IP组播与组播协议

IP组播与组播协议在Internet上，多媒体业务诸如：流媒体，视频会议和视频点播等，正在成为信息传送的重要组成部分。点对点传输的单播方式不能适应这一类业务传输特性- 单点发送多点接收，因为服务器必须为每一个接收者提供一个相同内容的IP报文拷贝，同时网络上也重复地传输相同内容的报文，占用了大量资源。如图1.1所示。虽 然IP广播允许一个主机把一个IP报文发送给同一个网络的所有主机，但是由于不是所有的主机都需要这些报文，因而浪费了网络资源。在这种情况下组播(multicast) 应运而生，它的出现解决了一个主机向特定的多个接收者发送消息的方法。1989年，IETF通过RFC1112，定义了 Internet上的组播方式。图1.11. IP组播IP组播是指一个IP报文向一个“主机组”的传送，这个包含零个或多个主机的主机组由一个单独的IP地址标识。主机组地址也称为“组播地址”，或者D类地址。 除了目的地址部分，组播报文与普通报文没有区别，网络尽力传送组播报文但是并不保证一定送达。主机组的成员可以动态变化，主机有权选择加入或者退出某个主机组。主机可以加入多个主机组，也可以向自己没有加入的主机组发送数据。主机组有两种：永久 组和临时组。永久组的IP地址是周知的，由Internet管理机构分配，是保留地址。临时组的地址则使用除永久组地址外的非保留D类地址。IP组播分组在互联网上的转发由支持组播的路由器来处理。主机发出的IP组播分组在本子网内被所有主机组成员接收，同时与该子网直接相连的组播路由器会把 组播报文转发到所有包含该主机组成员的网络上。组播报文传递的范围由报文的生存期值(TTL, Time-to-Live)决定，如果TTL值等于或者小于设置的路由器端口 TTL 门限值(TTL Threshold)，路由器将不再转发该报文。2. 组播地址IP组播地址，或称为主机组地址，由D类IP地址标记。D类IP地址的最高四位为“ 1110”，起范围从到239.255.255.255。如前所述，部分D类地址 被保留，用作永久组的地址，这段地址从224.0.0.0-224.0.0.255。比较重要的地址有：224.0.0.1 网段中所有支持组播的主机224.0.0.2 网段中所有支持组播的路由器224.0.0.4 网段中所有的DVMRP路由器224.0.0.5 所有的OSPF路由器224.0.0.6 所有的OSPF指派路由器224.0.0.9 所有RIPv2路由器224.0.0.13 所有PIM路由器临时主机组的组播地址由网络管理员选择，他需要保证这个地址在一定的范围内没有其他的主机组在使用这个组播地址。第2层的组播地址(组播MAC地址)可以从IP组播地址中衍生。计算方法是把IP地址的最后23位拷贝到MAC地址的最后23位，然后把这23位前面的那一位置为 0。MAC地址的前24位必须为0x01-00-5E。例如：组播IP地址8，16进制表示为0xE0-00-01-10，最低的23位为0x00-01-10，计算得出的MAC地址为： 0x01-00-5E-00-01T0。3.Internet 组管理协议(IGMP)IGMP协议由主机成员关系协议发展而来，目前有两个版本：IGMPv1 (RFC1112)，IGMPv2 (RFC2326)。主机使用IGMP消息通告本地的组播路由器它想接收组播流量 的主机组地址。如果主机支持IGMPv2，它还可以通告组播路由器它退出某主机组。组播路由器通过IGMP协议为其每个端口都维护一张主机组成员表，并定期的探询表 中的主机组的成员，以确定该主机组是否存活。IGMP消息被置于IP报文中传送。IGMPv1的报文如图1.2所示。IGMPv1中定义了两种消息类型：主机成员询问和主机成员报告。当某主机想要介绍某个组播流量时， 它向本地的组播路由器发送主机成员报告消息，告知欲接收的组播地址。组播路由器收至主机成员报告消息后把该主机加入指定的主机组，并在设定的周期内向组播地址224.0.0.1 (代表所有支持组播的主机)发送主机成员询问消息。主机如果还想继续接收组播流量，必须发逬主机成员报告消息。IGMPv2的报文如图1.3所示。