第10章 IP组播

• 如果主机组所在网络支持网络广播而不支持 组播的网络，则将IP组播地址简单映射为本 地广播地址。
• 同一般路由器一样，组播路由器的作用是组 播数据的寻路和转发控制，这类路由器及链 路在网络中形成了一个控制组播数据传送的 逻辑结构，称为组播传递结构(delivery structure)，这种结构一般是树形的结构， 称为传递树。
3）退出多播组 当主机发现在一个特定的多播组中已经没有 进程时，就发送退出报告。多播路由器收 到退出报告后，并不立即删除这个群组， 而是针对该群组发送查询报文。当在指定 的时间内没有收到相关主机（和路由器） 对该群组的成员关系报告时，就意味着在 本网络上已经没有该群组成员，此时，多 播路由器将删除该群组。否则继续保留该 群组。
在前面的例子中，1号主机利用主机成员资格 报告报文回应了查询报文，并指明它属于“1 号组”。3号主机用同样方式指明它属于“2 号组”。每个组播组路由器只需要接收一条 主机成员资格报告。 一种消息抑制算法可以防止相同子网上在已 经有主机发送的情况下其他主机再次发送某 特定组的主机成员资格报告，它采用随机的 延迟防止了来自同一个组播组的重复的成员 资格报告把LAN和路由器的接口淹没。
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11.2 IP组播模型
标准IP组播模型定义了主机组和IP路由层应有
的功能机制，以及为上层服务的组播业务形式。
主机组(host group)是IP组播模型的核心。主机
组由多个主机组成，其中，源主机构造以一个
D类IP地址（即IP组播地址）为目的地址的数 据包，以IP数据报尽力而为方式转发到对应主 机组的各个主机。
3．改善IGMP实现的技术 • 具体实现IGMP协议时，有许多实现改善该协 议效率的技术。 1）主机发送IGMP报文间隔在为0-10秒范围内 随机选择。 主机对路由器IGMP查询报文并不立即响应， 也是经过一定的时间间隔后才发出, 这样可以 减少响应报文，减轻网络负荷。
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11.4 组播路由
• 组播源向组播组发送数据包，组播路由器必须将 组播数据包转发到多个外部接口上，以便处于不 同组播组的成员都能接收到各自的数据包。
加入多播组： 主机和路由器都可以加入一个多播组。当某个主 机中的一个进程申请加入一个多播组时，主机将 发送一个成员关系报告报文到它所在的IP子网的 多播路由器上；路由器接收到该申请后将检查它 的群组成员关系表，看该主机是否已经在群组中。 如果该主机不在群组关系表中（即第一次申请）， 随即将自己的IP模块做相应的准备，以便开始接 收来自该多播组传来的数据。如果这台主机是它 所在的IP子网中第一台加入该多播组的主机，则 多播路由器将通过路由信息的交换加入多播分布 树。
8 16
IGMP报文 8字节
31
IGMP类型
最大响应时间
校验和
32位组播地址
IGMP报文
查询
成员报告
离开报告
一般查询
特殊查询
特殊查询和离开报告是IGMPv2新加的报文。 这两条报文可以使组播查询者能够查询任何一 个属于某特定组播组的主机，并且可使主机能 够立即离开一个指定的组播组而不需要等待一 个超时时间，也就降低了脱离延迟。
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11.3 Internet组管理协议（IGMP）
• 按照协议的作用范围，组播协议分为主机-路 由器之间的组管理协议，以及路由器-路由器 之间的各种组播路由协议。
• 网际组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）用于多播 路由器和主机之间进行群组关系的管理，其 运行于主机和与主机直接相连的多播路由器 之间。
组播目标： 1. 每个组成员应该收到一个且仅一个组播包的 拷贝。 2.非组成员收不到组播包的拷贝。 3.组播路由中不应存在环路。 4.从源到目的地的路径应该最优(最短路径)。 生成树(Spanning Tree)：通常是以源为根以组 成员为叶子的树。最短路径生成树。
