组播技术(单播、广播、组播)

单播、广播、组播

随着Internet 的不断发展，数据、语音和视频信息等多种交互业务与日俱增，另外新兴的电子商务、网上会议、网上拍卖、视频点播、远程教学等对带宽和实时数据交互要求较高的服务逐渐兴起，这些服务对信息安全性、可计费性、网络带宽提出了更高的要求。

在网络中，存在着三种发送报文的方式：单播、广播、组播。下面我们对这三种传输方式的数据交互过程分别进行介绍和对比。

1.1.1 单播方式的信息传输过程

采用单播（Unicast）方式时，系统为每个需求该信息的用户单独建立一条数据传送通路，并为该用户发送一份独立的拷贝信息，如图1-1：

假设用户B、D 和E 需要该信息，则信息源Server 必须分别和用户B、D、E 的设备建立传输通道。由于网络中传输的信息量和要求接收该信息的用户量成正比，因此当用户数量很庞大时，服务器就必须要将多份内容相同的信息发送给用户。因此，带宽将成为信息传输中的瓶颈。

从单播信息的传播过程可以看出，单播的信息传输方式不利于信息规模化发送。

1.1.2 广播方式的信息传输过程

如果采用广播（Broadcast）方式，系统把信息传送给网络中的所有用户，不管他们是否需要，任何用户都会接收到广播来的信息，如图1-2：

假设用户B、D 和E需求该信息，则信息源Server 通过路由器广播该信息，网络其他用户A 和C 也同样接收到该信息，信息安全性和有偿服务得不到保障。

从广播信息的传播过程可以看出，广播的保密性和有偿性比较差。并且当同一网络中需求该信息的用户量很小时，网络资源利用率将非常低，带宽浪费严重。因此，广播不利于对特定用户进行数据交互，并且还严重的占用带宽。

1.1.3 组播方式传输信息

综上所述，单播方式适合用户较少的网络，而广播方式适合用户稠密的网络，当网络中需求某信息的用户量不确定时，单播和广播方式效率很低。

IP组播技术的出现及时解决了这个问题。当网络中的某些用户需要特定信息时，组播信息发送者（即组播源）仅发送一次信息，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的信息在距离用户端尽可能近的节点才开始复制和分发，如图1-3。

假设用户B、D 和E 需求该信息，为了将信息顺利地传输给真正需要该信息的用户，需要将用户B、D、E 组成一个接收者集合，由网络中各路由器根据该集合中各接收者的分布情况进行信息转发和复制，最后准确地传输给实际需要的接收者B、D 和E。

相比单播来说，组播的优点在于：

不论接收者有多少，相同的组播数据流在每一条链路上最多仅有一份。

使用组播方式传递信息，用户数量的增加不会显著增加网络的负载。

相比广播来说，组播的优点在于：

组播数据流仅会发送到要求数据的接收者。

不会造成网络资源的浪费，合理的利用带宽。

1.1.5 组播的优点和应用

1. 组播的优点

组播的优势在于：

提高效率：降低网络流量，减轻服务器和CPU 负荷。

优化性能：减少冗余流量。

分布式应用：使多点应用成为可能。

2. 组播的应用

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，能够节约大量网络带宽、降低网络负载。

组播功能主要有以下的应用：

多媒体、流媒体的应用，如：网络电视、网络电台、实时视/音频会议。

培训、联合作业场合的通信，如：远程教育。

数据仓库、金融应用（股票）等。

任何“点到多点”的数据发布应用。

1.2 组播模型分类

根据对组播源处理方式的不同，组播模型有下列三种：

ASM（Any-Source Multicast，任意信源组播）

SFM（Source-Filtered Multicast，信源过滤组播）

SSM（Source-Specific Multicast，指定信源组播）

1. ASM 模型

简单地说，ASM 模型就是任意源组播模型。在ASM 模型中，任意一个发送者都可以成为组播源，向某组播组地址发送信息。众多接收者通过加入由该组播组地址标识的组播组以获得发往该组播组的组播信息。在ASM 模型中，接收者无法预先知道组播源的位置，但可以在任意时间加入或离开该组播组。

2. SFM 模型

SFM 模型继承了ASM 模型，从发送者角度来看，两者的组播组成员关系完全相同。同时，SFM模型在功能上对ASM 模型进行了扩展。在SFM 模型中，上层软件对收到的组播报文的源地址进行检查，允许或禁止来自某些组播源的报文通过。因此，接收者只能收到来自部分组播源的组播数据。从接收者的角度来看，只有部分组播源是有效的，组播源被经过了筛选。

3. SSM 模型

在现实生活中，用户可能只对某些组播源发送的组播信息感兴趣，而不愿接收其它源发送的信息。SSM 模型为用户提供了一种能够在客户端指定组播源的传输服务。SSM 模型与ASM 模型的根本区别在于：SSM 模型中的接收者已经通过其他手段预先知道了组播源的具体位置。SSM模型使用与ASM/SFM模型不同的组播地址范围，直接在接收者和其指定的组播源之间建立专用的组播转发路径。

