IP組播路由協(xié)議詳細(xì)介紹

1、 IP組播路由協(xié)議詳細(xì)介紹 一、概述 1、 組播技術(shù)引入的必要性 隨著寬帶多媒體網(wǎng)絡(luò)的不斷開展，各種寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層出不窮。IP TV、視頻會(huì)議、數(shù)據(jù)和資料分發(fā)、網(wǎng)絡(luò)音頻應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用、多媒 體遠(yuǎn)程教育等寬帶應(yīng)用都對(duì)現(xiàn)有寬帶多媒體網(wǎng)絡(luò)的承載能力提出了挑 戰(zhàn)。采用單播技術(shù)構(gòu)建的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法滿足新興寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在帶 寬和網(wǎng)絡(luò)效勞質(zhì)景方面的要求，隨之而來(lái)的是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、數(shù)據(jù)喪失等等 問(wèn)題。此時(shí)通過(guò)引入IP組播技術(shù)，有助于解決以上問(wèn)題。組播網(wǎng)絡(luò)中， 即使組播用戶數(shù)最成倍增長(zhǎng)，骨干網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)帶寬也無(wú)需增加。簡(jiǎn)單來(lái) 說(shuō)，成百上千的組播應(yīng)用用戶和一個(gè)組播應(yīng)用用戶消耗的骨干網(wǎng)帶寬是 一樣的，從而最大限度的

2、解決目前寬帶應(yīng)用對(duì)帶寬和網(wǎng)絡(luò)效勞質(zhì)景的要 求。 2、 IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式 組播技術(shù)是IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸三種方式之一，在介紹IP組播技術(shù)之 前，先對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯尾ァ⒔M播和播送方式做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹： 單播Unicast 傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連 接。如果一臺(tái)發(fā)送者同時(shí)給多個(gè)的接收者傳輸相同的數(shù)據(jù)，也必須相 應(yīng)的復(fù)制多份的相同數(shù)據(jù)包。如果有大景主機(jī)希望獲得數(shù)據(jù)包的同一份 拷貝時(shí)， 將導(dǎo)致發(fā)送者負(fù)擔(dān)沉重、延遲長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)擁塞；為保證一定的 效勞質(zhì)景需增加硬件和帶寬 組播(Multicast )傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng) 絡(luò)連接。如果一臺(tái)發(fā)送者同時(shí)給多個(gè)的接收

3、者傳輸相同的數(shù)據(jù)，也只 需復(fù)制一份的相同數(shù)據(jù)包。它提高了數(shù)據(jù)傳送效率。減少了骨干網(wǎng)絡(luò)出 現(xiàn)擁塞的可能性。 播送(Broadcast )傳輸：是指在IP子網(wǎng)內(nèi)播送數(shù)據(jù)包，所有在子網(wǎng)內(nèi) 部的主機(jī)都將收到這些數(shù)據(jù)包。 播送意味著網(wǎng)絡(luò)向子網(wǎng)每一個(gè)主機(jī)都 投遞一份數(shù)據(jù)包，不管這些主機(jī)是否樂(lè)于接收該數(shù)據(jù)包。所以播送的使 用范圍非常小， 只在本地子網(wǎng)內(nèi)有效，通過(guò)路由器和交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 控制播送傳輸。 二、組播技術(shù) 1、IP組播技術(shù)體系結(jié)構(gòu) 組播協(xié)議分為主機(jī)-路由器之間的組成員關(guān)系協(xié)議和路由器 -路由 器之間的組播路由協(xié)議。組成員關(guān)系協(xié)議包括 IGMP(E連網(wǎng)組管理協(xié) 議)。組播路由協(xié)議分為域內(nèi)組播路由協(xié)議及