用于组播的树通常有两种： 1.基于源的树 每个组中的每个源对应一棵树。源和组的组合决定 了生成树的个数。 若有N个组，每个组有M个不同的源，则对应有N×M 棵生成树。(M1+M2+…+MN) 当一个源发送一个组播包到225.80.18.35，然后再发 送一个组播包到229.10.9.23时。将形成两棵以同一 源为根的不同的树。 采用基于源的方法的协议有：
组共享树
DVMRP
MOSPF
PIM-DM
11.1 IP组播概念
无论采用广播方式还是单播方式，都不能有 效地解决单点发送多点接收的问题。 IP 组播：源主机只发送一份数据，这份数据 中的目的地址为组播组地址（D类地址）。 组播组中的所有接收者都可接收到同样的 数据拷贝，并且只有组播组内的目标主机 可以接收该数据。
G1
G1，S1
G1
G1，S1
2） IGMP 报告和查询
主机1
1#组
主机报告1#组
组成员 资格查询 主机2 主机3 子网
组播 路由器
1#组，2#组
主机报告2#组
IGMP 报告和查询
路由器首先利用一个可寻址到所有主机的 组地址 ( 即 224.0.0.1) 发送一条 IGMP 主机成 员 资 格 查 询 (IGMP Host Membership Query)报文。 若一个主机希望加入某个组播组，它就利 用该组播组的组地址回应一条 IGMP 主机成 员资格报告报文。
IGMP类型：0x11一般或特殊查询；0x16成员 报告； 0x17离开报告。 最大响应时间：只用于成员查询报文，它规定 了发送一个响应报文的最大的允许时间，以 1/10秒为单位。 校验和：为了计算校验和，该字段首先应该清 0。 组播地址：在一个成员查询报文中，当发送一 个普通查询时该字段置0，当发送特定组查询 时，该字段置为要查的组地址。在成员报告或 离开组报文中，该字段保留了被报告或离开的 IP组播地址。
G1 G1，S1
S1
S1，G1
S1，G1
S1，G1
S1，G1
S1，G1
S1，G1
G1
IP 组播的主要优点：
1． 控制网络流量，降低主机和CPU负荷，增 强网络效率； 2． 消除流量冗余，使网络性能更优化；
3． 支持分布式应用。
• 应用的实例包括：视频会议、共享公告板、 “推送”技术(例如广告和信息订阅等) 、远 程学习、财务数据发布、服务器复制、分布 式数据库等等。
IGMPv2（RFC2236）和IGMPv3（RFC3376）。
1． IGMP报文 IGMP是IP 层的一部分。IGMP报文通过IP数 据报进行传输。IGMP报文长度固定，没有可 选项。图12-3显示了IGMP报文如何封装在IP 数据报中。 IP首部中协议字段值为2表示所 携带的是IGMP报文。
IP首部 20字节
• 11.5 组播路由协议
11.1 IP组播概念
传统的IP通信有两种方式： 单播unicast——在一台源IP主机和一台目的IP 主机之间进行。 广播broadcast——在一台源IP主机和网络中所 有其它的IP主机之间进行。是指在同一IP子网 内广播数据包，即一台源主机可以向同一子网 内的所有主机或设备发送同一个数据包。
D 类的地址空间是专为 IP 组播组地址而定义 的 。 每 个 组 播 组 地 址 都 落 在 从 224.0.0.0 到 239.255.255.255的空间范围内。
如果主机组所在网络是以太网、类似根据 IEEE802.2 标准实现的环形网和总线网，它 们都直接支持组播，可以直接处理组播。
• 以太网支持IP组播地址到以太网组播地址的 映射，映射方法： 将IP组播地址的低23位代替特定的以太网地 址01.00.5e.00.00.00（16进制）中的低23位。 例如：IP组播地址224.66.60.89(其2进制为： 11100000.01000010.00111100.01011001) 映射到以太网的地址为：01.00.5e.42.3c.59 （16进制）。 • 按此规则，IP组播地址范围为 224.0.0.0~239.255.255.255，映射到以太网 组播地址为01.00.5E.00.00.00~ 01.00.5E.7F.FF.FF.
