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组播技术介绍 组播的概念 单播 unicast 一对一 通信 源主机为每一个接收者都发一份拷贝 组播 multicast 一对多 通信 介于广播单播之间 源主机将同样的数据报发给多个接受者 但又不是网络中全部的主机 广播 broadcast 一对多 通信 广播包被发往网络上的所有主机 这样会产生大量的数据报拷贝 视频服务器 10 10 10 单播Unicast 视频服务器 10 10 10 组播Multicast 单播和组播的区别 组播应用 组播应用组播适用于将相同的数据从一个主机同时传送给多个接收者的应用 如 组播技术的优缺点 优点增强效率 控制网络流量 减少服务器和CPU负载优化性能 消除流量冗余分布式应用 使多点传输成为可能缺点组播应用基于UDP尽最大努力交付无拥塞控制数据包重复数据包的无序交付 组播的体系结构 应用程序 多播地址 主机 路由器协议 IGMP 域间多播协议 MSDP 域内多播协议 PIM MVPN 组播通信的四要素 组播通信模型组播四要素 源发现接收者发现拓扑发现 组播路由器之间的拓扑 网络单播路由信息 分发树生成 组播的IP地址 组播地址范围224 0 0 0 239 255 255 255保留组播地址224 0 0 0 224 0 0 255本地管理组地址239 0 0 0 239 255 255 255用户组播地址224 0 1 0 238 255 255 255组播MAC地址 以太网 01 00 5e xx xx xx 组播地址和组播MAC地址的映射关系 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 IP组播地址后23位映射到MAC地址中 32位IP组播地址 48位MAC地址 以太网 FDDI 此5位地址不作映射 因此32个IP组播地址映射成一个MAC地址 来源 多播的L2MAC地址是通过L3IP映射出来的L2MAC的前3个字节总是0 x01 00 5E映射方法 取IP地址后23位作为MAC地址重叠问题 由于不是IP地址的全部 32 4 位参与映射 丢失了5位数据 所以IP地址与MAC地址之间存在重叠 32 1 多播转发及多播路由表 与单播相反 为了完成转发 多播路由器必须知道多播数据报文的源IP地址 多播路由使用反向路径转发机制 根据单播路由 查找到源的最佳路径 多播路由表一般是一个四元组 S G IIF OIFs S 源IP地址G 组IP地址IIF 入接口OIFs 出接口列表Tip OIFs中一定不包含IIF多播路由一般有三种格式 RP 只匹配RP G 匹配GroupIP S G 同时匹配SourceIP和GroupIP 组播分布树单播模型 数据包通过网络沿单一的路径从源主机向目的主机传递组播模型 数据包向任一被组播组地址表示的主机传递 数据包在网络中的传播路径可以用一棵树来描述 组播分布树组播分布树有两种形式 有源树和共享树 组播转发路径 树的概念 有源树 有源树的树根是组播信息流的来源 有源树的分支形成了通过网络到达接收站点的分布树 有源树以最短的路径贯穿网络 所以也称最短路径树SPT ShortestPathTree 最短路径或来源分布树 有源树的概念 共享树 同有源树以信息源作根不同 共享树使用放在网络的某些可选择的点的单独的公用树根 这个根常被叫做汇合点RP RendezvousPoint 共享分布树 共享树的概念 组播转发 逆向路径转发 RPF ReversePathForwarding 组播包的转发不是基于IP包的目的地址的 而是用RPF检查决定是否转发和丢弃输入信息包RPF检查的过程如下 路由器检查到达组播包的源地址 如果信息包是在可返回源站点的接口上到达 则RPF检查成功 信息包被转发如果RPF检查失败 丢弃信息包对组播包源地址的检查是通过查询单播路由表来实现的 接收者 例子 RPF检查 源 接收者 接收者 组播数据包 错误接口到达的组播数据包 RPF检查失败 数据包从错误接口到达 192 18 0 32 进一步观察 RPF检查成功 S1 S0 S2 来自192 18 0 32的组播数据 网段 接口 192 18 0 0 16 168 0 253 0 24 S1 S0 15 15 0 0 16 S2 数据从S1到达 RPF检查成功 路由器转发数据包 无组播功能交换机转发组播数据报 组播 IGMP 因特网组管理协议 IGMP InternetGroupManagementProtocol 协议是主机与路由器之间唯一信令协议RFC1112规定了IGMPV1 支持windows95 RFC2236规定了IGMPV2 支持windows和大多数Unix最新的服务包 Draft ietf idmr igmp v3 03 txt规定了最新的IGMPV3 IGMP中路由器 主机动作 主动报告加入组 普遍查询 响应报告 离开组消息 指定组查询 IGMP中共享网段路由器动作 查询消息 查询消息 竞选失败停发查询消息 路由器失效停发查询消息 重新发送查询消息 10 10 0 1 16 10 10 0 3 16 报告抑制过程 路由器定期发送查询子网中每个组只有一个成员发送响应报告其它成员被抑制不再发送报告 查询消息 10 10 0 1 