TCPIP協(xié)議原理Chapter 14 IP組播.ppt

1、第14章 IP組播,計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 梁曉 Email: Tel:單播、廣播與組播,單播,組播,廣播,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的兩種途徑(1),多個(gè)單播： 發(fā)送者對(duì)每個(gè)接收者都采用一條單播傳輸；,共有 90 個(gè)主機(jī)接收視頻節(jié)目,R1,R3,R4,R2,視頻服務(wù)器 M,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的兩種途徑(2),組播 發(fā)送主機(jī)僅發(fā)送一個(gè)包； 一旦該包需要轉(zhuǎn)發(fā)，路由器才進(jìn)行復(fù)制；,組播組成員 共有 90 個(gè),R1,R3,R4,R2,視頻服務(wù)器 M,發(fā)送 1 次組播,復(fù)制,IP Multicast How Does it Work?,The sender (source) sends one

2、copy of a single packet addressed to a group of receivers - multicast group Multicast routers replicate and forward the packet to all the branches where receivers (may) exist Receivers express（表達(dá)了） their interest in multicast traffic by sending control messages to routers,Why Multicast?,more and mor

3、e multimedia communication application and service have emerged in Internet that all the recipients want the same type of data Ex. Digital TV, Digital Radio, Video Conference Consume much more bandwidth than usual application Require high QoS support Belong to one-to-many communication style,Enhance

4、d Efficiency Optimized Performance Distributed Applications,Multicast Advantages,組播應(yīng)用,一對(duì)多 定時(shí)的媒體播放，“推送”服務(wù)（股票價(jià)格，天氣預(yù)報(bào)）； 多對(duì)多 網(wǎng)絡(luò)游戲，視頻會(huì)議 有反饋的多對(duì)一 資源發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)收集,IP Multicast Applications,組播通信的幾個(gè)問(wèn)題,如何標(biāo)識(shí)組播通信的接收方？ 如何確定和維護(hù)組成員關(guān)系？ 如何為發(fā)送給這些接收者的數(shù)據(jù)報(bào)尋址？,IP組播編址機(jī)制,組成員關(guān)系協(xié)議,組播路由協(xié)議,組播體系結(jié)構(gòu),組播組和組播地址,IP組播地址由D類(lèi)IP地址標(biāo)記。 地址的最高四位為“11

5、10”； 范圍224.0.0.0239.255.255.255。 D類(lèi)IP地址又進(jìn)行了劃分。,組播組和組播地址,從224.0.0.0至224.0.0.255的地址被IANA保留為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用，作為永久組的地址，其中比較重要的地址有： 224.0.0.1 網(wǎng)段上所有支持組播的主機(jī) 224.0.0.2 網(wǎng)段上所有支持組播的路由器 224.0.0.4 所有DVMRP路由器 224.0.0.5 所有OSPF路由器 224.0.0.6 指定的OSPF路由器 224.0.0.9 所有RIP2路由器 224.0.0.10 所有IGRP路由器 224.0.0.13 所有PIM路由器,D類(lèi)IP地址與以太網(wǎng)多播地

6、址的映射關(guān)系,00000000,00000001,01011110,0,1110,0,8,16,24,31,D 類(lèi) IP 地址,這 5 位不使用,48 位以太網(wǎng)地址,0 1 0 0 5 E,表示多播,最低 23 位來(lái)自 D 類(lèi) IP 地址,組播協(xié)議,組成員關(guān)系協(xié)議 主機(jī)-路由器之間； 主要有IGMP，它負(fù)責(zé)建立并維護(hù)路由器直聯(lián)網(wǎng)段的組成員關(guān)系信息。 組播路由協(xié)議 路由器-路由器之間； 根據(jù)IGMP維護(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)造組播分布樹(shù)進(jìn)行組播分組轉(zhuǎn)發(fā)，主要包括DVMRP、MOSPF、CBT、PIM-DM、PIM-SM等。,Internet組管理協(xié)議(IGMP),目前

