第6章多播和Internet組管理協(xié)議

1、第6章 多播和Internet組管理協(xié)議IGMP 主要內(nèi)容n多播概念 nInternet組管理協(xié)議(IGMP) n多播路由選擇 6.1 多播概念n以太網(wǎng)多播 nIP多播 n使用以太網(wǎng)多播實(shí)現(xiàn)IP多播 6.1 多播概念n一對多的通信方式稱為多播。n可分為兩種： 物理網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的多播，如以太網(wǎng)多播 邏輯網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的多播，如IP多播6.1.1 以太網(wǎng)多播n硬件多播允許每個(gè)站點(diǎn)選擇是否參與多播n硬件技術(shù)保留了較大數(shù)目的用于多播的地址n以太網(wǎng)中，以太硬件地址的一半保留用于硬件多播，使用高位字節(jié)的最低位區(qū)別單播地址（置0）和多播地址（置1），如：01.5F.00.00.00.046.1.1 以太網(wǎng)多播n硬

2、件多播可以看作是廣播的更一般形式，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)與一組站點(diǎn)的通信，但有一個(gè)限制條件，就是這一組站點(diǎn)只能在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)段）上，路由器隔離了硬件多播和廣播。6.1.2 IP多播nIP多播允許一個(gè)源站與一組目的站的通信，這一組目的站稱為多播群組(multicast group)，或簡稱群組，在多個(gè)路由器之間傳送的是IP分組的副本，具有相同的多播地址。 多個(gè)單播n源站發(fā)出多個(gè)IP分組，如有100個(gè)目的站，源站便發(fā)出100個(gè)不同的IP分組，每個(gè)IP分組有不同的單播地址（目的地址）。IP多播優(yōu)勢1）多播比多個(gè)單播更加有效，多播所需的帶寬小于多個(gè)單播，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬2）多播比多個(gè)單播具有更小的分組時(shí)

3、延，群組成員越多，優(yōu)勢越明顯。IP多播地址n兩類：永久分配和可臨時(shí)實(shí)用的永久分配地址：熟知的，用于互聯(lián)網(wǎng)上的主要服務(wù)以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)維護(hù)（如多播路由協(xié)議）臨時(shí)多播地址：對應(yīng)于臨時(shí)的群組，需要時(shí)則創(chuàng)建，群組成員為零時(shí)則丟棄。均使用D類地址，前4位為1110永久分配的多播地址n224.0.0.0 基地址（保留未用）n224.0.0.1 本子網(wǎng)上的所有系統(tǒng)n224.0.0.2 本子網(wǎng)上的所有路由器n224.0.0.4 DVMRP路由器n224.0.0.5 OSPF IGP所有路由器n224.0.0.6 OSPF IGP指定的路由器注：224.0.0.1 224.0.0.2用于控制協(xié)議，不用于通常的分組交

4、付 PS：沒有對應(yīng)于互聯(lián)網(wǎng)中所有主機(jī)和路由器的IP多播地址IP多播特征 n 6.1.3 使用以太網(wǎng)多播實(shí)現(xiàn)IP多播nIP分組傳送到以太網(wǎng)時(shí)，用硬件進(jìn)行多播，交付給該組的成員n以太網(wǎng)規(guī)定前25bit標(biāo)識一個(gè)多播地址，剩下的23bit用來定義一個(gè)群組6.1.3 使用以太網(wǎng)多播實(shí)現(xiàn)IP多播以太網(wǎng)地址28比特群組標(biāo)識群組標(biāo)識中的低23比特復(fù)制到以太網(wǎng)群組中48比特以太網(wǎng)地址群組標(biāo)識中的低23比特群組(23比特)多播地址(25比特)5比特未使用0111D類IP地址6.1.3 使用以太網(wǎng)多播實(shí)現(xiàn)IP多播nD類地址中的5bit未被使用n此時(shí)，映射是多對一的，32個(gè)IP多播地址映射為單個(gè)以太網(wǎng)多播地址n加入檢

