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4.5 IP多播 (答案见原书 P208)

news 2025/10/11 11:42:16

第4章网络层 (续)

4.5 IP多播 (答案见原书 P208)

01. 下列关于多播概念的描述中,错误的是( D )

题目原文

下列关于多播概念的描述中,错误的是( )
A. 在单播路由选择中,路由器只能从它的一个接口转发收到的分组
B. 在多播路由选择中,路由器可以从它的多个接口转发收到的分组
C. 用多个单播仿真一个多播时需要更多的带宽
D. 用多个单播仿真一个多播时,时延基本上是相同的

正确答案：D

题目解析

考点分析： 本题考察对多播（Multicast） 相对于单播（Unicast） 优势的理解。
错误选项分析 (D. 用多个单播仿真一个多播时,时延基本上是相同的)：
- 这是错误的。
- 多播： 源主机只发送一份数据包，数据包在网络中的路由器节点上进行复制和分发，形成一棵多播树。所有接收者几乎可以同时收到数据。
- 用多个单播仿真： 源主机需要向每一个接收者都单独发送一份数据包。
  - 首先，源主机的发送需要耗费N倍的时间（N为接收者数量），这本身就带来了发送时延的差异。
  - 其次，这些数据包是串行发送的，第一个接收者会先收到，最后一个接收者会晚得多才收到。不同接收者之间的接收时延差异会非常大，即**时延抖动（Jitter）**很大。
- 因此，时延不可能是相同的。
正确选项分析：
- A: 正确，单播路由是“一对一”转发。
- B: 正确，多播路由是“一对多”转发，路由器在分叉点需要复制分组。
- C: 正确，用多个单播仿真，会在源主机和骨干链路上产生大量重复的数据流，极大地浪费了带宽。节省带宽是多播的主要优点。

02. 在设计多播路由时,为了避免路由环路,( B )

题目原文
02. 在设计多播路由时,为了避免路由环路,( )
A. 采用了水平分割技术
B. 构造多播转发树
C. 采用了IGMP
D. 通过生存时间(TTL)字段

正确答案：B

题目解析

考点分析： 本题考察多播路由算法避免环路的核心机制。
正确选项分析 (B. 构造多播转发树)：
- 多播数据包的转发路径不能是任意的，否则很容易形成环路，导致数据包在网络中无限复制和循环。
- 所有的多播路由协议（如DVMRP, PIM, MOSPF），其核心任务都是为每一个**（源, 组）** 对，在网络中计算并构造出一棵无环路的、连接了所有组成员的转发树。
- 这个生成树结构从根本上保证了多播数据包只会沿着树的路径单向分发，不会形成环路。
错误选项分析：
- A. 水平分割技术：是距离向量单播路由（如RIP）用来缓解环路问题的技术，不是多播的主要防环机制。
- C. IGMP (Internet Group Management Protocol): 是主机用来向本地路由器宣告自己想加入或离开某个多播组的协议，属于组成员关系管理，不参与路由计算。
- D. TTL字段：是防止数据包无限存活的最后一道防线，但它不能避免环路的形成。

03. 以太网多播IP地址224.215.145.230应该映射到的多播MAC地址是( A )

题目原文
03. 以太网多播IP地址224.215.145.230应该映射到的多播MAC地址是( )
A. 01-00-5E-57-91-E6
B. 01-00-5E-D7-91-E6
C. 01-00-5E-5B-91-E6
D. 01-00-5E-55-91-E6

