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)絡上實現(xiàn)的多播，如以太網(wǎng)多播 邏輯網(wǎng)絡上實現(xiàn)的多播，如IP多播6.1.1 以太網(wǎng)多播n硬件多播允許每個站點選擇是否參與多播n硬件技術保留了較大數(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，可以實現(xiàn)同時與一組站點的通信，但有一個限制條件，就是這一組站點只能在同一個物理網(wǎng)絡（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。 多個單播n源站發(fā)出多個IP分組，如有100個目的站，源站便發(fā)出100個不同的IP分組，每個IP分組有不同的單播地址（目的地址）。IP多播優(yōu)勢1）多播比多個單播更加有效，多播所需的帶寬小于多個單播，節(jié)省了網(wǎng)絡傳輸帶寬2）多播比多個單播具有更小的分組時

3、延，群組成員越多，優(yōu)勢越明顯。IP多播地址n兩類：永久分配和可臨時實用的永久分配地址：熟知的，用于互聯(lián)網(wǎng)上的主要服務以及基礎結構維護（如多播路由協(xié)議）臨時多播地址：對應于臨時的群組，需要時則創(chuàng)建，群組成員為零時則丟棄。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：沒有對應于互聯(lián)網(wǎng)中所有主機和路由器的IP多播地址IP多播特征 n 6.1.3 使用以太網(wǎng)多播實現(xiàn)IP多播nIP分組傳送到以太網(wǎng)時，用硬件進行多播，交付給該組的成員n以太網(wǎng)規(guī)定前25bit標識一個多播地址，剩下的23bit用來定義一個群組6.1.3 使用以太網(wǎng)多播實現(xiàn)IP多播以太網(wǎng)地址28比特群組標識群組標識中的低23比特復制到以太網(wǎng)群組中48比特以太網(wǎng)地址群組標識中的低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)多播實現(xiàn)IP多播nD類地址中的5bit未被使用n此時，映射是多對一的，32個IP多播地址映射為單個以太網(wǎng)多播地址n加入檢

5、查機制，去掉不是本站點的分組。注：多數(shù)廣域網(wǎng)不支持物理多播編址，使用隧道技術，多播分組被封裝成單播分組并發(fā)送到網(wǎng)絡，到另一端再把這個分組轉變成多播分組6.2 Internet組管理協(xié)議(IGMP)nIGMP工作原理 nIGMP報文 6.2.1 IGMP工作原理n多播路由器負責把多播分組分發(fā)給一個群組中的各個成員。n如果有多個多播路由器連接在同一個物理網(wǎng)絡上，它們的多播地址表一定是互斥的。n一個多播群組只能屬于一個多播路由器。 加入一個群組1）當站點中的一個進程P（對應一個應用程序）要加入到一個群組MG時，它就向存儲著包含群組MG的多播地址表的站點發(fā)出申請2）站點檢查它的群組成員關系表，成員關系

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

7、刪除群組1）當站點發(fā)現(xiàn)在一個群組MG中已經(jīng)沒有進程時，就發(fā)送退出群組MG報告，多播路由器收到該報告。2）多播路由器收到退出群組報告時，并不立即刪除這個群組MG，而是發(fā)送針對MG的查詢報文，因為這個退出群組報告僅僅是從一個站點發(fā)送來的，可能還有其他站點仍然需要這個群組3）若在指定時間內沒有收到站點對該群組的成員關系報告，就意味著在本網(wǎng)絡上沒有這個群組MG的成員，刪除這個群組，否則，執(zhí)行步驟44）不刪除這個群組MG刪除群組的流程 否是在指定時間內收到應答？多播路由器發(fā)送針對MG的查詢報告 收到站點退出群組MG的報告 刪除群組MG 不刪除群組MG監(jiān)視群組成員關系（出錯）問：若一個群組中僅有一個成員（

