TCPIP協(xié)議原理ChapterIP組播PPT課件

1、單播、廣播與組播單播、廣播與組播單播組播廣播第1頁/共61頁實現(xiàn)點對多點通信的兩種途徑(1) 多個單播： 發(fā)送者對每個接收者都采用一條單播傳輸；共有 90 個主機接收視頻節(jié)目R1R3R4R2視頻服務器 M30 個30 個90 個30 個30 個30 個30個第2頁/共61頁實現(xiàn)點對多點通信的兩種途徑(2) 組播 發(fā)送主機僅發(fā)送一個包； 一旦該包需要轉(zhuǎn)發(fā)，路由器才進行復制；組播組成員共有 90 個R1R3R4R2視頻服務器 M組播1 個組播1 個1 個1 個1 個組播1 個1 個發(fā)送 1 次組播復制第3頁/共61頁IP Multicast How Does it Work? The sender

2、 (source) sends one copy of a single packet addressed to a group of receivers - multicast group Multicast routers replicate and forward the packet to all the branches where receivers (may) exist Receivers express（表達了） their interest in multicast traffic by sending control messages to routers第4頁/共61頁

3、Why Multicast? more and more multimedia communication application and service have emerged in Internet that all the recipients want the same type of data Ex. Digital TV, Digital Radio, Video Conference Consume much more bandwidth than usual application Require high QoS support Belong to one-to-many

4、communication style第5頁/共61頁 Enhanced Efficiency Optimized Performance Distributed ApplicationsExample: Audio StreamingAll clients listening to the same 8-Kbps audio00.20.40.60.8TrafficMbps120406080100Number of ClientsMulticastUnicastMulticast Advantages第6頁/共61頁組播應用 一對多 定時的媒體播放，“推送”服務（股票價格，天氣預報）； 多對多

5、 網(wǎng)絡游戲，視頻會議 有反饋的多對一 資源發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)收集第7頁/共61頁IP Multicast ApplicationsCorporate BroadcastsDistance LearningTrainingVideo ConferencingWhiteboard/CollaborationMulticast File TransferData and File ReplicationReal-Time Data DeliveryFinancialVideo-On-DemandLive TV and Radio Broadcast to the Desktop第8頁/共61頁組播通信的幾個

6、問題 如何標識組播通信的接收方？ 如何確定和維護組成員關系？ 如何為發(fā)送給這些接收者的數(shù)據(jù)報尋址？IP組播編址機制組播編址機制組成員關系協(xié)議組成員關系協(xié)議組播路由協(xié)議組播路由協(xié)議組播體系結(jié)構組播體系結(jié)構第9頁/共61頁組播組和組播地址 IP組播地址由D類IP地址標記。 地址的最高四位為“1110”； 范圍224.0.0.0239.255.255.255。 D類IP地址又進行了劃分。224.0.0.255238.255.255.255239.255.255.255224.0.0.0本地管理組播地址用戶組播地址保留組播地址第10頁/共61頁組播組和組播地址 從224.0.0.0至224.0.0.2

7、55的地址被IANA保留為網(wǎng)絡協(xié)議使用，作為永久組的地址，其中比較重要的地址有： 224.0.0.1 網(wǎng)段上所有支持組播的主機 224.0.0.2 網(wǎng)段上所有支持組播的路由器 224.0.0.4 所有DVMRP路由器 224.0.0.5 所有OSPF路由器 224.0.0.6 指定的OSPF路由器 224.0.0.9 所有RIP2路由器 224.0.0.10 所有IGRP路由器 224.0.0.13 所有PIM路由器第11頁/共61頁D類IP地址與以太網(wǎng)多播地址的映射關系 0000000000000001010111100111008162431D 類類 IP 地址地址這 5 位不使用48 位

8、以太網(wǎng)地址0 1 0 0 5 E表示多播最低 23 位來自 D 類 IP 地址第12頁/共61頁組播協(xié)議 組成員關系協(xié)議 主機-路由器之間； 主要有IGMP，它負責建立并維護路由器直聯(lián)網(wǎng)段的組成員關系信息。 組播路由協(xié)議 路由器-路由器之間； 根據(jù)IGMP維護的這些組播組成員關系信息，運用一定的組播路由算法構造組播分布樹進行組播分組轉(zhuǎn)發(fā)，主要包括DVMRP、MOSPF、CBT、PIM-DM、PIM-SM等。第13頁/共61頁Internet組管理協(xié)議(IGMP) 目前已使用的有3個版本：IGMPv1，v2和v3。 它用于將局域網(wǎng)內(nèi)主機的組成員關系報告給本網(wǎng)段內(nèi)的組播路由器。第14頁/共61頁I

