TCPIP协议原理ChapterIP组播实用教案

1、单播、广播单播、广播(gungb)与组播与组播单播组播广播(gungb)第1页/共61页第一页，共62页。实现(shxin)点对多点通信的两种途径(1) 多个单播： 发送者对每个接收者都采用(ciyng)一条单播传输；共有 90 个主机接收视频(shpn)节目R1R3R4R2视频服务器 M30 个30 个90 个30 个30 个30 个30个第2页/共61页第二页，共62页。实现(shxin)点对多点通信的两种途径(2) 组播 发送主机仅发送一个包； 一旦该包需要转发(zhun f)，路由器才进行复制；组播组成员共有(n yu) 90 个R1R3R4R2视频服务器 M组播1 个组播1 个1 个

2、1 个1 个组播1 个1 个发送 1 次组播复制第3页/共61页第三页，共62页。IP Multicast How Does it Work? The sender (source) sends one copy of a single packet addressed to a group of receivers - multicast group Multicast routers replicate and forward the packet to all the branches where receivers (may) exist Receivers express（表达(bi

3、od)了） their interest in multicast traffic by sending control messages to routers第4页/共61页第四页，共62页。Why Multicast? more and more multimedia communication application and service have emerged in Internet that all the recipients want the same type of data Ex. Digital TV, Digital Radio, Video Conference C

4、onsume much more bandwidth than usual application Require high QoS support Belong to one-to-many communication style第5页/共61页第五页，共62页。 Enhanced Efficiency Optimized Performance Distributed ApplicationsExample: Audio StreamingAll clients listening to the same 8-Kbps audio00.20.40.60.8TrafficMbps120406

5、080100Number of ClientsMulticastUnicastMulticast Advantages第6页/共61页第六页，共62页。组播应用(yngyng) 一对多 定时的媒体播放，“推送”服务（股票价格，天气预报）； 多对多 网络游戏，视频会议 有反馈的多对一 资源(zyun)发现，数据收集第7页/共61页第七页，共62页。IP Multicast ApplicationsCorporate BroadcastsDistance LearningTrainingVideo ConferencingWhiteboard/CollaborationMulticast File

6、 TransferData and File ReplicationReal-Time Data DeliveryFinancialVideo-On-DemandLive TV and Radio Broadcast to the Desktop第8页/共61页第八页，共62页。组播通信(tng xn)的几个问题 如何标识组播通信的接收(jishu)方？ 如何确定和维护组成员关系？ 如何为发送给这些接收(jishu)者的数据报寻址？IP组播编址机制组播编址机制(jzh)组成员关系协议组成员关系协议组播路由协议组播路由协议组播体系结构组播体系结构第9页/共61页第九页，共62页。组播组和组播地址

7、(dzh) IP组播地址由D类IP地址标记(bioj)。 地址的最高四位为“1110”； 范围224.0.0.0239.255.255.255。 D类IP地址又进行了划分。224.0.0.255238.255.255.255239.255.255.255224.0.0.0本地管理组播地址用户组播地址保留组播地址第10页/共61页第十页，共62页。组播组和组播地址(dzh) 从224.0.0.0至224.0.0.255的地址被IANA保留为网络协议使用，作为永久组的地址，其中(qzhng)比较重要的地址有： 224.0.0.1 网段上所有支持组播的主机 224.0.0.2 网段上所有支持组播的路

8、由器 224.0.0.4 所有DVMRP路由器 224.0.0.5 所有OSPF路由器 224.0.0.6 指定的OSPF路由器 224.0.0.9 所有RIP2路由器 224.0.0.10 所有IGRP路由器 224.0.0.13 所有PIM路由器第11页/共61页第十一页，共62页。D类IP地址与以太网多播地址的映射(yngsh)关系 0000000000000001010111100111008162431D 类类 IP 地址地址(dzh)这 5 位不使用(shyng)48 位以太网地址0 1 0 0 5 E表示多播最低 23 位来自 D 类 IP 地址第12页/共61页第十二页，共62

9、页。组播协议(xiy) 组成员关系协议 主机-路由器之间； 主要有IGMP，它负责建立并维护路由器直联网段的组成员关系信息。 组播路由协议 路由器-路由器之间； 根据IGMP维护的这些组播组成员关系信息，运用一定的组播路由算法构造(guzo)组播分布树进行组播分组转发，主要包括DVMRP、MOSPF、CBT、PIM-DM、PIM-SM等。第13页/共61页第十三页，共62页。Internet组管理(gunl)协议(IGMP) 目前已使用的有3个版本：IGMPv1，v2和v3。 它用于将局域网内主机的组成员关系(gun x)报告给本网段内的组播路由器。第14页/共61页第十四页，共62页。Int