8、主機），因異常而關閉，未發(fā)送退出群組報告，出現(xiàn)什么樣情況？監(jiān)視群組成員關系1）多播路由器負責監(jiān)視在本網(wǎng)絡上的所有站點，以便知道它們與一個群組的成員關系2）網(wǎng)絡上的多播路由器周期性地（默認時間間隔是125s）發(fā)送一般查詢報文，針對某個站點的所有群組。3）多播路由器期望得到每一個群組的回答，其最長響應時間設置為10s。站點收到多播路由器發(fā)送的一般查詢報文后的處理流程 1）站點收到多播路由器發(fā)送的一般查詢報文，假定群組為MG2）站點查看群組成員關系表，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）啟動隨機數(shù)計時器，并監(jiān)聽是否有其他站點對群組MG的成員關系報告，注意，對群組成員關系表中

9、的每一個群組設置計時器。4）若計時器到時間，仍沒有收到其他站點對群組MG的成員關系報告，則本站點發(fā)送群組的成員關系報告；否則，本站點不發(fā)送對群組MG的成員關系報告站點收到多播路由器發(fā)送的一般查詢報文后的處理流程 無有無是否有站點接收多播路由器發(fā)送的一般查詢報告(群組MG)站點中有群組MG？啟動隨機數(shù)計時器計時器計時時間到？監(jiān)聽其它站點對群組MG的報告群組MG成員關系報告？站點發(fā)送群組MG的成員關系報告結束查詢報文特點1）當站點收到多播路由器發(fā)出的一般查詢報文時，它不是立即響應（發(fā)送群組成員關系報告），采用延遲響應。若多個站點包含同一個群組，只有一個站點發(fā)送響應，其他站點進行監(jiān)聽。2）IGMP為

10、每一個網(wǎng)絡指定一個路由器作為查詢路由器。只有這個路由器才能發(fā)送查詢報文，而其他的路由器都是被動的，它們只能接收響應和更新它們的成員關系表。6.2.2 IGMP報文IGMP有3種類型的報文：1）查詢報告報文 （1）一般查詢 （2）特定查詢2）群組成員關系報告報文3）退出群組報告報文6.2.2 IGMPv2報文311680類型最長響應時間校驗和群組地址類型：8bit，定義報文類型，如：0 x11 群組地址（未用），對應一般群組關系查詢 （使用）對應特定群組關系查詢最長響應時間：8bit，定義了查詢必須在多長時間內回答。單位為十分之一秒。在查詢報文中不為0，其他兩種報文中此字段值為0。校驗和：16b

11、it，在8B的報文上計算得出。群組地址：一般查詢報告報文中，這個字段值為0；特定查詢報告報文、群組成員關系報告報文以及退出報告報文中，此字段定義群組地址（多播地址）。IP數(shù)據(jù)報封裝IGMP在封裝IGMP報文的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報文不能夠發(fā)送到本網(wǎng)絡以外。類型目的IP地址作用查詢報告報文224.0.0.1本子網(wǎng)的所有主機和路由器接收這個報文群組成員關系報告報文群組的多播地址本群組中的所有主機和路由器接收這個報文退出報告報文224.0.0.2本子網(wǎng)上的所有路由器接收這個報文6.3 多播路由選擇n多播路由特性 n多播路由實現(xiàn)目標 n多播轉發(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 多播路由應具有哪些特性？6.3.1 多播路由特性n動態(tài)路由要求。在單播路由中只有當網(wǎng)絡拓撲結構改變或設備出故障時才會發(fā)生路由改變，多播路由中應用程序加入或退出一個群組就會發(fā)生多播路由的變化。n多播轉發(fā)需要路由器檢查多個目的地址。n多播分組可以從非群組成員的主機上發(fā)起，并且可以通過任何沒有群組成員的網(wǎng)絡。6.3.2 多播路由實現(xiàn)目標n群組的每一個成員僅能收到一個多播分組的副本，不允許收到多個副本。n非群組成員不能收到副本。n路由選擇中沒有回路。n從源站到每一個目的站的路徑必須是最佳的。6.3.3 多播轉發(fā)樹n實現(xiàn)

