组播原理详解

精心整理
组播原理
第一章?概?述
随着数据通信技术的不断发展，各项基于数据通信技术的业务层出不穷，FTP ，HTTP ，SMTP 等传统的数据通信业务已经不能满足人们对信息的需求，视频点播，远程教学，新闻发布，网络电视等新型业务也逐渐发展起来，并被引入数据通信网络。

这些新型业务的特点是，有一个服务器（我们把这个服务器称为媒体流服务器）在发布信息，而接收端数量很大，可能有成千上万个，而且具体数目不固定。

在这种方式下，我们可以使用传统12312在这个时候，我们自然而然的想起了组播。

这种技术最适合上面的这些新型业务。

因为组播通信有下列优点：
1。

媒体流服务器不必知道某个客户端的存在，它只管把媒体流以组播
地址播放出去即可，而且仅仅播放一份；
2。

媒体流数据在网上仅仅传送一份即可，即使有成千上万个客户端；
3。

客户端不必向媒体流服务器注册，如果想接收某个媒体流服务器的
数据，仅仅加入该媒体流服务器所播放的数据所在的多播组即可。

组播技术从提出到现在，它的一些标准和技术已经相当完善了，但推广还不是十分广泛，尤其是在我国，人们对组播的认识还处于一个朦胧的阶段，更谈不上规模应用。

为了让大家尽快的了解组播技术，我们在本文中给出一些学习指引，主要有下列内容：
1。

组播基础概念，这些概念是深入学习组播的最基础的东西，如果对这些基础概念不了解，学习组播将是一句空话；
2。

流行组播协议，在文中我们不具体分析哪种组播协议，而给出组播协议的一些共性，并列举了目前比较流行的组播协议和它的应用场合；
3。

也可以
第二章?二层组播基础概念
在前面的介绍中，我们讨论了用多播的方式解决新型流媒体业务的好处，在该部分中，我们结合一个实际的网络给出一些多播的基础概念，掌握这些基础概念是深入掌握多播技术的前提。

2.1网络实例
有下面一个网络需求：
在图中，媒体流服务器通过以太网交换机LSWA，跟核心路由器GSRA连接起来，并启动流媒体进程，不断的以多播IP地址发送媒体流。

GSRA和GSRB之间采用以太网连接起来，GSRB 通过以太网交换机LSWB连接了许多终端，其中两台终端需要媒体流服务器播放的媒体流。

2.2组播
IP地址就
IP地址
IP地址即主机
1。

2。

IP模块维护一张接收列表（该列表是IP地址组成的结合），每当接收到一个数据报（链路层送上来的）后，便把数据报的目的IP地址提取出来，然后跟接收列表中的每个IP地址比较，如果有一项匹配，则接收该数据，并向上层传送，否则丢弃；
3。

如果一台主机想加入一个多播组（加入与否由上层应用决定），比如你想看网络电视频道，这时候你需要启动一个应用程序，并告诉该应用程序网络电视频道的组播IP地址，该应用程序就会向IP模块注册，请求加入组播组。

IP模块于是在自己维护的接收列表里添加一项（同时也告诉数据链路层自己加入了一个组播组，并附带上组播组地址），添加的这项就是组播组的组播IP地址。

这样每当接收到目的地址是该组播IP地址的数据报的时候，IP模块就接收下来，并向上层传送。

4。

如果一台主机想退出组播组，比如你终止了电视频道接收程序，于是该程序在退出的时候会告诉IP模块，自己不再接收组播组的数据，并告诉IP模块组播组的组拨IP地址，于是IP模块就把该组播地址从接收列表中删除，这样以后如果再接收到该组播组的数据报的话，因为接收列表里没有匹配的项目，所以IP模块就丢弃该数据报。

经过上面的分析可以看出，问题的关键在于IP模块维护的接收列表。

通常情况下（主机没有加入任何组播组），该列表里只有两项，即主机自己的IP地址和广播IP地址（），这样主机只能接收针对自己的数据报和广播数据报。

细心的读者可以看出一个问题，就是数据链路层如何接收组播数据帧呢？原来，数据链路层的接收过程跟IP层原理一致，即数据链路层也有自己的接收列表（不过该列表的内容不是IP地址，而是MAC地址），每当IP模块收到上层应用的加入组播组的请求之后，IP模块就会向数据链路
地址进行
地址跟
做一个IP
MAC地
IP地址低23
开始的时候，PCB和PCC都没有接收该数据流，于是在PCB，PCC的数据链路层和网络层的接收列表中都没有针对组播地址的接收项，从而当数据链路层接收到一个数据帧，该该数据帧的目的MAC地址是01--00--5E--0A--0A--0A的时候，因为接收列表中没有该地址，所以在数据链路层就被丢弃（到这里，读者应该能体会到，组播数据在数据链路层就可以被隔离，而广播数据则必须到达网络层才能判断出是否需要丢弃，这也是使用组播而不使用广播的最大好处）。

