网际多目标广播PPT课件

1 网络多媒体 北京邮电大学培训中心授课教师 张秀茂E mail zhangxiumao 2 网际组播 组播的概念组播所需要的环境组播技术的基本原理组播组网结构组网业务管理 3 组播的概念 传统IP通信的两种方式 单播 unicast 广播 broadcast 传统的单播和广播通信方式不能有效地解决单点发送多点接收的问题 IP组播 4 单播方式 A D C B C B D A 发送源 5 广播方式 A D C B 广播源 6 IP组播 IP组播是指在IP网络中将数据包以尽力传送 best effort 的形式发送到网络中的某个确定节点子集 这个子集称为组播组 multicastgroup IP组播的基本思想是 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 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主机 目标主机 可以接收该数据 网络中其它主机不能收到 组播组用D类IP地址 224 0 0 0 239 255 255 255 来标识 7 组播方式 A D C B 组播源 发送一次 8 组播所需要的环境 对本地的IP组播 主机节点所需要的环境是 TCP IP协议堆中可支持IP组播 软件支持网际主机组管理协议IGMP InternetGroupManagementProtocol 这样就可以申请参加组播组 multicastgroup 和接收组播 要有IP组播应用软件 例如电视会议软件 在WAN网络上IP组播还需要 在接收两端之间的所有路由器都具备组播的功能 能识别防火墙以使组播畅通 9 组播技术的基本原理 组播协议体系结构组播地址组播成员管理协议IGMP路径选择与路由协议 10 组播协议体系结构 组播成员管理协议IGMP 主机 路由器之间的协议 路由协议 路由器 路由器之间协议 密集型组播路由协议 包括DVMRP MOSPF PIM DM等协议 稀疏型组播路由协议 包括CBT PIM DS 11 组播地址 地址的分配由因特网指派号码注册中心IANA InternetAssignedNumbersAuthority 掌握 其中D类地址空间分配给组播使用 范围从224 0 0 0到239 255 255 255 局部链接地址 224 0 0 0 224 0 0 255 用于局域网 路由器不转发属于此范围的IP包 用户组播地址 224 0 1 0 238 255 255 255 用于全球范围或网络协议 管理权限地址 239 0 0 0 239 255 255 255 组织内部使用 用于限制组播范围 12 地址的映射 IP组播地址到MAC地址的映射 IANA将MAC地址范围01 00 5E 00 00 00 01 00 5E 7F FF FF分配给组播使用 这就要求将28位的IP组播地址空间映射到23位的MAC地址空间中 因为IP多播地址的高5位未影射 因此 影射的MAC地址不是唯一的 共有32个IP多播地址影射到一个MAC地址 13 地址的映射 48位MAC地址 32位IP地址 5位未映射 后23位直接映射 14 组播成员管理协议IGMP Internet组管理协议组播源广告通知接收端加入组播组接收端退出组播组 15 Internet组管理协议 IGMP协议运行于主机和与主机直接相连的组播路由器之间 功能是双向的 主机功能路由器功能IGMP消息格式 IGMP工作原理 16 主机功能 主机通过IGMP协议 通知本地路由器希望加入并接收某个特定组播组的信息 17 路由器功能 路由器通过IGMP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 通过IGMP 在路由器中记录的信息是某个组播组是否在本地有组成员 而不是组播组与主机之间的对应关系 18 IGMP消息格式 IGMP消息封装在IP数据包 主机成员查询 HostMembershipQuery 数据包 主机成员报告 HostMembershipReport 数据包 它们具有相同的固定格式 03478151631 19 IGMP消息格式 IGMPv1类型 1 主机成员询问2 主机成员报告IGMPv2将版本与类型合并为类型 0 x11 成员询问0 x12 IGMPv1成员报告0 x16 IGMPv2成员报告0 x17 退出主机组 20 IGMP工作原理 MR 组播网络 MR 组播路由器 定时查询特定查询 响应抑制 查询响应 主动报告加入 离开 MR 21 IGMP工作原理 当同一个网段内有多个组播路由器时 IGMP通过查询器选举机制从中选举出唯一的查询器 