組播原理介紹

1、1.1 IP組播概述當(dāng)信息（包括數(shù)據(jù)、語音和視頻）傳送的目的地是網(wǎng)絡(luò)中的少數(shù)用戶時，可以采用多種傳送方式?？梢圆捎脝尾ィ║nicast）方式，為每個用戶單獨(dú)建立一條數(shù)據(jù)傳送通路；或者采用廣播（Broadcast）方式，把信息傳送給網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶，使用這種方式時，不管用戶是否需要，他們都會接收到廣播來的信息。例如，在一個網(wǎng)絡(luò)上有200個用戶需要接收相同的信息時，傳統(tǒng)的解決方案是用單播方式把這一信息分別發(fā)送200次，以便確保需要數(shù)據(jù)的用戶能夠得到所需的數(shù)據(jù)；或者采用廣播的方式，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)傳送數(shù)據(jù)，需要這些數(shù)據(jù)的用戶可直接在網(wǎng)絡(luò)上獲取。這兩種方式都浪費(fèi)了大量寶貴的帶寬資源，而且廣播方式也不利

2、于信息的安全和保密。IP組播技術(shù)的出現(xiàn)及時解決了這個問題。組播源僅發(fā)送一次信息，組播路由協(xié)議為組播數(shù)據(jù)包建立樹型路由，被傳遞的信息在盡可能遠(yuǎn)的分叉路口才開始復(fù)制和分發(fā)（參見圖1-1），因此，信息能夠被準(zhǔn)確高效地傳送到每個需要它的用戶。圖1-1 單播與組播傳送消息的對比需要注意的是，組播源不一定屬于組播組，它向組播組發(fā)送數(shù)據(jù)，自己不一定是接收者?？梢酝瑫r有多個源向一個組播組發(fā)送報(bào)文。網(wǎng)絡(luò)中可能有不支持組播的路由器，組播路由器可以使用隧道方式將組播包封裝在單播IP包中傳送給相鄰的組播路由器，相鄰的組播路由器再將單播IP頭剝掉，然后繼續(xù)進(jìn)行組播傳輸。從而避免對網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的改動。組播的優(yōu)勢主要

3、在于：l 提高效率：降低網(wǎng)絡(luò)流量，減輕服務(wù)器和CPU負(fù)荷；l 優(yōu)化性能：減少冗余流量；l 分布式應(yīng)用：使多點(diǎn)應(yīng)用成為可能。1.2 組播地址1.2.1 IP組播地址組播報(bào)文的目的地址使用D類IP地址，范圍是到。D類地址不能出現(xiàn)在IP報(bào)文的源IP地址字段。單播數(shù)據(jù)傳輸過程中，一個數(shù)據(jù)包傳輸?shù)穆窂绞菑脑吹刂仿酚傻侥康牡刂?，利用“逐跳”（hop-by-hop）的原理在IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸。然而在IP組播環(huán)境中，數(shù)據(jù)包的目的地址不是一個，而是一組，形成組地址。所有的信息接收者都加入到一個組內(nèi)，并且一旦加入之后，流向組地址的數(shù)據(jù)立即開始向接收者傳輸，組中的所有成員都能接收到數(shù)據(jù)包。組播組中的成員是動態(tài)的，主機(jī)可

4、以在任何時刻加入和離開組播組。組播組可以是永久的也可以是臨時的。組播組地址中，有一部分由官方分配的，稱為永久組播組。永久組播組保持不變的是它的IP地址，組中的成員構(gòu)成可以發(fā)生變化。永久組播組中成員的數(shù)量都可以是任意的，甚至可以為零。那些沒有保留下來供永久組播組使用的IP組播地址，可以被臨時組播組利用。D類地址的范圍及含義見表1-1。表1-1 D類地址的范圍及含義D類地址范圍含義224.0.0.0224.0.0.255預(yù)留的組播地址（永久組地址），地址224.0.0.0保留不做分配，其它地址供路由協(xié)議使用224.0.1.0238.255.255.255用戶可用的組播地址（臨時組地址），全網(wǎng)范圍內(nèi)