与IGMPvl不同的是它将版本字段和消息类型字段融合，把未使用字段作了最大响应时间字段。IGMPv2报文的消息类型字段定义了 四种消息类型：图1.30x11 -成员询问0x12 - IGMPv1成员报告0x16 - IGMPv2成员报告0x17 -退出主机组IGMPv2向前兼容IGMPV1协议，IGMPV1的设备可以接收处理IGMPv2的消息报文。IGMPv2中允许路由器对指定的主机组地址做成员询问，非该组的主机不必响 应。如果某主机想退出，它可以主动向路由器发送推出主机组消息，而不必像IGMPV1中那样只能被动退出。4. CGMP协议在交换网络中，2层交换机可能即不了解哪个端口有哪些组播组，也不能在其源MAC地址表中找到组播MAC地址的表项。从而，交换机只能简单地把组播报文向所 有端口转发，组播的优势将大大削弱。因此，Cisco提出CGMP协议，让组播路由器来配置交换机的组播转发表，从而彻底解决交换网络中的组播问题。CGMP ( Cisco Group management protocol全称Cisco组管理协议，采用CGMP的路由器将主机加入或者退出组播组的IGMP消息通知交换机，交换机则根据该消息 将该主机所在端口从组播转发表中加入或者删除。通过CGMP协议的使用，2层交换机可以掌握接收组播的主机的情况，从而提高整个网络的性能和利用率。通过IGMP协议提高IP多媒体流传输效率利用IP实现多媒体流传输将是未来互联网的一个重要应用，而提高基于传输的可靠性、提供更丰富的内容和提高服务质量是该应用取得成功的关键IGMP多播方案能有效利用带宽，利用该方案设计工程师可 构建符合这三个要求的宽带设备。本文详细介绍1GMP协议特点和实现方法。随着单一的数据业务收入增长放缓，运营商必须推出各种新业务。通过已有的宽带网络提供视频传输服务，从而使已有的宽带网络获得较高的投资回报。然而，网络运营商和多业务运营商(MSO)将面临如何在基于因特网协议(IP)的网络中进行视频传输的困难。尽管IP为数据网络带来了许多好处，但在进行视频传输时面临很多挑战，至少对于要求高服务质量(QoS)的视频流传输而言，性能不稳定的IP网络并非一个友好的环境。幸运的是，设计工程师可以通过多播数据流来解决IP数据流的传输问题。多播数据流采用因特网组群管理协议(IGMP)，本文将详细讲述IGMP多播如何在宽带网络中有效地传输视频流。IGMP协议IGMP是通过充分利用IP堆栈来实现的。网络堆栈由不同的层构成， 每一层只和相邻的上、下层通信。IGMP使用第2层和第3层，使用方 式与通常的单播或广播流略微不同。在网络上传输的数据流由数据包组成，每个数据包头均带有该数据包的起始地址和目的地址信息。单播数 据流(如文件传输)的起始地址十分明显，该地址就是IP地址，位于第3层或IP数据包头中，而起始媒体 访问控制(MAC)地址则位于第2层或数据链路层上。广播数据包的格式与单播数据包的格式一样，但在广播数据包中，目的地址是一个广播地址。因此，对于 网络地址为的IP网络来说，它的目的地址是192.168.34.255。多播数据流也必须遵循与单播和广播数据流相同的基本格式，它们之间的差别在于其目的地址的不同。IGMP 多播数据流具有一个D类目的地址，范围为到239.255.255.255。该目的地址并不对应于网络 中某台具体的电脑或主机，而是与网络中距离最近的第3层设备相匹配，通常为网络中的一个路由器。当多播数据包到达路由器时，路由器必须决定是继续传输该数据包还是停止传输。必须注意的是，作为该 数据包目的地址的D类IP地址并非某一台实际的主机，而是一个组，它们必须先与离它最近的路由器连接, 然后再告知数据流传输主机。如果是首次到达的数据包，路由器便会开始“构建组”。如果其它主机没有 要求路由器从该组接收数据，那么这些数据包将被丢弃。发送D类地址作为请求多播数据流请求也使用D类地址。如果一台主机希望寻找某个多播组，它会向保留地址发送一 个“加入”信息。通过该保留地址，此信息实际上发送给了“子网上所有的路由器”。当主机要求加入某 个特殊组时，这条路径上的路由器便会将该请求向外发送出去。最后，当找到该组时，数据流会顺着相同 路径传回给提出请求的主机。