（push）模式将组播数据包扩散（flood）到网络的每个角落。这种推模式是一种使用蛮力将数据包传送到接收者的方法。如果网络中的每个子网都有接收者，那么这种方法是高效的。
4.4.3 PIM-DM工作流程
PIM-DM一开始将组播数据包扩散到遍及整个网络。然后由下游没有邻居的路由器进行剪切，消除不必要的数据包。这个过程每3分钟重复一次。
当源开始发送多播包，PIM-DM用扩散与剪除的方式建立多播树。由于每一个PIM-DM路由器收到多播包后，就在它的多播前转表里增加一个条目。最终，包扩散到所有的叶路由器上----也就是所有没有下游邻居的路由器。如果一个叶路由器收到一个多播包，但它没有连接的组员，路由器必须把自己从多播树中剪除。这个过程是通过向上游邻居发送Prune消息来实现的。Prune消息的目的地址为224.0.0.13，上游路由器的地址封装在这个消息中。如果上游邻居没有这个组的已连接组员，也没有从下游邻居或收到任何下游邻居的Prune消息，它就向自己的上游邻居发送一个Prune消息。
4.4.4 SPT
PIM-DM采用扩散与剪接的方式来构建组播路由表.
PIM-DM形成的组播路由表呈现一种树型结构
我们通常称这种树型结构为SPT(Shortest Path Tree)最短路径树

SPT是以组播源为根构造的从根到所有接收者路径都最短的分布树。
优势:最短路径保证转发组播数据的网络时延最小
劣势:路由器必须为每个组播源维护路径信息,开销过大.
在组播设计时,如果选用PIM-DM(SPT),那么组播源的数量、带宽情况、有组播接收需求的子网分布情况都应该成为设计者考虑的各种因素.

4.4.5 组播转发表项的形式
组播转发表项可以简单地理解为{S，G，入口，出口集合},S代表组播源地址，G代表组播组地址，入口代表离组播源最近的接口（RPF检查通过的接口）,出口集合代表经过PIM协议计算后没有被修剪掉的所有接口集合。

4.4.6 PIM-SM简介
PIM-SM用于指导路由器如何将组播数据在网络中传输到有组播接收需求的地方。
PIM-SM使用一种拉（pull）模式来传送组播数据包。只有包含活动接收者，并且接收者直接发送数据接收请求的网段才会收到数据。

4.4.7 PIM-SM工作流程
PIM-SM与PIM-DM不同，采用的是一种共享树的机制。
PIM-SM引入了一个非常重要的概念，RP（Rendezous Point），汇聚点。
RP的作用：所有的组播源在发送组播数据时，与组播源相连的第一跳路由器都会把组播数据发送给RP，然后再由RP把组播数据发送给有接收需求的路由器，依次类推。

组播源到RP
当PIM-SM路由器首次收到直连的源发出的多播流量时，它通过查找组到RP的映射来找出这个组的正确RP。决定了组的RP后，路由器将多播包封装在PIM Register消息中，并将这个消息发往RP，Register消息不是用多播，而是用单播发到RP的地址。
当RP收到这个Register消息后，将多播包去除封装。如果多播路由表中已经有这个组的条目，则多播包的备份从所有输出端口上送出。
如果有相当多的多播流量要发向RP，不断在Register消息里封装这些发往RP的包是很低效的。因此RP在多播表里建立一个（S，G）条目，并且Join/Prune消息与源DR间创建一条SPT。

建立好SPT后，RP能通过树收到组的流量。它向多播源DR发送Register Stop消息，告诉它停止在Register消息中发送多播包。
如果当多播源开始向RP发送多播流量，而组内还没有组员时，RP不会建立SPT。相反，它会向多播源DR发送Register Stop消息，告诉它停止在Register消息中封装多播包。RP对这个（*，G）对建立一个条目，当有组员加入后，RP会发起建立SPT。
有一个称为注册抑制的机制来保护DR继续向一个无效的RP发送包。当DR收到Register Stop，启动一个60s的注册抑制计时器，当这个计时器超时，路由器再次用Register消息向RP发送多播包。不过在发送消息5s前DR发送一个设置了一个标识的Register消息，这个标识称为空注册比特，而且这个消息也不封装任何包。如果这个消息触发了RP发送一个Register Stop消息，则重新设置注册抑制计时器。

接收者到RP

当PIM-SM在RP与源DR间建立起SPT，并且在组播接收者在RP间建立起共享树后，则组播数据流就会沿着此路径进行传输。

4.4.8 共享树
PIM-SM形成的组播转发表通常被成为共享树结构.
共享树的根为RP,RP与组播源形成一个独立的SPT,网络中的所有组播组接收者都以RP为树根,接收各自的组播数据,形成一棵共享树.

共享树的优势和劣势:
优势:每个路由器上需要保存的状态数最少 .
劣势:每个组播接收者到组播源的路径可能不是最优的.
在组播设计时,如果选择PIM-SM作为组播路由协议的话,那么RP的性能以及位置将成为重要的考虑因素.
4.4.9共享树到SPT的切换

设定一个阀值,当接收到的组播流量超过这个阀值时,路由器会向源发送一个(S,G)的加入消息,以便要加入这个源的SPT中.

4.4.10 RP的产生
一、通过静态指定
必须在所有的路由器上明确指定RP的地址
容易存在单点故障,一旦配置的RP失效,组播将不可用
二、BSR动态学习
4.4.11 BSR:BootStrap Router
BSR是RP的管理者，由BSR来收集和发布整个网络内的RP信息。
多个候选BSR（Candidate Bootstrap Router，C-BSR）通过自举报文（Bootstrap Message）选举产生唯一公认的BSR。
BSR周期性的向网络发送BSR信息,以便所有候选RP知道BSR的存在
所有侯选RP将自己的信息单播给BSR.
BSR定期发送包含所有候选RP信息的bootstrap报文给所有路由器.
所有的路由器根据相同的HASH算法在本地算出一个RP.

5组播在实际工程中的应用
园区网组播设计原则:
如果需要接收组播的子网很多,分布密集,并且园区网带宽资源充足,那么采取的组播路由协议多为PIM-DM,反之可考虑PIM-SM
二层组播设计多采用IGMP Snooping SVGL模式
5.1组播设计示例

各部分的设计：

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