计算机网络第7章 多播技术基础

1、郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院李向丽李向丽IP多播功能的实现需要多播功能的实现需要满足三个基本要求满足三个基本要求 需要有唯一一个需要有唯一一个标识多播组标识多播组的机制。的机制。IP网网络中通过多播编址技术来实现。络中通过多播编址技术来实现。 需要有需要有多播组成员加入或退出多播组成员加入或退出多播组的机多播组的机制。制。IGMP用来实现对多播组成员的管理。用来实现对多播组成员的管理。 在在IP网络上高效传送多播分组到各个组成网络上高效传送多播分组到各个组成员的员的多播路由器协议多播路由器协议。多播技术专题多播技术专题 第第7章章 多播技术基础多播技术基础 第第8章章 因特网组管理

2、协议因特网组管理协议IGMP 第第9章章 多播路由技术多播路由技术第第7章章 多播技术概述多播技术概述7.1 单播、多播和广播单播、多播和广播7.2 硬件广播硬件广播7.3 多播的硬件起源多播的硬件起源7.4 以太网多播以太网多播7.5 多播和广播的区别多播和广播的区别7.6 IP多播的特征多播的特征7.7 多播的应用多播的应用7.8 多播的概念性组成部分多播的概念性组成部分7.9 IP多播地址多播地址7.10 IP多播分组在网络上的传送多播分组在网络上的传送7.11 多播作用域多播作用域7.1 单播、多播和广播单播、多播和广播 SD1D2D3 SD1D2D3 SD1D2D3(a) 用单播实现

3、多播用单播实现多播(b) 用多播实现多播用多播实现多播(c)用广播实现多播用广播实现多播RRR7.2 硬件广播硬件广播 以太网的总线技术采用广播传递。以太网的总线技术采用广播传递。 在由交换机和点到点连接的网络中，在由交换机和点到点连接的网络中，软件必须具软件必须具有广播的能力有广播的能力，即通过各个独立的连接转发分组，即通过各个独立的连接转发分组的副本，直到所有交换机都收到一份副本为止。的副本，直到所有交换机都收到一份副本为止。 48比特全比特全1的以太网硬件地址表示广播地址。网的以太网硬件地址表示广播地址。网卡可以识别卡可以识别本机硬件地址和广播地址本机硬件地址和广播地址，进而接收，进而接

4、收目的地址为本机的硬件地址和广播地址的以太网目的地址为本机的硬件地址和广播地址的以太网帧。帧。 广播的主要缺点广播的主要缺点是对资源的消耗。除了使用网络是对资源的消耗。除了使用网络带宽外，每个广播都会让网络上的所有计算机耗带宽外，每个广播都会让网络上的所有计算机耗费网络资源。费网络资源。7.3 多播的硬件起源多播的硬件起源 多播与广播方式不同，多播方式允许每个节点自己选择多播与广播方式不同，多播方式允许每个节点自己选择是否参与到某个特定的多播组中。是否参与到某个特定的多播组中。 在在配置好识别多播地址的网络接口硬件配置好识别多播地址的网络接口硬件后，该组的所有后，该组的所有计算机都会收到传送给

5、这个多播地址的任何分组的副本。计算机都会收到传送给这个多播地址的任何分组的副本。 从概念上讲，其它任何形式的编址都可以看成是一种特从概念上讲，其它任何形式的编址都可以看成是一种特殊的多播编址。但是多播并不能代替其它常规编址形式。殊的多播编址。但是多播并不能代替其它常规编址形式。因为其转发和传递的底层机制实现上是有本质的区别的。因为其转发和传递的底层机制实现上是有本质的区别的。 单播和广播单播和广播地址识别的是连接到某个物理网段的一台或地址识别的是连接到某个物理网段的一台或一组计算机。因此转发所一组计算机。因此转发所依赖的是网络拓扑结构依赖的是网络拓扑结构。 多播地址标识了任意一组接收方，因此转