若有N个组，则对应有N棵生成树。(与每个组中 的成员无关)
采用基于组共享树方法的协议有： – CBT(基于核心的树) – PIM-SM(协议无关组播-稀疏模式)。
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11.5 组播路由协议
• 组播路由协议的主要任务就是构造组播的分布 树，使组播分组能够传送到相应的组播组成员。
组播路由协议
基于源的树
IP组播模型如图12-2所示。
路由器 2
路由器 5 接收者
路由器 1 发送者
路由器 3 路由器 6 接收者 组播路由协议 图 12-2 IP 组播模型 组成员管理协议
在IP组播模型中： 1）若干个接收者构成一个主机组，并定义一个 组地址，每个组地址代表发送者与接收者之间 的一个会话（ session）。 2）主机组中的主机可以采用系统所定义的组播 地址告诉其所在组播路由器，实现加入（退出） 某个组播组。 3）发送者使用组播组地址发送以相组播组地 址为其目的地址的单个IP分组。 4）由组播路径上的路由器建立一棵从发送者为 根的组播传递树，传递树延伸到所有的、其中 至少有一个组播组成员的网络中。
– DVMRP (距离向量组播路由协议) – MOSPF (OSPF的扩展) – PIM-DM (Protocol Independent Multicast-Dense Mode 协议无关组播-密集模式)。
2. 组共享树 组共享树是组中所有成员所共享的生成树。组 决定了生成树。组中的一个路由器被选作聚合 点/核心点，以此路由器为根，其它组成员为 叶构成全组共享的生成树。
Internet组管理协议（IGMP）
• 主机通过此协议告诉本地路由器希望加入某个 特定多播组，同时路由器通过此协议周期性地 查询局域网内某个已知组的成员是否处于活动 状态（即该局域网是否仍有属于某个多播组的 成员），进行所连网络组成员关系的收集与维 护。 • IGMP目前有3个版本，IGMPv1（RFC1112）、
2． IGMP 协议工作过程 1） 加入组播组 • 运行IGMP的路由器为其直接连接的主机申请 组成员资格，主机也可以用来通知其直接连接 且支持组播的路由器，表示该主机希望接收地 址为某个特定组播组地址的IP分组。 • 路由器通过IGMP查询和报告报文，对每个接 口维护一个表，表中记录接口上相关主机的组 播组信息。 • 加入组播组就是一个进程在该主机的给定接口 上同某组播组相关，给定接口上的组播组中的 成员主机是动态的。
考虑将信息发送给网络中的多个主机而非 所有主机的情形，根据上述两种通信方式： 1．采用广播方式，这种方法不仅会将信息发送 给不需要的主机而浪费带宽，也可能由于路由 回环引起严重的广播风暴。 2．采用单播方式，源主机分别向那些多个主机 以单播方式发送IP 包，但IP 包的重复发送会 浪费掉大量带宽，也增加了网络服务设备的负 载。
11.2 IP组播模型
• 实现IP多播的前提条件 – 主机的网络接口支持多播，同时主机上 的TCP/IP支持发送和接收IP多播数据包。 – 有一套用于加入、离开、查询的组管理 协议，如IGMP（v1,v2,v3）。 – 有一套IP地址分配策略，并能将IP多播地 址映射为MAC地址。 – 支持IP多播的应用软件。 – 所有介于多播源和接收者之间的路由器、 集线器、交换机均需支持多播；
两种广播地址
直接广播地址
直接广播向某个网络上所有的主机发送报 文。TCP/IP规定，主机号各位全部为“1” 的IP地址用于广播，叫作广播地址。
受限广播地址
受限广播地址是在本网络内部进行广播的 一种广播地址。TCP/IP规定，32比特全为 “1”的IP地址用于本网络内的广播。
11.1 IP组播概念
第11章 IP组播
在IP层引入组播功能机制的体系结构，称之为 IP组播。 IP 组播技术有效地解决了单点发送多点接收 的问题，实现了IP 网络中点到多点的高效数据传 送。
第11章 IP组播
• 11.1 IP组播概念 • 11.2 IP组播模型 • 11.3 Internet组管理协议(IGMP) • 11.4 组播路由