正确答案：A

题目解析

考点分析： 本题考察IP多播地址到以太网MAC多播地址的映射规则，是必考的计算题。
映射规则：
1. 以太网多播MAC地址的前24位是固定的前缀：01-00-5E。
2. 第25位固定为 0。
3. 剩下的23位，由IP多播地址的低23位直接复制而来。
分析过程：
1. 取出IP地址的低23位：
  - IP多播地址（D类地址）的前4位是1110。
  - IP地址 224.215.145.230
  - 我们只需要关注其低23位。
  - 将其转换为32位二进制：
    - 224 = 11100000
    - 215 = 11010111
    - 145 = 10010001
    - 230 = 11100110
  - 二进制地址: 11100000 11010111 10010001 11100110
  - IP地址的第9位（即第二个字节的最高位）是不参与映射的。
  - IP地址的低23位是: ... 1010111 10010001 11100110
    - 215的低7位是 1010111。
    - 145是 10010001。
    - 230是 11100110。
2. 构建MAC地址的后24位：
  - MAC地址后24位 = 0 + IP地址低23位
  - 0 1010111 10010001 11100110
  - 分组转换为十六进制：
    - 0101 -> 5
    - 0111 -> 7
    - 1001 -> 9
    - 0001 -> 1
    - 1110 -> E
    - 0110 -> 6
  - 后3个字节为 57-91-E6。
    .
3. 组合成完整MAC地址：
  - 01-00-5E + 57-91-E6 = 01-00-5E-57-91-E6
结论： 映射到的MAC地址是 01-00-5E-57-91-E6。

04. 在下列4个地址中,( )只能用于IP数据报的目的地址而不能用于源地址。

题目原文
04. 在下列4个地址中,( )只能用于IP数据报的目的地址而不能用于源地址。
A. 11.255.255.100
B. 192.168.1.100
C. 228.1.1.100
D. 0.0.0.0

正确答案：C

题目解析

考点分析： 本题考察IP地址中哪些是特殊地址，不能作为源地址。
正确选项分析 (C. 228.1.1.100)：
- 这是一个D类IP地址。
- D类地址的范围是 224.0.0.0 到 239.255.255.255。
- D类地址被专门定义为IP多播地址。
- 多播地址标识的是一个主机组，它只能作为数据报的目的地址，表示该数据报要发送给这个组中的所有成员。
- 它不能作为源地址，因为一个主机组本身不能“发送”数据。
错误选项分析：
- A. 11.255.255.100: A类公网地址，可以作为源或目的地址。
- B. 192.168.1.100: C类私有地址，在局域网内可以作为源或目的地址。
- D. 0.0.0.0: 是一个特殊地址，当主机启动时还不知道自己的IP地址，可以把它作为源地址发送DHCP请求。

4.5 IP多播 (IP Multicast) 知识体系与考法总结

IP多播是网络层的一种高效的“一对多”通信方式，介于单播（一对一）和广播（一对所有）之间。它在视频会议、在线直播、IPTV、金融数据分发等场景中有广泛应用。本节的知识点相对独立和集中，重点在于理解多播的概念与优势、地址映射和相关协议（IGMP、多播路由） 的基本功能。

知识体系梳理

本部分的知识体系可以围绕“什么是多播”、“如何标识多播”和“如何实现多播”三条主线展开。

一、什么是多播 (概念与优势)

通信模型对比：
- 单播 (Unicast): 一对一。源发送N份数据到N个目的地。
- 广播 (Broadcast): 一对网络中的所有主机。源发送一份数据，网络负责泛洪。
- 多播 (Multicast): 一对一组（多播组）。源发送一份数据，网络中的路由器负责按需复制和分发，只将数据传送到有组成员的链路上。
多播的优势 (高频考点):
- 节省带宽： 源主机只需发送一份数据流，避免了用多个单播造成的带宽浪费。数据包只在网络的分叉点被复制。
- 降低主机负载： 源主机只需处理一份数据流的发送。
- 提高效率： 相比广播，多播是“按需”分发，不会将流量发送给不感兴趣的主机，减少了网络拥塞和无关主机的处理负担。
- 时延特性： 组内成员接收数据的时延基本一致，时延抖动小，适合实时应用。

二、如何标识多播 (地址体系)