6、发机制必须把多播地址标识了任意一组接收方，因此转发机制必须把分组传播到所有网段。分组传播到所有网段。7.4 以太网多播以太网多播 以太网具有硬件多播能力。以太网有一半的地址都是为多以太网具有硬件多播能力。以太网有一半的地址都是为多播而保留的。多播地址使用播而保留的。多播地址使用最高字节的最低比特最高字节的最低比特来区分单来区分单播地址（为播地址（为0时）和多播地址（为时）和多播地址（为1时）。多播地址可以时）。多播地址可以表示为：表示为：01-00-00-00-00-00。以太网广播地址表示。以太网广播地址表示为为FF:FF:FF:FF:FF:FF。 在以太网卡初始化后，就可以接收发往该计算机

7、的网卡地在以太网卡初始化后，就可以接收发往该计算机的网卡地址的以太网帧，或者以太网广播地址的帧。而使用网卡驱址的以太网帧，或者以太网广播地址的帧。而使用网卡驱动程序软件可以对该网卡进行重新配置，使它还能够识别动程序软件可以对该网卡进行重新配置，使它还能够识别一个或多个多播地址。一个或多个多播地址。 例如，驱动程序配置了以太网多播地址：例如，驱动程序配置了以太网多播地址：01-5E-00-00-00-01，则配置完成后，网卡接口可以接收发往，则配置完成后，网卡接口可以接收发往该计算机的单播地址、广播地址或多播地址的以太网该计算机的单播地址、广播地址或多播地址的以太网帧了，硬件会忽略发往其它多播地

8、址的分组。帧了，硬件会忽略发往其它多播地址的分组。7.5 多播和广播的区别多播和广播的区别 协议栈对帧的过滤过程协议栈对帧的过滤过程 IP传递UDP网卡网卡驱动程序传递传递传递以太网丢弃丢弃丢弃丢弃多播技术能够有效降低网络带宽多播技术能够有效降低网络带宽 使用广播会增加对广播数据不感兴趣主机的处理负担。使用广播会增加对广播数据不感兴趣主机的处理负担。 如果网络内有如果网络内有50个主机，但仅有个主机，但仅有20个参与个参与UDP广播，广播，每次向这个网络发送广播数据报时，其余每次向这个网络发送广播数据报时，其余30个主机个主机不得不处理这些广播数据报。一直到不得不处理这些广播数据报。一直到UD

9、P层，收到的层，收到的广播数据报才会被丢弃。这广播数据报才会被丢弃。这30个主机丢弃广播数据个主机丢弃广播数据报，是因为这些主机没有使用这个目的端口。报，是因为这些主机没有使用这个目的端口。 使用多播，主机可加入一个或多个多播组。这样，网卡使用多播，主机可加入一个或多个多播组。这样，网卡仅接收主机所在多播组的哪些多播帧。仅接收主机所在多播组的哪些多播帧。 多播既不向广播那样产生大量的广播报文，也不像单播多播既不向广播那样产生大量的广播报文，也不像单播那样需要发送者给每一个接收者都传送一次报文。因此那样需要发送者给每一个接收者都传送一次报文。因此多播技术能够有效地降低某些应用的网络带宽多播技术能

10、够有效地降低某些应用的网络带宽。 7.6 IP多播的特征多播的特征 多播组地址多播组地址。每个多播组拥有唯一多播地址。每个多播组拥有唯一多播地址。 多播组的数量多播组的数量。最多可以定义。最多可以定义228个多播组的地址。个多播组的地址。 动态多播组成员关系动态多播组成员关系。主机可以随时加入或离开组。一个主。主机可以随时加入或离开组。一个主机可以是任意数目的多播组的成员。机可以是任意数目的多播组的成员。 硬件的使用硬件的使用。如物理硬件支持多播，则用硬件多播发送。如物理硬件支持多播，则用硬件多播发送IP多多播；如果硬件不支持多播，则用广播或单播来实现播；如果硬件不支持多播，则用广播或单播来实

