TCPIP协议第11章IP组播.ppt

第11章IP组播,11.1IP组播概念11.2IP组播模型11.3Internet组管理协议(IGMP)11.4组播路由11.5组播路由协议,1988年Deering提出在IP层引入组播功能机制的体系结构，称之为IP组播。IP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。,11.1IP组播概念,传统的IP通信有两种方式：单播unicast在一台源IP主机和一台目的IP主机之间进行。广播broadcast在一台源IP主机和网络中所有其它的IP主机之间进行。考虑将信息发送给网络中的多个主机而非所有主机的情形，根据上述两种通信方式：1采用广播方式，这种方法不仅会将信息发送给不需要的主机而浪费带宽，也可能由于路由回环引起严重的广播风暴。2采用单播方式，源主机分别向那些多个主机以单播方式发送IP包，但IP包的重复发送会浪费掉大量带宽，也增加了网络服务设备的负载。,问题：无论采用广播方式还是单播方式，都不能有效地解决单点发送多点接收的问题。IP组播：源主机只发送一份数据，这份数据中的目的地址为组播组地址（D类地址）。组播组中的所有接收者都可接收到同样的数据拷贝，并且只有组播组内的目标主机可以接收该数据。,IP组播的主要优点：1降低主机和CPU负荷，增强网络效率；2控制网络流量，消除流量冗余，优化网络性能；3支持分布式应用。应用的实例包括：视频会议、共享公告板、“推送”技术(例如广告和信息订阅等)、远程学习、财务数据发布、服务器复制、分布式数据库等等。,返回,11.2IP组播模型,标准IP组播模型定义了主机组和IP组播路由应有的功能机制，以及为上层服务的组播业务形式。主机组(hostgroup)是IP组播模型的核心。主机组由多个主机组成，其中，源主机构造以一个D类IP地址（即IP组播地址）为目的地址的数据包，以IP数据报尽力而为方式转发到对应主机组的各个主机。D类的地址空间是专为IP组播组地址而定义的。每个组播组地址都落在从224.0.0.0到239.255.255.255的空间范围内。,这个地址空间中的一部分地址被保留，被某些特殊的组功能、一些人们熟知的组播应用以及某些管理范畴的组播程序所使用。其余的地址部分可以在需要进行组播传送的时候动态分配。(224.0.0.1该子网内所有系统组；224.0.0.2该子网内所有路由组；224.0.0.9RIPv2)如果主机组所在网络是以太网、类似根据IEEE802.2标准实现的环形网和总线网，它们都直接支持组播，可以直接处理组播。,以太网支持IP组播地址到以太网组播地址的映射，映射方法：将IP组播地址的低23位代替特定的以太网地址01.00.5e.00.00.00（16进制）中的低23位。例如：IP组播地址224.66.60.89(其2进制为：11100000.01000010.00111100.01011001)映射到以太网的地址为：01.00.5e.42.3c.59（16进制）。按此规则，IP组播地址范围为224.0.0.0239.255.255.255，映射到以太网组播地址为01.00.5E.00.00.0001.00.5E.7F.FF.FF。多对一映射,如果主机组所在网络支持网络广播而不支持组播的网络，则将IP组播地址简单映射为本地广播地址。同一般路由器一样，组播路由器的作用是组播数据的寻路和转发控制，这类路由器及链路在网络中形成了一个控制组播数据传送的逻辑结构，称为组播传递结构(deliverystructure)，这种结构一般是树形的结构，称为传递树。,IP组播模型如图12-2所示。,在IP组播模型中：1）若干个接收者构成一个主机组，并定义一个组地址，每个组地址代表发送者与接收者之间的一个会话（session）。2）主机组中的主机可以采用系统所定义的组播地址告诉其所在组播路由器，实现加入（退出）某个组播组。3）由组播路径上的路由器建立一棵从发送者为根的组播传递树，传递树延伸到所有的、其中至少有一个组播组成员的网络中。