组播技术介绍

单播和组播的区别
视频服务器
组播 Multicast
视频服务器
单播 Unicast
×10 ×10 ×10
×10 ×10 ×10
组播应用 • 组播应用
–视频、音频会议 –传统的单播视频、音频会议系统„ • 网络电视 – 将电视节目或其他媒体节目转换为流媒体，在宽 带网络上进行播放 • 金融信息（股票行情）发布 – 在全国性的网络上提供各种信息发布服务，由用 户选择接收 • 宽带网络交互式游戏 • ...
routers
域内多播协议(PIM;MVPN)
域间多播协议(MSDP)
组播通信的四要素 • 组播通信模型
–组播四要素：
• 源发现 • 接收者发现 • 拓扑发现（组播路由器之间的拓扑、网络单播路由信 息） • 分发树生成
组播的IP地址
• 组播地址范围 – 224.0.0.0－239.255.255.255 • 保留组播地址 – 224.0.0.0－224.0.0.255 • 本地管理组地址 – 239.0.0.0－239.255.255.255 • 用户组播地址 – 224.0.1.0－238.255.255.255 • 组播MAC地址： – 以太网： 01-00-5e-xx-xx-xx
A B D (RP) F
符号表示：(*,G)
C E
* = 所有来源 G = 组
接收者1
接收者2
☆
组播转发
• 逆向路径转发(RPF-- Reverse Path Forwarding) – 组播包的转发不是基于IP包的目的地址的，而是用RPF检查决定是 否转发和丢弃输入信息包 – RPF检查的过程如下： • 路由器检查到达组播包的源地址，如果信息包是在可返回源站 点的接口上到达，则RPF检查成功，信息包被转发 • 如果RPF检查失败，丢弃信息包 • 对组播包源地址的检查是通过查询单播路由表来实现的
PIM v2 协议报文
• 封装在IP报文中，协议号为103。若采用多 播方式传送，则目的地址为224.0.0.13， TTL为1。 • 报文类型：
SM DM公用: SM专用: DM专用: Hello Join/Prune Assert Register/Register-Stop BootStrap Cand-RP-Adv Graft/Graft-Ack
来源1
最短路径或来源分布树
来源2
A
B
D
F
符号表示：(S,G)
C E
S = 来源 G = 组
接收者1
接收者2
☆
共享树的概念
共享树： 同有源树以信息源作根不同，共享树使用放在网络 的某些可选择的点的单独的公用树根。这个根常被 叫做汇合点RP（Rendezvous Point） 共享分布树
(RP) PIM汇合点 共享树
PIM-DM（2）－邻居发现
• 运行PIM-DM的接口定期(30秒)发送Hello，以 便与同网段上的PIM设备建立和维持邻居关系 ；同时通过PIM竞争产生本网段的DR。
PIM-DM（3）－数据转发
• PIM-DM模式的接口加入多播路由表项的出 接口的条件：
–在该接口上发现了PIM邻居 –在该接口上收到了关于组G的Join –在该接口上配置了静态的IGMP成员
此5位地址不作映射，因此32个IP
组播地址映射成一个MAC地址
32位IP组播地址 1110
IP组播地址后23位 映射到MAC地址中 48位MAC地址（以太网/FDDI） 0000000100000000010111100
多播转发及多播路由表
• 与单播相反，为了完成转发，多播路由器必须知道多播数据报文的源IP地 址。 • 多播路由使用反向路径转发机制：根据单播路由，查找到源的最佳路径。 • 多播路由表一般是一个四元组： {S，G，IIF，OIFs} S： 源IP地址 G： 组IP地址 IIF： 入接口 OIFs： 出接口列表 Tip: OIFs中一定不包含IIF • 多播路由一般有三种格式： （*， *， RP） 只匹配RP （*， G） 匹配Group IP （S， G） 同时匹配Source IP和Group IP
组播地址和组播MAC地址的映射关系