IP多播地址 (D类地址) (必考):
- 范围： 224.0.0.0 到 239.255.255.255。
- 特点：
  - 前4位固定为1110。
  - 只能作为目的地址，不能作为源地址。
  - 标识的是一个“主机组”，而不是一个具体的网络接口。
以太网多播MAC地址 (必考计算):
- 目的： 在局域网（如以太网）内传输IP多播包，需要一个对应的链路层多播地址。
- 映射规则：
  1. 固定前缀：01-00-5E (24位)。
  2. 下一位固定为0。
  3. MAC地址的后23位，由IP多播地址的低23位直接复制而来。
- 注意： IP多播地址有32-4=28位可变，而MAC地址只有23位可供映射，这意味着多个（2^(28-23)=32个）不同的IP多播地址可能会映射到同一个MAC多播地址。

三、如何实现多播 (相关协议)

主机与路由器之间：IGMP (Internet Group Management Protocol)
- 作用： 运行在主机和其本地多播路由器之间。
- 功能：
  - 主机通过IGMP向路由器宣告自己希望加入某个多播组。
  - 主机通过IGMP向路由器宣告自己希望离开某个多播组。
  - 路由器通过IGMP查询其所连接的网段上，是否还有某个多播组的成员存在。
- 一句话总结： IGMP是用来管理多播组成员关系的协议。
路由器与路由器之间：多播路由协议
- 作用： 在路由器之间交换多播路由信息，为每个多播源/组构建一个无环路的转发树（Multicast Forwarding Tree）。
- 核心任务 (高频考点): 构造多播转发树是避免路由环路和实现高效分发的根本机制。
- 常见协议（了解即可）： DVMRP（基于距离向量）、MOSPF（基于链路状态）、PIM（协议无关多播，最常用）。

常见考法与例题梳理

多播概念与优势辨析
- 考法： 对比多播与单播/广播的优缺点，特别是带宽、时延等性能。
- 例题01: “用多个单播仿真多播”，考察了多播在节省带宽和减小时延抖动方面的优势。
IP多播地址到MAC多播地址的映射（必考计算题）
- 考法： 给出IP多播地址，要求计算出对应的MAC多播地址。
- 例题03: 是该考法的经典题目。解题关键是记住固定前缀01-00-5E，以及IP低23位如何映射到MAC的后24位（第25位为0）。需要熟练进行二进制和十六进制的转换与位操作。
多播相关协议的功能区分
- 考法： 区分IGMP和多播路由协议的作用。
- 例题02: 考察了多播路由避免环路的核心机制是构造转发树，并将其与IGMP（成员管理）、TTL（防无限循环）等概念区分开。
IP地址的分类与用途
- 考法： 在一堆IP地址中，识别出多播地址，并理解其只能作为目的地址的特性。
- 例题04: 考察了D类地址（多播地址）只能作为目的地址，不能作为源地址。

刻意练习建议

制作“三种播发方式”对比表：
- 创建一个表格，详细对比单播、广播、多播。
- 对比维度：目标对象（1个/全部/1组）、源发送份数、网络复制行为、带宽占用、优点、缺点、典型应用。
MAC地址映射专项训练：
- 这是本节唯一的计算题型，必须熟练掌握。
- 找5-10个D类IP地址。
- 建立解题模板：
  1. 写下MAC地址前缀 01-00-5E-。
  2. 将IP地址的后三个字节转换为二进制。
  3. 将第二个字节的最高位强制置为0。（例如，11010111 -> 01010111）
  4. 将这 1+7+8+8 = 24 位二进制，重新按8位一组，转换为3个十六进制字节。
  5. 与前缀拼接起来。
- 通过反复练习，固化这个计算流程。
画出多播工作流程简图：
- 画一个包含源主机S、多个接收者H1,H2、以及多个路由器的网络拓扑。
- 模拟IGMP: 用箭头表示H1, H2向本地路由器发送“加入组G”的IGMP报文。
- 模拟多播路由: 用粗线画出路由器之间为（S, G）建立的一棵转发树。
- 模拟数据分发： 用箭头表示S发出一份数据，数据沿着转发树被路由器复制和分发，最终只有H1, H2收到。
- 这张图能帮你把IGMP、多播路由、数据分发三个过程串联起来，形成完整的认知。