4）发送者使用组播组地址发送以相应组播组地址为其目的地址的单个IP分组。,返回,11.3Internet组管理协议（IGMP）,按照协议的作用范围，组播协议分为主机-路由器之间的组管理协议，以及路由器-路由器之间的各种组播路由协议。Internet组管理协议（IGMP）在RFC1112中定义。RFC2236定义了IGMP版本2，它引入了一些增强的新功能来提高IGMP的效率。主机使用组播地址发送IGMP消息通知本地的边缘组播路由器想加入的组，组播路由器通过IGMP协议来维护一个组播成员列表，并且定期发送“成员询问”消息以确认各个成员是否仍然存在。,1IGMP报文IGMP是IP层的一部分。IGMP报文通过IP数据报进行传输。IGMP报文长度固定，没有可选项。图12-3显示了IGMP报文如何封装在IP数据报中。IP首部中协议字段值为2表示所携带的是IGMP报文。,IP首部,IGMP报文,20字节,8字节,IGMP类型,最大响应时间,校验和,8,16,31,32位组播地址,特殊查询和离开报告这两个报文是IGMPv2新加的报文。这两条报文可以使组播查询者能够查询任何一个属于某特定组播组的主机，并且可使主机能够立即离开一个指定的组播组而不需要等待一个超时时间，也就降低了脱离延迟。,IGMP报文,成员报告,离开报告,查询,一般查询,特殊查询,IGMP类型：0 x11一般或特殊查询；0 x16成员报告；0 x17离开报告。最大响应时间：只用于成员查询报文，它规定了发送一个响应报文的最大的允许时间，以1/10秒为单位。校验和：为了计算校验和，该字段首先应该清0。组播地址：在一个成员查询报文中，当发送一个普通查询时该字段置0，当发送特定组查询时，该字段置为要查的组地址。在成员报告或离开组报文中，该字段保留了被报告或离开的IP组播地址。,2IGMP协议工作过程1）加入组播组运行IGMP的路由器为其直接连接的主机申请组成员资格，主机也可以用来通知其直接连接且支持组播的路由器，表示该主机希望接收地址为某个特定组播组地址的IP分组。路由器通过IGMP查询和报告报文，对每个接口维护一个表，表中记录接口上相关主机的组播组信息。加入组播组就是一个进程在该主机的给定接口上同某组播组相关，给定接口上的组播组中的成员主机是动态的。,2）IGMP报告和查询路由器首先利用一个可寻址到所有主机的组地址(即224.0.0.1)发送一条IGMP主机成员资格查询(IGMPHostMembershipQuery)报文。,组播路由器,主机1,主机2,主机3,1#组,1#组，2#组,子网,组成员资格查询,主机报告1#组,主机报告2#组,若一个主机希望加入某个组播组，它就利用该组播组的组地址回应一条IGMP主机成员资格报告报文。在前面的例子中，1号主机利用主机成员资格报告报文回应了查询报文，并指明它属于“1号组”。3号主机用同样方式指明它属于“2号组”。每个组播组路由器只需要接收一条主机成员资格报告。一种消息抑制算法可以防止相同子网上在已经有主机发送的情况下其他主机再次发送某特定组的主机成员资格报告，它采用随机的延迟防止了来自同一个组播组的重复的成员资格报告把LAN和路由器的接口淹没。,3改善IGMP实现的技术具体实现IGMP协议时，有许多实现改善该协议效率的技术。主机发送IGMP报文间隔在为0-10秒范围内随机选择。主机对路由器IGMP查询报文并不立即响应，也是经过一定的时间间隔后才发出,这样可以减少响应报文，减轻网络负荷。,返回,11.4组播路由,组播源向组播组发送数据包，组播路由器必须将组播数据包转发到多个外部接口上，以便处于不同组播组的成员都能接收到各自的数据包。组播目标：1.每个组成员应该收到一个且仅一个组播包的拷贝。2.非组成员收不到组播包的拷贝。3.组播路由中不应存在环路。4.从源到目的地的路径应该最优(最短路径)。生成树(SpanningTree)：通常是以源为根以组成员为叶子的树。最短路径生成树。,用于组播的树通常有两种：1.