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1、1.1 IP 组播概述当信息（包括数据、语音和视频）传送的目的地是网络中的少数用户时， 可以采用多种传送方式。可以采用单播（Uni cast）方式，为每个用户单 独建立一条数据传送通路；或者采用广播（Broadcast）方式，把信息传 送给网络中的所有用户，使用这种方式时，不管用户是否需要，他们都 会接收到广播来的信息。例如，在一个网络上有200 个用户需要接收相 同的信息时，传统的解决方案是用单播方式把这一信息分别发送200 次， 以便确保需要数据的用户能够得到所需的数据；或者采用广播的方式， 在整个网络范围内传送数据，需要这些数据的用户可直接在网络上获取 这两种方式都浪费了大量宝贵的带宽资
2、源，而且广播方式也不利于信息 的安全和保密。IP 组播技术的出现及时解决了这个问题。组播源仅发送一次信息，组播 路由协议为组播数据包建立树型路由，被传递的信息在尽可能远的分叉 路口才开始复制和分发（参见图1-1），因此，信息能够被准确高效地传 送到每个需要它的用户。图1-1 单播与组播传送消息的对比需要注意的是，组播源不一定属于组播组，它向组播组发送数据，自己 不一定是接收者。可以同时有多个源向一个组播组发送报文。网络中可能有不支持组播的路由器，组播路由器可以使用隧道方式将组 播包封装在单播 IP 包中传送给相邻的组播路由器，相邻的组播路由器再 将单播 IP 头剥掉，然后继续进行组播传输。从而
3、避免对网络的结构进行 较大的改动。组播的优势主要在于：提高效率：降低网络流量，减轻服务器和 CPU 负荷； 优化性能：减少冗余流量； 分布式应用：使多点应用成为可能。1.2 组播地址1.2.1 IP 组播地址组播报文的目的地址使用 D 类 IP 地址，范围是 224.0.0.0 到 239.255.255.255。D类地址不能出现在IP报文的源IP地址字段单播数据传输过程中，一个数据包传输的路径是从源地址路由到目的地址，利用“逐跳”（hop-by-hop）的原理在IP网络中传输。然而在IP 组播环境中，数据包的目的地址不是一个，而是一组，形成组地址。所 有的信息接收者都加入到一个组内，并且一旦
4、加入之后，流向组地址的 数据立即开始向接收者传输，组中的所有成员都能接收到数据包。组播 组中的成员是动态的，主机可以在任何时刻加入和离开组播组。组播组可以是永久的也可以是临时的。组播组地址中，有一部分由官方 分配的，称为永久组播组。永久组播组保持不变的是它的 IP 地址，组中 的成员构成可以发生变化。永久组播组中成员的数量都可以是任意的， 甚至可以为零。那些没有保留下来供永久组播组使用的IP组播地址，可 以被临时组播组利用。D 类地址的范围及含义见表1-1。表1-1 D 类地址的范围及含义D类地址范围含义224.0.0.0224.0.0.255预留的组播地址（永久组地址），地址224.0.0.
5、0保留 不做分配，其它地址供路由协议使用224.0.1.0238.255.255.255用户可用的组播地址（临时组地址），全网范围内有效239.0.0.0239.255.255.255本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效常用的预留组播地址列表如下：表1-2 预留的组播地址列表D类地址范围含义224.0.0.0基准地址（保留）224.0.0.1所有主机的地址224.0.0.2所有组播路由器的地址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主机224.0.0.9RI
6、P-2路由器224.0.0.11活动代理224.0.0.12DHCP服务器/中继代理224.0.0.13所有PIM路由器224.0.0.14RSVP封装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以太网组播MAC地址以太网传输单播IP报文的时候，目的MAC地址使用的是接收者的MAC 地址。但是在传输组播报文时，传输目的不再是一个具体的接收者，而 是一个成员不确定的组，所以使用的是组播MAC地址。组播MAC地址 是和组播 IP 地址对应的。IANA(Internet Assigned Number Aut
7、hority) 规定，组播MAC地址的高24位为0x01005e, MAC地址的低23位为 组播IP地址的低23位。32位IP地址 1110XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX图1-2组播IP地址与以太网MAC地址的映射关系由于IP组播地址的后28位中只有23位被映射到MAC地址，这样就会 有32个IP组播地址映射到同一 MAC地址上。1.3 IP 组播协议组播涉及到的协议主要有组播组管理协议和组播路由协议。组播组管理协议目前使用的是作为 IP 组播基本信令协议的因特网组播管理协议(IGMP)，它运行在主机和路由器之间，作用是使路由器了解网段上有 没有组播组成员。组播路由协议运行在组播路由
8、器之间，作用是建立和 维护组播路由，完成正确、高效地转发组播数据包。目前使用的组播路 由协议主要有PIM-SM、PIM-DM、MSDP等。而单播路由协议BGP经 过组播扩展后也可以在域间传递组播路由信息。1.3.1 因特网组管理协议因特网组管理协议 IGMP 是主机可以使用的唯一协议，它定义了主机与 路由器之间组播成员关系的建立和维护机制，是整个IP组播的基础。主 机通过 IGMP 通知路由器有关组成员的信息，并使路由器能通过和自己 直接相连的主机来了解组内其他成员的情况。如果一个网络中有一个用 户通过 IGMP 宣布加入某组播组，则网络中的组播路由器就将发到该组 播组的信息通过组播路由协议进