16 响应报告 响应报告 响应报告 响应报告 IGMPv2报文格式 以字节为单位 类型 最大响应时间 校验和 组播组地址 0 1 2 3 IGMP三版本比较 查询器选举 IGMPV1 离开方式 指定组查询 指定源 组加入 依靠上层路由协议 IGMPV2 IGMPV3 无 无 自己选举 有 无 自己选举 有 有 默默离开 主动发出离开报文 主动发出离开报文 版本1与版本2兼容处理 版本1主机 版本2主机 版本1路由器 版本2路由器 版本1主机 版本2主机 版本1路由器 版本2路由器 版本1主机报告抑制版本2主机 版本2主机被版本1主机报告抑制 路由器按版本1方式工作 版本2帧格式兼容版本1帧格式 版本2路由器强制配为版本1方式 版本2路由器强制配为版本1方式 版本2帧格式兼容版本1帧格式 路由器按版本1方式工作至版本1定时器超时 IGMP窃听建立和维护组 CPU 0 1 2 3 4 5 IGMP报告 IGMP查询 MAC地址 转发表 端口 01 02 03 0135 组播路由协议概述 DVMRP 距离矢量组播路由协议 InternetDraft 协议无关组播 密集模式 PIM DM InternetDraft 协议无关组播 稀疏模式 PIM SM RFC2362 开放式组播最短路径优先 MOSPF RFC1584 其它 有核树组播路由协议 CBTv2 等 PIM协议 PIM ProtocolIndependentMulticast 是一种域内多播路由协议 它不依赖于任何特定的单播路由协议 PIM协议根据其实现机制和适用环境分为密集模式 Dense Mode DM 和稀疏模式 Sparse Mode SM 密集模式适合于多播源和接收者物理距离近 数据报文流量大而且持续 接收者密度较大的网络 典型的例子是局域网 稀疏模式适合于多播源和接收者散布在很大地域且带宽有限的网络中 典型的例子如Internet PIM SM采用主动的 加入 剪枝 机制维护多播转发树 PIM DM采用被动的 扩散 剪枝 机制维护多播转发树 PIMv2协议报文 封装在IP报文中 协议号为103 若采用多播方式传送 则目的地址为224 0 0 13 TTL为1 报文类型 SMDM公用 HelloJoin PruneAssertSM专用 Register Register StopBootStrapCand RP AdvDM专用 Graft Graft Ack 基本概念 1 1 DR 在共享介质的网络上 PIM路由器将通过竞争产生出指定路由器 DR 来负责这个网段上的多播协议报文的收发 DR选举是通过Hello报文的交互完成的 DR的选举原则 优先级次序 高优先级获胜 优先级相同 选接口IP地址最大的作为DR Join IfwithoutDRwhatwillhappen Join Join 如果没有DR会怎样 基本概念 1 2 DR 基本概念 2 RP 在PIM SM中 为了创建共享树 需要指定一个汇聚点 RP 作为RPT的根 RP和多播组之间具有1 n映射关系 映射关系是通过一个Hash函数完成的 在一个多播域中可能会有多个RP 但在该域中的所有路由器上对于特定组G 必须映射到同一个RP RP的发现机制有两种 静态指定动态Bootstrap发布 需要Cand RP Adv协助 Cand RP RP的作用 做为共享树的根 并使组播域中的源在其上进行注册 使接收者知道该域中存在那些源和对应的组播组 基本概念 3 BSR 为了在整个多播域内 发布所有候选RP信息 需要至少指定一个BootStrap路由器 BSR BSR的功能是 收集本多播域中所有Cand RP发布的Cand RP Adv信息 定期用BootStrap消息向外发布 PIM DM 概述邻居发现与DR选举数据转发剪枝 Prune 嫁接 Graft 竞争 Assert PIM DM 1 概述 PIM DM假设网络中的组成员分布非常稠密 每个网段都可能存在组成员 基于这一假设 PIM DM的设计思路是 首先将数据报文扩散到各个网段 然后再裁剪掉不存在组成员的网段 PIM DM通过周期性的 扩散 剪枝 构建并维护一棵连接组播源和组成员的单向无环SPT PIM DM 2 邻居发现 运行PIM DM的接口定期 30秒 发送Hello 以便与同网段上的PIM设备建立和维持邻居关系 同时通过PIM竞争产生本网段的DR PIM DM 3 数据转发 PIM DM模式的接口加入多播路由表项的出接口的条件 在该接口上发现了PIM邻居在该接口上收到了关于组G的Join在该接口上配置了静态的IGMP成员数据报文将复制并转发到所有的出接口 PIM DM 4 1 剪枝 剪枝 剪枝条件 收到数据的路由器没有接收者和邻居 PIM DM 4 2 剪枝延迟 不剪枝 PIM DM 5 嫁接 嫁接条件 剪枝区域出现接收者 PIM DM 6 竞争 竞争条件 在出接口上收到多播数据竞争过程 通过比较路由的distance metric值 若两者相同 则比较IP地址竞争的结果 只有一条数据转发路径 PIM DM 7 1 工作过程 扩散 剪枝过程 FloodandPrune 初始阶段 扩散 剪枝过程 FloodandPrune 剪枝阶段 修剪不需要的流量 PIM DM 7 2 工作过程 扩散 剪枝过程 FloodandPrune 剪枝结果 修剪后的结果 Flood