5、查機(jī)制，去掉不是本站點(diǎn)的分組。注：多數(shù)廣域網(wǎng)不支持物理多播編址，使用隧道技術(shù)，多播分組被封裝成單播分組并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，到另一端再把這個(gè)分組轉(zhuǎn)變成多播分組6.2 Internet組管理協(xié)議(IGMP)nIGMP工作原理 nIGMP報(bào)文 6.2.1 IGMP工作原理n多播路由器負(fù)責(zé)把多播分組分發(fā)給一個(gè)群組中的各個(gè)成員。n如果有多個(gè)多播路由器連接在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上，它們的多播地址表一定是互斥的。n一個(gè)多播群組只能屬于一個(gè)多播路由器。 加入一個(gè)群組1）當(dāng)站點(diǎn)中的一個(gè)進(jìn)程P（對應(yīng)一個(gè)應(yīng)用程序）要加入到一個(gè)群組MG時(shí)，它就向存儲(chǔ)著包含群組MG的多播地址表的站點(diǎn)發(fā)出申請2）站點(diǎn)檢查它的群組成員關(guān)系表，成員關(guān)系

6、表是包括表項(xiàng)的集合3）若申請的群組MG在群組成員關(guān)系中，則把進(jìn)程表項(xiàng)加入該群組成員關(guān)系表中，站點(diǎn)不再發(fā)送群組成員關(guān)系報(bào)告，否則執(zhí)行44）站點(diǎn)發(fā)送群組成員關(guān)系報(bào)告，通告站點(diǎn)新增加一個(gè)群組站點(diǎn)加入群組的流程 否是MG在成員關(guān)系表中？站點(diǎn)檢查群組MG的成員關(guān)系表進(jìn)程P申請加入群組MG站點(diǎn)發(fā)送群組成員關(guān)系報(bào)告加入站點(diǎn)的群組成員關(guān)系表多播路由器刪除一個(gè)群組MG的流程 否是在指定時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答？多播路由器發(fā)送MG的查詢報(bào)告收到站點(diǎn)退出群組MG的報(bào)告刪除群組MG不刪除群組MG站點(diǎn)加入群組的流程 IGMP使用IP封裝，丟包了？將群組成員關(guān)系報(bào)告連續(xù)發(fā)送兩次，即使第一個(gè)報(bào)告丟失或遭到破壞，也可以使用第二個(gè)報(bào)告。

7、刪除群組1）當(dāng)站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)在一個(gè)群組MG中已經(jīng)沒有進(jìn)程時(shí)，就發(fā)送退出群組MG報(bào)告，多播路由器收到該報(bào)告。2）多播路由器收到退出群組報(bào)告時(shí)，并不立即刪除這個(gè)群組MG，而是發(fā)送針對MG的查詢報(bào)文，因?yàn)檫@個(gè)退出群組報(bào)告僅僅是從一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送來的，可能還有其他站點(diǎn)仍然需要這個(gè)群組3）若在指定時(shí)間內(nèi)沒有收到站點(diǎn)對該群組的成員關(guān)系報(bào)告，就意味著在本網(wǎng)絡(luò)上沒有這個(gè)群組MG的成員，刪除這個(gè)群組，否則，執(zhí)行步驟44）不刪除這個(gè)群組MG刪除群組的流程 否是在指定時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答？多播路由器發(fā)送針對MG的查詢報(bào)告 收到站點(diǎn)退出群組MG的報(bào)告 刪除群組MG 不刪除群組MG監(jiān)視群組成員關(guān)系（出錯(cuò)）問：若一個(gè)群組中僅有一個(gè)成員（