• • • • 来源：多播的L2 MAC地址是通过L3 IP映射出来的 L2 MAC的前3个字节总是0x01-00-5E 映射方法：取IP地址后23位作为MAC地址 重叠问题：由于不是IP地址的全部(32－4)位参与映射，丢失了5位数据，所以IP地址与MAC地址之间存在重叠－32: 1
– 静态指定 – 动态Bootstrap发布(需要Cand-RP-Adv协助)
• Cand-RP
RP的作用：做为共享树的根，并使组播域中的源在其上进行 注册，使接收者知道该域中存在那些源和对应的组播组。
基本概念（3）－BSR
• 为了在整个多播域内，发布所有候选RP信 息，需要至少指定一个BootStrap 路由器 (BSR)。 • BSR的功能是：收集本多播域中所有CandRP发布的Cand-RP-Adv信息；定期用 BootStrap消息向外发布。
组播技术的优缺点
• 优点 –增强效率，控制网络流量，减少服务器和CPU负载 –优化性能，消除流量冗余 –分布式应用，使多点传输成为可能 • 缺点 –组播应用基于UDP –尽最大努力交付 –无拥塞控制 –数据包重复 –数据包的无序交付
组播的体系结构
应用程序/多播地址
hosts
主机-路由器协议 (IGMP)
组播技术介绍
组播的概念
单播(unicast)：“一对一”通信，源主机为每一个接 收者都发一份拷贝。 组播(multicast)：“一对多”通信，介于广播单播之 间，源主机将同样的数据报发给多个接受者，但又 不是网络中全部的主机。
广播(broadcast)：“一对多”通信，广播包被发往 网络上的所有主机。这样会产生大量的数据报拷贝。
响应报告
响应报告
• 路由器定期发送查询 • 子网中每个组只有一个成员发送响应报告 • 其它成员被抑制不再发送报告
IGMPv2报文格式
0
类型
1
最大响应时间 组播组地址
2
校验和
3
• 以字节为单位
IGMP三版本比较
IGMP V1
查询器选举 离开方式 指定组查询 指定源、组加入 依靠上层路由协议 默默离开
IGMP V2
自己选举 主动发出离开报文
IGMP V3
自己选举 主动发出离开报文 有 有
无
无
有
无
版本1与版本2兼容处理
版本1 主机 版本1 主机
版本2 主机 版本1 路由器 版本2 路由器 路由器按 版本1方式 工作至版本 1定时器超时 版本2主机 被版本1主 机报告抑制
版本2 主机
版本1主机 报告抑制 版本2主机
数据从S1到达，RPF检查成功，路由器转发数据包
无组播功能交换机转发组播数据报
组播？？
IGMP——因特网组管理协议
• IGMP（Internet Group Management Protocol）协议是主机与路由器 之间唯一信令协议 • RFC1112规定了IGMP V1（支持windows95） • RFC2236规定了IGMP V2（支持windows和大多数Unix最新的服务包） • Draft-ietf-idmr-igmp-v3-03.txt规定了最新的IGMP V3
C Join A B
Receiver
基本概念（1.2）－DR 如果没有DR会怎样？
Server
If without DR what will happen? Join B
C Join A
Receiver
基本概念（2）－RP
• 在PIM-SM中，为了创建共享树，需要指定一个汇聚点 (RP)，作为RPT的根。 • RP和多播组之间具有1:n映射关系，映射关系是通过一 个Hash函数完成的。 • 在一个多播域中可能会有多个RP。但在该域中的所有 路由器上对于特定组G，必须映射到同一个RP。 • RP的发现机制有两种：
• 数据报文将复制并转发到所有的出接 口。
PIM-DM（4.1）－剪枝
剪枝
剪枝条件：收到数据的路由器没有接收者和邻居
PIM-DM（4.2）－剪枝延迟
不剪枝
PIM-DM（5）－嫁接
嫁接条件：剪枝区域出现接收者
PIM-DM（6）－竞争
• 竞争条件：在出接口上收到多播数据 • 竞争过程：通过比较路由的distance/metric值，若两 者相同，则比较IP地址 • 竞争的结果：只有一条数据转发路径