Prune过程每3分钟重复1次 PIM DM 7 3 工作过程 PIM SM PIM SM假设网络中的组成员分布非常稀疏 几乎所有网段均不存在组成员 基于这一假设 PIM SM的设计思路是 在网络中维护一台重要的PIM路由器 汇聚点RP 以备临时出现的组成员 网络中所有PIM路由器都知道RP的位置 当网络中出现组成员 用户主机通过IGMP加入某组播组G 时 最后一跳路由器向RP发送Join消息 逐跳创建 G 表项 生成以一棵以RP为根的RPT 当网络中出现活跃的组播源 信源向某组播组G发送第一个组播数据 时 第一跳路由器将组播数据封装在Register消息中单播发往RP 在RP上创建 S G 表项 注册源信息 当网络中同时出现组成员和向该组发送数据的组播源时 以RP为中转站 组播数据先被封装在Register消息中发往RP 再沿RPT到达组成员 由PIM SM的设计思路可见 RP是PIM SM网络的转发核心 组成员和组播源都向RP汇聚 当组播流量增大时 RP和RPT上的负担同时增大 为缓解RP和RPT的负担 并优化组播路径 支持SPT切换 PIM SM 1 概述 PULL方式 显式加入 加入 剪枝 过程RPF检查应转发树类型不同而变化对特定组只能有一个RP路由匹配顺序是 S G G PIM SM 2 转发 PIM SM的RPF检查 因转发树的不同而异 若数据沿RPT转发 则对RP做RPF检查若数据沿SPT转发 则对S做RPF检查PIM SM模式的接口加入多播路由表项的出接口的条件 在该接口上的PIM邻居加入了多播组G在该接口上连接的主机加入了IGMP组在该接口上配置了静态的IGMP成员 PIM SM 3 1 注册 多播源所在网段内的DR S DR 收到多播数据包后 将该报文封装在注册 Register 报文中 然后用单播方式发送给对应于该组的RP RP收到该注册报文后 将其拆封 并沿RPT将数据向下转发 向S DR发送 S G Join 建立S DR和RP之间的SPT S DR收到 S G 加入后 SPT创建成功 数据沿SPT下发 RP收到来自SPT的多播数据后 向S DR发送Register Stop 以停止S DR继续发送Register S DR收到Register Stop后 停止Register 零流量门限切换 PIM SM 3 2 注册 接收者先加入的例子 Source S DR RP 1 10 1 1 1 224 1 1 1 的多播数据 2Register报文 3沿RPT的多播数据 4 S G Join 5沿SPT的多播流量 6Register Stop 7停止Register 下游加入导致创建特殊路由 224 1 1 1 RPF 0 0 0 0IIF NULL PIM SM 3 3 注册 源先加入的例子 Source S DR RP 1 10 1 1 1 224 1 1 1 的多播数据 2Register报文 3RPT没有接收者 丢弃该报文 4 S G Prune 9沿SPT的多播流量 5Register Stop 6停止Register丢弃后续数据报文 数据发送导致创建特殊路由 10 1 1 1 224 1 1 1 RPF 0 0 0 0OIFs NULL 7 G Join 8 S G Join 10沿RPT的多播流量 PIM SM 4 1 树切换 PIM协议规定 可以设置一个门限 当流量超过该值时 从RPT切换到SPT 门限一般用流量方式限制的 Kbps Cisco的默认门限为0 即只要有数据来立即切换 切换的优势 减少网络延时 PIM SM 4 2 树切换 RP Source R DR 1R DR上组G的流量超过门限 向X发送 S G Join和 S G RP Prune 2X将 S G Join发往S方向 S G RP Prune发往RP方向 3SPT建立 数据从SPT转发 4从RPT上删除多余的分支 数据不再从RPT转发 RPT SPT S DR Receiver X 分岔点 多播路由策略 象单播路由一样 可以采用访问控制列表 access list 对多播路由实施策略 目前可实施的路由策略包括 IGMP组限制S DR源 组限制邻居关系限制 典型的点播过程分析 UDP228 1 17 8 服务器开启 检查Mcast包源地址是否为直联源 如果是则对组播UDP报文进行封装 这时候A即为源DR 得到Register报文 012301234567890123456789012345678901 PIMVer Type Reserved Checksum B N Reserved Multicastdatapacket 源注册过程 典型的点播过程分析 RegisterRP unicast 对Register报文拆封装 并检查组播地址 如果没有该组多播路由项则建立创建 S G 项目 先创建对应父项 G 使其出口表为空 228 1 17 8 IncomingInterface registerOutgoingInterfacelist Null 17 1 1 8 228 1 17 8 IncomingInterface e0 3OutgoingInterfacelist Null e0 3 源注册过程 e0 3 e0 0 e0 1 e0 2 此时A的状态为 17 1 1 8 228 1 17 8 