IP組播路由協(xié)議詳細(xì)介紹

1、IP組播路由協(xié)議詳細(xì)介紹一、概述 1、組播技術(shù)引入的必要性 隨著寬帶多媒體網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，各種寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層出不窮。IP TV、視頻會(huì)議、數(shù)據(jù)和資料分發(fā)、網(wǎng)絡(luò)音頻應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用、多媒體遠(yuǎn)程教育等寬帶應(yīng)用都對(duì)現(xiàn)有寬帶多媒體網(wǎng)絡(luò)的承載能力提出了挑戰(zhàn)。采用單播技術(shù)構(gòu)建的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足新興寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在帶寬和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量方面的要求，隨之而來的是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、數(shù)據(jù)丟失等等問題。此時(shí)通過引入IP組播技術(shù)，有助于解決以上問題。組播網(wǎng)絡(luò)中，即使組播用戶數(shù)量成倍增長(zhǎng)，骨干網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)帶寬也無需增加。簡(jiǎn)單來說，成百上千的組播應(yīng)用用戶和一個(gè)組播應(yīng)用用戶消耗的骨干網(wǎng)帶寬是一樣的，從而最大限度的解決目前寬帶應(yīng)用對(duì)帶

2、寬和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求。 2、IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式 組播技術(shù)是IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸三種方式之一，在介紹IP組播技術(shù)之前，先對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯尾?、組播和廣播方式做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹： 單播（Unicast）傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接。 如果一臺(tái)發(fā)送者同時(shí)給多個(gè)的接收者傳輸相同的數(shù)據(jù)，也必須相應(yīng)的復(fù)制多份的相同數(shù)據(jù)包。如果有大量主機(jī)希望獲得數(shù)據(jù)包的同一份拷貝時(shí)， 將導(dǎo)致發(fā)送者負(fù)擔(dān)沉重、延遲長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)擁塞；為保證一定的服務(wù)質(zhì)量需增加硬件和帶寬。 組播（Multicast）傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接。 如果一臺(tái)發(fā)送者同時(shí)給多個(gè)的接收者傳輸相同的數(shù)據(jù)，也只需復(fù)制一

3、份的相同數(shù)據(jù)包。它提高了數(shù)據(jù)傳送效率。減少了骨干網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的可能性。 廣播（Broadcast）傳輸：是指在IP子網(wǎng)內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包，所有在子網(wǎng)內(nèi)部的主機(jī)都將收到這些數(shù)據(jù)包。 廣播意味著網(wǎng)絡(luò)向子網(wǎng)每一個(gè)主機(jī)都投遞一份數(shù)據(jù)包，不論這些主機(jī)是否樂于接收該數(shù)據(jù)包。所以廣播的使用范圍非常小， 只在本地子網(wǎng)內(nèi)有效，通過路由器和交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制廣播傳輸。二、組播技術(shù) 1、 IP組播技術(shù)體系結(jié)構(gòu) 組播協(xié)議分為主機(jī)-路由器之間的組成員關(guān)系協(xié)議和路由器-路由器之間的組播路由協(xié)議。組成員關(guān)系協(xié)議包括IGMP(互連網(wǎng)組管理協(xié)議)。組播路由協(xié)議分為域內(nèi)組播路由協(xié)議及域間組播路由協(xié)議。域內(nèi)組播路由協(xié)議包括PIM-SM、

4、PIM-DM、DVMRP等協(xié)議，域間組播路由協(xié)議包括MBGP、MSDP等協(xié)議。同時(shí)為了有效抑制組播數(shù)據(jù)在鏈路層的擴(kuò)散，引入了IGMP Snooping、CGMP等二層組播協(xié)議。 IGMP建立并且維護(hù)路由器直聯(lián)網(wǎng)段的組成員關(guān)系信息。域內(nèi)組播路由協(xié)議根據(jù)IGMP維護(hù)的這些組播組成員關(guān)系信息，運(yùn)用一定的組播路由算法構(gòu)造組播分發(fā)樹進(jìn)行組播數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。域間組播路由協(xié)議在各自治域間發(fā)布具有組播能力的路由信息以及組播源信息，以使組播數(shù)據(jù)在域間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 2、 組播IP地址 組播IP地址用于標(biāo)識(shí)一個(gè)IP組播組。IANA把D類地址空間分配給IP組播，其范圍是從224.0.0.0到239.255.255.255。