7、已使用的有3個(gè)版本：IGMPv1，v2和v3。 它用于將局域網(wǎng)內(nèi)主機(jī)的組成員關(guān)系報(bào)告給本網(wǎng)段內(nèi)的組播路由器。,Internet組管理協(xié)議(IGMP),IGMP只工作在本地范圍。,128.56.24.34,135.27.74.52,130.12.14.56,130.12.14.43,組播組 226.15.37.123,IGMP,IGMP,IGMP,IGMP,R1,R4,R3,R2,Internet組管理協(xié)議(IGMP),IGMP工作的兩個(gè)階段(1),當(dāng)某個(gè)主機(jī)加入新的組播組時(shí)，該主機(jī)應(yīng)向組播組的組播路由器發(fā)送IGMP 報(bào)文，聲明自己要成為該組的成員。 本地的組播路由器收到 IGMP 報(bào)文后，將組

8、成員關(guān)系轉(zhuǎn)發(fā)給因特網(wǎng)上的其他組播路由器。,IGMP工作的兩個(gè)階段(2),因?yàn)榻M成員關(guān)系是動(dòng)態(tài)的，因此本地組播路由器要周期性地探詢本網(wǎng)上的主機(jī)，以便知道這些主機(jī)是否還繼續(xù)是組成員。 只要對(duì)某個(gè)組有一個(gè)主機(jī)響應(yīng)，那么組播路由器就認(rèn)為這個(gè)組是活躍的。 但一個(gè)組在經(jīng)過(guò)幾次的探詢后仍然沒(méi)有一個(gè)主機(jī)響應(yīng)，則不再將該組的成員關(guān)系轉(zhuǎn)發(fā)給其他的組播路由器。,IGMP報(bào)文格式與類(lèi)型,報(bào)文格式,報(bào)文類(lèi)型：查詢，成員報(bào)告，退出報(bào)告。,IGMP報(bào)文的封裝,IGMP報(bào)文封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)中發(fā)送。 IP報(bào)頭： 協(xié)議字段值=2 TTL=1（因?yàn)镮GMP只在本地工作） 目的IP地址：,Joining member sends r

9、eport to 224.1.1.1 immediately upon joining (same as IGMPv1),1.1.1.1,H1,H3,1.1.1.10,1.1.1.11,1.1.1.12,rtr-a,IGMPv2Joining a Group,Router sends periodic queries One member per group per subnet reports Other members suppress reports,1.1.1.1,IGMPv2,1.1.1.10,1.1.1.11,1.1.1.12,IGMPv2Maintaining a Group,I

10、GMPv2,1.1.1.1,1.1.1.2,H1,H2,H3,1.1.1.10,1.1.1.11,1.1.1.12,Initially, all routers send out a query,Router with the lowest IP address is elected querier,IGMP Querier,Other routers become non-queriers,IGMP Non-Querier,rtr-a,rtr-b,IGMPv2Querier Election,H2 leaves group; sends Leave message,Router sends

11、Group-Specific Query,A remaining member host sends report,Group remains active,H1,1.1.1.10,1.1.1.1,rtr-a,H3,1.1.1.12,1.1.1.11,H2,IGMPv2Leaving a Group,Last host leaves group; sends Leave message,Router sends Group-Specific Query,No report is received,Group times out,1.1.1.1,rtr-a,H1,1.1.1.10,1.1.1.1

12、2,1.1.1.11,H3,IGMPv2Leaving a Group,組播與單播在選路的不同,組播轉(zhuǎn)發(fā)必須動(dòng)態(tài)地適應(yīng)組播組成員的變化（這時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⑽窗l(fā)生變化）。請(qǐng)注意，單播路由選擇通常是在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)才需要更新路由。 組播數(shù)據(jù)報(bào)可以由沒(méi)有加入組播組的主機(jī)發(fā)出，也可以通過(guò)沒(méi)有組成員接入的網(wǎng)絡(luò)。 組播路由器在轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，不能僅僅根據(jù)組播數(shù)據(jù)報(bào)中的目的地址。,在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，組播路由器使用數(shù)據(jù)報(bào)的源地址和目的地址,Multicast Forwarding,Multicast routing works the opposite way of unicast routing Unicast

13、routing is concerned with where the packet is going Multicast routing is concerned with where the packet comes from Multicast routing uses Reverse Path Forwarding(反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)) to prevent forwarding loops,Reverse Path Forwarding (RPF),What is RPF? A router forwards a multicast datagram only if received on