8、主機(jī)），因異常而關(guān)閉，未發(fā)送退出群組報(bào)告，出現(xiàn)什么樣情況？監(jiān)視群組成員關(guān)系1）多播路由器負(fù)責(zé)監(jiān)視在本網(wǎng)絡(luò)上的所有站點(diǎn)，以便知道它們與一個(gè)群組的成員關(guān)系2）網(wǎng)絡(luò)上的多播路由器周期性地（默認(rèn)時(shí)間間隔是125s）發(fā)送一般查詢報(bào)文，針對某個(gè)站點(diǎn)的所有群組。3）多播路由器期望得到每一個(gè)群組的回答，其最長響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為10s。站點(diǎn)收到多播路由器發(fā)送的一般查詢報(bào)文后的處理流程 1）站點(diǎn)收到多播路由器發(fā)送的一般查詢報(bào)文，假定群組為MG2）站點(diǎn)查看群組成員關(guān)系表，判斷是否有群組MG；若有，則執(zhí)行步驟3；否則，不做任何處理3）啟動(dòng)隨機(jī)數(shù)計(jì)時(shí)器，并監(jiān)聽是否有其他站點(diǎn)對群組MG的成員關(guān)系報(bào)告，注意，對群組成員關(guān)系表中

9、的每一個(gè)群組設(shè)置計(jì)時(shí)器。4）若計(jì)時(shí)器到時(shí)間，仍沒有收到其他站點(diǎn)對群組MG的成員關(guān)系報(bào)告，則本站點(diǎn)發(fā)送群組的成員關(guān)系報(bào)告；否則，本站點(diǎn)不發(fā)送對群組MG的成員關(guān)系報(bào)告站點(diǎn)收到多播路由器發(fā)送的一般查詢報(bào)文后的處理流程 無有無是否有站點(diǎn)接收多播路由器發(fā)送的一般查詢報(bào)告(群組MG)站點(diǎn)中有群組MG？啟動(dòng)隨機(jī)數(shù)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間到？監(jiān)聽其它站點(diǎn)對群組MG的報(bào)告群組MG成員關(guān)系報(bào)告？站點(diǎn)發(fā)送群組MG的成員關(guān)系報(bào)告結(jié)束查詢報(bào)文特點(diǎn)1）當(dāng)站點(diǎn)收到多播路由器發(fā)出的一般查詢報(bào)文時(shí)，它不是立即響應(yīng)（發(fā)送群組成員關(guān)系報(bào)告），采用延遲響應(yīng)。若多個(gè)站點(diǎn)包含同一個(gè)群組，只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)，其他站點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)聽。2）IGMP為

10、每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)指定一個(gè)路由器作為查詢路由器。只有這個(gè)路由器才能發(fā)送查詢報(bào)文，而其他的路由器都是被動(dòng)的，它們只能接收響應(yīng)和更新它們的成員關(guān)系表。6.2.2 IGMP報(bào)文IGMP有3種類型的報(bào)文：1）查詢報(bào)告報(bào)文 （1）一般查詢 （2）特定查詢2）群組成員關(guān)系報(bào)告報(bào)文3）退出群組報(bào)告報(bào)文6.2.2 IGMPv2報(bào)文311680類型最長響應(yīng)時(shí)間校驗(yàn)和群組地址類型：8bit，定義報(bào)文類型，如：0 x11 群組地址（未用），對應(yīng)一般群組關(guān)系查詢 （使用）對應(yīng)特定群組關(guān)系查詢最長響應(yīng)時(shí)間：8bit，定義了查詢必須在多長時(shí)間內(nèi)回答。單位為十分之一秒。在查詢報(bào)文中不為0，其他兩種報(bào)文中此字段值為0。校驗(yàn)和：16b

