计算机网络：CH4 网络层-IGMP协议

1、1IGMP协议22.3.1 广播、多播的广播、多播的概念和作用概念和作用 在实际的网络应用中，除了最常见的点对点双向通信在实际的网络应用中，除了最常见的点对点双向通信外，一点对多点的应用也广泛存在：如新闻、体育比赛转外，一点对多点的应用也广泛存在：如新闻、体育比赛转播、股票行情、软件更新、交互会议播、股票行情、软件更新、交互会议。互联网的通信形式：互联网的通信形式：多播更具实际价值，但也需要网络有更多的智能，互联网对多播的研多播更具实际价值，但也需要网络有更多的智能，互联网对多播的研究究90年代才开始，年代才开始，97年公布第二版年公布第二版IGMP，目前仍是热门的课题。，目前仍是热门的课题。

2、单播：单播： 对一个指定的主机发送数据。对一个指定的主机发送数据。广播：广播： 同时对一个网络或子网的所有主机发送数据。同时对一个网络或子网的所有主机发送数据。多播：同时对多个接收者发送数据。多播：同时对多个接收者发送数据。3以太网单播、以太网单播、广播机制实现广播机制实现数据帧数据帧网卡网卡丢弃丢弃地址地址判别判别驱动程序驱动程序校验校验判别判别丢弃丢弃以太网网卡接收两种帧：以太网网卡接收两种帧： 目的目的MAC地址为本机网卡地址地址为本机网卡地址 目的目的MAC地址为广播地址（地址为广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF）目前以太网网卡对单播和广播硬件判别成熟目前以太网网卡对单播和广

3、播硬件判别成熟4以太网以太网多播实现机制多播实现机制网卡网卡数据帧数据帧丢弃丢弃地址地址判别判别驱动程序驱动程序校验校验多播多播过滤过滤丢弃丢弃多播地址的最高字节的最低位为多播地址的最高字节的最低位为1（*1 .*.*.*.*.* ），），如如01:00:00:00:00:00目前网卡或网卡驱动软件能进行多播地址的判别与过滤，目前网卡或网卡驱动软件能进行多播地址的判别与过滤，看主机是否属于一个或多个多播组，然后决定丢弃或接收。看主机是否属于一个或多个多播组，然后决定丢弃或接收。5互联网的广播、多播与协议互联网的广播、多播与协议网卡网卡数据帧数据帧丢弃丢弃地址地址判别判别IP校验校验多播多播判别

4、判别丢弃丢弃驱动程序驱动程序校验校验多播多播协议协议丢弃丢弃UDP校验校验端口端口 判别判别丢弃丢弃, ICMP 交付应用交付应用单播、广播或多播报文经过分用到单播、广播或多播报文经过分用到达应用程序。达应用程序。互联网广播，常用是子网广播，互联网广播，常用是子网广播，255.255.255.255是受限广播。是受限广播。如果目的应用端口没有打开（应用如果目的应用端口没有打开（应用进程没有被使用），进程没有被使用），IP报文被丢弃；报文被丢弃；单播时，收端发送单播时，收端发送ICMP通知给源通知给源端，广（多）播时，不发端，广（多）播时，不发ICMP。广播、多播只能使用广播、多播只能使用UDP

5、，而不，而不能用能用TCP。为什么？为什么？6 使用单播。分别传送使用单播。分别传送N次，但当次，但当N很大时却产生一些问很大时却产生一些问题。题。 使用广播。传送给所有计算机，然后由应用端口确定丢使用广播。传送给所有计算机，然后由应用端口确定丢弃，最后目标主机接收。产生的问题：大量无用数据报弃，最后目标主机接收。产生的问题：大量无用数据报经过直至经过直至UDP端口的处理才被丢弃，导致资源浪费。且端口的处理才被丢弃，导致资源浪费。且通过路由器的大范围广播实际不存在。通过路由器的大范围广播实际不存在。 采用多播。由采用多播。由N台计算机构成多播组，一次只向台计算机构成多播组，一次只向N台计台计算