这时候，假设PCB计算机的一个用户想收看网络电视频道了，于是该用户启动一个程序（比如，WINDOWS平台下的WMPLAYER），并告诉该程序接收组播组的数据流。

于是发生下列事情：
1。

该应用程序通过操作系统调用接口（API函数）告诉该PC机的IP模块，自己想接收组播组的数据（也就是说要加入组播组）；
2。

IP模块接收到该加入请求后，便把组播组地址加入自己的接收列表中，同时向数据链路层发送一个请求，告诉数据链路层自己想接收组对应的数据流；
3。

数据链路层接收到IP模块的这个请求后，根据组播MAC地址跟组播IP地址的影射规则，把组播IP地址影射成组播MAC地址01--00--5E--0A--0A--0A，然后加入自己的接收列表，到此动作完成。

完成上述动作后，PCB就可以接收组播组的数据流了。

如果这时候用户不想继续看网络电视了（比如用户关闭应用程序），则应用程序在退出的时候会通知网络层，自己退出组播组了，于是网络层会把自己的接收列表中项删除，并通知数据链路层删除相应的列表项目。

到此为止，我们对组播IP地址跟组播MAC地址做了个详细的介绍，并详细分析了各个协议
书籍。

2.3
PCA所在
在接收
则仅仅向
{目的CAM表，
MAC 地址可能是
转发项（
发组播数据流，这样PCC就不能收到无用的数据流了。

这时候假设PCC也加入了组播组，于是交换机修改自己的转发表，把转发项
（01--00--5E--0A--0A--0A，{B}）修改成（01--00--5E--0A--0A--0A，{B，C}）（假设PCC连接交换机的C端口），这样每当交换机从PCA接收到一个数据帧，就根据这个转发项，复制成两份，一份给PCB，一份给PCC。

大家对交换机上的组播转发项已经很清楚了，这时候又一个问题出现了：交换机根据什么创建组播转发项，并对组播转发项的出口集合做出修改？回忆单播的情况下，交换机是根据学习来获得单播转发表的，在组播情况下，学习能否奏效？
其实在组播情况下，学习是不行的，因为在单播情况下的学习，是针对数据帧的源MAC地址进行的，而组播MAC地址不可能出现在数据帧的源MAC地址位置上（组播MAC地址出现的唯一位置就是数据帧的目的MAC地址），所以根本无法学习。

这时候我们必须想一些其他办法来解决该问题，这些办法就是二层组播协议。

第一种办法，也是最容易理解的办法就是GMRP（通用组播注册协议），该协议需要计算机的网卡的配合。

该协议这样运行，每当计算机加入一个多播组的时候，计算机同时给交换机发送一条GMRP加入消息，该消息携带的内容之一就是计算机加入的组播组的MAC地址。

这样交换机会根据不同的情况而采取不同的动作：
1。

如果交换机上没有创建针对该组播MAC地址的转发项，则创建一个转发项，把出口集合初始化为连接发出请求的计算机的端口，以后就根据这个转发项进行数据转发；
2
所谓
这些数据数据流，
询消息是路由器发出，用来查询网络上是否还有某个组播组的成员的。

以上图为例，分析一下IGMP 协议的运行过程：
1。

本地网络上的一台主机加入了一个多播组G，于是该主机发出一个IGMP加入消息给路由器，告诉路由器自己想加入组播组G，于是路由器开始从上游引入组播组G的数据到本地网络；
2。

路由器转发组播组G的数据一段时间后，会发出一个查询消息，看网络上是否还存在组播组G的成员（因为有可能刚才加入的那台主机已经退出组播组了），加入组播组的成员要重新发布IGMP加入消息来作为成员查询消息的响应，如果没有组播组的成员了，路由器将收不到响应，这时候路由器将再次进行查询尝试，如果还没有主机应答，路由器就认为网络上已经没有针对组播组G的主机了，于是停止转发组播组G的数据；
3。