13、如上所提多播路由目標n多播轉發(fā)分組時，多播路由協(xié)議使用了兩種類型的多播轉發(fā)樹：源站基準樹和群組共享樹。 源站基準樹 n源站和群組的每一種組合構成一棵樹。n從源站到達群組的所有成員的一系列通過多播路由器的路徑，稱為源站基準樹。n如果網(wǎng)絡中有n個不同的群組和m個不同的源站，那么就有n*m棵不同的樹n多播路由表中的每個表項由一個序偶進行標識，為了節(jié)省空間，路由協(xié)議使用網(wǎng)絡號作為源站。 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)絡數(shù)和群組數(shù)的乘積。源站基準樹 n使用源站基準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)議無關多播-密集方式(Protocol-Independent Multicast-Dense Mode，簡稱PIM-DM) 。 群組共享樹 n每一個群組共享同樣的樹。如果在整個網(wǎng)絡中有N個群組，那么就有N棵樹，每一棵樹對應于一個群組。 對于同一群組，不管源站是否改變，對應的樹不變。群組共享樹 n為每一個群組創(chuàng)建一棵樹，并且選擇一個路由器作為這個群組的匯集點（或稱為核心）作為樹的根，這樣的群組共享樹稱為匯集點樹。 核心基干

15、樹（CBT）和協(xié)議無關多播-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多播擴展(MOSPF) n核心基干樹(CBT) n協(xié)議無關多播(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系和路由信息。當路由器收到發(fā)往一個群組的分組時，通過源站基準樹中各分枝的網(wǎng)絡鏈路發(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)絡發(fā)送第一個分組，確保所有組成員都收到第一個副本。2）每一個網(wǎng)絡的多播路由器使用IGMP維護本網(wǎng)絡的群組成員關系，一旦多播路由器發(fā)現(xiàn)（周期性廣播）對某個群組沒有興趣，就向上游路由器發(fā)送修剪報文，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)送了修剪報文，但通過IGMP又發(fā)現(xiàn)要加入某個群組，此時就發(fā)送移植報文，移植報文強迫上游路由器繼續(xù)在此接口發(fā)送多播分組。注：所有的DVMRP修剪報文都有一個字段定義修剪壽命，默認為2h，僅在修剪壽命內才發(fā)生修剪，之后，通信量自動恢復。OSPF多播擴展(MOSPF)nOSPF多播擴展(Multicast Extensions t

17、o OSPF，簡稱MOSPF) 使用多播鏈路狀態(tài)路由選擇創(chuàng)建源站基準樹。nMOSPF依賴于單播路由協(xié)議OSPF。 n每個MOSPF路由器都通過IGMP周期性地收集群組成員關系信息。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只能在一個區(qū)域內傳播信息，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)避免進行廣播，收到肯定信息后，才沿該路徑轉發(fā)分組。n當站點使用IGMP加入一個特定群組時，本地路由器在轉發(fā)多播分組之前必須通知其它路由器。CBT構建多播轉發(fā)樹時，為了能夠適應不同的網(wǎng)絡規(guī)模，CBT把互聯(lián)網(wǎng)劃分成區(qū)域，每個區(qū)域的大小由網(wǎng)絡管理員確定。n一個站點加入群組后，接收該站點請求的本地路由器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通過給每個區(qū)域加入一個核心路由器，區(qū)域中其他路由器通過給核心發(fā)送加入請求，動態(tài)地建立群組共享樹。協(xié)議無關多播(PIM) n協(xié)議無關多播(Protocol Independent Multicast，簡稱PIM)包括兩個獨立的多播路由選擇協(xié)議的名稱：協(xié)議無關多播-密集方式（Protocol Independent Multicast-Dense Mode，簡稱PIM-DM）和協(xié)議無關