5、如下圖所示(二進(jìn)制表示)，IP組播地址前四位均為1110。 八位組（1） 八位組（2） 八位組（3） 八位組（4） 1110XXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX 3、 組成員關(guān)系協(xié)議 (IGMP) IGMP協(xié)議運(yùn)行于主機(jī)和與主機(jī)直接相連的組播路由器之間，主機(jī)通過此協(xié)議告訴本地路由器希望加入并接受某個(gè)特定組播組的信息，同時(shí)路由器通過此協(xié)議周期性地查詢局域網(wǎng)內(nèi)某個(gè)已知組的成員是否處于活動(dòng)狀態(tài)（即該網(wǎng)段是否仍有屬于某個(gè)組播組的成員），實(shí)現(xiàn)所連網(wǎng)絡(luò)組成員關(guān)系的收集與維護(hù)。 IGMP有三個(gè)版本，IGMPv1由RFC1112定義，目前通用的是IGMPv2，由RFC2236定義。I

6、GMPv3目前仍然是一個(gè)草案。IGMPv1中定義了基本的組成員查詢和報(bào)告過程，IGMPv2在此基礎(chǔ)上添加了組成員快速離開的機(jī)制，IGMPv3中增加的主要功能是成員可以指定接收或指定不接收某些組播源的報(bào)文。這里著重介紹IGMPv2協(xié)議的功能。 IGMPv2通過查詢器選舉機(jī)制為所連網(wǎng)段選舉唯一的查詢器。查詢器周期性的發(fā)送普遍組查詢消息進(jìn)行成員關(guān)系查詢；主機(jī)發(fā)送報(bào)告消息來應(yīng)答查詢。當(dāng)要加入組播組時(shí)，主機(jī)不必等待查詢消息，主動(dòng)發(fā)送報(bào)告消息。當(dāng)要離開組播組時(shí)，主機(jī)發(fā)送離開組消息；收到離開組消息后，查詢器發(fā)送特定組查詢消息來確定是否所有組成員都已離開。 通過上述IGMP機(jī)制，在組播路由器里建立起一張表，其

7、中包含路由器的各個(gè)端口以及在端口所對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)上都有哪些組的成員。當(dāng)路由器接收到某個(gè)組G的數(shù)據(jù)報(bào)文后，只向那些有G的成員的端口上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文。至于數(shù)據(jù)報(bào)文在路由器之間如何轉(zhuǎn)發(fā)則由路由協(xié)議決定，IGMP協(xié)議并不負(fù)責(zé)。 4、 網(wǎng)絡(luò)二層組播相關(guān)協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)二層組播相關(guān)協(xié)議包括IGMP Snooping ,IGMP Proxy和CGMP協(xié)議。 IGMP Snooping的實(shí)現(xiàn)機(jī)理是：交換機(jī)通過偵聽主機(jī)發(fā)向路由器的IGMP成員報(bào)告消息的方式，形成組成員和交換機(jī)接口的對(duì)應(yīng)關(guān)系；交換機(jī)根據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系將收到組播數(shù)據(jù)包只轉(zhuǎn)給具有組成員的接口。 IGMP Proxy與IGMP Snooping實(shí)現(xiàn)功能相同但機(jī)理相異：

