IP组播路由协议详细介绍
组播路由协议原理讲解
课程 DA000013 组播路由协议原理ISSUE 2.0DA000013 组播路由协议原理 ISSUE2.0 目录目录课程说明 (1)课程介绍 (1)课程目标 (1)第1章组播概述 (2)1.1 组播定义 (2)1.2 组播应用 (4)1.3 组播技术的特点 (8)第2章组播实现技术介绍 (9)2.1 组播体系结构 (9)2.2 组播地址 (11)2.3 IP地址到MAC地址的映射 (12)2.4 IP组播数据包的转发 (13)2.5 组播数据包的二层交换 (17)DA000013 组播路由协议原理 ISSUE2.0 课程说明课程说明课程介绍本课程主要介绍组播的相关技术。
IP组播是一种保存带宽的技术，它采用的方式是把一个单独的信息流同时传送到许多接收者那里，从而减少了网络的流量。
当信息（包括数据、语音和视频）传送的目的地址是网络中的少数用户时，传统上经常采用单播和广播两种传送方式。
采用单播（Unicast）的方式，需要为每个用户单独建立一条数据传送通路；采用广播（Broadcast）的方式，则需要把信息传送给网络中的所有用户，不管他们是否需要，都会接收到广播来的信息。
以上两种方式都浪费了大量宝贵的带宽资源，而且广播方式也不利于信息的安全和保密。
而组播很好的解决了这个问题。
课程目标完成本课程的学习后，您应该能够：●掌握组播的基本概念●掌握IGMP协议原理●掌握组播路由协议原理第1章组播概述1.1 组播定义单播、组播、广播是计算机网络上三种基本的通信方式。
单播是相互感兴趣的主机双方进行通信的方式，主机不能接收对其不感兴趣的其它主机发送的信息，属于点对点通信。
广播是主机向子网内所有主机发送信息，子网内所有主机都能收到来自某台主机的广播信息，属于点对所有点的通信。
组播则介于两者之间，是主机向一组主机发送信息，存在于某个组的所有主机都可以接收到信息，属于点对多点通信。
从这个意义上讲，广播可以认为是组范围最大化的组播。
IP组播协议
IP组播协议随着宽带的发展，多媒体的相关服务需求的日益增长刺激了IP组播技术的普及和发展，成为新一代网络的不可缺少的关键技术。
目前的IP组播技术已经相当成熟，这意味着运营商和企业已经可以通过该技术获得经济效益了。
成熟的IP组播组网1．主机和组播路由器之间的组播技术IGMP是惟一可选的协议，路由器通过使用该协议与主机进行通信，以了解局域网上的组播组，主机通过向路由器发送消息告诉路由器它希望“听”到哪个组的报文。
目前，成熟的版本为2，IETF工作组正在开发版本3。
2．路由协议对于大型的IP组播网，第三层的IP路由协议一般要分为域内组播协议和域间组播协议。
域内由运营商或企业自行管理，域间通过共同的约定域间组播协议实现域间的组播。
（1）域内组播路由协议包括DVMRP、PIM-DM、PIM-SM、MOSPF和CBT。
随着技术的进步和市场的选择，其中的PIM-SM协议脱颖而出，成为广泛支持的组播协议。
该协议的“显示加入”特性只会向需要组播报文的网络传播报文，同时组播源到接收者的网络延迟小，正是这两点因素使之成为域内组播协议的首选。
另外，占有市场份额最大的Cisco仅支持PIM-SM和PIM-DM，而PIM-DM由于其带有“广播”的特点，不适合大型网络，因此Cisco也推荐使用该协议作为域内组播协议。
（2）域间路由协议MBGP对BGP进行了一些扩展使之适合于多种协议的路由交换，但目前主要用于组播。
该协议增加了路由信息的状态，每一条路由可以标记为是单播的还是组播的路由。
这样就可以为组播维护其路由信息和状态，解决域间的组播路由问题。
要完成域间组播，除了要使用MBGP解决路由问题，对于PIM-SM域互联还要辅助使用MSDP，该协议如其名字一样主要用于解决不同域之间的组播源的发现问题。
通过组播源的发现，域之间可以互相知道存在的每一个域内的组播源，从而建立从组播源到组播接收者的组播分发树。
3．对以太网交换机的要求组播技术的出现对以太网交换机也提出了一定的要求。
IP组播概述超级总结
IP组播概述
1.通过单播/广播/组播实现点到多点的传输；区别在于单播同一时刻
只能向一个点传输，而广播可以同时向同一网段多点传输，容易形成信息泛滥，组播（基于UDP协议）将在同一时刻对指定接受者发送，可以跨网段并有效提高链路利用率
2.IANA将D类地址空闲分配给IPV4组播使用，范围：
224.0.0.0~239.255.255.255
本地管理组播地址：239.0.0.0~239.255.255.255;组播MAC地址：01-00-5e-xx-xx-xx
3.组播组管理协议运行于主机和路由器之间的协议，为IGMP（因特
网组播管理协议）
4.组播分发树为组播数据的转发路径，模型分为：（SPT 也称为“源
树”）最短路径树模型，（RPT）共享树，组播转发机制以逆向路径转发，以判断报文是否从树根以最短路径发送而来（组播转发的时候关心报文从哪里来）
5.组播路由可分为：域内组播和域间组播路由协议
6.组播协议体系：PIM（组播路由协议），
MSDP（域间组播路由协议），IGMP（组播管理协议）
7.组播模型：根据接受者对组播源处理方式的不同,可分为：ASM（任
意信源组播），SSM（指定信源组播），区别在于SSM的接收者已提前知道了组播源的具体位置。
IP 单播、广播、组播介绍