9、nternet組管理協(xié)議(IGMP) IGMP只工作在本地范圍。128.56.24.34135.27.74.52130.12.14.56130.12.14.43組播組226.15.37.123IGMPIGMPIGMPIGMPR1R4R3R2第15頁/共61頁Internet組管理協(xié)議(IGMP)第16頁/共61頁IGMP工作的兩個階段(1) 當某個主機加入新的組播組時，該主機應向組播組的組播路由器發(fā)送IGMP 報文，聲明自己要成為該組的成員。 本地的組播路由器收到 IGMP 報文后，將組成員關系轉(zhuǎn)發(fā)給因特網(wǎng)上的其他組播路由器。第17頁/共61頁IGMP工作的兩個階段(2) 因為組成員關系是動態(tài)

10、的，因此本地組播路由器要周期性地探詢本網(wǎng)上的主機，以便知道這些主機是否還繼續(xù)是組成員。 只要對某個組有一個主機響應，那么組播路由器就認為這個組是活躍的。 但一個組在經(jīng)過幾次的探詢后仍然沒有一個主機響應，則不再將該組的成員關系轉(zhuǎn)發(fā)給其他的組播路由器。第18頁/共61頁IGMP報文格式與類型 報文格式v報文類型：查詢，成員報告，退出報告。第19頁/共61頁IGMP報文的封裝 IGMP報文封裝在IP數(shù)據(jù)報中發(fā)送。 IP報頭： 協(xié)議字段值=2 TTL=1（因為IGMP只在本地工作） 目的IP地址：第20頁/共61頁H2 Joining member sends report to 224.1.1.1

11、immediately upon joining (same as IGMPv1)H2224.1.1.1Report1.1.1.1H1H31.1.1.101.1.1.111.1.1.12rtr-aIGMPv2Joining a Group第21頁/共61頁 Router sends periodic queries One member per group per subnet reports Other members suppress reportsQuery1.1.1.1IGMPv21.1.1.101.1.1.111.1.1.12224.1.1.1Report224.1.1.1Suppr

12、essedX224.1.1.1SuppressedXH1H2H3IGMPv2Maintaining a Group第22頁/共61頁IGMPv21.1.1.11.1.1.2H1H2H31.1.1.101.1.1.111.1.1.12Initially, all routers send out a queryQueryQueryRouter with the lowest IP address is elected querierIGMPQuerierOther routers become non-queriersIGMPNon-Querierrtr-artr-bIGMPv2Querier

13、Election第23頁/共61頁H2 leaves group; sends Leave messageLeave to224.0.0.2224.1.1.1Router sends Group-Specific QueryGroup-SpecificQuery to 224.1.1.1A remaining member host sends reportReport to224.1.1.1224.1.1.1Group remains activeH11.1.1.101.1.1.1rtr-aH31.1.1.121.1.1.11H2H2IGMPv2Leaving a Group第24頁/共61

14、頁Last host leaves group; sends Leave messageLeave to224.0.0.2224.1.1.1Router sends Group-Specific QueryGroup-SpecificQuery to 224.1.1.1No report is receivedGroup times outH21.1.1.1rtr-aH11.1.1.101.1.1.121.1.1.11H3H3IGMPv2Leaving a Group第25頁/共61頁組播與單播在選路的不同 組播轉(zhuǎn)發(fā)必須動態(tài)地適應組播組成員的變化（這時網(wǎng)絡拓撲并未發(fā)生變化）。請注意，單播路由選

15、擇通常是在網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化時才需要更新路由。 組播數(shù)據(jù)報可以由沒有加入組播組的主機發(fā)出，也可以通過沒有組成員接入的網(wǎng)絡。 組播路由器在轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)報時，不能僅僅根據(jù)組播數(shù)據(jù)報中的目的地址。在轉(zhuǎn)發(fā)時，組播路由器使用數(shù)據(jù)報的源地址和目在轉(zhuǎn)發(fā)時，組播路由器使用數(shù)據(jù)報的源地址和目的地址的地址第26頁/共61頁Multicast Forwarding Multicast routing works the opposite way of unicast routing Unicast routing is concerned with where the packet is going Multicas