numI.JASHWHS?*昂由樹虑亦目!2275j.6&：1234|辭辜:;儿些少* _*rimS券平抚邯止 百舟魚琲-fiffMiA|当主机接收完毕，决定不再需要该数据流时，它也向某个特殊的多播 地址发送信息，然后该数据流便会停止发送。在实际操作中，在由各 个路由器和其它第3层设备组成的不同树结构中将会“删除”这台接 收完毕的主机，数据流也不再发送给它。IGMP的作用IGMP协议很有用，基于该协议，主机要求加入一个组的请求不必到达离数据流传输主机最近的路由器。如 果一台主机申请加入数据流传输路由中的某个多播组，那么离数据流传输路由器最近的路由器便会将这些 数据包进行复制，然后从这一请求多播的端口大量地向下传输给提出申请的主机。因此尽管每台提出请求 的主机都可以接收到数据流，但由于这些请求并没有传输到源服务器，而数据流也只在需要多播的路由器 上进行复制而不是在源服务器上复制，因此可以节省整个网络的带宽。如果某一系统只能进行单播而不能进行多播，那么每个请求都必须返回到源服务器，然后单独从源服务器 获得所需的数据流。尽管在某种意义上来说这样比较方便，例如主机可在从开始到结束的整个过程中的任 一时候按自己的需要加入，但这种方法效率较低，而且并不节省网络资源。IGMP多播的实现在IP多播中，每台请求接收的PC都可以获得所需的数据流，而网络本身则管理这些PC和客户组。为了实现IGMP多播，网络必须知道数据流在何处及何时进行复制。使用IGMP多播时，发送器（源服务器）将数据流和附加信息发送到离它最近，或在同一子网中的路由器。接 收到信息后，路由器创建一个符合D类IP地址定义的组目的地址（GDA）。路由器随后查看是否有客户机需要该多播组。如果没有，路由器便丢弃那些从发送器传来的数据包，不再继续发送（见图1）。但是，如果有客户机希望接收这些数据流，即使这一客户机位于远程网络中，路由器将执行下列步骤:1. 首先，接收器将一个专用多播IP地址发送到其子网中的所有路由器，并申明它希望加入一个多播组;2. 如果子网中的路由器找到了该多播组，它开始将数据包发送给提出请求的接收器。相反，如果路由器没 有找到IGMP组，它便向外发送信息并开始找寻这个组；3. 通过与其它路由器通信，最初发送请求的路由器便可找寻到这个多播组。路由器之间的通信基于各种 IGMP使用的“路由”协议，如多播开放最短路径优先(MOSPF)和距离向量多播路由协议(DVMRP)。4. 当多播组找到后，该路径上的路由器便作为“源”路由器，发送或复制该数据流。IGMP方案的最大好处在于节省了带宽。如图2所示，网络A中的远程接收器从紧接源路由器后的第一个路 由器接收一个数据流。支持IGMP第2版的源路由器仅在需要复制的地方(本例中是在源路由器后的第一个 路由器)将这一数据流进行复制，而不是在源路由器进行复制，因此节省了带宽。目前使用的IGMP版本为第2版。IGMP第1版和第2版之间的主要差别在于如何从多播组中去除客户机。 第1版中规定，即使接收器不再需要某个数据流，路由器仍继续向该接收器发送数据流，并持续几分钟。 在IGMP第1版中，当客户机希望停止接收数据流时，它无法告知路由器。第2版则规定，接收器可发送信 息告知路由器，如果没有其它接收器出现便可停止发送数据包。因此，与第1版相比，第2版能节省更多 的带宽。组播 (Multicast)2007-06-28 10:13一、引言1、组播技术引入的必要性随着宽带多媒体网络的不断发展，各种宽带网络应用层出不穷IPTV、视频会议、数据和资料分发、网络音频应用、网络视频应用、多媒体远程教育等宽带应用都对现有宽带多媒体网络的承载能力提出了挑战。采用单播技术构建的传统网络已经无法满足新兴宽带网络应用在带宽和网络服务质量方面的要求，随之而来的是网络延时、数据丢失等等问题。此时通过引入P组播技术，有助于解决以上问题。组播网络中，即使组播用户数量成倍增长，骨干网络中网络带宽也无需增加。简单来说，成百上千的组播应用用户和一个组播应用用户消耗的骨干网带宽是一样的，从而最大限度的解决目前宽带应用对带宽和网络服务质量的要求。