14、 the upstream interface to the source, i.e. it follows the distribution tree The RPF Check The routing table for unicast is checked against the source address in the multicast datagram If the datagram arrived on the interface specified in the routing table for the source address: The RPF check succe

15、eds Otherwise, the RPF check fails,Reverse Path Forwarding (cont.),Reverse Path Forwarding (RPF) check: If the RPF check succeeds, the datagram is forwarded If the RPF check fails, the datagram is typically silently discarded When a datagram is forwarded, it is sent out of each interface in the outg

16、oing interface list The packet is never sent back out of the RPF interface,RPF Checking,Source151.10.3.21,Multicast Distribution Tree,Example: RPF Checking,Multicast Packets,RPF Checks fail Packets arrived on wrong interface.,RPF Check Succeeds,RPF Check Succeeds!,Unicast Route Table Network Interfa

17、ce 151.10.0.0/16S1 198.14.32.0/24S0 204.1.16.0/24E0,E0,S1,S0,S2,S1,Forward out of all outgoing interfaces.(i. e. down the distribution tree),RPF Check (cont.),RPF Check Fails!,RPF Check Fails,E0,S1,S0,S2,Unicast Route Table Network Interface 151.10.0.0/16S1 198.14.32.0/24S0 204.1.16.0/24E0,S1,RPF Ch

18、eck,RPF Interface,Reverse Path Forwarding (RPF) check is done with respect（關(guān)于） to the RPF interface The interface that is closest to the source Determined from any unicast or dedicated（專(zhuān)用） multicast table (DVMRP, MBGP) Periodic（周期性） recheck of the RPF interface,組播路由協(xié)議,組播路由協(xié)議負(fù)責(zé)構(gòu)建組播分組的傳輸路徑。 組播分布樹(shù)（Dist

19、ribution Tree） 在傳輸組播分組時(shí)，指派路由器構(gòu)造一個(gè)連接所有組播組成員的樹(shù)。 根據(jù)這個(gè)樹(shù)，路由器得出轉(zhuǎn)發(fā)分組的一條唯一路徑。 由于組播組成員可以動(dòng)態(tài)地加入和退出，因此組播分布樹(shù)也必須動(dòng)態(tài)更新。,組播路由協(xié)議,根據(jù)構(gòu)造方法的不同，有兩種最基本的組播分布樹(shù)：源分布樹(shù)和共享分布樹(shù)。 源分布樹(shù)（Source Distribution Tree） 以組播源為根節(jié)點(diǎn)構(gòu)造到所有組播組成員路徑都最短的生成樹(shù)。也稱為最短路徑樹(shù)（Shortest Path Tree，SPT）。,Shortest-Path or Source Distribution Tree,Receiver 1,B,E,A,D,

20、F,Source 1,Notation: (S, G) S = Source G = Group,C,Receiver 2,Source 2,Shortest-Path Trees,Shortest-Path or Source Distribution Tree,Receiver 1,B,E,A,D,F,Source 1,Notation: (S, G) S = Source G = Group,C,Receiver 2,Source 2,The Tree is per SOURCE,Shortest-Path Trees,Shortest-Path Trees,在每一個(gè)組播組內(nèi)，每個(gè)源節(jié)點(diǎn)

21、建立一棵到所有其它成員的最短路徑樹(shù)，即源節(jié)點(diǎn)和組的每一種組合構(gòu)成一棵樹(shù)。 每一個(gè)路由器必須有關(guān)于每一個(gè)特定樹(shù)的信息，路由器根據(jù)組播分組的源地址及組地址確定使用哪棵多播樹(shù)轉(zhuǎn)發(fā)。 優(yōu)點(diǎn)：多播分組總是使用最佳路徑轉(zhuǎn)發(fā)。 缺點(diǎn)：路由器需要維護(hù)大量的多播樹(shù)。,Shared Distribution Tree,共享分布樹(shù)（Shared Distribution Tree） 以網(wǎng)絡(luò)中的某一個(gè)指定的路由器為根節(jié)點(diǎn)，該路由器稱為匯聚點(diǎn)（Rendezvous Point，RP）或核心，由此節(jié)點(diǎn)生成包含所有組成員的組播樹(shù)。 也稱為RP樹(shù)（RPT）或基于核心的樹(shù)（Core-Based Tree，CBT）。,Share