5、有效239.0.0.0239.255.255.255本地管理組播地址，僅在特定的本地范圍內(nèi)有效常用的預(yù)留組播地址列表如下：表1-2 預(yù)留的組播地址列表D類地址范圍含義224.0.0.0基準(zhǔn)地址（保留）224.0.0.1所有主機(jī)的地址224.0.0.2所有組播路由器的地址224.0.0.3不分配224.0.0.4DVMRP路由器224.0.0.5OSPF路由器224.0.0.6OSPF DR224.0.0.7ST路由器224.0.0.8ST主機(jī)224.0.0.9RIP-2路由器224.0.0.11活動代理224.0.0.12DHCP服務(wù)器/中繼代理224.0.0.13所有PIM路由器224.0.

6、0.14RSVP封裝224.0.0.15所有CBT路由器224.0.0.16指定SBM224.0.0.17所有SBMS224.0.0.18VRRP1.2.2 以太網(wǎng)組播MAC地址以太網(wǎng)傳輸單播IP報(bào)文的時候，目的MAC地址使用的是接收者的MAC地址。但是在傳輸組播報(bào)文時，傳輸目的不再是一個具體的接收者，而是一個成員不確定的組，所以使用的是組播MAC地址。組播MAC地址是和組播IP地址對應(yīng)的。IANA（Internet Assigned Number Authority）規(guī)定，組播MAC地址的高24位為0x01005e，MAC地址的低23位為組播IP地址的低23位。圖1-3 組播IP地址與以太網(wǎng)

7、MAC地址的映射關(guān)系由于IP組播地址的后28位中只有23位被映射到MAC地址，這樣就會有32個IP組播地址映射到同一MAC地址上。1.3 IP組播協(xié)議組播涉及到的協(xié)議主要有組播組管理協(xié)議和組播路由協(xié)議。組播組管理協(xié)議目前使用的是作為IP組播基本信令協(xié)議的因特網(wǎng)組播管理協(xié)議（IGMP），它運(yùn)行在主機(jī)和路由器之間，作用是使路由器了解網(wǎng)段上有沒有組播組成員。組播路由協(xié)議運(yùn)行在組播路由器之間，作用是建立和維護(hù)組播路由，完成正確、高效地轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)包。目前使用的組播路由協(xié)議主要有PIM-SM、PIM-DM、MSDP等。而單播路由協(xié)議BGP經(jīng)過組播擴(kuò)展后也可以在域間傳遞組播路由信息。1.3.1 因特網(wǎng)組管

8、理協(xié)議因特網(wǎng)組管理協(xié)議IGMP是主機(jī)可以使用的唯一協(xié)議，它定義了主機(jī)與路由器之間組播成員關(guān)系的建立和維護(hù)機(jī)制，是整個IP組播的基礎(chǔ)。主機(jī)通過IGMP通知路由器有關(guān)組成員的信息，并使路由器能通過和自己直接相連的主機(jī)來了解組內(nèi)其他成員的情況。如果一個網(wǎng)絡(luò)中有一個用戶通過IGMP宣布加入某組播組，則網(wǎng)絡(luò)中的組播路由器就將發(fā)到該組播組的信息通過組播路由協(xié)議進(jìn)行傳播，最終將該網(wǎng)絡(luò)作為一個分枝加入組播樹。當(dāng)主機(jī)作為某個組的成員開始收到信息后，路由器就會周期性地對該組進(jìn)行查詢，檢查組內(nèi)的成員是否還參與其中，只要還有一個主機(jī)仍在參與，路由器就繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶退出該組播組后，相關(guān)的分枝就從組播樹