RegisteringIncomingInterface e0 0OutgoingInterfacelist Null 源注册过程 典型的点播过程分析 Register Stop unicast e0 3 012301234567890123456789012345678901 PIMVer Type Reserved Checksum Encoded GroupAddress Encoded Unicast SourceAddress e0 0 e0 1 e0 2 源注册过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 1 e0 2 RegisterRP unicast UDP228 1 17 8 17 1 1 8 228 1 17 8 IncomingInterface e0 0OutgoingInterfacelist Null 源注册过程 典型的点播过程分析 当网络中出现对组228 1 17 8的点播者时 228 1 17 8IGMPjoin Searching 228 1 17 8 Table Without Creating 228 1 17 8 Incominginterface e0 7Outgoinginterfacelist e0 0 leaf e0 0 e0 7 加入过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 228 1 17 8 join Searching 228 1 17 8 Table Without Creating 228 1 17 8 Incominginterface e0 5Outgoinginterfacelist e0 2 加入过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 228 1 17 8 join 228 1 17 8 IncomingInterface registerOutgoingInterfacelist e0 4 17 1 1 8 228 1 17 8 IncomingInterface e0 3OutgoingInterfacelist e0 4 加入过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 e0 4 e0 5 17 1 1 8 228 1 17 8 join 17 1 1 8 228 1 17 8 IncomingInterface e0 5OutgoingInterfacelist e0 4 加入过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 e0 4 e0 5 17 1 1 8 228 1 17 8 join e0 0 e0 1 e0 2 17 1 1 8 228 1 17 8 IncomingInterface e0 0OutgoingInterfacelist e0 1 加入过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 e0 4 e0 5 e0 0 e0 1 e0 2 228 1 17 8 IncomingInterface e0 5OutgoingInterface e0 2 228 1 17 8 IncomingInterface e0 7OutgoingInterface e0 0 leaf 17 1 1 8 228 1 17 8 IncomingInterface e0 7OutgoingInterfacelist e0 0 leaf 加入过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 e0 4 e0 5 e0 0 e0 1 e0 2 17 1 1 8 228 1 17 8 join 228 1 17 8 join RPT SPT切换过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 e0 4 e0 5 e0 0 e0 1 e0 2 17 1 1 8 228 1 17 8 Incominginterface e0 5Outgoinginterfacelist e0 2收到SG加入 并进行RPF检查 发现到源得更短路径 此时C为分岔点 将发生SPT切换 RPT SPT切换过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 e0 0 e0 1 e0 2 17 1 1 8 228 1 17 8 RPprone 228 1 17 8 IncomingInterface registerOutgoingInterfacelist e0 4 17 1 1 8 228 1 17 8 IncomingInterface e0 3OutgoingInterfacelist Null 17 1 1 8 228 1 17 8 prone 17 1 1 8 228 1 17 8 IncomingInterface e0 5OutgoingInterfacelist null 17 1 1 8 228 1 17 8 join RPT SPT切换过程 