路由器发出组播组成员查询消息后，只要收到一台主机的响应，则路由器就必须继续转发组播组G的数据，不能因为网络上接收端的数目少而停止发送。

这样IGMP协议就很清楚了，我们来看一下IGMP窥探协议是怎样工作的。

IGMP窥探是这样的，交换机分析每个接收到的组播数据帧（IGMP加入消息是以组播方式发送的），看该数据正是否是一个IGMP加入消息，如果是，则从该消息中就可以判断出发出该消息的主机想加入的组播组，根据该组播组的IP地址形成组播MAC地址，并把接收到该消息的端口加入出口列表，这样一个组播转发项就创建完成了。

完成之后，交换机把刚才拦截的IGMP消息再不加改变的转发出去。

这样不停的窥探，交换机就可以掌握网络上的组播成员情况，并反映在自己内部的组播转发表里，以后就根据创建的组播转
IGMP
应该对
第三章?三层组播基础概念
在前面部分的介绍中，我们集中在了对二层组播基础概念的介绍上，在本章中，我们引入一些三层组播的基础概念，在这些概念的基础上，简单介绍目前流行的组播路由协议（注意跟二层组播协议的区分）原理及应用场合，使读者对这些协议有个大致的了解，并为以后详细学习这些组播路由协议打下基础。

3.1组播转发项，组播树和RPF检查
为了引入这些概念，我们首先看一个实际的网络图：
在该图中，路由器MR1连接了一台多播数据源，该数据源不停的播放多播数据，MR2和MR3
MR1，...}），其中S
}是一个
IP
在把
形中，路由器），MR2
RPF（反
路由器MR
并进行转发呢？如果MR把两个组播数据流都进行转发，肯定是不合适的，假设组播数据流是一个电视频道，这样必然引起图象的重复出现，严重影响画面。

于是我们可以这样选择：选择一个组播流，该组播流从组播源到路由器经过的路径最短。

比如在上面的网络中，我们让路由器MR选择从接口S0进入的组播流，因为S0直接连接了组播数据源，而S1的组播数据源则经过了另外一台路由器。

然而路由器怎样知道从哪个接口进入的数据流是最近的呢？答案是查找单播路由表。

到此为止，大家对RPF检查的背景一定有印象了，下面我们给出RPF检查的定义：支持组播的路由器每当接收到一个组播数据报，首先把组播数据报的源IP地址提取出来，然后根据这个源
IP地址查自己的单播路由表，查找的结果是一个接口，如果该接口跟接收到报文的接口相同，则根据多播转发表来转发该组播数据报，如果不相同，则丢弃该组播数据报。

RPF检查是三层组播中一个最重要的特性，正是它的存在，才把组播转发表和单播转发表结合了起来，在进行组播数据转发的时候，把单播转发表作为参考依据。

而且RPF检查确保了到达的数据流不会重复，也确保了到达的数据流对网络的影响最小（因为数据流是通过最短的路径过来的）。

3.2组播路由协议
在上面我们介绍了组播转发表的概念，组播路由器在进行组播数据的转发的时候，就是依该转发表为基础来进行数据转发的，需要注意的是，在进行组播数据转发的时候，还需要做一个重要的动作：
目前
上接收到在MR
因为MR
当MR路由器流。

RT1RT1
了解了剪枝消息后，嫁接消息就很简单了，它跟剪枝消息刚好相反，是用来通知上游路由器，让上游路由器把组播数据转发给自己，比如，在上面的图形中，MR路由器的接口S0由于某种原因DOWN掉了，这时候MR路由器会通过S1接口给上游路由器发送一个嫁接消息，接收到该嫁接消息后，RT1路由器回重新发组播数据流给MR路由器（通过在多播转发表中把连接MR路由器的接口加入出口集合来实现），这样在MR上会通过S1接收到组播数据流，这时候MR上进行RPF检查就不会失败了，因为S0接口DOWN掉，通往媒体流服务器的单播路由项会自动的切换到S1接口上（通过动态路由协议完成）。