单播/组播/广播 通讯协议的特点及应用对比当前的网络中有三种通讯模式：单播、广播、组播，其中的组播出现时间最晚但同时具备单播和广播的优点，最具有发展前景。
一、单播：主机之间“一对一”的通讯模式，网络中的交换机和路由器对数据只进行转发不进行复制。
如果10个客户机需要相同的数据，则服务器需要逐一传送，重复10次相同的工作。
但由于其能够针对每个客户的及时响应，所以现在的网页浏览全部都是采用IP单播协议。
网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径，将IP单播数据传送到其指定的目的地。
单播的优点：1. 服务器及时响应客户机的请求2. 服务器针对每个客户不通的请求发送不通的数据，容易实现个性化服务。
单播的缺点：1. 服务器针对每个客户机发送数据流，服务器流量＝客户机数量×客户机流量；在客户数量大、每个客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负。
2. 现有的网络带宽是金字塔结构，城际省际主干带宽仅仅相当于其所有用户带宽之和的5％。
如果全部使用单播协议，将造成网络主干不堪重负。
现在的P2P应用就已经使主干经常阻塞，只要有5％的客户在全速使用网络，其他人就不要玩了。
而将主干扩展20倍几乎是不可能。
主机之间“一对所有”的通讯模式，网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制并转发，所有主机都可以接收到所有信息（不管你是否需要），由于其不用路径选择，所以其网络成本可以很低廉。
有线电视网就是典型的广播型网络，我们的电视机实际上是接受到所有频道的信号，但只将一个频道的信号还原成画面。
在数据网络中也允许广播的存在，但其被限制在二层交换机的局域网范围内，禁止广播数据穿过路由器，防止广播数据影响大面积的主机。
广播的优点：1. 网络设备简单，维护简单，布网成本低廉2. 由于服务器不用向每个客户机单独发送数据，所以服务器流量负载极低。
广播的缺点：1. 无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务。
2. 网络允许服务器提供数据的带宽有限，客户端的最大带宽＝服务总带宽。
组播基本协议简介
组播基本协议简介组播基本协议简介1 组成员管理协议简介2 组播路由协议2.1 组播路由协议基本概念2.2 DVMRP简介在IP组播通讯中需要完成两个方面的基本工作：组播成员如何加入组播以及如何将组播数据传送到它的接收者那里去。
由此产生了组播的两类基本协议：组成员管理协议和组播路由协议。
1 组成员管理协议简介Internet组管理协议(IGMP)在IP主机上应用，并向任一个邻近的路由器报告他们的组播成员关系。
它包含两个方面的内容：主机端和路由器端。
目前IGMP协议已有三个版本既IGMPv1，IGMPv2，IGMPv3。
IGMPv2在IGMPv1的基础上增加了对报告相应时间的控制，并加入退出控制的机制，减少了成员离开组的延时。
而IGMPv3则加入了对组播源地址的选择。
和ICMP一样, IGMP 也是IP的一个组成部分。
要求在所有想接收IP组播的主机都进行实现。
IGMP消息封装在IP报文中，其IP的协议号为2。
此处介绍以IGMPv2为例，所有和主机相关的IGMP 消息见下：0 1 2 3+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Type | Max Resp Time | Checksum |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Group Address |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+图1 IGMPv2格式图IGMP协议包含三种类型的报文，并用type字段进行区分，分别为：Type = 0x11 成员关系查询。
该类型进一步分为两个子类，一般组查询消息和特定组查询消息。
一般组查询用于了解在一个子网中是否有组成员，而特定组查询则用于了解在一个子网中是否有特定组播组的成员。
组播协议详细介绍
一、概述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。
IP TV、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IP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（Multicast）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)。
IP单播广播组播介绍
IP单播广播组播介绍IP（Internet Protocol）是一种网络协议，用于在因特网中传输数据。
在IP协议中，数据被分割成小的数据包，并通过网络节点进行路由传递。
在数据传输过程中，IP协议支持不同类型的数据传输方式，包括单播、广播和组播。
本文将详细介绍这三种 IP 数据传输方式的概念、特点和应用场景。
一、单播（Unicast）单播是IP协议中最基本的数据传输方式，它用于将数据从一个发送方传递到一个接收方。