11、现IP多播。多播。 网络间的转发网络间的转发。多播组成员能与多个物理网络相连接，所以。多播组成员能与多个物理网络相连接，所以需要有特殊的多播路由器转发需要有特殊的多播路由器转发IP多播分组。多播分组。 传递语义传递语义。IP多播使用由多播使用由IP提供的尽力而为服务。多播分组提供的尽力而为服务。多播分组可能会丢失、延迟、重复以及乱序到达。可能会丢失、延迟、重复以及乱序到达。 成员关系和传输成员关系和传输。任意主机（包括非多播组成员）能够向任。任意主机（包括非多播组成员）能够向任何多播组发送分组；组关系仅用于确定该主机是否能接收发何多播组发送分组；组关系仅用于确定该主机是否能接收发往该多播组的分

12、组。往该多播组的分组。7.7 IP多播的应用多播的应用 IP 多播技术有效地解决了单点发送多点接收多播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题。实现了的问题。实现了IP网络网络中点到多点的高效数中点到多点的高效数据传送，能够大量节约网络带宽，降低网络负据传送，能够大量节约网络带宽，降低网络负载载。 可以利用网络的多播特性，方便地可以利用网络的多播特性，方便地提供一些新提供一些新的增值业务的增值业务。 在在IP网络中网络中多媒体业务多媒体业务日渐增多的情况下，日渐增多的情况下，多播有着巨大的市场潜力，多播业务也将逐渐多播有着巨大的市场潜力，多播业务也将逐渐得到推广和普及。得到推广和普及。多播提供的

13、新的增值业务多播提供的新的增值业务 远程学习远程学习 实时视频会议实时视频会议 信息发布：公司向客户发送信息信息发布：公司向客户发送信息 内部资源共享：信息分布在不同地方的内部资源共享：信息分布在不同地方的分布式数据库中。分布式数据库中。7.8 多播的概念性组成部分多播的概念性组成部分 互联网多播系统需要有三个概念性组成部分：互联网多播系统需要有三个概念性组成部分： 多播编址方法多播编址方法 有效地通知和传递机制有效地通知和传递机制 有效的网络间转发工具。有效的网络间转发工具。7.9 IP多播地址多播地址 7.9.1 IP多播组地址格式多播组地址格式 7.9.2 IP多播组地址到以太网多播地址

14、的映射多播组地址到以太网多播地址的映射7.9 IP多播地址多播地址 多播组是能够接收发往一个特定多播分组的节多播组是能够接收发往一个特定多播分组的节点集合。多播组具有下列特点：点集合。多播组具有下列特点： 一个多播组可以跨越多个网络。一个多播组可以跨越多个网络。 多播组对主机的数量没有限制。多播组对主机的数量没有限制。 主机可随时加入或者离开某个多播组。主机可随时加入或者离开某个多播组。 一台主机可以同时属于多个多播组。一台主机可以同时属于多个多播组。 非成员主机可向任何多播组发送非成员主机可向任何多播组发送IP多播分组。多播分组。 IP多播路由器从一个网络到另一个网络，向多播路由器从一个网络

15、到另一个网络，向其目的节点转发其目的节点转发IP多播分组。多播分组。7.9.1 IP多播组地址格式多播组地址格式 每个每个IP多播组都可以用一个多播组都可以用一个D类类IP地址唯一地地址唯一地进行标识进行标识 每个多播组拥有唯一多播地址每个多播组拥有唯一多播地址(D 类地址：类地址： 224.0.0.0-239.255.255.255)。少数是。少数是永久的，其他是临时的；仅能用作目的地址永久的，其他是临时的；仅能用作目的地址228个多播组个多播组1110多播组号（多播组号（28比特）比特）多播组地址分配多播组地址分配 多播地址多播地址含义含义224.0.0.0基地址（保留）基地址（保留）22

16、4.0.0.1“所有系统所有系统”组，包括本地网络中参与多播的主组，包括本地网络中参与多播的主机和路由器机和路由器224.0.0.2本地网络中的本地网络中的“所有路由器所有路由器”组组224.0.0.3未分配未分配224.0.0.4DVMRP路由器路由器224.0.0.5OSPF路由器路由器224.0.0.6OSPF指定路由器指定路由器224.0.0.7ST路由器路由器224.0.0.8ST主机主机224.0.0.9RIP2路由器路由器224.0.0.10IGRP路由器路由器多播组地址分配多播组地址分配 多播地址多播地址含义含义224.0.0.11移动代理移动代理224.0.0.12DHCP服