2、IP 网络数据传输方式组播技术是IP网络数据传输三种方式之一，在介绍IP组播技术之前，先对IP网络数据传输的单播、组播和广播方式做一 个简单的介绍：单播（Unicast）传输：在发送者和每一接收者之间实现点对点网络连接。如果一台发送者同时给多个的接收者传输相同的数据， 也必须相应的复制多份的相同数据包。如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时，将导致发送者负担沉重、延迟长、网 络拥塞；为保证一定的服务质量需增加硬件和带宽。组播（Muiticast）传输：在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接。如果一台发送者同时给多个的接收者传输相同的 数据，也只需复制一份的相同数据包。它提高了数据传送效率。减少了骨干网络出现拥塞的可能性。广播（Broadcast）传输：是指在IP子网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。广播意味着网络向子网 每一个主机都投递一份数据包，不论这些主机是否乐于接收该数据包。所以广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，通 过路由器和交换机网络设备控制广播传输。二、组播技术1、IP组播技术体系结构组播协议分为主机-路由器之间的组成员关系协议和路由器-路由器之间的组播路由协议。组成员关系协议包括IGMP（互连网 组管理协议）。组播路由协议分为域内组播路由协议及域间组播路由协议。域内组播路由协议包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP等协 议，域间组播路由协议包括MBGP、MSDP等协议。同时为了有效抑制组播数据在链路层的扩散，引入了 IGMP Snooping、CGMP等 二层组播协议。IGMP建立并且维护路由器直联网段的组成员关系信息。域内组播路由协议根据IGMP维护的这些组播组成员关系信息，运用 一定的组播路由算法构造组播分发树进行组播数据包转发。域间组播路由协议在各自治域间发布具有组播能力的路由信息以及 组播源信息，以使组播数据在域间进行转发。2、组播IP地址组播IP地址用于标识一个IP组播组。IANA把D类地址空间分配给IP组播，其范围是从到239.255.255.255。如下图所示（二进制表示），IP组播地址前四位均为1110。八位组（1） 八位组（2） 八位组（3） 八位组（4） 1110XXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX3、组成员关系协议 （IGMP）IGMP协议运行于主机和与主机直接相连的组播路由器之间，主机通过此协议告诉本地路由器希望加入并接受某个特定组播 组的信息，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（即该网段是否仍有属于某个组 播组的成员），实现所连网络组成员关系的收集与维护。IGMP有三个版本，IGMPvl由RFC1112定义，目前通用的是IGMPv2，由RFC2236定义。IGMPv3目前仍然是一个草案。IGMPvl 中定义了基本的组成员查询和报告过程，IGMPv2在此基础上添加了组成员快速离开的机制，IGMPv3中增加的主要功能是成员可 以指定接收或指定不接收某些组播源的报文。这里着重介绍IGMPv2协议的功能。IGMPv2通过查询器选举机制为所连网段选举唯一的查询器。查询器周期性的发送普遍组查询消息进行成员关系查询；主机 发送报告消息来应答查询。当要加入组播组时，主机不必等待查询消息，主动发送报告消息。当要离开组播组时，主机发送离 开组消息；收到离开组消息后，查询器发送特定组查询消息来确定是否所有组成员都已离开。通过上述IGMP机制，在组播路由器里建立起一张表，其中包含路由器的各个端口以及在端口所对应的子网上都有哪些组的 成员。当路由器接收到某个组G的数据报文后，只向那些有G的成员的端口上转发数据报文。至于数据报文在路由器之间如何 转发则由路由协议决定，IGMP协议并不负责。