16、t routing is concerned with where the packet comes from Multicast routing uses Reverse Path Forwarding(反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)) to prevent forwarding loops第27頁/共61頁Reverse Path Forwarding (RPF) What is RPF? A router forwards a multicast datagram only if received on the upstream interface to the source, i.e. it follo

17、ws the distribution tree The RPF Check The routing table for unicast is checked against the source address in the multicast datagram If the datagram arrived on the interface specified in the routing table for the source address: The RPF check succeeds Otherwise, the RPF check fails第28頁/共61頁Reverse P

18、ath Forwarding (cont.) Reverse Path Forwarding (RPF) check: If the RPF check succeeds, the datagram is forwarded If the RPF check fails, the datagram is typically silently discarded When a datagram is forwarded, it is sent out of each interface in the outgoing interface list The packet is never sent

19、 back out of the RPF interface第29頁/共61頁RPF CheckingSource151.10.3.21Multicast Distribution TreeExample: RPF CheckingMulticast PacketsRPF Checks fail Packets arrived on wrong interface.第30頁/共61頁RPF Check SucceedsRPF Check Succeeds! Unicast Route TableNetwork Interface151.10.0.0/16S1198.14.32.0/24S020

20、4.1.16.0/24E0E0S1S0S2Multicast packet fromsource 151.10.3.21Packet arrived on right interface!S1Forward out of all outgoing interfaces.(i. e. down the distribution tree)RPF Check (cont.)第31頁/共61頁RPF Check Fails!RPF Check FailsPacket arrived on wrong interface!E0S1S0S2Multicast acket fromsource 151.1

21、0.3.21XDiscard packet! Unicast Route TableNetwork Interface151.10.0.0/16S1198.14.32.0/24S0204.1.16.0/24E0S1RPF Check第32頁/共61頁RPF Interface Reverse Path Forwarding (RPF) check is done with respect（關于） to the RPF interface The interface that is closest to the source Determined from any unicast or dedi

22、cated（專用） multicast table (DVMRP, MBGP) Periodic（周期性） recheck of the RPF interface第33頁/共61頁組播路由協(xié)議 組播路由協(xié)議負責構建組播分組的傳輸路徑。 組播分布樹（Distribution Tree） 在傳輸組播分組時，指派路由器構造一個連接所有組播組成員的樹。 根據(jù)這個樹，路由器得出轉(zhuǎn)發(fā)分組的一條唯一路徑。 由于組播組成員可以動態(tài)地加入和退出，因此組播分布樹也必須動態(tài)更新。 第34頁/共61頁組播路由協(xié)議 根據(jù)構造方法的不同，有兩種最基本的組播分布樹：源分布樹和共享分布樹。 源分布樹（Source Dist

23、ribution Tree） 以組播源為根節(jié)點構造到所有組播組成員路徑都最短的生成樹。也稱為最短路徑樹（Shortest Path Tree，SPT）。第35頁/共61頁Shortest-Path or Source Distribution TreeReceiver 1BEADFSource 1Notation: (S, G) S = Source G = GroupCReceiver 2Source 2Shortest-Path Trees第36頁/共61頁Shortest-Path or Source Distribution TreeReceiver 1BEADFSource 1Not

24、ation: (S, G) S = Source G = GroupCReceiver 2Source 2The Tree is per SOURCEShortest-Path Trees第37頁/共61頁Shortest-Path Trees 在每一個組播組內(nèi)，每個源節(jié)點建立一棵到所有其它成員的最短路徑樹，即源節(jié)點和組的每一種組合構成一棵樹。 每一個路由器必須有關于每一個特定樹的信息，路由器根據(jù)組播分組的源地址及組地址確定使用哪棵多播樹轉(zhuǎn)發(fā)。 優(yōu)點：多播分組總是使用最佳路徑轉(zhuǎn)發(fā)。 缺點：路由器需要維護大量的多播樹。第38頁/共61頁Shared Distribution Tree 共享分布樹

25、（Shared Distribution Tree） 以網(wǎng)絡中的某一個指定的路由器為根節(jié)點，該路由器稱為匯聚點（Rendezvous Point，RP）或核心，由此節(jié)點生成包含所有組成員的組播樹。 也稱為RP樹（RPT）或基于核心的樹（Core-Based Tree，CBT）。第39頁/共61頁Shared Distribution TreeReceiver 1BEADFNotation: (*, G) * = All Sources G = GroupCReceiver 2(RP)(RP) PIM Rendezvous PointShared TreeShared Distribution