6、机传送。多播更具有实际应用价值！算机传送。多播更具有实际应用价值！如果要对一组计算机传送同一个报文，如何传递？如果要对一组计算机传送同一个报文，如何传递？72.3.2 IP多播多播地址和地址映射地址和地址映射D类是专用多播地址，范围类是专用多播地址，范围 224.0.0.0-239.255.255.255 1 1 1 0D类28位多播组目的地址位多播组目的地址一个一个D类多播地址对应特定一组计算机，这组计算机类多播地址对应特定一组计算机，这组计算机的集合称为多播主机组。的集合称为多播主机组。主机组成员可以因特网上任何主机，成员是动态的。主机组成员可以因特网上任何主机，成员是动态的。多播地址只能

7、用为目的地址，不能为源地址！为什么？多播地址只能用为目的地址，不能为源地址！为什么？一计算机一计算机IP地址与多播组地址是否可以同时存在？地址与多播组地址是否可以同时存在？8多播组地址是一类参加多播组所有主机的组地址，而多播组地址是一类参加多播组所有主机的组地址，而不是一般的网络主机不是一般的网络主机IP地址，主机地址，主机IP在网络中唯一标在网络中唯一标识主机（独立占有），而多播组地址为一组主机共有，识主机（独立占有），而多播组地址为一组主机共有，多播组地址与通常的多播组地址与通常的IP地址不相关、不矛盾。地址不相关、不矛盾。永久性多播组例子：永久性多播组例子：224.0.0.1 ：表示本子

8、网上所有参加多播组的主机和：表示本子网上所有参加多播组的主机和路由器，当某主机向路由器，当某主机向224.0.0.1地址发送查询时，任地址发送查询时，任何多播主机组都要报告何多播主机组都要报告224.0.0.2：表示本子网上所有参加多播的路由器：表示本子网上所有参加多播的路由器224.0.0.4：表示所有：表示所有DVMRP路由器路由器9多播多播RouterCBAIP多播多播IP多播到多播到以太网多播地址转换：以太网多播地址转换：当一个当一个IP多播组传送到一个以太网时，或者说多播组传送到一个以太网时，或者说IP多播多播怎样在以太网中传输，以传送到怎样在以太网中传输，以传送到LAN中的几台计算

9、中的几台计算机上？机上？ IP多播地址和以太网地址要完成转换。多播地址和以太网地址要完成转换。以太网多播地址转换地址转换地址逆转换地址逆转换10IP多播包从路由器进入以太网前，通过多播地址转换，多播包从路由器进入以太网前，通过多播地址转换，把把IP多播地址转化为相应的以太网的硬件多播地址，然多播地址转化为相应的以太网的硬件多播地址，然后利用以太网的多播机制完成多播。后利用以太网的多播机制完成多播。怎样实现多播地址转换怎样实现多播地址转换,能否使用类似能否使用类似ARP消息交换消息交换法的地址翻译？法的地址翻译？采用直接映射方式，完成采用直接映射方式，完成IP多播地址到以太网的硬多播地址到以太网

10、的硬件多播地址的映射件多播地址的映射具体怎样映射？具体怎样映射？11IP多地址与多地址与以太网多播地址的映射问题：以太网多播地址的映射问题：IANA拥有拥有00:00:5e开头的以太网地址，它将其中一开头的以太网地址，它将其中一半的地址半的地址00:00:5e:00:00:00-00:00:5e:7f:ff:ff作为作为多播地址，多播地址，IANA定义的可转化的以太网多播地址范围定义的可转化的以太网多播地址范围为：为：01:00:5e:00:00:0001:00:5e:7f:ff:ff注意：以太网多播地址第一字节最低位必须为注意：以太网多播地址第一字节最低位必须为11201.00.5e.00.