17 1 1 8 228 1 17 8 IncomingInterface e0 0OutgoingInterfacelist e0 2 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 e0 0 e0 1 e0 2 228 1 17 8 Incominginterface e0 5Outgoinginterfacelist 0 2 17 1 1 8 228 1 17 8 Incominginterface e0 3Outgoinginterfacelist e0 2 228 1 17 8 Incominginterface e0 7Outgoinginterfacelist 0 0 leaf 17 1 1 8 228 1 17 8 Incominginterface e0 7Outgoinginterfacelist e0 0 leaf RPT SPT切换过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 e0 0 e0 1 e0 2 当点播者离开时 228 1 17 8IGMPleave 228 1 17 8 Incominginterface e0 7Outgoinginterfacelist null 17 1 1 8 228 1 17 8 Incominginterface e0 7Outgoinginterfacelist null 剪支过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 e0 0 e0 1 e0 2 228 1 17 8 Incominginterface e0 5Outgoinginterfacelist null 17 1 1 8 228 1 17 8 Incominginterface e0 3Outgoinginterfacelist null 17 1 1 8 228 1 17 8 prone 228 1 17 8 prone 剪枝过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 e0 0 e0 1 e0 2 17 1 1 8 228 1 17 8 prone 17 1 1 8 228 1 17 8 IncomingInterface e0 0OutgoingInterfacelist null 剪枝过程 典型的点播过程分析 e0 0 e0 7 e0 3 e0 0 e0 2 e0 5 e0 3 e0 4 e0 2 e0 0 e0 1 e0 2 典型的点播过程分析 SSM协议介绍 该网络中组播报文转发路径建立过程如下 RouterB作为UserA侧DR接收到UserA的IGMPv3报文 确定其申请加入的G1属于SSM组地址范围 则应用SSM模式 RouterB创建 S G 表项 上游接口为朝向S的RPF接口 下游接口为连接UserA的接口 RouterB从上游接口发出Join消息 RouterA接收到Join消息 创建 S G 表项 上游接口为连接S的接口 下游接口为收到Join消息的接口 SPT构建完成 S发出的组播报文沿SPT直接发送到UserA 同时 RouterC作为UserB侧DR接收到UserB的IGMPv3报文 确定其申请加入的G2不属于SSM组地址范围 则将依照正常的PIM SM模式创建组播路由 创建RPT 源注册 SPT切换 SSM的特点 网络用户能够预先知道组播源的具体位置 因此用户在加入组播组时 可以明确指定从哪些源接收信息 组成员端DR了解到用户的需求后 直接向组播源的方向发送Join消息 Join消息逐跳向上传输 在源与组成员之间建立SPT MSDP介绍 MSDP 全称是MulticastSourceDiscoverProtocol 组播源发现协议 用于各个组播域相互发现和交换组播源的协议 MSDP通过在各个组播域间 指定Peers 邻居 并使用TCP 端口639 连接保证指定的Peers 邻居 间的通信 来交互各个组播域发现的源信息 从而做到使一个组播域知道域外的源 从而做到域间点播 在Peers进行连接时 IP地址大的监听端口 小的主动连接 MSDP介绍 MSDP一般运行在路由器RP之中 相邻域的MSDPpeer通过MSDPsessions TCP连接 进行通讯 MSDP的工作过程为 域内出现一个新的发送者时 该发送者向RP注册 本域的MSDPpeer获知该发送者信息后 向所有邻域的MSDPpeers发送SourceActive SA 消息 包括 发送者 组 信息 MSDPpeers收到SA消息后作RPF检查 以避免环路 检查成功则向其他邻居转发该消息 收到SA的MSDPpeer 同样是RP 会察看自己域内是否有该组播组成员 即是否已经构建了该组播组的转发树 若是 则向该发送者发送一条PIMjoin消息以完成该组源转发树的构建 或者通过转发树向域内的接收者转发数据 MSDP协议工作原理 通过在RP1 RP2和RP3之间建立MSDP对等体关系 如上图 可以使Receiver接收到Source发出的组播数据 域间组播的工作过程如下 Source向组G发送组播数据 DR1 DesignatedRouter 将组播数据封装在Register消