9、中刪掉。1.3.2 組播路由協(xié)議由于組播組地址是虛擬的，所以不可能如同單播那樣，直接從數(shù)據(jù)源一端路由到特定的目的地址。組播應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)包發(fā)送給一組希望接收數(shù)據(jù)的接收者（組播地址），而不是僅僅傳送給一個接收者（單播地址）。組播路由建立了一個從數(shù)據(jù)源端到多個接收端的無環(huán)數(shù)據(jù)傳輸路徑。組播路由協(xié)議的任務(wù)就是構(gòu)建分發(fā)樹結(jié)構(gòu)。組播路由器能采用多種方法來建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，即分發(fā)樹。與單播路由一樣，組播路由也分為域內(nèi)和域間兩大類。域內(nèi)組播路由目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，在眾多的域內(nèi)路由協(xié)議中，PIM-DM（協(xié)議獨(dú)立組播密集模式）和PIM-SM（協(xié)議獨(dú)立組播稀疏模式）是目前應(yīng)用最多的協(xié)議。域間路由的首要問題是路由信

10、息（或者說可達(dá)信息）如何在自治系統(tǒng)之間傳遞，由于不同的AS可能屬于不同的運(yùn)營商，因此除了距離信息外，域間路由信息必須包含運(yùn)營商的策略，這是與域內(nèi)路由信息的不同之處。1. 域內(nèi)組播路由協(xié)議l PIM-DM（Protocol-Independent Multicast Dense Mode）密集模式組播路由協(xié)議適用于小型網(wǎng)絡(luò)。它假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的每個子網(wǎng)都存在至少一個對組播源感興趣的接收站點(diǎn)。因此，組播數(shù)據(jù)包被擴(kuò)散到網(wǎng)絡(luò)中的所有點(diǎn)。與此伴隨著相關(guān)資源（帶寬和路由器的CPU等）的消耗。為了減少這些寶貴網(wǎng)絡(luò)資源的消耗，密集模式組播路由協(xié)議對沒有組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的分支進(jìn)行剪枝操作，只保留包含接收站點(diǎn)的分支。為了使

11、剪掉的分支中有組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)需求的接收站點(diǎn)可以接收組播數(shù)據(jù)流，剪掉的分支可以周期性地恢復(fù)成轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。為了減少等待剪枝分支恢復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的延時時間，密集模式組播路由協(xié)議使用嫁接機(jī)制主動恢復(fù)組播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。這種周期性的擴(kuò)散和剪枝現(xiàn)象是密集模式協(xié)議的特征。一般說來，密集模式下數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑是“有源樹”以“源”為根、組播組成員為枝葉的一棵樹。由于有源樹使用的是從組播源到接收者的最短路徑，因此也稱為最短路徑樹SPT（Shortest Path Tree）。l PIM-SM（Protocol-Independent Multicast Sparse Mode）密集模式采用的擴(kuò)散剪枝技術(shù)，在廣域網(wǎng)上是不可取的

12、。在廣域網(wǎng)上，組播接收成員相對稀疏，多采用稀疏模式。稀疏模式默認(rèn)所有主機(jī)都不需要接收組播包，只向明確指定需要組播包的主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。為了使接收站點(diǎn)能夠接收到特定組的組播數(shù)據(jù)流，連接這些站點(diǎn)的組播路由器必須向該組對應(yīng)的“匯聚點(diǎn)”RP（Rendezvous Point）（匯聚點(diǎn)需要在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建，是一些虛擬的數(shù)據(jù)交換地點(diǎn)）發(fā)送加入消息，加入消息經(jīng)過一個個路由器后到達(dá)根部，即匯聚點(diǎn)，所經(jīng)過的路徑就變成了共享樹的分支。稀疏模式協(xié)議先將組播報(bào)文發(fā)送到匯聚點(diǎn)，再沿以匯聚點(diǎn)為根的組員為枝葉的“共享樹”轉(zhuǎn)發(fā)。為了避免共享樹的分支由于不被更新而被刪除，稀疏模式組播路由協(xié)議通過向分支周期性地發(fā)送加入消息來維護(hù)組播分布樹。