11、00.0001.00.5e.7f.ff.ff，所以图中第所以图中第24bit始终为零，实际上只有低始终为零，实际上只有低23位位IP地址与以太网地地址与以太网地址直接对应。址直接对应。11100101111100多播和以太网低多播和以太网低23位对应位对应0 7 8 16 2324 32 40 4716进制进制01:00:5E16进制进制00:00:007F:FF:FFIP多播多播地址和以太网多播地址映射关系：地址和以太网多播地址映射关系：013多播多播地址转换中的问题：地址转换中的问题：由于多播地址（由于多播地址（e0）与以太网地址划分（）与以太网地址划分（01:00:5e)定定义，义，D类

12、地址类地址5位位bit（2024bit)在映射中没有定义。在映射中没有定义。11100101111100多播和以太网低多播和以太网低23位对应位对应0 7 16 20 24 32 40 47D类地址该类地址该5位地址没用位地址没用0000000 00000000映射地址前映射地址前25bit是固定的。是固定的。（01:00:5e及第及第3字节最高字节最高位是位是0）14所以产生了所以产生了IP多播地址与以太网多播地址的映射不多播地址与以太网多播地址的映射不唯一问题，如地址唯一问题，如地址e0:80:40:20（224.128.64.32）与）与e0:00:40:20 （224.0.64.32）

13、映射的以太网多播地）映射的以太网多播地址同样为址同样为:01:00:5e:00:40:20。由于不唯一性，需要其他协议对多播数据报进行额外由于不唯一性，需要其他协议对多播数据报进行额外的过滤处理；所以目前多播机制是有缺陷的，但比广的过滤处理；所以目前多播机制是有缺陷的，但比广播还是有效得多。播还是有效得多。1110000001011111000000000多播和以太网低多播和以太网低23位对应位对应0 7 16 20 24 32 40 47e0:80:40:2011100000 0000000e0:00:40:201001000000 0010000001000000 001000000100

14、000001000000 001000000000000151. 发送主机的多播进程将目的发送主机的多播进程将目的IP地址设为一个多播地址；地址设为一个多播地址； 2. 主机的设备驱动将主机的设备驱动将IP多播地址转换为相应的以太网多播多播地址转换为相应的以太网多播地址，并发送数据；地址，并发送数据； 3. 接收端的接收进程，先加入一个多播组，使驱动设备能接收端的接收进程，先加入一个多播组，使驱动设备能够接收这些数据报；够接收这些数据报；4. 当以太网以多播形式接收数据后，再次根据地址映射关当以太网以多播形式接收数据后，再次根据地址映射关系，传送给系，传送给IP层相应的多播进程处理；层相应的多

15、播进程处理；5. 注意：一台主机可加入多个不同多播进程；也可能同时注意：一台主机可加入多个不同多播进程；也可能同时存在属于同一多播组的多个进程；一台主机是否加入或存在属于同一多播组的多个进程；一台主机是否加入或撤出一个多播组是动态的。撤出一个多播组是动态的。2.3.3 IP2.3.3 IP多播传送基本过程多播传送基本过程单个物理网络中的单个物理网络中的IP多播过程：多播过程：16多个物理网络中的多个物理网络中的IP多播过程：多播过程：1、互联网环境中多播比较复杂，需要管理广域范围的多播、互联网环境中多播比较复杂，需要管理广域范围的多播组的成员变化、解决动态路由，并最大可能节约各种资源组的成员变

16、化、解决动态路由，并最大可能节约各种资源开销问题；开销问题；2、在多播网络中必须使用多播路由器或运行多播软件的一、在多播网络中必须使用多播路由器或运行多播软件的一般路由器，构成多播网络环境；般路由器，构成多播网络环境；3、网络中多播路由器的专用协议，根据用户的加入或退出，、网络中多播路由器的专用协议，根据用户的加入或退出，自动记录多播组的成员关系；自动记录多播组的成员关系；4、当一个多播数据报传输时，多播路由器可以根据多播组、当一个多播数据报传输时，多播路由器可以根据多播组成员的位置，自动进行数据报复制，并选择相关的路径进成员的位置，自动进行数据报复制，并选择相关的路径进行传送。行传送。172