11、it，在8B的報(bào)文上計(jì)算得出。群組地址：一般查詢報(bào)告報(bào)文中，這個(gè)字段值為0；特定查詢報(bào)告報(bào)文、群組成員關(guān)系報(bào)告報(bào)文以及退出報(bào)告報(bào)文中，此字段定義群組地址（多播地址）。IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝IGMP在封裝IGMP報(bào)文的IP分組首部中，協(xié)議字段值為2，TTL字段值為1，從而保證了IGMP報(bào)文不能夠發(fā)送到本網(wǎng)絡(luò)以外。類型目的IP地址作用查詢報(bào)告報(bào)文224.0.0.1本子網(wǎng)的所有主機(jī)和路由器接收這個(gè)報(bào)文群組成員關(guān)系報(bào)告報(bào)文群組的多播地址本群組中的所有主機(jī)和路由器接收這個(gè)報(bào)文退出報(bào)告報(bào)文224.0.0.2本子網(wǎng)上的所有路由器接收這個(gè)報(bào)文6.3 多播路由選擇n多播路由特性 n多播路由實(shí)現(xiàn)目標(biāo) n多播轉(zhuǎn)發(fā)樹 n多播

12、路由選擇協(xié)議 6.3.1 多播路由特性看圖6-7，思考： 多播路由與單播路由的區(qū)別 多播路由應(yīng)具有哪些特性？6.3.1 多播路由特性n動(dòng)態(tài)路由要求。在單播路由中只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變或設(shè)備出故障時(shí)才會(huì)發(fā)生路由改變，多播路由中應(yīng)用程序加入或退出一個(gè)群組就會(huì)發(fā)生多播路由的變化。n多播轉(zhuǎn)發(fā)需要路由器檢查多個(gè)目的地址。n多播分組可以從非群組成員的主機(jī)上發(fā)起，并且可以通過任何沒有群組成員的網(wǎng)絡(luò)。6.3.2 多播路由實(shí)現(xiàn)目標(biāo)n群組的每一個(gè)成員僅能收到一個(gè)多播分組的副本，不允許收到多個(gè)副本。n非群組成員不能收到副本。n路由選擇中沒有回路。n從源站到每一個(gè)目的站的路徑必須是最佳的。6.3.3 多播轉(zhuǎn)發(fā)樹n實(shí)現(xiàn)

13、如上所提多播路由目標(biāo)n多播轉(zhuǎn)發(fā)分組時(shí)，多播路由協(xié)議使用了兩種類型的多播轉(zhuǎn)發(fā)樹：源站基準(zhǔn)樹和群組共享樹。 源站基準(zhǔn)樹 n源站和群組的每一種組合構(gòu)成一棵樹。n從源站到達(dá)群組的所有成員的一系列通過多播路由器的路徑，稱為源站基準(zhǔn)樹。n如果網(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)不同的群組和m個(gè)不同的源站，那么就有n*m棵不同的樹n多播路由表中的每個(gè)表項(xiàng)由一個(gè)序偶進(jìn)行標(biāo)識，為了節(jié)省空間，路由協(xié)議使用網(wǎng)絡(luò)號作為源站。 注：單播路由表的大小與互聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)成正比，而多播路由表的大小正比于互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)數(shù)和群組數(shù)的乘積。源站基準(zhǔn)樹 n使用源站基準(zhǔn)樹的多播路由選擇協(xié)議有：距離向量多播路由協(xié)議(Distance Vector Multica

14、st Routing Protocol，簡稱DVMRP）、多播開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議（Multicast Open Shortest Path First，簡稱MOSPF）和協(xié)議無關(guān)多播-密集方式(Protocol-Independent Multicast-Dense Mode，簡稱PIM-DM) 。 群組共享樹 n每一個(gè)群組共享同樣的樹。如果在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)群組，那么就有N棵樹，每一棵樹對應(yīng)于一個(gè)群組。 對于同一群組，不管源站是否改變，對應(yīng)的樹不變。群組共享樹 n為每一個(gè)群組創(chuàng)建一棵樹，并且選擇一個(gè)路由器作為這個(gè)群組的匯集點(diǎn)（或稱為核心）作為樹的根，這樣的群組共享樹稱為匯集點(diǎn)樹。 核心基干

