多播与多播路由

IP组播12应用访问分布式数据库信息传播（例如软件更新）地址新闻分发电视会议远程学习3TCP/IP传送方式单播（Unicast）传输：在发送者和每一接收者之间需要单独的数据信道。如果一台主机同时给很少量的接收者传输数据，一

般没有什么问题。但如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷

贝时却很难实现。这将导致发送者负担沉重、延迟长、网络拥塞；为保证一定的服务质量需增加硬件和带宽。组播（Multicast）传输：它提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网

络，也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持）。广播（Broadcast）传输：是指在IP子网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。广播意味着网络向子网

主机都投递一份数据包，不论这些主机是否乐于接收该数据包。然而广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，因为路由器会封锁广播通信。广播传输增加非接收者的开销。4内容组播定义、概念组播协议体系结构重点介绍PIM-SM/MBGP/MSDP其它组播协议组播的可扩展性问题5组播的定义ASM(Any

Source

Multicast),RFC1121的多播服务模型：每一个多播组用一个单一的IP地址来标识，任意发送者发往该地址的数据可以到达所有的组成员组成员的个数不加限制组成员可以在Internet上任一位置组成员可以自由的加入或离开发送者不必是多播组的成员此种模式称为ASMSSM

(Source

Specific

Multicast)ASM模型的扩展，允许接收者选择发送者，即接收者只接收特定发送者的数据包，并且在构造转发树的时候进行裁剪。6IP组播是指一个IP报文向一个“主机组”的传送，这个包含零个或多个主机的主机组由一个单独的IP地址标识。主机组地址也称为“组播地址”，或者D类地址。除了目的地址部分，组播报文与普通报文没有区别，网络尽力传送组播报文但是并不保证一定送达。发送者接收者其它主机组播路由器78主机组的成员可以动态变化，主机有权选择加入或者退出某个主机组。主机可以加入多个主机组，也可以向自己没有加入的主机组发送数据。主机组有两种：永久组和临时组。永久组的IP地址是周知的，由Internet管理机构分配，是保留地址。临时组的地址则使用除永久组地址外的非保留D类地址。9实现组播技术的前提条件实现IP组播传输，则组播源和接收者以及两者之间的下层网络都必须支持组播。这包括以下几方面：主机的TCP/IP实现支持发送和接收IP组播；主机的网络接口支持组播；有一套用于加入、离开、查询的组管理协议；有一套IP地址分配策略，并能将第三层IP组播地址映射到第二层MAC地址；支持IP组播的应用软件；所有介于组播源和接收者之间的路由器、集线器、交换机、

TCP/IP栈、防火墙均需支持组播；10IP组播地址（主机组地址）D类IP地址，从224.0.0.0到239.255.255.255部分D类地址被保留，用作永久组的地址，这段地址从224.0.0.0-224.0.0.255。用于单一跳步的组播应用。组播路由器将单步转发目的地址在此范围的数据报。比较重要的地址有：–

224.0.0.1—网段中所有支持组播的主机–

224.0.0.2—网段中所有支持组播的路由器–

224.0.0.4—网段中所有的DVMRP路由器–

224.0.0.5—所有的OSPF路由器–

224.0.0.6—所有的OSPF指派路由器–

224.0.0.9—所有RIPv2路由器–224.0.0.13

－所有PIM路由器239.0.0.0-239.255.255.255域内私有多播地址，类似于IP中的内网址。以此为目的的组播流只能在自治系统内转发11第2层的组播地址（组播MAC地址）IP组播地址与链路层地址的映射不是通过ARP,而是采用静态映射。IP地址到以太网地址的映射–把IP地址的最后23位拷贝到MAC地址的最后23位，然后把这23位前面的那一位置为0。MAC地址的前24位必须为01-00-5E。例如：组播IP地址

224.0.1.128，16进制表示为E0-00-01-10，最低的23位为0x00-01-10，计算得出的MAC地址为：01-00-5E-00-01-10。因为IP组播的高5位被忽略，所以32个不同的组播组被映射到相同的以太网地址。由于不是唯一映射，需要设备驱动程序的过滤。1213组播管理协议IGMP（Internet

Group

Management

Protocol）用于管理组成员关系的协议主机：加入/退出某个组路由器：传播组信息路由器：组成员查询用途动态组成员建立组播路由14IGMPIGMPv1同一网段中一个路由器被选为“询问者”。询问者周期性的向本网段所有主机发送询问消息属于组G的主机回应消息前，先等待随机时间(0-10s)以避免冲突。然后向组G发送报告，TTL=1。路由器接收本网段所有的报告，没有回应的组被置为超时。注意：正常情况下，每一组G只有一份报告送交给询问者，因为路由器只关心本网段有没有该组G的成员而不关心这些成员是谁。IGMPv2,为主机增加了显式的加入、退出组的消息IGMPv3,为主机增加了选择发送者的能力(SSM)报文格式v2(RFC2236)简单报文格式查询：既有通用查询，也有指定群组的查询响应时间（Res.Time），响应的随机时延范围0–可供管理人8

员配置，控制16网络中IGMP流量TypeRes.