在这种模式下，数据包从源IP地址发送到目的IP地址，经过网络中的路由器逐跳传递，直到到达目的地。
特点：1.点对点传输：单播传输模式是一对一的通信方式，只有一个发送方和一个接收方之间进行数据传递。
2.可靠性：单播传输模式使用TCP（传输控制协议）或UDP（用户数据报协议）进行传输，确保数据的可靠性和完整性。
3.定向传输：单播传输模式中，数据包根据目的IP地址进行路由，只有目标接收方能够接收和处理该数据包。
应用场景：1.网页浏览：当用户在浏览器中输入网址时，浏览器通过单播方式发送HTTP请求到服务器，服务器将相应的数据通过单播方式回复给浏览器。
2.电子邮件：当发送邮件时，邮件端通过单播方式将邮件从发送方传递到接收方的邮件服务器。
二、广播（Broadcast）广播是一种将数据包传递到网络中的所有主机的传输方式。
在广播模式下，数据包从源IP地址发送到目的IP地址为广播地址的所有主机上，以确保所有主机都能够接收到数据包。
特点：1.一对多传输：广播传输模式是一对多的通信方式，将数据包发送到网络上的所有主机，而不仅仅只有一个目标接收方。
2.无需目标IP地址：在广播模式下，源IP地址可以设置为广播地址，以便将数据包发送到整个网络。
3.简单快捷：广播模式通过使用广播地址，简化了发送方设置目标主机IP地址的过程。
应用场景：1.网络发现：在局域网中，主机可以发送广播消息以寻找其他主机，并建立网络连接。
2.ARP（地址解析协议）查询：当主机要发送数据包时，需要通过广播方式查询目标主机的MAC地址，以便将数据包正确发送到目标主机。
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。
1. 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224.0.0.0到239.255.255.255。
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IP组播路由协议详细介绍
一、概述
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。
IP TV、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IP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（Multicast）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224.0.0.0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 XXXXXXXX
3、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，IGMPv1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。
IGMPv1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。
PIM-SM显式的加入机制
PIM-SM通过建立组播分发树来进行组播数据包的转发。
组播分发树分为两种：以组G的RP为根的共享树（Shared Tree）和以组播源为根的最短路径树（Shortest Path Tree）。
PIM-SM通过显式的加入/剪枝机制来完成组播分发树的建立与维护。
如上图所示：
当DR收到一个发自接收端的加入（Join），它就会向着组G的RP方向逐跳组播发出一个（*，G）加入信息用以加入共享树；
源主机向组发送组播数据时，源的数据被封装在注册消息内，并由其DR 单播至RP，RP再将源的解封装数据包沿着共享树转发到各个组成员；
RP朝着源方向向第一跳路由器发送（S，G）加入信息，用以加入此源的最短路径树，这样源的数据包将沿着其最短路径树不加封装地发送到RP；
当第一个组播数据沿此树到达时，RP向源的DR发送注册-停止消息，以使DR停止注册封装过程。
此后，这个源的组播数据不再注册封装，而是先沿着源的最短路径树发送到RP，再由RP 将其沿着共享树转发到各个组成员。
当不再需要组播数据时，DR向着组G的RP逐跳组播剪枝消息用以剪枝共享树。
PIM-SM中还涉及到其根节点RP的选择机制。
PIM-SM域内配置了一个或多个候选自举路由器(Candidate-BSR)。
应用一定的规则从中选出自举路由器(BSR)。
PIM-SM域中还配置了候选RP路由器(Candidate-RP)，这些候选RP将包含了它们地址及可以服务的组播组等信息的包单播至自举路由器。
BSR 定期生成包括一系列候选RP以及相应的组地址的"自举"消息。
"自举"消息在整个域中逐跳发送。
路由器
接收并保存这些"自举"消息。
若DR 从直连主机收到了某组的成员关系报告后，如果它没有这个组的路由项，DR 将使用一个hash算法将组地址映射至一个可以为该组服务的候选RP。
然后DR 将朝RP方向逐跳组播"加入/剪枝"消息。
若DR从直连主机收到组播数据包，如果它没有这个组的路由项，DR 将使用hash算法将组地址映射至一个可以为该组服务的候选RP。
然后DR将组播数据封装在注册消息中单播到RP。