22、d Distribution Tree,Receiver 1,B,E,A,D,F,Notation: (*, G) * = All Sources G = Group,C,Receiver 2,(RP),(RP) PIM Rendezvous Point,Shared Distribution Tree,Shared Distribution Tree,Receiver 1,B,E,A,D,F,Notation: (*, G) * = All Sources G = Group,C,Receiver 2,(RP),(RP) PIM Rendezvous Point,Shared Distrib

23、ution Tree,Shared Distribution Tree,每個(gè)組播組使用一棵以核心路由器為根的組播樹(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：路由器對(duì)于每個(gè)組只要維護(hù)一棵組播樹(shù)，內(nèi)存消耗減少。 缺點(diǎn)：組播分組使用的轉(zhuǎn)發(fā)路徑可能不是最佳的，這是組共享樹(shù)為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性而付出的性能代價(jià)。,組播路由協(xié)議,組播路由協(xié)議的主要任務(wù)就是構(gòu)造組播的分布樹(shù)，使組播分組能夠傳送到相應(yīng)的組播組成員。 根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的組播成員的分布和使用的不同，組播路由協(xié)議分為兩類(lèi)： 密集模式路由協(xié)議（DM） 稀疏模式路由協(xié)議（SM）。,DM路由協(xié)議,DM路由協(xié)議通常用于組播組成員（接收者）密集地分布且有足夠帶寬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。 DM路由協(xié)議采用一種定期廣

24、播組播組的擴(kuò)散-剪枝技術(shù)來(lái)維護(hù)組播分布樹(shù)，它只使用源分布樹(shù)（SPT）。 DM路由協(xié)議有： DVMRP（Distance Vector Multicast Routing Protocol，距離向量組播路由協(xié)議） MOSPF（Multicast Open Shortest Path First，組播OSPF協(xié)議） PIM-DM（Protocol Independent Multicast-Dense Mode，協(xié)議無(wú)關(guān)組播協(xié)議-密集模式）,PIM - Dense Mode (PIM-DM),Protocol independent supports all underlying（已有） unic

25、ast routing protocols: static, RIP, IGRP, EIGRP, IS-IS, OSPF, and BGP Uses flood and prune mechanism Floods network and prunes back based on multicast group membership Assert mechanism used to prune off redundant flows on multiaccess networks Appropriate for smaller implementations and pilot network

26、s（適用于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)型網(wǎng)絡(luò)）,Initial Flooding,Source,Receiver,(S, G) state created in every router in the network!,PIM-DM Flood and Prune,Pruning Unwanted Traffic,Source,Receiver,PIM-DM Flood and Prune (cont.),Source,Results after Pruning,Receiver,Flood and Prune process repeats every three minutes!,(S, G) state

27、still exists in every router in the network!,PIM-DM Flood and Prune (cont.),SM路由協(xié)議,在網(wǎng)絡(luò)中稀疏分布組播組成員、網(wǎng)絡(luò)也沒(méi)有充足帶寬的情況（如廣域網(wǎng)環(huán)境）下可以使用SM路由協(xié)議。 SM路由協(xié)議采用選擇性的建立和維護(hù)分布樹(shù)的方式，由空樹(shù)開(kāi)始，僅當(dāng)成員顯式的請(qǐng)求加入分布樹(shù)才做出修改。 SM路由協(xié)議有： CBT：基于核心的分布樹(shù)協(xié)議 PIM-SM（Protocol Independent Multicast-Sparse Mode，協(xié)議無(wú)關(guān)組播協(xié)議-稀疏模式）,Receiver,RP,(*, G) State creat

28、ed only along the Shared Tree.,PIM-SM Shared Tree Join,Receiver,RP,Shared Tree,(S, G) State created only along the Source Tree.,PIM-SM Sender Registration,Receiver,RP,Shared Tree,RP sends a Register-Stop back to the first-hop router to stop the Register process.,(S, G) traffic begins arriving at the RP via the Source tree.,PIM-SM Sender Registration (cont.),Receiver,RP,Shared Tree,Source traffic flows nativelyalong SPT to RP.,From RP, traffic flows downthe Shared Tree to Receivers.,PIM-SM Sender Regi