26、Tree第40頁/共61頁Shared Distribution TreeReceiver 1BEADFNotation: (*, G) * = All Sources G = GroupSource 1CReceiver 2Source 2Source Tree(RP)(RP) PIM Rendezvous PointShared TreeShared Distribution Tree第41頁/共61頁Shared Distribution Tree 每個組播組使用一棵以核心路由器為根的組播樹。 優(yōu)點：路由器對于每個組只要維護一棵組播樹，內(nèi)存消耗減少。 缺點：組播分組使用的轉(zhuǎn)發(fā)路徑可能不是

27、最佳的，這是組共享樹為實現(xiàn)可擴展性而付出的性能代價。第42頁/共61頁組播路由協(xié)議 組播路由協(xié)議的主要任務就是構造組播的分布樹，使組播分組能夠傳送到相應的組播組成員。 根據(jù)對網(wǎng)絡中的組播成員的分布和使用的不同，組播路由協(xié)議分為兩類： 密集模式路由協(xié)議（DM） 稀疏模式路由協(xié)議（SM）。第43頁/共61頁DM路由協(xié)議 DM路由協(xié)議通常用于組播組成員（接收者）密集地分布且有足夠帶寬的網(wǎng)絡環(huán)境。 DM路由協(xié)議采用一種定期廣播組播組的擴散-剪枝技術來維護組播分布樹，它只使用源分布樹（SPT）。 DM路由協(xié)議有： DVMRP（Distance Vector Multicast Routing Proto

28、col，距離向量組播路由協(xié)議） MOSPF（Multicast Open Shortest Path First，組播OSPF協(xié)議） PIM-DM（Protocol Independent Multicast-Dense Mode，協(xié)議無關組播協(xié)議-密集模式）第44頁/共61頁PIM - Dense Mode (PIM-DM) Protocol independent supports all underlying（已有） unicast routing protocols: static, RIP, IGRP, EIGRP, IS-IS, OSPF, and BGP Uses flood a

29、nd prune mechanism Floods network and prunes back based on multicast group membership Assert mechanism used to prune off redundant flows on multiaccess networks Appropriate for smaller implementations and pilot networks（適用于小規(guī)模實驗型網(wǎng)絡）第45頁/共61頁Initial FloodingSourceReceiverMulticast Packets(S, G) state

30、 created inevery router in the network!PIM-DM Flood and Prune第46頁/共61頁Pruning Unwanted TrafficSourceReceiverMulticast PacketsPrune MessagesPIM-DM Flood and Prune (cont.)第47頁/共61頁SourceResults after PruningReceiverMulticast PacketsFlood and Prune processrepeats every three minutes!(S, G) state still

31、exists inevery router in the network!PIM-DM Flood and Prune (cont.)第48頁/共61頁SM路由協(xié)議 在網(wǎng)絡中稀疏分布組播組成員、網(wǎng)絡也沒有充足帶寬的情況（如廣域網(wǎng)環(huán)境）下可以使用SM路由協(xié)議。 SM路由協(xié)議采用選擇性的建立和維護分布樹的方式，由空樹開始，僅當成員顯式的請求加入分布樹才做出修改。 SM路由協(xié)議有： CBT：基于核心的分布樹協(xié)議 PIM-SM（Protocol Independent Multicast-Sparse Mode，協(xié)議無關組播協(xié)議-稀疏模式）第49頁/共61頁ReceiverRP(*, G) JoinS

32、hared Tree(*, G) State created onlyalong the Shared Tree.PIM-SM Shared Tree Join第50頁/共61頁ReceiverRP(S, G) JoinSourceShared Tree(S, G) Register(unicast)Source Tree(S, G) State created onlyalong the Source Tree.Traffic FlowPIM-SM Sender Registration第51頁/共61頁ReceiverRPSourceShared TreeSource TreeRP sen

33、ds a Register-Stop back to the first-hop router to stop the Register process.(S, G) Register-Stop(unicast)Traffic Flow(S, G) Register(unicast)(S, G) traffic begins arriving at the RP via the Source tree.PIM-SM Sender Registration (cont.)第52頁/共61頁ReceiverRPSourceShared TreeSource TreeTraffic FlowSource traffic flows nativelyalong SPT to RP.From RP, traffic flows downthe Shared Tree to Receivers.PIM-SM Sender Registration (cont.)第53頁/共61頁ReceiverRP(S, G) JoinSourceSource TreeShared TreeLast-