8、IGMP snooping只是通過偵聽IGMP的消息來獲取有關(guān)信息，而IGMP Proxy則攔截了終端用戶的IGMP請(qǐng)求并進(jìn)行相關(guān)處理后，再將它轉(zhuǎn)發(fā)給上層路由器。 CGMP(Cisco Group Management Protocol)是Cisco基于客戶機(jī)/服務(wù)器模型開發(fā)的私有協(xié)議，在CGMP的支持下，組播路由器能夠根據(jù)接收到的IGMP數(shù)據(jù)包通知交換機(jī)哪些主機(jī)何時(shí)加入和脫離組播組，交換機(jī)利用由這些信息所構(gòu)建的轉(zhuǎn)發(fā)表來確定將組播數(shù)據(jù)包向哪些接口轉(zhuǎn)發(fā)。GMRP是主機(jī)到以太網(wǎng)交換機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它使組播用戶可以在第二層交換機(jī)上對(duì)組播成員進(jìn)行注冊(cè)。 5、 組播路由協(xié)議 （PIM-SM） 眾多的組播路

9、由協(xié)議中，目前應(yīng)用最多的協(xié)議是 PIM-SM稀疏模式協(xié)議無關(guān)組播。 在PIM-SM域中，運(yùn)行PIM-SM協(xié)議的路由器周期性的發(fā)送Hello消息，用以發(fā)現(xiàn)鄰接的PIM路由器，并且負(fù)責(zé)在多路訪問網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行指定路由器(DR)的選舉。這里，DR負(fù)責(zé)為其直連組成員朝著組播分發(fā)樹根節(jié)點(diǎn)的方向發(fā)送加入/剪枝消息，或是將直連組播源的數(shù)據(jù)發(fā)向組播分發(fā)樹。 PIM-SM顯式的加入機(jī)制PIM-SM通過建立組播分發(fā)樹來進(jìn)行組播數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。組播分發(fā)樹分為兩種：以組G的RP為根的共享樹（Shared Tree）和以組播源為根的最短路徑樹（Shortest Path Tree）。PIM-SM通過顯式的加入/剪枝機(jī)制來完成

10、組播分發(fā)樹的建立與維護(hù)。如上圖所示： 當(dāng)DR收到一個(gè)發(fā)自接收端的加入（Join），它就會(huì)向著組G的RP方向逐跳組播發(fā)出一個(gè)（*，G）加入信息用以加入共享樹； 源主機(jī)向組發(fā)送組播數(shù)據(jù)時(shí)，源的數(shù)據(jù)被封裝在注冊(cè)消息內(nèi)，并由其DR 單播至RP，RP再將源的解封裝數(shù)據(jù)包沿著共享樹轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)組成員； RP朝著源方向向第一跳路由器發(fā)送（S，G）加入信息，用以加入此源的最短路徑樹，這樣源的數(shù)據(jù)包將沿著其最短路徑樹不加封裝地發(fā)送到RP； 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)組播數(shù)據(jù)沿此樹到達(dá)時(shí)，RP向源的DR發(fā)送注冊(cè)-停止消息，以使DR停止注冊(cè)封裝過程。此后，這個(gè)源的組播數(shù)據(jù)不再注冊(cè)封裝，而是先沿著源的最短路徑樹發(fā)送到RP，再由RP 將其沿著共享樹轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)組成員。 當(dāng)不再需要組播數(shù)據(jù)時(shí)，DR向著組G的RP逐跳組播剪枝消息用以剪枝共享樹。 PIM-SM中還涉及到其根節(jié)點(diǎn)RP的選擇機(jī)制。PIM-SM域內(nèi)配置了一個(gè)或多個(gè)候選自舉路由器(Candidate-BSR)。應(yīng)用一定的規(guī)則從中選出自舉路由器(BSR)。PIM-SM域中還配置了候選 RP路由器(Candidate-RP)，這些候選 RP將包含了它們地址及可以服務(wù)的組播組等信息的包單播至自舉路由器。BSR 定期生成包括一系列候選 RP以及相應(yīng)的組地址的自舉消息。自舉消息在整個(gè)域中逐跳發(fā)送。路由器接收并保存這些自舉消息。若 DR 從直連主機(jī)收到了某組