TimeCheck

SumGroup

Address31TypeGroup

Address含义0x110一般成员查询0x11组地址具体群组成员查询0x16组地址成员关系报告

150x17组地址退出群组16IGMP操作通告操作：主机用IGMP报告加入/退出某群组监视成员关系操作：多播路由器用IGMP轮询群组17监视成员关系操作路由器定期轮询群组（典型125秒一次）查询请求所有群组的信息E.g用作查询的地址：0.0.0.0IGMP通信量不会随网络上群组增加而增加网络上有多个路由器时，指定其中一个作轮询轮询响应路由器只关心网络上有哪些群组存在，而不关心具体是哪台主机每个群组只需一个响应就足够了主机在0～N（默认为10）秒内随机响应轮询监听轮询响应，抑制不必要响应RHH轮询响应监听到同群组的响应，抑制响应18轮询状态变迁非成员延迟的成员成员加入群组/启动定时退出群组超时/发送响应主机或者不参与组播（非成员）或者参与一个到多个群组主机新参与一个群组时，需通知路由器等待轮询到来，给出或抑制响应后，成为成员如果没出现轮询，直接给出响应来通告加入退出群组，只有所有应用程序都退出群组，主机才真正退出群组抑制响应19查询到/启动定时20IGMP（组管理协议）IGMPv2见RFC2236在IPv4中，组播技术和IGMP是可选的；IPv6主机都必须支持组播技术。IGMP消息封装在IP数据报中IP报头协议号是2TTL=1目的IP地址•224.0.0.1通用查询•组地址加入组•224.0.0.2退出组21组播路由选择及协议22组播传送树IGMP只规定了发生在接收主机和它们的本地组播路由器之间的通信。组播路由器之间报文的路由由一个不同的路由协议来管理。在传送组播分组时，指派路由器需要构造一个连接所有组播组成员的树。根据这个树，路由器得出转发分组的一条唯一路径。这个树就称为传送树。由于成员可以动态的加入和退出，传送树也必须动态更新。23组播转发树源点基准树，也称最短路径树（SPT）以发送者为树根，到每一个接收者的最短路径构成一棵转发树。可以用二元组（s,g)标示一棵源树。从发送者到接收者的路径最优，但需要维护较多状态信息。组共享树ST以某个路由器为根（RP或Core）到所有接收者的树。可以用（*，g）标示一棵共享树。一棵树被多个发送者共享，维护较少的状态信息，但转发路径未必最优。树根的位置很重要。24组播转发算法建立到达网络的路径，具体要求：只把数据路由到组成员优化从源到目的的路径没有路由循环提供建立和维护组成员关系的功能不应把流量集中到链路的一个子集上常用算法：反向路径转发算法（Reverse

Path

Forwarding

RPF）基于中心的树算法（CBT）25RPF在构造多播树的过程中，路由器接收到一个数据包，

要对它执行RPF检查。具体过程为：路由器r获得该多播数据包的源地址s和进入路由器时的接口i，然后r执行“逆向转发检查”：假想要把数据包用单播方式从r发送到s，查找路由表，看是不是会从接口i发送出去，若是，则RPF检查通过，接收并转发该数据包；否则

