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【TCP/IP】11. IP 组播

news 2025/7/11 5:40:59

11. IP 组播

11. 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 组播路由协议
- - 11.4.1 距离向量组播路由协议（DVMRP）
  - 11.4.2 开放式组播最短路径优先协议（MOSPF）
  - 11.4.3 与协议无关的组播（PIM）
  - 11.4.4 基于核心的树（CBT）
- 本章要点

11. IP 组播

11.1 IP 组播概念

IP 组播的提出
1988 年由 Deering 提出，在 IP 层引入组播功能机制，解决单点发送多点接收的问题，实现 IP 网络中点到多点的高效数据传送，又称多播。
传统 IP 通信方式的局限
- 单播（unicast）：源主机与单个目的主机通信，若需发送给多个主机，需重复发送 IP 包，浪费带宽且增加网络设备负载。
- 广播（broadcast）：源主机向网络中所有主机发送数据，会将信息发送给不需要的主机，浪费带宽，还可能因路由回环引发广播风暴。
- 结论：单播和广播均无法高效解决 “单点发送多点接收” 问题。
IP 组播的定义
源主机只发送一份数据，目的地址为组播组地址（D 类 IP 地址），仅组播组内的目标主机可接收该数据，组内所有接收者均能获取相同数据拷贝。
IP 组播的主要优点
- 降低主机和 CPU 负荷，增强网络效率；
- 控制网络流量，消除冗余，优化网络性能；
- 支持分布式应用（如视频会议、共享公告板、远程学习、财务数据发布等）。

11.2 IP 组播模型

核心：主机组（host group）
由多个主机组成，源主机构造以 D 类 IP 地址（组播组地址）为目的地址的数据包，以 “尽力而为” 方式转发到组内各主机。
组播组地址（D 类地址）
- 范围：224.0.0.0~239.255.255.255。
- 部分地址保留：
  - 224.0.0.1：子网内所有系统组；
  - 224.0.0.2：子网内所有路由组；
  - 224.0.0.9：RIP v2 协议使用；
  - 224.0.1.0~238.255.255.255：全球范围使用；
  - 239.0.0.0~239.255.255.255：限制在一个机构内使用。
组播地址与底层网络的映射
- 以太网（支持组播的网络）：将 IP 组播地址的低 23 位替换以太网组播地址 “01.00.5e.00.00.00” 的低 23 位，属于 “多对一映射”，映射后以太网组播地址范围为 01.00.5E.00.00.00~01.00.5E.7F.FF.FF。
  例：IP 组播地址 224.66.60.89（二进制：11100000.01000010.00111100.01011001）映射为以太网地址 01.00.5e.42.3c.59。
- 不支持组播的网络：将 IP 组播地址映射为本地广播地址。
组播传递结构
组播路由器（负责组播数据寻路和转发控制）及链路在网络中形成树形逻辑结构，称为 “传递树”，用于控制组播数据的传送。
组播协议分类
- 主机 - 路由器之间：组成员关系协议（如 IGMP）；
- 路由器 - 路由器之间：组播路由协议，又分为域内组播路由协议和域间组播路由协议。

11.3 Internet 组管理协议（IGMP）

IGMP 是主机与本地组播路由器之间的协议，用于维护组播成员关系，分为三个版本，功能逐步增强。

IGMP 版本演进
- IGMPv1（RFC 1112）：定义基本的组成员查询和报告过程；
- IGMPv2（RFC 2236）：增加特定组查询和组成员快速离开机制；
- IGMPv3（RFC 3376）：增加对组播源的过滤功能，成员可指定接收 / 拒绝特定源的报文。
IGMPv2 报文结构与字段
- 封装方式：IGMP 报文封装在 IP 数据报中，IP 首部协议字段值为 2，TTL 为 1；
- 报文长度：固定 8 字节；
- 字段说明：
  - 类型：0x11（一般 / 特殊查询）、0x16（成员报告）、0x17（离开报告）；
  - 最大响应时间：仅用于查询报文，单位为 1/10 秒，规定响应的最大允许时间；
  - 校验和：计算前需清 0；
  - 组播地址：查询报文中，普通查询置 0，特定组查询置目标组地址；报告 / 离开报文中，置对应的组播地址。
IGMPv2 工作过程
- 加入组播组：主机通过 IGMP 消息通知本地组播路由器希望加入的组，路由器通过 IGMP 维护组播成员列表（记录接口上的组播组信息），成员动态变化。
- 报告和查询：
  - 路由器向本网络所有系统（地址 224.0.0.1）发送 “成员资格查询” 报文；
  - 主机用 “成员资格报告” 报文回应（指明所属组）；
  - 采用 “消息抑制算法”：同一子网内，若已有主机发送某组的报告，其他主机不再重复发送（随机延迟 0-10 秒，减少网络负荷）。
- 查询者选择：
  - 连接多路由器的网络中，各路由器先假定自己是查询者并发送普通查询（源为自身接口地址）；
  - 路由器比较收到的查询报文源 IP 地址，最低 IP 地址的路由器成为查询者；
  - 非查询路由器启动计时器（默认为查询间隔的 2 倍），若超时未收到查询者报文，重新触发选择过程。
- 快速离开机制：成员离开时发送 “离开报告”，路由器收到后发送 “特定组查询”，若无响应则将该组从成员列表移除，降低脱离延迟。
IGMPv3 的增强功能
- 源过滤模式：
  - INCLUDE 模式：指定接收特定源的报文（包含源地址列表）；
  - EXCLUDE 模式：指定拒绝特定源的报文（排除源地址列表）。
- 报文与查询：
  - 兼容 v1/v2，协议值仍为 2，TTL=1；
  - 成员查询报文支持 “特定源组查询”，分为三种形式：普通查询（无组 / 源地址）、特定组查询（有组地址，无源码）、特定组和源查询（有组和源地址）。
- 成员报告：
  - 接口状态变化或收到查询时发送，携带一个或多个组记录；
  - 组记录分 6 种类型：类型 1/2（当前状态记录）、类型 3/4（过滤模式改变记录）、类型 5/6（源列表改变记录）。