4、网络二层组播相关协议网络二层组播相关协议包括IGMP Snooping ,IGMP Proxy和CGMP协议。IGMP Snooping的实现机理是：交换机通过侦听主机发向路由器的IGMP成员报告消息的方式，形成组成员和交换机接口的 对应关系；交换机根据该对应关系将收到组播数据包只转给具有组成员的接口。IGMP Proxy与IGMP Snooping实现功能相同但机理相异：IGMP snooping只是通过侦听IGMP的消息来获取有关信息，而IGMP Proxy则拦截了终端用户的IGMP请求并进行相关处理后，再将它转发给上层路由器。CGMP（Cisco Group Management Protocol）是Cisco基于客户机/服务器模型开发的私有协议，在CGMP的支持下，组播路由 器能够根据接收到的IGMP数据包通知交换机哪些主机何时加入和脱离组播组，交换机利用由这些信息所构建的转发表来确定将 组播数据包向哪些接口转发。GMRP是主机到以太网交换机的标准协议，它使组播用户可以在第二层交换机上对组播成员进行注nri-册。5、组播路由协议（PIM-SM）众多的组播路由协议中，目前应用最多的协议是PIM-SM稀疏模式协议无关组播。在PIM-SM域中，运行PIM-SM协议的路由器周期性的发送Hello消息，用以发现邻接的PIM路由器，并且负责在多路访问 网络中进行指定路由器（DR）的选举。这里，DR负责为其直连组成员朝着组播分发树根节点的方向发送加入/剪枝消息，或是将 直连组播源的数据发向组播分发树。组播介绍一、一组播产生的原因随着Internet的迅速普及以及一些高带宽应用的发展，如视频会议，视频点播，等等，网路显得越来越来拥挤，于是人们提出 各种解决网络拥挤的方案，而组播正是其中比较有优点的一项技术。二组播的基础1。组播的工作原理组播是一个发送者或多个发送者将数据同时发送给一组（多个）接受者而且只用发送一份数据，数据在传送过程中组播 路由器会将数据复制传送给需要数据的主机。相比较，单播是一个发送者将数据同时发送个一个接受者，如果要发个多个接收 者，就的将数据同时发送多份，显然这将占用大量带宽。而广播虽然也能同时发送给多个接收者并且数据也是单一发送的，但 接受者只能是全体网络而且路由器和交换机都不会转发广播，所以组播既可以发送给特定的一组成员也可以在大型网络中使用 而且对带宽的占用也是很小的。2. 组播的缺点虽然组播的优点比较明显，但也存在缺点，最大的缺点是组播是基于UDP传送的，所以它无法对网络的拥塞进行控制，而且在传送过程中容易出现乱序的问题3.组播组收受数据的主机必须是组成员而发送者不必是，而且是全体组成员都会收到发往该组的数据4.组播地址组播的地址是保留的D类地址从，而且一些地址有特定的用处如，224.0.0.0244.0.0.255 只能用于局域网中路由器是不会转发的，并且是所有主机的地址所有路由器的地址所有ospf 路由器的地址，事PIMv2路由器的地址；是私有地址（如192.168.x.x）； 224.0.1.0238. 255.255.255 可以用与 Internet 上的。2层的MAC地址是如何与3层的IP地址进行映射的呢？通过将MAC地址的前25位强行规定位0100.5e，而后23位对应IP 地址的后23位，而组播IP地址的前4位均相同如：IP 地址：MAC 地址：显然有32个IP地址（有5个y可以不一样）对应一个MAC地址，所以要避免在同一网络中使用的多个组播IP地址对应一个MAC 地址。5.IGMP当主机要加入一个组播组是，主机就会发送一个IGMP的report来加入一个组播组，而要保持组播组就需要路由器定期（每 隔60s）来发送一个查询，如果还有主机在组中，主机就会对查询作出一个应答，路由器就会保持组数据的传输，但如果组中已 经有一个成员做出了应答，那么其他成员就会通过一个抑止技术，来抑止自己的应答，相当于只有一个主机做出了应答。