9、行传播，最终将该网络作为一个分枝加 入组播树。当主机作为某个组的成员开始收到信息后，路由器就会周期 性地对该组进行查询，检查组内的成员是否还参与其中，只要还有一个 主机仍在参与，路由器就继续接收数据。当网络中的所有用户退出该组 播组后，相关的分枝就从组播树中删掉。1.3.2 组播路由协议由于组播组地址是虚拟的，所以不可能如同单播那样，直接从数据源一 端路由到特定的目的地址。组播应用程序将数据包发送给一组希望接收 数据的接收者（组播地址），而不是仅仅传送给一个接收者（单播地址）。 组播路由建立了一个从数据源端到多个接收端的无环数据传输路径。组 播路由协议的任务就是构建分发树结构。组播路由器能采用
10、多种方法来 建立数据传输的路径，即分发树。与单播路由一样，组播路由也分为域内和域间两大类。域内组播路由目 前已经相当成熟，在众多的域内路由协议中，PIM-DM （协议独立组播一 密集模式）和PIM-SM （协议独立组播一稀疏模式）是目前应用最多的协 议。域间路由的首要问题是路由信息（或者说可达信息）如何在自治系 统之间传递，由于不同的AS可能属于不同的运营商，因此除了距离信息 外，域间路由信息必须包含运营商的策略，这是与域内路由信息的不同 之处。1. 域内组播路由协议PIM-DM（Protocol-Independent Multicast Dense Mode）密集模式组播路由协议适用于小型
11、网络。它假设网络中的每个子网都存 在至少一个对组播源感兴趣的接收站点。因此，组播数据包被扩散到网 络中的所有点。与此伴随着相关资源（带宽和路由器的CPU等）的消耗。 为了减少这些宝贵网络资源的消耗，密集模式组播路由协议对没有组播 数据转发的分支进行剪枝操作，只保留包含接收站点的分支。为了使剪 掉的分支中有组播数据转发需求的接收站点可以接收组播数据流，剪掉 的分支可以周期性地恢复成转发状态。为了减少等待剪枝分支恢复转发 状态的延时时间，密集模式组播路由协议使用嫁接机制主动恢复组播报 文的转发。这种周期性的扩散和剪枝现象是密集模式协议的特征。一般 说来，密集模式下数据包的转发路径是“有源树”以“源
12、”为根、 组播组成员为枝叶的一棵树。由于有源树使用的是从组播源到接收者的 最短路径，因此也称为最短路径树SPT (Shortest Path Tree)。. PIM-SM (Protocol-Independent Multicast Sparse Mode)密集模式采用的扩散剪枝技术，在广域网上是不可取的。在广域网上 组播接收成员相对稀疏，多采用稀疏模式。稀疏模式默认所有主机都不 需要接收组播包，只向明确指定需要组播包的主机转发。为了使接收站 点能够接收到特定组的组播数据流，连接这些站点的组播路由器必须向 该组对应的“汇聚点” RP (RendezvousPoint)(汇聚点需要在网络中 构
13、建，是一些虚拟的数据交换地点)发送加入消息，加入消息经过一个 个路由器后到达根部，即汇聚点，所经过的路径就变成了共享树的分支 稀疏模式协议先将组播报文发送到汇聚点，再沿以汇聚点为根的组员为 枝叶的“共享树”转发。为了避免共享树的分支由于不被更新而被删除 稀疏模式组播路由协议通过向分支周期性地发送加入消息来维护组播分 布树。发送端如果想要给特定的地址发送数据，首先要在汇聚点进行注册，之 后把数据发向汇聚点。当数据到达了汇聚点后，组播数据包被复制并沿 着分发树路径把数据传给接收者。复制仅仅发生在分发树的分支处，这 个过程能自动重复直到数据包最终到达目的地。2. 域间组播路由协议. MSDP(Mul
14、ticast Source Discovery Protocol)对于 ISP 来说，不希望依靠竞争对手的 RP 转发组播流量，但同时又要 求无论信源的 RP 在哪里，都能从信源获取信息发给自己内部的成员。MSDP就是为了解决这个问题而提出的。MSDP (组播源发现协议)用 于多个 PIM-SM 域互连。 MSDP 允许不同域的 RP 共享其组播源信息。MSDP要求域内组播路由协议必须是PIM-SMo MBGP组播扩展目前使用最多的域间单播路由协议是BGP-4。由于组播的网络拓扑和单 播拓扑有可能不同，为了实现域间组播路由信息的传递，必须对BGP-4 进行改造。为了构造域间组播路由树，除了要知
15、道单播路由信息外，还 要知道网络中哪些部分是支持组播的，即组播的网络拓扑情况。在RFC2858中规定了对BGP进行多协议扩展的方法，扩展后的BGP (MBGP，也写作BGP-4+)不仅能携带IPv4单播路由信息，也能携带 其它网络层协议(如组播、IPv6等)的路由信息，携带组播路由信息只 是其中一个扩展功能。1.4 IP 组播报文的转发在组播模型中，源主机向IP数据包目的地址字段内的组播组地址所表示 的主机组传送信息。和单播模型不同的是，组播模型必须将组播数据包 转发到多个外部接口上以便能传送到所有接收站点，因此组播转发过程 比单播转发过程更加复杂。. RPF（Reverse Path Forwarding,逆向路径转发） 为了保证组播信息包都是通过最短路径到达路由器，组播必须依靠单播 路由表或者单独提供给组播使用的单播路由表（如MBGP组播路由表）， 对组播信息包的接收接口进行一定的检查，这种检查机制就是大部分组 播路由协议进行组播转发的基础PF（Reverse Path Forwarding，逆向路径转发）检查。组播路由器利用到达的组播数据包的源地址来查 询单播路由表或者独立的组播路由表，以确定此数据包到达的入接口处 于接收站点至源地址的最短路径上。如果使用的是有源树，这个源地址 就是发送组播数据包的源主机的地址；如果使