1.3 组播的框架结构

IP 组播技术比较复杂，其根本用途是以组播方式将信息从组播源传输到接收者手中，同时满足接收者对信息的各种需求。对于IP 组播，需要关注的是：

网络中有哪些接收者？即主机注册。

这些接收者需要从哪个组播源接收信息？即组播源发现技术。

组播源将组播信息传输到哪里？即组播寻址机制。

组播信息如何传输？即组播路由。

IP 组播属于一种端到端服务，按照协议层从下往上划分，组播机制包括以下四个部分：

寻址机制：借助组播地址，实现信息从组播源发送到一组接收者。

主机注册：使用组播成员注册机制实现接收主机动态加入和离开组播组。

组播路由：使用组播路由构建报文分发树，从组播源传输报文到接收者。

组播应用：组播源必须支持视频会议等组播应用软件，TCP/IP 协议栈必须支持组播信息的发送和接收。

1.3.1 组播地址

由于信息的接收者是一个组播组内的多个主机，因此需要面对信息源该将信息发往何处、目的地址如何选取的问题。

这些问题简而言之就是组播寻址。为了让信息源和组播组成员进行通讯，需要提供网络层组播地址，即IP 组播地址。同时必须存在一种技术将IP 组播地址映射为链路层MAC 组播地址。下面分别介绍这两种组播地址。

1. IP 组播地址

根据IANA（Internet Assigned Numbers Authority，因特网编号授权委员会）规定，IP 地址分为五类，即A 类、B 类、C 类、D 类和E 类。

单播报文按照网络规模大小分别使用A、B、C 三类IP 地址。

组播报文的目的地址使用D 类IP 地址，D 类地址不能出现在IP 报文的源IP地址字段。

E 类地址保留在今后使用。

在单播数据传输过程中，一个数据包传输的路径是从源地址路由到目的地址，利用“逐跳”（hop-by-hop）

的原理在IP 网络中传输。然而在IP 组播环境中，数据包的目的地不是一个，而是一组，形成组地址。所有的信息接收者都加入到一个组内，并且一旦加入之后，流向该组地址的数据立即开始向接收者传输，组中的所有成员都能接收到数据包，这个组就是“组播组”。

组播组具有以下的几个特点：

组播组中的成员是动态的，主机可以在任何时刻加入和离开组播组。

组播组可以是永久的也可以是临时的。

由IANA 分配组播地址的组播组称为永久组播组（又称之保留组播组）。

对于永久组播组，要注意的是：

永久组播组的IP 地址保持不变，但组中的成员构成可以发生变化。

永久组播组中成员的数量可以是任意的，甚至可以为零。

那些没有保留下来供永久组播组使用的IP 组播地址，可以被临时组播组使用。

D类组播地址范围是224.0.0.0～239.255.255.255，范围及含义见表1-2。

根据IANA 的约定，224.0.0.0～224.0.0.255 网段地址被预留给本地网络中的路由协议使用，常用的预留IP 组播地址列表如下：

说明：

和IANA 为IP 单播预留私有地址网段10.0.0.0/8 等类似，IANA 也为IP 组播预留了私有地址网段

239.0.0.0/8，这些地址属于管理范围地址。通过对管理范围地址的管理，可以灵活地定义组播域范围，实现不同组播域之间的地址隔离，有助于相同组播地址在不同组播域内的重复使用而不会冲突。

2. 以太网组播MAC 地址

以太网传输单播IP 报文的时候，目的MAC 地址使用的是接收者的MAC 地址。但是在传输组播报文时，传输目标不再是一个具体的接收者，而是一个成员不确定的组，所以需要使用组播MAC 地址作为目的地址。IANA规定，组播MAC地址的高24bit为0x01005e，MAC地址的低23bit为组播IP地址的低23bit，映射关系如图1-4所示：

由于IP 组播地址的高4bit 是1110，代表组播标识，而低28bit 中只有23bit 被映射到MAC 地址，这样IP 地址中就会有5bit 信息丢失，直接的结果是出现了32 个IP组播地址映射到同一MAC 地址上。

1.3.2 组播协议

说明：

通常，我们把工作在网络层的IP 组播称为“三层组播”，相应的组播协议称为“三层组播协议”，包括IGMP、PIM、MSDP 等；把工作在数据链路层的IP 组播称为“二层组播”，相应的组播协议称为“二层组播协议”，包括IGMP Snooping。

本节主要针对二、三层组播协议在网络中的应用位置和功能进行总体介绍，有关各协议的详细介绍请分别参见本手册其他各章节的介绍。

1. 三层组播协议

三层组播协议包括组播组管理协议和组播路由协议两种类型，它们在网络中的应用位置如图1-5所示。

(1) 组播组管理协议

在主机和与其直接相连的三层组播设备之间通常采用组播组的管理协议IGMP（Internet Group Management Protocol，互联网组管理协议），该协议规定了主机与三层组播设备之间建立和维护组播组成员关系的机制。