4、域間組播路由協(xié)議。域內(nèi) 組播路由協(xié)議包括 PIM-SM PIM-DM DVMR等協(xié)議，域間組播路由協(xié)議 包括MBGPMSD警協(xié)議。同時(shí)為了有效抑制組播數(shù)據(jù)在鏈路層的擴(kuò)散， 引入了 IGMP Snooping、CGM等二層組播協(xié)議。 IGMP建立并且維護(hù)路由器直聯(lián)網(wǎng)段的組成員關(guān)系信息。 域內(nèi)組播路 由協(xié)議根據(jù)IGMP隹護(hù)的這些組播組成員關(guān)系信息，運(yùn)用一定的組播路 由算法構(gòu)造組播分發(fā)樹進(jìn)行組播數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。 域間組播路由協(xié)議在各自 治域間發(fā)布具有組播能力的路由信息以及組播源信息， 以使組播數(shù)據(jù)在 域間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 2、 組播IP地址 組播IP地址用于標(biāo)識(shí)一個(gè)IP組播組。IANA把D類地址空間分配給 I

5、P組播，其范圍是從224.0.0.0到239.255.255.255。如下列圖所示二 進(jìn)制表示，IP組播地址前四位均為1110。 八位組1八位組2 八位組3八位組4 1110XXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX 3、 組成員關(guān)系協(xié)議IGMP IGMP協(xié)議運(yùn)行于主機(jī)和與主機(jī)直接相連的組播路由器之間， 主機(jī)通 過(guò)此協(xié)議告訴本地路由器希望參加并接受某個(gè)特定組播組的信息， 同時(shí) 路由器通過(guò)此協(xié)議周期性地查詢局域網(wǎng)內(nèi)某個(gè)組的成員是否處于 活動(dòng)狀態(tài) 即該網(wǎng)段是否仍有屬于某個(gè)組播組的成員，實(shí)現(xiàn)所連網(wǎng)絡(luò) 組成員關(guān)系的收集與維護(hù)。 IGMP有三個(gè)版本，IGMPv1由RFC111狂義，目

6、前通用的是IGMPv2 由RFC223況義。IGMPv3目前仍然是一個(gè)草案。IGMPv1中定義了根本 的組成員查詢和報(bào)告過(guò)程，IGMPv2在此根底上添加了組成員快速離開的 機(jī)制，IGMPv3中增加的主要功能是成員可以指定接收或指定不接收某些 組播源的報(bào)文。這里著重介紹IGMPv2協(xié)議的功能。 IGMPv2通過(guò)查詢器選舉機(jī)制為所連網(wǎng)段選舉唯一的查詢器。查詢器 周期性的發(fā)送普遍組查詢消息進(jìn)行成員關(guān)系查詢； 主機(jī)發(fā)送報(bào)告消息來(lái) 應(yīng)答查詢。當(dāng)要參加組播組時(shí)，主機(jī)不必等待查詢消息，主動(dòng)發(fā)送報(bào)告 消息。當(dāng)要離開組播組時(shí)，主機(jī)發(fā)送離開組消息；收到離開組消息后， 查詢器發(fā)送特定組查詢消息來(lái)確定是否所有組成員都

7、已離開。 通過(guò)上述IGMP機(jī)制，在組播路由器里建立起一張表，其中包含路 由器的各個(gè)端口以及在端口所對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)上都有哪些組的成員。 當(dāng)路由 器接收到某個(gè)組G的數(shù)據(jù)報(bào)文后，只向那些有G的成員的端口上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù) 據(jù)報(bào)文。至于數(shù)據(jù)報(bào)文在路由器之間如何轉(zhuǎn)發(fā)那么由路由協(xié)議決定， IGMP 協(xié)議并不負(fù)責(zé)。 4、網(wǎng)絡(luò)二層組播相關(guān)協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)二層組播相關(guān)協(xié)議包括 IGMP Snooping ,IGMP Proxy 和CGMP 協(xié)議。 IGMP Snooping的實(shí)現(xiàn)機(jī)理是：交換機(jī)通過(guò)偵聽(tīng)主機(jī)發(fā)向路由器的 IGMP 成員報(bào)告消息的方式，形成組成員和交換機(jī)接口的對(duì)應(yīng)關(guān)系； 交換 機(jī)根據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系將收到組播數(shù)據(jù)包只轉(zhuǎn)給具有