13、發(fā)送端如果想要給特定的地址發(fā)送數(shù)據(jù)，首先要在匯聚點(diǎn)進(jìn)行注冊，之后把數(shù)據(jù)發(fā)向匯聚點(diǎn)。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)了匯聚點(diǎn)后，組播數(shù)據(jù)包被復(fù)制并沿著分發(fā)樹路徑把數(shù)據(jù)傳給接收者。復(fù)制僅僅發(fā)生在分發(fā)樹的分支處，這個過程能自動重復(fù)直到數(shù)據(jù)包最終到達(dá)目的地。2. 域間組播路由協(xié)議l MSDP（Multicast Source Discovery Protocol）對于ISP來說，不希望依靠競爭對手的RP轉(zhuǎn)發(fā)組播流量，但同時又要求無論信源的RP在哪里，都能從信源獲取信息發(fā)給自己內(nèi)部的成員。MSDP就是為了解決這個問題而提出的。MSDP（組播源發(fā)現(xiàn)協(xié)議）用于多個PIM-SM域互連。MSDP允許不同域的RP共享其組播源信息。MS

14、DP要求域內(nèi)組播路由協(xié)議必須是PIM-SM。l MBGP組播擴(kuò)展目前使用最多的域間單播路由協(xié)議是BGP-4。由于組播的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛦尾ネ負(fù)溆锌赡懿煌?，為了?shí)現(xiàn)域間組播路由信息的傳遞，必須對BGP-4進(jìn)行改造。為了構(gòu)造域間組播路由樹，除了要知道單播路由信息外，還要知道網(wǎng)絡(luò)中哪些部分是支持組播的，即組播的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r。在RFC2858中規(guī)定了對BGP進(jìn)行多協(xié)議擴(kuò)展的方法，擴(kuò)展后的BGP（MBGP，也寫作BGP-4+）不僅能攜帶IPv4單播路由信息，也能攜帶其它網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（如組播、IPv6等）的路由信息，攜帶組播路由信息只是其中一個擴(kuò)展功能。1.4 IP組播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)在組播模型中，源主機(jī)向IP數(shù)據(jù)包目

15、的地址字段內(nèi)的組播組地址所表示的主機(jī)組傳送信息。和單播模型不同的是，組播模型必須將組播數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到多個外部接口上以便能傳送到所有接收站點(diǎn)，因此組播轉(zhuǎn)發(fā)過程比單播轉(zhuǎn)發(fā)過程更加復(fù)雜。l RPF（Reverse Path Forwarding，逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)）為了保證組播信息包都是通過最短路徑到達(dá)路由器，組播必須依靠單播路由表或者單獨(dú)提供給組播使用的單播路由表（如MBGP組播路由表），對組播信息包的接收接口進(jìn)行一定的檢查，這種檢查機(jī)制就是大部分組播路由協(xié)議進(jìn)行組播轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)RPF（Reverse Path Forwarding，逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)）檢查。組播路由器利用到達(dá)的組播數(shù)據(jù)包的源地址來查詢單播路由表

16、或者獨(dú)立的組播路由表，以確定此數(shù)據(jù)包到達(dá)的入接口處于接收站點(diǎn)至源地址的最短路徑上。如果使用的是有源樹，這個源地址就是發(fā)送組播數(shù)據(jù)包的源主機(jī)的地址；如果使用的是共享樹，該源地址就是共享樹的根的地址。當(dāng)組播數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器時，如果RPF檢查通過，數(shù)據(jù)包則按照組播轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，否則，數(shù)據(jù)包被丟棄。l 組播策略路由組播策略路由是對組播通常按照路由表進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能的一種補(bǔ)充和增強(qiáng)，它依照用戶指定的具體策略來轉(zhuǎn)發(fā)組播報(bào)文。組播策略路由通過配置Route-policy來實(shí)現(xiàn)，它是單播策略路由的一種擴(kuò)展，由用戶輸入的一組IF-MATCH-APPLY語句來描述。IF-MATCH子句定義匹配準(zhǔn)則，也就是通過當(dāng)前Route-policy規(guī)定所需滿足的過濾條件，它規(guī)定當(dāng)組播報(bào)文滿足用戶設(shè)置的匹配條件時，不再按照通常的流程來轉(zhuǎn)發(fā)，而是按照用戶設(shè)置的動作（由APPLY語句描述）進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。有關(guān)組播策略路由的具體配置請參見本手冊的“網(wǎng)絡(luò)協(xié)議