查询器周期性地发送通用组查询消息进行成员关系查询 主机发送报告消息来响应查询 主机发送报告消息的时间有随机性 当检测到同一网段内有其它成员发送同样的消息时 则抑制自己的响应报文 如果有新的主机要加入组播组 不必等待查询器的查询消息 而是主动发送报告消息 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 对于作为组成员的路由器而言 其行为和普通的主机一样 响应其它路由器的查询 22 组播源广告通知 组播会话消息可通过因特网广告通知接收端 广告使用应用层的广播会话说明协议SDP SessionDescriptionProtocol 来发布 这个协议发送广告的地址是224 2 2 2 UDP端口号是4000 可用一台主机运行用户代理来收集广告并把广告摘要用图形方式向用户显示 第一个这样的用户代理叫做会话目录SD SessionDirectory 它除了显示公告之外 也启动多目标应用程序和为任何一个新的多目标广播会话选择一个地址 当源端开始一个新的多目标广播时 SD就从多目标地址空间中随机地选择一个多目标广播地址 23 接收端加入组播组 当某个主机加入某一个组播组时 它通过 成员资格报告 消息通知它所在的IP子网的组播路由器 将自己的IP模块做相应的准备 以便开始接收来自该组播组传来的数据 如果这台主机是它所在的IP子网中第一台加入该组播组的主机 通过路由信息的交换 组播路由器加入组播分布树 24 接收端退出组播组 当每一个主机离开某一个组播组时 需要通知子网组播路由器 组播路由器立即使用 成员资格查询 消息向IP子网中的所有组播组询问 如果某一组播组在IP子网中已经没有任何成员 那么组播路由器在确认这一事件后 将不再在子网中转发该组播组的数据 与此同时 通过路由信息交换 从特定的组播组分布树中删除相应的组播路由器 25 路径选择与路由协议 组播树的概念两种基本的路径选择法密集型组播路由协议 DVMRP MOSPF PIM DM等协议 稀疏型组播路由协议 包括CBT PIM DS 26 组播树的概念 组播源 组成员 MR MR MR MR MR MR MR MR MR 组成员 组成员 组成员 组成员 MR 组播路由器 27 网络组播树建立过程 网络使用路由协议建立从源端到所有希望参加会话的组成员之间的组播树 网络建立组播树的过程如下 组播源把数据或者组播通知发送给所有路由器 不想参加组播的终端逆向发送一个删除消息 删除没有成员的分支和不在最短路径树上的分支 在组播源生成最短路径树 使用联结和删除功能改变成员之间的关系 28 组播树的结构 组播源 组成员 MR MR MR MR MR MR MR MR MR 组成员 组成员 组成员 组成员 MR 组播路由器 29 组播路由分类 信源树 SourceTree 以组播源作为树根 将组播源到每一个接收者的最短路径结合起来构成的转发树 由于信源树使用的是从组播源到接收者的最短路径 因此也称为最短路径树 shortestpathtree SPT 共享树 SharedTree 以某个路由器作为路由树的树根 该路由器称为汇集点 RendezvousPoint RP 将RP到所有接收者的最短路结合起来构成转发树 30 信源树 组播源1 组成员 MR MR MR 组成员 组成员 MR 组播路由器RP 汇集点由器 组播源2 RP 组成员 MR 31 共享树 组播源1 组成员 MR MR MR 组成员 组成员 MR 组播路由器 组播源2 MR 组成员 MR 32 信源树与共享树比较 信源树的优点是能构造组播源和接收者之间的最短路径 使端到端的延迟达到最小 信源树的缺点是 在路由器中必须为每个组播源保存路由信息 这样会占用大量的系统资源 路由表的规模也比较大 共享树的最大优点是路由器中保留的状态数可以很少 缺点是组播源发出的报文要先经过RP 再到达接收者 经由的路径通常并非最短 对RP的可靠性和处理能力要求很高 33 逆向路径转发 RPF RPF ReversePathForwarding 在组播中 报文是发送给一组接收者的 这些接收者用一个逻辑地址标识 路由器在接收到报文后 必须根据源和目的地址确定出上游 指向组播源 和下游方向 把报文沿着远离组播源的方向进行转发 34 RPF检查 使用原有的单播路由表以确定上游和下游的邻接结点 只有当报文是从上游邻接结点对应的接口到达时 才向下游转发 否则 丢弃该报文 RPF的作用除了可以正确地按照组播路由的配置转发报文外 还能避免由于各种原因造成的环路问题 35 RPF检查过程 组播源1 组成员 MRA MRD MRB 组成员 MR 组播路由器 组成员 