其实，组播路由协议可以理解为剪枝和嫁接消息的集合，任何组播路由协议都是由这两个消息作为基础的，只不过不同的路由协议发出该消息的时机不同罢了。

上面介绍的时候，提到了RPF检查，并提到，RPF检查需要路由器的单播路由表，这个说法严格来说其实是不正确的，因为要分两种情况：对于某些协议（比如PIM-DM，PIM-SM等），这些协议在进行RPF检查的时候直接使用路由器用于转发单播数据的路由表，即这些协议信任路由器的单播路由协议，这种多播协议叫做协议无关多播协议（也就是PIM的由来，即ProtocolIndependMulticastProtocol），还有一些协议，比如DVMRP等，它们在进行RPF检查的时候，是根据自己建立的一个单播路由表进行的，所有这些多播路由协议至少有两部分构成：一部分用于单播路由表的建立（该单播路由表跟路由器用来转发单播数据的路由表不同，它仅仅用于RPF 检查），另外一部分用于组播路由表的建立。

比如DVMRP，它实际上集成了一个RIP模块，使用该RIP模块来建立用于RPF检查的单播路由表。

下面我们看一下PIM协议，PIM（协议无关多播路由协议）分为DM（密集模式）和SM（稀疏模式），密集模式往往用于一些企业网等网络带宽资源比较丰富的场合下，而稀疏模式则用于网
当MR2
是3
如果
MR2
MR2
的向
程度，则转换为源组播树来完成组播数据的转发。

在这里，我们简单介绍一下共享组播树的含义，至于在PIM-SM中由共享组播树向源组播树的切换过程，请参考有关书籍和资料。

共享组播树是这样的，即整个网络选择一个中心点，组播流数据首先发送到该共享的中心点（RP）上，然后由RP完成数据的转发。

默认情况下，RP是不转发组播数据流的，所以如果一个路由器想接收组播数据流，则必须向共享中心点注册，这样当RP接收到你注册的组播组的数据后，才向注册路由器转发。

下面我们以一个简单的拓扑图说明注册的过程：
图中，RP即整个网络的共享中心点，这样假设MR2想接收来自媒体流服务器的组播数据流，则必须首先向RP注册（假设所有路由器都是运行PIM-SM协议）。

下面说明MR2的注册过程：
1。

MR2创建组播转发项（*，G，S0，{E0}）（假设媒体流服务器在组播组G内转发数据，MR2通过E0接口连接本地网络），并通过S0接口向MR1发送一个嫁接消息，该嫁接消息中包含了RP的IP地址；
2。

MR1接收到MR2发送过来的嫁接消息后，如果存在关于（*，G）的转发项，则仅仅把S0接口加入转发项的出口列表即可，否则MR1首先创建转发项（*，G，S1，{S0}），并通过S1接口向RP路由器发送嫁接消息；
3。

如果RP路由器上存在组播转发项（*，G），则仅仅把出口S0加入出口列表，如果不存在该转发项，则创建转发项（*，G，E0，{S0}），这样当接收到媒体流服务器发送过来的组播数据流后，就根据该转发项进行转发（这里需要提出的是，如果路由器接收到一个组播数据报，然而自己组播转发表内没有关于该组播数据报的转发项的话，丢弃收到的组播数据报）。

3.3
就是RP，这个RP RP
另外一个MSDP
就是一个TCP
知其它
据源的IP
另外一个问题就是RPF检查问题了，考虑下面的网络图：
ISP1和ISP2通过两条高速链路连接起来，这时，ISP2想让单播数据走连接1，而想让多播数据走连接2。

因为PIM是基于单播路由表来进行RPF检查的，这样如果不对用于RPF检查的路由和用于单播数据发送的路由进行区分的话，就没法做到这一点。

而传统的BGP无法完成这样的要求，所以必须采用扩展BGP，即MBGP（多协议BGP，在多播领域可以成为多播BGP）。

采用多播BGP后，BGP连接在传输路由时，会把单播路由跟多播路由分开（通过在BGP协议中引入特殊属性解决），这样另外的ISP在接收到BGP邻居发送过来的路由后，就会把用于组播RPF检查的路由跟用于单播数据转发的路由区分开。

一个重要的概念就是，MBGP传播的路由仅仅用于组播路由器的RPF检查，MBGP不为组播数据转发提供任何支持。

第四章?相关资料列表
前面部分我们仅仅介绍了组播的一些基础概念，这些概念是深入学习组播技术的基础，只有掌握了这些基础概念，才有基础去学习其它一些组播知识，当然，只要把这些基础概念理解透彻了，其它组播技术学习起来也就简单了。

为了方便大家进一步学习，在这里我们给出一些资料，并给出这些资料的主要内容，希望给大家提供帮助。

1。

多点广播路由协议概述
一篇组播路由协议入门文章，介绍了组播路由协议（特别是PIM-DM，PIM-SM）的基础概念
2。

3。