17、务器服务器/中继代理中继代理224.0.0.13所有所有PIM路由器路由器224.0.0.14RSVP封装封装224.0.0.15所有所有CBT路由器路由器224.0.0.16指定的指定的Sbm224.0.0.17所有所有Sbm224.0.0.18VRRP224.0.0.19224.0.0.255其它链路本地地址其它链路本地地址224.0.1.0238.255.255.255全球作用域的地址，即用户多播地址全球作用域的地址，即用户多播地址239.0.0.0239.255.255.255作用域限制在一个机构内，即本地管理多播地址作用域限制在一个机构内，即本地管理多播地址两种组地址两种组地址 永久

18、组地址永久组地址：总是可以使用的组地址，无须事：总是可以使用的组地址，无须事先建立组。先建立组。 每个永久组都有一个永久组地址。每个永久组都有一个永久组地址。 永久组地址由永久组地址由IANA定义。定义。 临时组地址临时组地址：只有在创建了临时组之后，才可：只有在创建了临时组之后，才可以使用它们。以使用它们。 一个进程可以要求它的主机加入到一个特定的组中。一个进程可以要求它的主机加入到一个特定的组中。 一个进程可以要求它的主机离开该组。当最后一个一个进程可以要求它的主机离开该组。当最后一个进程离开一个组的时候，主机就不再属于这个组。进程离开一个组的时候，主机就不再属于这个组。 每台主机都记录它

19、的进程当前属于哪些组。每台主机都记录它的进程当前属于哪些组。IANA定义的定义的永久地址组永久地址组 INNA定义一些多播组地址为知名地址，也称定义一些多播组地址为知名地址，也称作永久地址组，但它的组成员却不是永久的。作永久地址组，但它的组成员却不是永久的。已被分配的约定多播组：已被分配的约定多播组： 224.0.0.1，“所有系统所有系统”组，包括本地网络中组，包括本地网络中参与多播的主机和路由器参与多播的主机和路由器 224.0.0.2，本地网络中的，本地网络中的“所有路由器所有路由器”组组多播地址多播地址224.0.1.1，定义为网络时间协议，定义为网络时间协议NTP多播地址多播地址22

20、4.0.0.5，定义为，定义为OSPF路由器路由器多播地址多播地址224.0.0.9，定义为，定义为RIP2路由器路由器IP组播地址的空间划分组播地址的空间划分 224.0.0.0224.0.0.255：IANA预留地址。预留地址。 224.0.0.0 保留不分配保留不分配 其它地址供路由协议及拓其它地址供路由协议及拓扑查找和维护协议使用扑查找和维护协议使用 该范围内的地址属于局部该范围内的地址属于局部范畴，不论范畴，不论TTL多少，都多少，都不会被路由器转发。不会被路由器转发。IP多播地址的空间划分多播地址的空间划分 224.0.1.0238.255.255.255：用户组播：用户组播地址，

21、全网范围内有效地址，全网范围内有效 其中其中233/8 为为 GLOP 地址。地址。GLOP 是一种自治是一种自治系统之间的组播地址分配机制，将系统之间的组播地址分配机制，将 AS 号直接填号直接填入组播地址的中间两个字节中，每个自治系统都可入组播地址的中间两个字节中，每个自治系统都可以得到以得到255 个组播地址个组播地址 239.0.0.0239.255.255.255：本地管理：本地管理组播地址。仅在特定本地范围内有效。组播地址。仅在特定本地范围内有效。7.9.2 IP多播组地址到以太网多多播组地址到以太网多播地址的映射播地址的映射 为了进行多播，在网络硬件层应该有多播设备为了进行多播，

22、在网络硬件层应该有多播设备支持，且需要一种将支持，且需要一种将IP多播地址映射成物理多播地址映射成物理多播地址的方法。多播地址的方法。多播组地址到以太网地址的转换多播组地址到以太网地址的转换 IANA拥有一个以太网地址块，即高位拥有一个以太网地址块，即高位24bit为为00:00:5e（地址范围：（地址范围：00:00:5e:00:00:00 00:00:5e:ff:ff:ff）。）。IANA将其中的一半将其中的一半分配为多播地址。分配为多播地址。 为了指明一个多播地址，任何一个以太网地址为了指明一个多播地址，任何一个以太网地址的首字节必须是的首字节必须是01，即与，即与IP多播相对应的以太多