10、ernet组管理(gunl)协议(IGMP) IGMP只工作在本地(bnd)范围。128.56.24.34135.27.74.52130.12.14.56130.12.14.43组播组226.15.37.123IGMPIGMPIGMPIGMPR1R4R3R2第15页/共61页第十五页，共62页。Internet组管理(gunl)协议(IGMP)第16页/共61页第十六页，共62页。IGMP工作(gngzu)的两个阶段(1) 当某个(mu )主机加入新的组播组时，该主机应向组播组的组播路由器发送IGMP 报文，声明自己要成为该组的成员。 本地的组播路由器收到 IGMP 报文后，将组成员关系转发给

11、因特网上的其他组播路由器。第17页/共61页第十七页，共62页。IGMP工作的两个(lin )阶段(2) 因为组成员关系是动态的，因此本地组播路由器要周期性地探询本网上的主机，以便知道这些主机是否还继续是组成员。 只要对某个组有一个主机响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的。 但一个组在经过(jnggu)几次的探询后仍然没有一个主机响应，则不再将该组的成员关系转发给其他的组播路由器。第18页/共61页第十八页，共62页。IGMP报文格式与类型(lixng) 报文格式v报文类型：查询，成员报告(bogo)，退出报告(bogo)。第19页/共61页第十九页，共62页。IGMP报文的封装 IGMP

12、报文封装在IP数据报中发送。 IP报头： 协议(xiy)字段值=2 TTL=1（因为IGMP只在本地工作） 目的IP地址：第20页/共61页第二十页，共62页。H2 Joining member sends report to 224.1.1.1 immediately upon joining (same as IGMPv1)H2224.1.1.1Report1.1.1.1H1H31.1.1.101.1.1.111.1.1.12rtr-aIGMPv2Joining a Group第21页/共61页第二十一页，共62页。 Router sends periodic queries One me

13、mber per group per subnet reports Other members suppress reportsQuery1.1.1.1IGMPv21.1.1.101.1.1.111.1.1.12224.1.1.1Report224.1.1.1SuppressedX224.1.1.1SuppressedXH1H2H3IGMPv2Maintaining a Group第22页/共61页第二十二页，共62页。IGMPv21.1.1.11.1.1.2H1H2H31.1.1.101.1.1.111.1.1.12Initially, all routers send out a quer

14、yQueryQueryRouter with the lowest IP address is elected querierIGMPQuerierOther routers become non-queriersIGMPNon-Querierrtr-artr-bIGMPv2Querier Election第23页/共61页第二十三页，共62页。H2 leaves group; sends Leave messageLeave to224.0.0.2224.1.1.1Router sends Group-Specific QueryGroup-SpecificQuery to 224.1.1.

15、1A remaining member host sends reportReport to224.1.1.1224.1.1.1Group remains activeH11.1.1.101.1.1.1rtr-aH31.1.1.121.1.1.11H2H2IGMPv2Leaving a Group第24页/共61页第二十四页，共62页。Last host leaves group; sends Leave messageLeave to224.0.0.2224.1.1.1Router sends Group-Specific QueryGroup-SpecificQuery to 224.1.

16、1.1No report is receivedGroup times outH21.1.1.1rtr-aH11.1.1.101.1.1.121.1.1.11H3H3IGMPv2Leaving a Group第25页/共61页第二十五页，共62页。组播与单播在选路的不同(b tn) 组播转发必须动态地适应组播组成员的变化（这时网络拓扑并未发生变化）。请注意(zh y)，单播路由选择通常是在网络拓扑发生变化时才需要更新路由。 组播数据报可以由没有加入组播组的主机发出，也可以通过没有组成员接入的网络。 组播路由器在转发组播数据报时，不能仅仅根据组播数据报中的目的地址。在转发时，组播路由器使用数据报

17、的源地址和目的在转发时，组播路由器使用数据报的源地址和目的(md)地址地址第26页/共61页第二十六页，共62页。Multicast Forwarding Multicast routing works the opposite way of unicast routing Unicast routing is concerned with where the packet is going Multicast routing is concerned with where the packet comes from Multicast routing uses Reverse Path Fo

18、rwarding(反向路径(ljng)转发) to prevent forwarding loops第27页/共61页第二十七页，共62页。Reverse Path Forwarding (RPF) What is RPF? A router forwards a multicast datagram only if received on the upstream interface to the source, i.e. it follows the distribution tree The RPF Check The routing table for unicast is check