基于源的树每个组中的每个源对应一棵树。源和组的组合决定了生成树的个数。若有N个组，每个组有M个不同的源，则对应有NM棵生成树。(M1+M2+MN)当一个源发送一个组播包到225.80.18.35，然后再发送一个组播包到229.10.9.23时。将形成两棵以同一源为根的不同的树。采用基于源的方法的协议有：DVMRP(距离向量组播路由协议)MOSPF(OSPF的扩展)PIM-DM(协议无关组播-密集模式)。,2.组共享树组共享树是组中所有成员所共享的生成树。组决定了生成树。组中的一个路由器被选作聚合点/核心点，以此路由器为根，其它组成员为叶构成全组共享的生成树。（不同源相同组）若有N个组，则对应有N棵生成树。(与每个组中的成员无关)采用基于组共享树方法的协议有：CBT(基于核心的树)PIM-SM(协议无关组播-稀疏模式)。,返回,11.5组播路由协议,组播路由协议的主要任务就是构造组播的分布树，使组播分组能够传送到相应的组播组成员。,组播路由协议,基于源的树,组共享树,DVMRP,MOSPF,PIM-DM,PIM-SM,CBT,PIM,11.5.1距离向量组播路由协议DVMRP距离向量组播路由协议DVMRP是基于源的路由协议。是DVRP用于组播的扩展。在DVRP中，每个路由器并不知道最短路径树的情况，但知道去往某目的地的最佳接口。路由是在包的传递过程中逐步形成的。在DVMRP中，最优树也是在包的转发过程中逐步形成的。(一个路由器可能向多个接口转发)协议必须保证：避免形成环路避免重复包路径最短支持动态组成员反向通路转发(RPF),反向通路转发(RPF)是泛洪方式的改进。在RPF中，路由器只转发来自从源到此路由器的最短路径的包。其它包丢弃。注意：RPF也是基于DVRP路由表，而路由表中的信息是目的地和接口，组播中只知道源地址。(方法：将源地址作为目的地址处理)RPF避免了环路。,最短路径,非最短路径,转发,不转发,RPF算法十分简单：当一个组播分组到达路由器的一个接口时，如果这个接口是用于向发送者发送单播分组的接口，那么就把这个组播分组转发到所有其他的接口上。否则，丢弃该分组。例：一个组播路由器的路由表如下，若该路由器从接口2接收到一个源地址为198.134.5.22，目的地址为225.35.56.7的包，它是将其转发还是丢弃？,问题：虽然RPF避免了环路，但路由器会收到重复包。原因：基于源地址(2)反向通路广播(RPB)。反向通路广播(RPB)保证每个网络只收到组播包的一个拷贝。产生一个最短路径广播树。方法：解决一个路由器有多个父节点的问题。对于特定的源，路由器只接收指定父路由器来的组播包。,问题：泛洪广播，没有组成员的网络也会收到组播包。原因：产生树时没有考虑组成员问题。(3)反向通路组播(RPM)。反向通路组播(RPM)保证组播包只到达包含活动组成员的网络。反向通路组播对RPB增加了修剪和嫁接操作使得能够产生支持动态组成员变化的最短路径树。,修剪(Pruning)利用IGMP协议，当路由器发现它所连接的网络中没有组成员时，便向上游路由器(向树根方向)发修剪消息，上游路由器将该路由器从树中修剪掉。当路由器发现它所连接的树的分枝中没有组成员时，也作同样的操作。嫁接(Grafting)当路由器发出了修剪消息后，又发现它所连接的网络中有成员希望接收组播包时，路由器会发送嫁接消息，使网络能够重新接收到上游路由器的组播包。,网络2,网络3,网络1,网络2,网络3,网络1,网络2,网络3,网络1,网络2,网络3,网络1,RPF,RPB,RPM（修剪后）,RPM（嫁接后）,11.5.2开放式组播最短路径优先协议MOSPF开放式组播最短路径优先协议MOSPF（MulticastOpenShortestPathFirst）是一种基于链路状态的路由协议，是在原OSPF第二版本的基础上作了改进使之支持IP组播路由的协议。同OSPF类似，MOSPF定义了三种级别的路由：1MOSPF区域内组播路由区域内MOSPF利用OSPF链接状态通告中包含组播信息而工作的，通过加入新的链接状态通告类型，MOSPF知道哪个组播组在起作用。