(2) 组播路由协议

组播路由协议运行在三层组播设备之间，用于建立和维护组播路由，并正确、高效地转发组播数据包。组播路由建立了从一个数据源端到多个接收端的无环（loop-free）数据传输路径，即组播分发树。

对于ASM 模型，可以将组播路由分为域内和域间两大类：

域内组播路由用来在AS（Autonomous System，自治系统）内部发现组播源并构建组播分发树，从而将组播信息传递到接收者。在众多域内组播路由协议中，PIM（Protocol Independent Multicast，协议无关组播）是目前较为典型的一个。按照转发机制的不同，PIM 可以分为DM（Dense Mode，密集模式）和SM（Sparse Mode，稀疏模式）两种模式。

域间组播路由用来实现组播信息在AS 之间的传递，目前比较成型的解决方案有MSDP（Multicast Source Discovery Protocol，组播源发现协议）等。

对于SSM 模型，没有域内和域间的划分。由于接收者预先知道组播源的具体位置，因此只需要借助PIM-SM 构建的通道即可实现组播信息的传输。

2. 二层组播协议

二层组播协议包括IGMP Snooping组播VLAN等，它们在网络中的应用位置如图1-6所示。

IGMP Snooping（Internet Group Management Protocol Snooping，IGMP 侦听）是运行在二层设备上的组播约束机制，通过侦听和分析主机与三层组播设备之间交互的IGMP 来管理和控制组播组，从而可以有效抑制组播数据在二层网络中的扩散。

1.4 组播报文的转发机制

在组播模型中，IP 报文的目的地址字段为组播组地址，组播源向以此目的地址所标识的主机群组传送信息。因此，转发路径上的组播路由器为了将组播报文传送到各个方位的接收站点，往往需要将从一个入接口收到的组播报文转发到多个出接口。与单播模型相比，组播模型的复杂性就在于此：

为了保证组播报文在网络中的传输，必须依靠单播路由表或者单独提供给组播使用的组播路由表来指导转发；为了处理同一设备在不同接口上收到来自不同对端的相同组播信息，需要对组播报文的入接口进行RPF （Reverse Path Forwarding，逆向路径转发）检查，以决定转发还是丢弃该报文。RPF 检查机制是大部分组播路由协议进行组播转发的基础。

RPF 机制除了可以保证正确地按照组播路由的配置转发组播报文外，还能避免由于各种原因而造成的环路。

1.4.1 RPF 机制的应用

路由器在收到由组播源S 向组播组G 发送的组播报文后，首先查找组播转发表：

(1) 如果存在对应的（S，G）表项，且该报文实际到达的接口与组播转发表中的入接口一致，则向所有的出接

口执行转发。

(2) 如果存在对应的（S，G）表项，但是该报文实际到达的接口与组播转发表中的入接口不一致，则对此报文

执行RPF 检查：

若检查结果表明RPF 接口与现存（S，G）表项的入接口相同，则说明（S，G）表项正确，丢弃这个来自错误路径的报文；

若检查结果表明RPF 接口与现存（S，G）表项的入接口不符，则说明（S，G）表项已过时，将入接口修改为该报文实际到达的接口，然后向所有的出接口执行转发。

(3) 如果不存在对应的（S，G）表项，则也对该报文执行RPF 检查。将RPF 接口作为入接口，结合相关路由

信息创建相应的表项，并下发到组播转发表中：

如果该报文实际到达的接口正是RPF 接口，则RPF 检查通过，向所有的出接口执行转发；

如果该报文实际到达的接口不是RPF 接口，则RPF 检查失败，丢弃该报文。

1.4.2 RPF 检查

执行RPF 检查的依据是单播路由。单播路由表中汇集了到达各个目的网段的最短路径。组播路由协议并不独立维护某种单播路由，而是依赖于网络中现有的单播路由信息创建组播路由表项。在执行RPF 检查时，路由器查找单播路由表的具体过程：以“报文源”的IP 地址为目的地址查找单播路由表，自动选取一条最优单播路由。对应表项中的出接口为RPF 接口，下一跳为RPF 邻居。路由器认为来自RPF 邻居且由该RPF 接口收到的组播报文所经历的路径是从源S 到本地的最短路径。

如图1-7所示，假设网络中单播路由畅通。组播报文沿从组播源（Source）到接收者（Receiver）的SPT进行传输。

SwitchC 从接口Vlan-int 1 收到来自Source 的组播报文，组播转发表中没有相应的转发表项。执行RPF 检查，发现单播路由表中到达网段192.168.0.0/24的出接口是Vlan-int 2 ，于是判断该报文实际到达的接口不是RPF 接口。RPF检查失败，该组播报文被丢弃。

Switch C 从接口Vlan-int 2 收到来自Source 的组播报文，组播转发表中没有相应的转发表项。执行RPF 检查，发现单播路由表中到达网段192.168.0.0/24的出接口正是该报文实际到达的接口。RPF 检查通过，向所有的出接口转发该报文。