11.4 组播路由协议

组播路由协议是路由器之间的协议，核心任务是构造组播分布树，确保组播分组高效传送到成员（无重复、无环路、路径最优）。

11.4.1 距离向量组播路由协议（DVMRP）

基础：基于源的路由协议，是距离向量路由协议（DVRP）在组播中的扩展，最优树在包转发过程中逐步形成。
核心机制：
- 反向通路转发（RPF）：路由器仅转发来自 “源到本路由器最短路径” 的包，其他包丢弃（避免环路，基于 DVRP 路由表，将源地址作为目的地址判断最短路径接口）。
- 反向通路广播（RPB）：解决 RPF 的重复包问题，为特定源指定唯一父路由器，确保每个网络只收到一份组播包（形成最短路径广播树）。
- 反向通路组播（RPM）
  
  ：在 RPB 基础上增加 “修剪” 和 “嫁接” 操作，适应动态成员：
  - 修剪：若路由器连接的网络无组播成员，向上游发送修剪消息，从树中移除该分支；
  - 嫁接：若已修剪的网络重新出现成员，发送嫁接消息，重新接入组播树。

11.4.2 开放式组播最短路径优先协议（MOSPF）

基础：基于链路状态的路由协议，是 OSPFv2 的扩展，支持 IP 组播路由。
路由级别：分区域内、区域间、自治系统（AS）间组播路由。
工作机制：
- 利用 OSPF 链路状态通告中的组播信息，使用 Dijkstra 算法构造（S，G）对的分配树（S 为源，G 为组）；
- 采用 “按需计算”：仅在收到组播源的第一个数据包后，才计算（S，G）树，否则利用转发缓存，减少计算量。
优缺点：
- 优点：路由开销小，链路利用率高，对网络拓扑变化响应快（继承 OSPF 特性）；
- 缺点：Dijkstra 算法计算量大，拓扑变动会使所有路由器缓存失效，消耗 CPU 资源。

11.4.3 与协议无关的组播（PIM）

PIM 不依赖特定单播路由协议（可基于任意单播路由表），分两种模式：

PIM 密集模式（PIM-DM）
- 适用于组播成员密集分布、带宽充足的网络（如局域网）；
- 类似 DVMRP，采用 RPM 机制（泛洪 + 修剪）构建以源为根的最短路径树；
- 假设所有网络都有组播成员，先泛洪数据，再修剪无成员的分支。
PIM 稀疏模式（PIM-SM）
- 适用于组播成员稀疏分布、带宽有限的网络（如广域网）；
- 构建 “共享树”：以聚合点（RP，rendezvous point）为根，所有成员共享一棵树；
- 工作流程：组播源沿最短路径向 RP 发送数据，RP 再沿最短路径转发到成员；若需更高性能，可动态切换为以源为根的最短路径树。

11.4.4 基于核心的树（CBT）

基础：组共享树协议，为每个组构建一棵以核心路由器为根的树。
树的形成：包含组播成员的路由器向核心路由器发送 “加入消息”，路径上的路由器记录发送者地址和进入接口，形成从核心到成员的树（与 DVMRP 相反：DVMRP 从根到叶，CBT 从叶到根；DVMRP 先广播再修剪，CBT 通过加入消息直接建树）。
数据转发：源将组播包单播给核心路由器，核心去封装后沿共享树转发给成员；核心在收到加入消息前，阻塞组播分组发送。