RPF检查失败，丢弃该数据包。这样，路由器可以确保自己在多播树中“入射”的路径只有一条，并且是到发送者最优的那一条。从全局来看RPF保证了构造的结果没有环路，是一棵树。RPFRPF是基于源地址转发的，它能保证每一个网络能够在不形成回路的条件下收到组播分组的一个副本，但不能保证每个网络只收到一个副本。原因：转发是基于源地址，而不是基于目的地址26解决办法－RPB解决办法：网络只能通过一个指定的父路由器从特定的源点接收组播分组，即RPB。2728RPBRPB创建了从源点到达每一个终点的最短路径广播树。（选择到源点路径最短的R作为指定的父R）它保证每一个终点收到分组的一个且仅一个副本。注意：RPB对分组不是进行组播而是广播。而我们只要求组播成员收到一个副本的分组。因此需要在RPB的基础进行：修剪和移植。修剪(prune)和移植(graft)2930CBT它的构造方法是以网络中的某一个指定的路由器为根节点，该路由器称为集合点或中心点，由此节点生成包含所有组成员的树。使用共享分布树时，组播源需要首先把组播分组发送给集合点路由器，再由这个路由器转发给其他的组成员。只有一棵传送树不要求源端是组成员树的形成CBT的树是从树叶制作的，使用加入的方法逐渐制作出树。RPF的树是从树根制作的，树先构造（广播），然后再修剪和移植。31发送组播分组32域内组播路由协议•主要任务就是构造组播的分布树，使组播分组能够传送到相应的组播组成员。•根据形成传送树的方法不同，组播路由协议分为两大类。DM33SM34DM路由协议通常用于组播成员较为集中、数量较多－网络的大部分用户、并且有足够带宽的网路环境，比如公司或园区的局域网。DM路由协议用定期广播组播报文的方法维护组播分布树。DM协议只使用源分布树（SPT），组播流量被广播到网络中所有的组播路由器。DM路由协议有：DVMRP、MOSPF、PIM-DMSM路由协议在网路中稀疏分布、网络也没有充足带宽的情况，如广域网环境，可以使用SM路由协议。SM路由协议采用选择性的建立和维护分布树的方式，由空树开始，仅当成员显式的请求加入分布树才做出修改。SM路由协议有：CBT、PIM-SM35加入多播组隐式加入：发送端发起广播修剪DVMRP和PIM-DM是隐式加入协议显式加入：客户端发起某个节点的IGMP消息向上游传播直到源MOSPF,PIM-SM,和CBT都是显示加入协议36DVMRPDistance-Vector

Multicast

Routing

Protocol较早提出的多播协议，首先部署在MBone上，

“密集模式”。发送者的第一跳路由器开始向所有下行端口发送多播数据包。网络中间的路由器对接收到的数据进行RPF检查。最后一跳路由器根据IGMP信息返回修剪或嫁接一个分支。DVMRP-

Example

Topologyg

gsg37DVMRP-

Phase

1:

Truncated

Broadcastg

gsg38DVMRP-

Phase

2:

Pruningg

gsprune

(s,g)prune

(s,g)g39DVMRP-

Steady

Stateg

gsgg40graft(s,g)graft(s,g)DVMRP-

Grafting

on

New

Receiversg

gsgreport(g)g41DVMRP-

Steady

State

after

Graftingg

gsgg4243DVMRPDVMRP由单播路由协议RIP扩展而来，两者都使用距离向量算法得到网络的拓扑信息，不同之处在于RIP根据路由表前向转发数据，而DVMRP则是基于RPF。为了使新加入的组播成员能及时收到组播数据，DVMPR采用定时发送数据包给所有的LAN的方法，然而这种方法导致

大量路由控制数据包的扩散，这部分开销限制了网络

规模的扩大。DVMRP使用跳数作为计量尺度，其上限为32跳，这对网络规模也是一个限制。目前提出了分层DVMRP，即对组播网络划分区域，在区域内的组播可以按照任何协议进行，而对于跨区域的组播则由边界路由器在DVMRP协议下进行，这样可大大减少路由开销。44MOSPFMOSPF是一种基于链路状态的路由协议，是对单播OSPF协议的扩展。定义了三种级别的路由：MOSPF区域内组播路由：用于了解各网段中的组播成员，构造（源网络S，组G）对的SPT；MOSPF区域间组播路由：用于汇总区域内成员关系，并在自治系统（AS）主干网（区域0）上发布组成员关系记录通告，实现区域间组播包的转发。OSPF

AS间组播路由：用于跨AS的组播包转发。45PIM-DMPIM不依赖于任何基本的单播路由协议，它与所有已有的单播路由协议相互操作。PIM-DM：协议无关组播协议－密集模式。它利用路由器上单播路由协议的路由表作反向路径转

发检查，由此获得组播分布树。与DVMRP不一

样，它不尝试计算组播专用的路由。相比另两

种协议，PIM-DM的开销要小很多，它用于组播

源和目的非常靠近、接收者数量大于发送者数

量并且组播流量比较大的环境中效果很好。46PIM-SMPIM-SM协议是基于中心树算法。有一个集合点（RP），类似于CBT的中心点。不用交换多播路由信息利用单播路由表接收者向RP发送“join”消息，发送者发送之前首先向RP注册接收方加入以RP为根的树中，发送方的流量流过RP然后到达每个接收方不必为没有接收方的网络维护修剪信息“当前最好”的域内协议权衡效率和复杂性得到最广泛的支持和部署RPR1R4Shared

tree

afterR1,R2,R3

joinJoin

messagetoward

RPPhase

1:

Build

Shared

TreeJoin

GR247R3Phase

2:RPR1R4Sources

Send

to

RPS1RP

decapsulateforwards

downShared

treeunicast

encapsulateddata

packet

to

RPS2R248R3Phase

3:RPR1R4Join

G

for

S1Join

G

for

S2S2R249R3Stop

EncapsulationS1(S1,G)(S1,G)(S2,G)(*.G)Phase

4:

Switch

to

Shortest

Path

TreeRPR1R4shared

treeJoin

messagestoward

S2S1S2R250R3Phase

5:

Prune

(S2

off)

Shared

TreeRPR1R4S2

distribution

treeS1

Shared

treePrune

S2

off

Sharedwhere

iif

of

S2

andRP

entries

differS2R251R352可扩展性讨论每对（发送者，组）需要一棵树。DVMRP：需要把信息Flood到全网，每一个路由器需要为每一对（发送者，组）保存状态信息，自己构造路由。PIM-DM：类似于DVMRP，利用单播路由表。MOSPF：划分为area，只需要把组员信息Flood到整个area。利用单播路由表。每个（组）需要一棵共享树。PIM-SM：需要RP,显式加入、退出消息，只有在多播树上的路由器需要为每一（组）保存状态信息，利用单播路由表。CBT：类似于PIM-SM，需要Core。构造双向共享树。53可扩展性讨论经验显示单层的网络结构不具有可扩展性每一个路由器都需要知道其他所有的路由器/子网（需要保存大量的状态信息）。单层网络规模增加时趋向于不稳定，一个错误操作可能波及全网。层次结构网络中的多播需要解决的问题：域内多播路由协议域间多播路由交换协议连接不同域的多播树的机制多播地址分配问题54域间组播协议域间协议MBGP/PIM-SM/MSDP

(near-term)MBGP用来交换域间的multicast路由，PIM-SM用于连接不同域的同一多播组成员，MSDP用于不同域间的RP交换

活动的multicast发送者信息。MASC/BGMP

(long-term)MASC为各个AS域分配层次结构的多播地址。BGMP构造一个以根域(rootdomain)为根的双向域间多播树，这棵树可以由多个多播组共享。55MSDP的提出域内协议时：每一个多播组只有一个RP。当扩

展到多个域时，每一个域内对于每一个活动的

多播组都至少有一个RP，从而从全局的观点看，一个多播组有多个RP同时存在于不同的域中并

且互不了解！对于域内的情况：接收者可以向RP发送“join”消息加入多播树，发送者可以向同一RP注册，

从而向位于同一域的接收者发送多播数据；而

对于其他域的同组接收者就无能为力了。56MSDPMulticastSourceDiscoveryProtocol。每一个域向其他域宣告本域中活动着的发送者信息。MSDP运行在路由器RP之中。相邻域的MSDP

peer配置MSDP

sessions

(TCP连接)通讯。本域出现一个新的发送者时，该发送者向RP注册。本域的MSDPpeer获知该信息后，向所有邻域的MSDPpeers发送Source

Active(SA)消息：包括（发送者，组）信息。MSDP

peers收到SA消息后作RPF检查，以避免环路，检查成功则所有其他邻居发送该消息。收到SA的MSDP

peer(同样是RP)会察看自己域内是否有该多播组成员（即是否已经构建了该多播组的转发树）。若是，则向该发送者发送一条PIM

join消息以完成该组转发树的构建，或者通过转发树向域内的接收者转发数据。57MBGPMultiprotocol

Extensions

to

BGP4/Multicast

BGP/

BGP4+，运行于自治系统边界路由器。MBGP用来提供域间的“下一跳”信息，类似于BGP为单播提供域间“下一跳”信息。–

向相邻的自治系统通告“从我这里可以到达发送者s”。当

RP或者多播组接收者试图向位于其他AS的多播发送者s发送一个”join”消息时，该消息需要沿着“逆向路径”到达多播发送者s，有了MBGP提供的路由就可以做到这一点了。MBGP并不负责域间多播树的构造，用现有协议PIM-SM就可以胜任。MBGP/PIM-SM/MSDPRPRPRPMSDP

peerPhysical

linkABCDReceiverSourcePIM

messageMSDP

messageSASASARPJoinJoinJoinJoinJoin5859可扩展