MRC 子网N0 C1 D0 B1 C1 C0 A1 36 两种基本的路径选择法 根据组播组成员在整个网络上预期的分布情况 IP组播路由协议选择通常遵循下述两种基本假设来制定 组播组成员密布在整个网络上 也就是许多子网至少包含一个成员 并且带宽很充裕 组播组成员稀疏地分布在整个网络 并且未必有充裕的带宽可用 37 距离矢量组播路由协议 DVMRP DVMRP采用逆向路径组播 RPM 算法进行组播转发 沿着源的组播分发树向下转发组播报文 当叶子路由器不再需要组播数据包时 它朝着组播源发送剪枝消息 对组播分发树进行剪枝 当剪枝区域内出现了组播组成员时 而是主动向上游发送嫁接报文 以使剪枝状态变为转发状态 在多路访问网络中 DVMRP可为每个源选择一个唯一的转发器 38 DVMRP特点 而路由树的建立过程可以概括为 扩散与剪枝 BroadcastandPrune 转发特点可以概括为 被动接受 主动退出 适合在子网上密布组播组的情况下 在组播组稀疏分布在广域网上的情况下 会使网络的性能严重下降 组播路由状态信息的数量问题 39 DVMRP跨越广播树的构造过程 组播源 MR1 MR3 MR2 MR4 MR6 MR7 MR5 MR8 组成员 组成员 组成员 组成员 本地子网 40 构造过程 在第1次转发时 消息到达路由器MR1 在第2次转发时 消息到达路由器MR2 3和4 在第3次转发时 消息到达路由器MR5 6和8 同时MR3和MR4交换消息 在第4次转发时 消息到达路由器MR7 由于MR7是一个叶子路由器 而且在子网上没有广播组的成员 所以它就回送一个剪除消息给路由器MR6 路由器MR6回送一个剪除消息给路由器MR4 路由器MR3也回送一个剪除消息给路由器MR1 41 最后生成的跨越广播树 组播源 MR1 MR2 MR4 MR5 MR8 组成员 组成员 组成员 组成员 本地子网 42 组播开放最短路径优先协议 MOSPF沿着最低成本路径传递消息 而最低成本则使用链路状态 link state 来衡量的 路径上的转发数负荷平衡信息要求的服务质量周期性地收集多目标广播组成员的信息 每个路由器都要维持整个网络的最新布局图 其链路状态信息就用来构造多目标广播树 MOSPF使用Dijkstra算法计算最短路径树 43 MOSPF树的计算过程 组播源 MR1 MR2 MR3 MR6 MR9 组成员 组成员 组成员 组成员 MR4 MR5 MR8 MR7 44 计算步骤 MR1计算的树 经由IGMP知道组的成员 因此就知道通往MR4的路径要经MR2 通往MR8的路径要经MR5 等等 MR2计算的树 确定通往MR4的路径是直接的 通往MR8的路径要经MR5 MR3计算的树 确定通往MR9的路径是直接的 MR5计算的树 确定通往MR8的路径是直接的 45 协议无关组播协议 密集模式 不依赖于任何特殊的路由协议提供的方法 可增减路由域数目的域间组播的行程安排 运行PIM DM协议的路由器周期性的发送Hello消息 发现邻接的PIM路由器 进行叶子网络 叶子路由器的判断 并且负责在多路访问网络中选举指定路由器 DR 采用 扩散 剪枝 的方式进行组播数据包的转发 为了完成组播转发 沿途的路由器需要为组G和源S创建相应的组播路由项 S G S G 路由项包括组播源地址 组播组地址 入接口 出接口列表 定时器和标志等 46 稀疏型组播路由协议 核心基干树协议CBT协议独立组播 稀疏型协议 PIM SM 47 核心基干树协议CBT 核心基干树CBT CoreBasedTree 协议构造一棵由所有组员共享的树 整个组的组播都在这棵相同的树上发送和接收 而不管它们的广播源 CBT共享树以一个路由器为核心来构造广播树 路由器发送加入消息 joinmessage 到核心路由器表示它准备加入核心树 核心路由器返回确认消息接受路由器加入 这样就形成一个树新的分支 申请加入广播树时 加入消息不需要穿越到达核心路由器的所有线路 48 CBT共享树 MR 组成员 MR 组成员 MR 组成员 MR 组成员 MR 组成员 MR 组成员 MR 组成员 核心MR MR 组成员 加入1 加入2 49 核心基干树协议特点 使用共享树可以明显节省在路由器中存储的多目标广播状态信息的数量 CBT路由协议可支持使用多个核心路由器 因此负载平衡问题也就可以使用多个核心路由器来改善 50 协议独立组播 稀疏型协议 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DR的选举 PIM SM通过建立组播分发树来进行组播数据包的转发 以组G的RP为根的共享树 以组播源为根的最短路径树 PIM SM通过显式