17、.3.4 IGMP2.3.4 IGMP协议协议IGMP：Internet Group Management Protocol 解决互解决互联网中多播组成员加入联网中多播组成员加入/撤出、多播组状态维护的问题。撤出、多播组状态维护的问题。多播工作的两个阶段：多播工作的两个阶段：1、加入多播组（、加入多播组（IGMP报告报告）。当）。当A主机要加入一个多主机要加入一个多播组时，向多播地址发出一个播组时，向多播地址发出一个IGMP报文，表明要成为报文，表明要成为其成员；本地多播路由器收到该其成员；本地多播路由器收到该IGMP报文后，将新成报文后，将新成员关系转发给互联网上其它多播路由器。员关系转发给

18、互联网上其它多播路由器。2、维护多播组、维护多播组（ IGMP查询查询） 。A主机撤出多播组时，主机撤出多播组时，报告离开或不报告，所以多组中成员是动态的。为了及报告离开或不报告，所以多组中成员是动态的。为了及时掌握组中的成员情况，多播路由器对所有多播组不断时掌握组中的成员情况，多播路由器对所有多播组不断发出发出IGMP查询报文，根据查询报文，根据IGMP响应报文来判别多播组响应报文来判别多播组活跃成员，并将还存在的成员转告路由器。活跃成员，并将还存在的成员转告路由器。18IGMP报告，报告，TTL=1 IGMP组地址组地址=组地址组地址目的目的IP地址地址=组地址组地址 源源IP地址地址=主

19、机主机IP地址地址IGMP查询，查询，TTL=1 IGMP组地址组地址=0 目的目的IP地址地址=244.0.0.1 源源IP地址地址=路由器路由器IP地址地址主机主机对于对于IGMP的报告和查询，多播路由器保持的报告和查询，多播路由器保持/维护一个记维护一个记录组成员的表，表中记录至少包含一个主机的多播组。录组成员的表，表中记录至少包含一个主机的多播组。当路由器收到要转发的多播数据报时，根据此表将数据当路由器收到要转发的多播数据报时，根据此表将数据报发送到还属于那个组的主机上。报发送到还属于那个组的主机上。多播的报告与查询：多播的报告与查询：这里，通常默认这里，通常默认TTL=1为什么？如大

20、于为什么？如大于1意味什么？意味什么？19IGMP报文格式报文格式4位版位版本号本号0 8 16 31 IP头部头部 IP数据区数据区IGMP数据区数据区IGMP头头32位位D类多播组地址（查询为类多播组地址（查询为0）4位位 类型类型响应时间响应时间16位校验和位校验和IGMP类型：一般成员关系查询（组地址为类型：一般成员关系查询（组地址为0） 成员加入组报告成员加入组报告 （加入组地址）（加入组地址） 成员离开组报告成员离开组报告 （离开组地址）（离开组地址） 20IGMP协议的优化处理协议的优化处理1、在主机和多播路由器之间的所有通信都使用、在主机和多播路由器之间的所有通信都使用IP多播

21、，多播，只要可能，数据报使用硬件多播来传送只要可能，数据报使用硬件多播来传送2、多播路由器在维护组关系时，对所有多播组只发一、多播路由器在维护组关系时，对所有多播组只发一次查询，而不是一个组一次查询，默认次查询，而不是一个组一次查询，默认125秒一次。秒一次。2.3.5 2.3.5 多播与多播与IGMPIGMP协议其它问题协议其它问题3、在同一网络上连续有几个多播路由器时，只选择一、在同一网络上连续有几个多播路由器时，只选择一个多播路由器查询组成员关系。个多播路由器查询组成员关系。214、同一组内的所有主机都要监听查询响应，当本组中、同一组内的所有主机都要监听查询响应，当本组中有一主机响应后，