在IGMPv1中，当一个主机要离开一个组时，它是不会通知路由器的，路由器通过3次查询都没有应答来知道该主机已经来 开组了，就不在传输该组的数据，这样一来，路由器知道主机离开组播组就存在延时，所以在IGMPv2中，当主机要离开时就会 发送一个消息通知路由器，路由马上就会发送一个查询看还有没有其他的成员如果没有了就马上停止该组数据的传输6组播树a在单播模型中，数据包通过网络沿着单一路径从源主机向目标主机传递，但在组播模型中，组播源向某一组地址传递数据包，而这一地址却代表一个主机组。为了向所有接收者传递数据，一般采用组播分布树描述IP组播在网络里经过的路径。组播分布树有四种基本类型：泛洪法、有源树、有核树和steiner树。洪泛法（Flooding）这是最简单的向前传送组播路由算法，并不构造所谓的分布树。其基本原理如下：当组播路由器收到发往某个组播地址的 数据包后，首先判断是否是首次收到该数据包，如果是首次收到，那么将其转发到所有接口上，以确保其最终能到达所有接收 者；如果不是首次收到，则抛弃该数据包。洪泛法的实现关键是“首次收到”的检测。这需要维护一个最近通过的数据包列表，但无需维护路由表。它适合于潮播 需求比较高的场合，并且能做到即使传输出现错误，只要还存在一条到接收者的链路，则所有接收者都能接收至组播数据包。 然而，洪泛法不适合用于Internet,因为它不考虑链路状态，并产生大量的拷贝数据包。此外，对于高速网络而言，“首次收 到”列表将会很长，占用相当大的内存；尽管它能保证不对相同的数据包进行二次转发，但不能保证对相同数据包只接收一次 有源树有源树也称为基于信源的树或最短路径树（Shortest Path Tree： SPT）。它是以组播源为根构造的从根到所有接收者路径 都最短的分布树。如果组中有多个组播源，则必须为每个组播源构造一棵组播树。由于不同组播源发出的数据包被分散到各自 分离的组播树上，因此采用SPT有利于网络中数据流量的均衡。同时，因为从组播源到每个接收者的路径最短，所以端到端（end-to-end）的时延性能较好，有利于流量大、时延性能要求较高的实时媒体应用SPT的缺点是：要为每个组播源构造各自 的分布树，当数据流量不大时，构造SPT的开销相对较大。b 共享树共享树也称RP树（RPT），是指为每个组播组选定一个共用根（汇合点RP或核心），以RP为根建立的组播树。同一组播 组的组播源将所要组播的数据单播到RP，再由RP向其它成员转发。目前，讨论最多同时也是最具代表性的两种共享树是Steiner 树和有核树（CBT）。Steiner树是总代价最小的分布树，它使连接特定图（graph）中的特定组成员所需的链路数最少。若考虑资源总量被大量的 组使用的情况，那么使用资源较少最终就会减少产生拥塞的风险。Steiner树相当不稳定，树的形状随组中成员关系的改变而改 变，且对大型网络缺少通用的解决方案。所以Steiner树只是一种理论模型，而非实用工具。目前，出现了许多Steiner树的 次优启发式生成算法。有核树是由根到所有组成员的最短路径合并而成的树。A. Ballardie在1997年9月的基于核的组播路由体系结构（Core Based Trees (CBT) Multicast Routing Architecture) (RFC2189 和 RFC2201)中介绍了有核树。关于它的进一步讨论见下文。共享树在路由器所需存储的状态信息的数量和路由树的总代价两个方面具有较好的性能。当组的规模较大，而每个成员的数据发送率较低时，使用共享树比较适合。但当通信量大时，使用共享树将导致流量集中及根RP)附近的瓶颈。&组播的转发单播只关心下一跳在那里，而组播只关心数据从那里来的，所以router用RPF(Reverse Path Forward: RPF)对数据进行 检查看是否进行转发，如果router的接收数据端口是数据源到该端口的最短路径，则转发该数据如果不是则丢掉三、 三 PIM1 PIMDM向下传输，流量会贯穿整个网络，在不需要接受数据的节点路由器会进行裁减，支持所有的路由协议，应用于试验网络和路 由器测试2PIMSM采用注册的方法，如果接收者要接收数据它必须先到在RP上先注册然后RP会建立一个share tree，建立到source的最短路径，和到receiver的最短路径，最后会建立source到receiver的 最短路径。