15、樹（CBT）和協(xié)議無關(guān)多播-稀疏方式（PIM-SM）使用此種樹。6.3.4 多播路由選擇協(xié)議n距離向量多播路由協(xié)議(DVMRP) nOSPF多播擴(kuò)展(MOSPF) n核心基干樹(CBT) n協(xié)議無關(guān)多播(PIM) 距離向量多播路由協(xié)議(DVMRP)n距離向量多播路由協(xié)議 (Distance Vector Multicasting Routing Protocol，簡稱DVMRP)是基于源站的路由選擇協(xié)議，允許多播路由器之間傳遞群組成員關(guān)系和路由信息。當(dāng)路由器收到發(fā)往一個(gè)群組的分組時(shí)，通過源站基準(zhǔn)樹中各分枝的網(wǎng)絡(luò)鏈路發(fā)送分組的副本。 反向路徑多播（RPM）工作的基本原理1）源站使用廣播方式向互聯(lián)

16、網(wǎng)中的所有網(wǎng)絡(luò)發(fā)送第一個(gè)分組，確保所有組成員都收到第一個(gè)副本。2）每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多播路由器使用IGMP維護(hù)本網(wǎng)絡(luò)的群組成員關(guān)系，一旦多播路由器發(fā)現(xiàn)（周期性廣播）對某個(gè)群組沒有興趣，就向上游路由器發(fā)送修剪報(bào)文，上游路由器停止在此接口上給該群組發(fā)送多播分組。3）如果某路由器已經(jīng)發(fā)送了修剪報(bào)文，但通過IGMP又發(fā)現(xiàn)要加入某個(gè)群組，此時(shí)就發(fā)送移植報(bào)文，移植報(bào)文強(qiáng)迫上游路由器繼續(xù)在此接口發(fā)送多播分組。注：所有的DVMRP修剪報(bào)文都有一個(gè)字段定義修剪壽命，默認(rèn)為2h，僅在修剪壽命內(nèi)才發(fā)生修剪，之后，通信量自動(dòng)恢復(fù)。OSPF多播擴(kuò)展(MOSPF)nOSPF多播擴(kuò)展(Multicast Extensions t

17、o OSPF，簡稱MOSPF) 使用多播鏈路狀態(tài)路由選擇創(chuàng)建源站基準(zhǔn)樹。nMOSPF依賴于單播路由協(xié)議OSPF。 n每個(gè)MOSPF路由器都通過IGMP周期性地收集群組成員關(guān)系信息。將這些信息發(fā)送到區(qū)域中的所有其他路由器，路由器根據(jù)從鄰站路由器接收到的信息更新鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。nMOSPF只能在一個(gè)區(qū)域內(nèi)傳播信息，因此，不同區(qū)域通信，需要區(qū)域間多播路由器（區(qū)域邊界路由器）核心基干樹(CBT)n核心基干樹 (Core Based Trees，簡稱CBT)避免進(jìn)行廣播，收到肯定信息后，才沿該路徑轉(zhuǎn)發(fā)分組。n當(dāng)站點(diǎn)使用IGMP加入一個(gè)特定群組時(shí)，本地路由器在轉(zhuǎn)發(fā)多播分組之前必須通知其它路由器。CBT構(gòu)建多播轉(zhuǎn)發(fā)樹時(shí)，為了能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，CBT把互聯(lián)網(wǎng)劃分成區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的大小由網(wǎng)絡(luò)管理員確定。n一個(gè)站點(diǎn)加入群組后，接收該站點(diǎn)請求的本地路由器L立即產(chǎn)生CBT加入請求，使用單播路由把該請求發(fā)送給核心。n通過給每個(gè)區(qū)域加入一個(gè)核心路由器，區(qū)域中其他路由器通過給核心發(fā)送加入請求，動(dòng)態(tài)地建立群組共享樹。協(xié)議無關(guān)多播(PIM) n協(xié)議無關(guān)多播(Protocol Independent Multicast，簡稱PIM)包括兩個(gè)獨(dú)立的多播路由選擇協(xié)議的名稱：協(xié)議無關(guān)多播-密集方式（Protocol Independent Multicast-Dense Mode，簡稱PIM-DM）和協(xié)議無關(guān)