路由器使用Dijkstra算法构造(S，G)对，建立一个分配树并且为发送活动源到组确定一个树。,2MOSPF区域间组播路由OSPF链接状态数据库提供了一套关于自治系统拓扑的完整描述。MOSPF区域间组播路由不但用于统计分析区域内成员关系，并在自治系统（AS）主干网（区域0）上发布组成员关系记录通告，实现区域间组播路由。3MOSPF自治系统间组播路由MOSPF自治系统间组播路由能够实现跨AS的组播包转发。运行MOSPF的路由器可以与非组播OSPF路由器混合使用，两种类型的路由器可以互操作。,MOSPF继承了OSPF对网络拓扑的变化响应速度快的优点，但拓扑变动使所有路由器的缓存失效，消耗大量路由器CPU资源。MOSPF适用于网络连接状态比较稳定的环境。MOSPF与DVMRP相比，主要是路由开销较小，链路利用率高。但另一方面，Dijkstra算法计算量大。因此，MOSPF执行的是一种按需计算方案，即当且仅当路由器收到组播源的第一个组播数据包后，才对（S，G）计算，否则利用转发缓存中的（S，G）。这样便减少了路由器的计算量，对于有大量组播源子网络的网络而言，MOSPF的扩展性问题有待于进一步研究。,11.5.3与协议无关的组播（PIM）与协议无关的组播（PIM：ProtocolIndependentMulticast）有两种模式：稀疏模式（PIM-SM）和密集模式（PIM-DM）。1稀疏模式（PIM-SM）稀疏型与协议无关的组播协议PIM-SM将组播包发送给组播组，能够建立一棵根为某聚合点（RP-rendezvouspoint）路由器的共享树，并且在需要更高性能的情况下，它能够动态地将共享树切换到一个以源为根的最短路径树中。,由图中可见，每一个组有一个聚合点RP，组播源沿最短路径向RP发送数据，再由RP沿最短路径将数据发送到各个接收端。,稀疏组播PIM-SM应用环境：1）组播存在域或自治系统的数目远小于整个互连网上的域或自治系统数目；2）组成员分布范围广，同时整个网络类似于广域网环境；3）网络并没有充足的带宽适合于密集模式方案协议，即该网络的资源不足以应付那些协议的开销。虽然PIM-SM也可以用于局域网环境，但它们在广域网中更有效率，适用于组播组中接收者较少、间歇性组播流量的情况。,2密集模式（PIM-DM）PIM-DM与DVMRP很相似，都属于密集模式协议，使用反向通路组播机制来构建分布树。假定带宽不受限制。主要不同之处在于DVMRP使用内建的组播路由协议，PIM-DM主要采用协议独立观念，使用由任意下行单播路由协议组装的路由表执行反向路径转发（RPF）检查。,11.5.4基于核心的树CBT基于核心的树(CBT)是一个组共享协议，是一些组播路由协议所采用的另一种方法。(1)树的形成CBT首先选定一个核心路由器，并将其单播地址通告所有的路由器，包含有组成员的所有路由器都需要向核心路由器发送显式的加入消息。消息通过发送者和核心路由器之间的所有路由器时，这些路由器从消息中获得发送者的地址和包进入的接口。当中心路由器收到所有的加入信息后，就建立起了一个根位于中心路由器，并且分支到(也只分支到)那些具有组成员的路由器上的特定组传递树。加入和建立树的过程与任何发送源无关。当路由器要离开组时，它将向它的上游路由器发离开信息，上游路由器移除该链路，并向其上游路由器转发离开信息。,与DVMRP的比较：DVMRP从根节点形成树，CBT从叶节点形成树；DVMRP先通过广播形成树，然后进行修剪，CBT通过加入(嫁接)形成树。(2)发送组播包发送源将组播包封装在单播地址包中发往中心路由器，中心路由器去封装取出组播包，并将组播包注入到特定的组传递树上。这种方法可以使相同组播组内的多个发送源共享相同的一个传递树。核心路由器在收到来自下行路由器显式加入消息之前将阻塞组播分组的发送。而只有在路由器接收到来自主机的IGMP主机成员资格报告以后，这种显式的加入消息才可能产生。,成员,源,成员,成员,