8、組成員的接口。 IGMP Proxy與IGMP Snooping實(shí)現(xiàn)功能相同但機(jī)理相異：IGMP snooping只是通過(guò)偵聽(tīng)I(yíng)GMP的消息來(lái)獲取有關(guān)信息，而IGMP Proxy 那么攔截了終端用戶的IGMP青求并進(jìn)行相關(guān)處理后，再將它轉(zhuǎn)發(fā)給上層 路由器。 CGMP(Cisco Group Management Protocol)是 Cisco 基于客戶機(jī) / 服 務(wù)器模型開發(fā)的私有協(xié)議，在 CGM的支持下，組播路由器能夠根據(jù)接 收到的IGMP數(shù)據(jù)包通知交換機(jī)哪些主機(jī)何時(shí)參加和脫離組播組，交換 機(jī)利用由這些信息所構(gòu)建的轉(zhuǎn)發(fā)表來(lái)確定將組播數(shù)據(jù)包向哪些接口轉(zhuǎn) 發(fā)。GMR是主機(jī)到以太網(wǎng)交換機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)

9、議， 它使組播用戶可以在第二 層交換機(jī)上對(duì)組播成員進(jìn)行注冊(cè)。 5、組播路由協(xié)議 PIM-SM 眾多的組播路由協(xié)議中，目前應(yīng)用最多的協(xié)議是 PIM-SM稀疏模式 協(xié)議無(wú)關(guān)組播。 在PIM-SM域中，運(yùn)行PIM-SM協(xié)議的路由器周期性的發(fā)送 Hello消 息，用以發(fā)現(xiàn)鄰接的PIM路由器，并且負(fù)責(zé)在多路訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行指定 路由器DR的選舉。這里，DR負(fù)責(zé)為其直連組成員朝著組播分發(fā)樹根節(jié) 點(diǎn)的方向發(fā)送參加/剪枝消息，或是將直連組播源的數(shù)據(jù)發(fā)向組播分 發(fā)樹。 樓收者 PIM-SM顯式的參加機(jī)制 PIM-SM通過(guò)建立組播分發(fā)樹來(lái)進(jìn)行組播數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。 組播分發(fā)樹 分為兩種：以組G的RP為根的共享樹(Sha

10、red Tree)和以組播源為根 的最短路徑樹(Shortest Path Tree )。 PIM-SM通過(guò)顯式的參加/剪枝機(jī)制來(lái)完成組播分發(fā)樹的建立與維護(hù)。 如 上圖所示： 當(dāng)DR收到一個(gè)發(fā)自接收端的參加(Join)，它就會(huì)向著組G的RP方 向逐跳組播發(fā)出一個(gè)(*, G)參加信息用以參加共享樹； 源主機(jī)向組發(fā)送組播數(shù)據(jù)時(shí)，源的數(shù)據(jù)被封裝在注冊(cè)消息內(nèi)，并由其 DR單播至RP, RP再將源的解封裝數(shù)據(jù)包沿著共享樹轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)組成 員； RP朝著源方向向第一跳路由器發(fā)送(S, G)參加信息，用以參加此源 的最短路徑樹，這樣源的數(shù)據(jù)包將沿著其最短路徑樹不加封裝地發(fā)送到 RP; 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)組播數(shù)據(jù)沿此樹到

11、達(dá)時(shí)， RP向源的DR發(fā)送注冊(cè)-停止消息， 以使DR停止注冊(cè)封裝過(guò)程。此后，這個(gè)源的組播數(shù)據(jù)不再注冊(cè)封裝， 而是先沿著源的最短路徑樹發(fā)送到 RP,再由RP將其沿著共享樹轉(zhuǎn)發(fā) 到各個(gè)組成員。 當(dāng)不再需要組播數(shù)據(jù)時(shí)，DR向著組G的RP逐跳組播剪枝消息用 以剪枝共享樹。 PIM-SM中還涉及到其根節(jié)點(diǎn)RP的選擇機(jī)制。PIM-SM域內(nèi)配置 了一個(gè)或多個(gè)候選自舉路由器(Candidate-BSR)。應(yīng)用一定的規(guī)那么從中選 出自舉路由器(BSR)。PIM-SM域中還配置了候選 RP路由器 (Candidate-RP),這些候選RP將包含了它們地址及可以效勞的組播組等 信息的包單播至自舉路由器。BSR定期生成包括一系列候選 RP以及 相應(yīng)的組地址的自舉消息。自舉消息在整個(gè)域中逐跳發(fā)送。路由器 接收并保存這些自舉消息。假設(shè)DR從直連主機(jī)