22、其它就可以都不再发送响应。有一主机响应后，其它就可以都不再发送响应。5、主机收到、主机收到IGMP查询报文后，主机在查询报文后，主机在10秒范围中随秒范围中随机发回响应，可以和第机发回响应，可以和第4点对应，并可解决一个主机属点对应，并可解决一个主机属于多个多播组的情况。于多个多播组的情况。以上优化措施的目的是：以上优化措施的目的是： 尽量避免多播信息对网络增加大量的开销尽量避免多播信息对网络增加大量的开销22多播的路由选择问题多播的路由选择问题R2AR1BDR3R4R5R6CM231、IGMP协议只解决了多播组中成员关系的变化问题，协议只解决了多播组中成员关系的变化问题，而没有涉及多播的路由

23、选择问题。而没有涉及多播的路由选择问题。2、多播组成员的动态变化，使多播的路由也是动态变、多播组成员的动态变化，使多播的路由也是动态变化的；多播转发不仅要考虑目的地址，而且还要考虑源化的；多播转发不仅要考虑目的地址，而且还要考虑源地址，以确定复制和转发副本；多播数据报可能不是组地址，以确定复制和转发副本；多播数据报可能不是组成员主机产生，也可能通过无组成员的网络；成员主机产生，也可能通过无组成员的网络；3、目前采用的多播路由算法思想：寻找从源开始的多、目前采用的多播路由算法思想：寻找从源开始的多播树，使每个数据报在每条链路上传一次（不兜圈）播树，使每个数据报在每条链路上传一次（不兜圈）24多播

24、路由选择多播路由选择 多播路由选择协议尚未标准化。多播路由选择协议尚未标准化。 一个多播组中的成员是动态变化的，随时会有一个多播组中的成员是动态变化的，随时会有主机加入或离开这个多播组。主机加入或离开这个多播组。 多播路由选择实际上就是要找出以源主机为根多播路由选择实际上就是要找出以源主机为根结点的多播转发树。结点的多播转发树。 在多播转发树上的路由器不会收到重复的多播在多播转发树上的路由器不会收到重复的多播数据报。数据报。 对不同的多播组对应于不同的多播转发树。同对不同的多播组对应于不同的多播转发树。同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树。转

25、发树。25转发多播数据报使用的方法转发多播数据报使用的方法(1) 洪泛与剪除洪泛与剪除 这种方法适合于较小的多播组，而所有这种方法适合于较小的多播组，而所有的组成员接入的局域网也是相邻接的。的组成员接入的局域网也是相邻接的。 一开始，路由器转发多播数据报使用洪一开始，路由器转发多播数据报使用洪泛的方法。为了避免兜圈子，采用了叫泛的方法。为了避免兜圈子，采用了叫做做反向路径广播反向路径广播 RPB (Reverse Path Broadcasting)的策略。的策略。 26RPB 的要点的要点 路由器收到多播数据报时，先检查是否从路由器收到多播数据报时，先检查是否从源点经最短路径传送来的。源点经

26、最短路径传送来的。 若是，就向所有其他方向转发刚才收到的若是，就向所有其他方向转发刚才收到的多播数据报（但进入的方向除外），否则多播数据报（但进入的方向除外），否则就丢弃而不转发。就丢弃而不转发。 如果存在几条同样长度的最短路径），那如果存在几条同样长度的最短路径），那么只能选择一条最短路径，选择的准则就么只能选择一条最短路径，选择的准则就是看这几条最短路径中的相邻路由器谁的是看这几条最短路径中的相邻路由器谁的 IP 地址最小。地址最小。 27剪除没有组成员的树枝源点R3R4R6R7R8R1R5R2转发多播数据报收到后即丢弃反向路径广播 RPB 和剪除 28(2) 隧道技术(tunneling) 不支持多播 的网络隧道多播数据报单播 IP 数据报首部数 据首部数 据网 1 和网 2 中的多播数据报隧道中通行的单播 IP 数据报R2R1网 1（支持多播）网 2（支持多播）29(3) 基于核心的发现技术基于核心的发现技术 这种方法对于多播组的大小在较大范围这种方法对于多播组的大