版本1 路由器
版本2 路由器 路由器按 版本1方式 工作
版本2帧 格式兼容 版本1帧 格式
版本2帧 格式兼容 版本1帧 格式 版本2路由 器强制配为 版本1方式 版本2路由 器强制配为 版本1方式
IGMP窃听建立和维护组
IGMP报告
1 CPU 0
转发表
MAC地址 端口 IGMP查询 2
01－02－03 0 1 3 5
PIM-DM
• • • • • •
概述 邻居发现与DR选举 数据转发 剪枝（Prune） 嫁接（Graft） 竞争（Assert）
PIM-DM（1）－概述
• PIM-DM假设网络中的组成员分布非常稠密 ，每个网段都可能存在组成员。基于这一 假设，PIM-DM的设计思路是：首先将数据 报文扩散到各个网段，然后再裁剪掉不存 在组成员的网段。 • PIM-DM通过周期性的“扩散—剪枝”，构 建并维护一棵连接组播源和组成员的单向 无环SPT。
基本概念（1.1）－DR
• 在共享介质的网络上，PIM 路由器将通过竞争产生出 指定路由器(DR)来负责这 个网段上的多播协议报文 的收发。 • DR选举是通过Hello报文的 交互完成的。 • DR的选举原则： –优先级次序，高优先级 获胜； –优先级相同，选接口IP 地址最大的作为DR。
Server
PIM协议
• PIM(Protocol Independent Multicast)是一种域内多 播路由协议。它不依赖于任何特定的单播路由协议。 • PIM协议根据其实现机制和适用环境分为密集模式 (Dense-Mode, DM)和稀疏模式(Sparse-Mode,SM)。密集 模式适合于多播源和接收者物理距离近、数据报文流量 大而且持续、接收者密度较大的网络，典型的例子是局 域网；稀疏模式适合于多播源和接收者散布在很大地域 且带宽有限的网络中，典型的例子如Internet 。 • PIM-SM采用主动的“加入－剪枝”机制维护多播转发树 。 • PIM-DM采用被动的“扩散－剪枝”机制维护多播转发树 。
例子：RPF检查
源
192.18.0.32
接收者
RPF检查失败，数据包 从错误接口到达
接收者
接收者
组播数据包
错误接口到达的 组播数据包
进一步观察：RPF检查成功
来自192.18.0.32的组播数据
S0 S1 S2 网段 192.18.0.0/16 168.0.253.0/24 15.15.0.0/16 接口 S1 S0 S2
PIM-DM（7.1）-工作过程
扩散——剪枝过程（Flood and Prune）：初始阶段
组播转发路径-树的概念
组播分布树
单播模型：数据包通过网络沿单一的路径从源主机 向目的主机传递
组播模型：数据包向任一被组播组地址表示的主机 传递；数据包在网络中的传播路径可以用一棵树来 描述－－组播分布树 组播分布树有两种形式： 有源树和共享树
有源树的概念
有源树： 有源树的树根是组播信息流的来源，有源树的分支 形成了通过网络到达接收站点的分布树。有源树以 最短的路径贯穿网络，所以也称最短路径树SPT （Shortest Path Tree）。
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组播路由协议概述
• • • • • DVMRP （距离矢量组播路由协议（Internet Draft）） 协议无关组播－密集模式（PIM-DM）（Internet Draft） 协议无关组播－稀疏模式（PIM-SM）（RFC 2362） 开放式组播最短路径优先（MOSPF）（RFC 1584） 其它（有核树组播路由协议＜CBTv2＞<RFC2189>等）
IGMP中路由器、主机动作
主动报告加入组
普遍查询 响应报告 离开组消息
指定组查询
IGMP中共享网段路由器动作
10.10.0.1/16 查询消息
10.10.0.3/16 查询消息
竞选失败停发查询消息 路由器失效停发查询消息 重新发送查询消息
报告抑制过程
10.10.0.1/16 查询消息
响应报告
响应报告