23、播相对应的以太网地址范围是：网地址范围是： 01:00:5e:00:00:0001:00:5e:7f:ff:ff。IP多播的物理多播地址映射多播的物理多播地址映射 将将D类类IP多播地址映射为以太网多播地址的方多播地址映射为以太网多播地址的方法：法：D类类IP地址的低地址的低23位放到专用的以太网多位放到专用的以太网多播地址：播地址：“01.00.5E.00.00.00”的低的低23位，位， 例如：例如：D类类IP多播地址多播地址224.0.0.1被映射为被映射为01:00:5E:00:00:01IPIP多播地址与物理多播地址的映射多播地址与物理多播地址的映射48位以太网地址多播地址物理地址D

24、类地址以太网多播地址对应的多播组是不唯一的以太网多播地址对应的多播组是不唯一的 多播组号中的最高多播组号中的最高5 bit在映射过程中被忽略，在映射过程中被忽略，32(25)个不同的多播组号被映射为一个以太网地个不同的多播组号被映射为一个以太网地址。例如，多播地址址。例如，多播地址224.128.64.32（e0.80.40.20）和）和224.0.64.32（e0.00.40.20）都映射为同一以太网地址）都映射为同一以太网地址01:00:5e:00:40:20。 设备驱动程序或设备驱动程序或IP层必须对数据报进行过滤。因层必须对数据报进行过滤。因为网卡可能接收到主机不想接收的多播数据帧。为

25、网卡可能接收到主机不想接收的多播数据帧。如果网卡不提供足够的多播数据帧过滤功能，设如果网卡不提供足够的多播数据帧过滤功能，设备驱动程序就必须接收所有多播数据帧，然后对备驱动程序就必须接收所有多播数据帧，然后对它们进行过滤。它们进行过滤。7.10 IP多播分组在网络上的传送多播分组在网络上的传送 单个物理网络的多播较简单。单个物理网络的多播较简单。 发送方的多播进程发送方的多播进程使用多播目的地址，设备驱使用多播目的地址，设备驱动程序将它转换为相应的以太网多播地址，然动程序将它转换为相应的以太网多播地址，然后发送出去。后发送出去。 接收方的进程接收方的进程将主机想接收的多播数据报通知将主机想接收

26、的多播数据报通知给给IP层，并且设备驱动程序必须能够接收这层，并且设备驱动程序必须能够接收这些多播帧。些多播帧。 当一个主机收到多播数据报时，它必须向属于当一个主机收到多播数据报时，它必须向属于那个多播组的每个进程均传送一个复制。那个多播组的每个进程均传送一个复制。在多个物理网络的多播在多个物理网络的多播 当把多播扩展到单个物理网络以外，需要通过当把多播扩展到单个物理网络以外，需要通过路由器转发多播数据时，复杂性就增加了。路由器转发多播数据时，复杂性就增加了。 需要有一个协议让多播路由器了解网络中属于需要有一个协议让多播路由器了解网络中属于某个多播组的任何一个主机。这个协议就是因某个多播组的任

27、何一个主机。这个协议就是因特网组管理协议（特网组管理协议（IGMP）。）。q 如果网络硬件层没有多播设备支持，则需要使如果网络硬件层没有多播设备支持，则需要使用隧道（用隧道（tunnelingtunneling）技术。）技术。q多播分组封装在单播分组中，在接收端又把这多播分组封装在单播分组中，在接收端又把这一个分组转变成多播分组。一个分组转变成多播分组。首部首部多播IP分组单播IP分组7.11 多播作用域多播作用域 多播组的作用域（多播组的作用域（scope）指的是多播组成员的）指的是多播组成员的范围范围。如果所有成员都在同一个物理网络上，就。如果所有成员都在同一个物理网络上，就认为该多播组的作用域限制在一个网络内。类似认