19、ed against the source address in the multicast datagram If the datagram arrived on the interface specified in the routing table for the source address: The RPF check succeeds Otherwise, the RPF check fails第28页/共61页第二十八页，共62页。Reverse Path Forwarding (cont.) Reverse Path Forwarding (RPF) check: If the

20、 RPF check succeeds, the datagram is forwarded If the RPF check fails, the datagram is typically silently discarded When a datagram is forwarded, it is sent out of each interface in the outgoing interface list The packet is never sent back out of the RPF interface第29页/共61页第二十九页，共62页。RPF CheckingSour

21、ce151.10.3.21Multicast Distribution TreeExample: RPF CheckingMulticast PacketsRPF Checks fail Packets arrived on wrong interface.第30页/共61页第三十页，共62页。RPF Check SucceedsRPF Check Succeeds! Unicast Route TableNetwork Interface151.10.0.0/16S1198.14.32.0/24S0204.1.16.0/24E0E0S1S0S2Multicast packet fromsou

22、rce 151.10.3.21Packet arrived on right interface!S1Forward out of all outgoing interfaces.(i. e. down the distribution tree)RPF Check (cont.)第31页/共61页第三十一页，共62页。RPF Check Fails!RPF Check FailsPacket arrived on wrong interface!E0S1S0S2Multicast acket fromsource 151.10.3.21XDiscard packet! Unicast Rou

23、te TableNetwork Interface151.10.0.0/16S1198.14.32.0/24S0204.1.16.0/24E0S1RPF Check第32页/共61页第三十二页，共62页。RPF Interface Reverse Path Forwarding (RPF) check is done with respect（关于(guny)） to the RPF interface The interface that is closest to the source Determined from any unicast or dedicated（专用） multica

24、st table (DVMRP, MBGP) Periodic（周期性） recheck of the RPF interface第33页/共61页第三十三页，共62页。组播路由协议(xiy) 组播路由协议负责构建组播分组的传输路径。 组播分布树（Distribution Tree） 在传输组播分组时，指派路由器构造一个连接所有组播组成员的树。 根据这个树，路由器得出转发分组的一条唯一路径。 由于(yuy)组播组成员可以动态地加入和退出，因此组播分布树也必须动态更新。 第34页/共61页第三十四页，共62页。组播路由协议(xiy) 根据构造方法的不同，有两种最基本的组播分布树：源分布树和共享分

25、布树。 源分布树（Source Distribution Tree） 以组播源为根节点构造到所有(suyu)组播组成员路径都最短的生成树。也称为最短路径树（Shortest Path Tree，SPT）。第35页/共61页第三十五页，共62页。Shortest-Path or Source Distribution TreeReceiver 1BEADFSource 1Notation: (S, G) S = Source G = GroupCReceiver 2Source 2Shortest-Path Trees第36页/共61页第三十六页，共62页。Shortest-Path or So

26、urce Distribution TreeReceiver 1BEADFSource 1Notation: (S, G) S = Source G = GroupCReceiver 2Source 2The Tree is per SOURCEShortest-Path Trees第37页/共61页第三十七页，共62页。Shortest-Path Trees 在每一个组播组内，每个源节点建立一棵到所有其它成员的最短路径树，即源节点和组的每一种组合构成一棵树。 每一个路由器必须有关于(guny)每一个特定树的信息，路由器根据组播分组的源地址及组地址确定使用哪棵多播树转发。 优点：多播分组总是使

27、用最佳路径转发。 缺点：路由器需要维护大量的多播树。第38页/共61页第三十八页，共62页。Shared Distribution Tree 共享分布树（Shared Distribution Tree） 以网络中的某一个指定的路由器为根节点，该路由器称为汇聚(hu j)点（Rendezvous Point，RP）或核心，由此节点生成包含所有组成员的组播树。 也称为RP树（RPT）或基于核心的树（Core-Based Tree，CBT）。第39页/共61页第三十九页，共62页。Shared Distribution TreeReceiver 1BEADFNotation: (*, G) * =

28、 All Sources G = GroupCReceiver 2(RP)(RP) PIM Rendezvous PointShared TreeShared Distribution Tree第40页/共61页第四十页，共62页。Shared Distribution TreeReceiver 1BEADFNotation: (*, G) * = All Sources G = GroupSource 1CReceiver 2Source 2Source Tree(RP)(RP) PIM Rendezvous PointShared TreeShared Distribution Tree第

29、41页/共61页第四十一页，共62页。Shared Distribution Tree 每个组播组使用一棵以核心(hxn)路由器为根的组播树。 优点：路由器对于每个组只要维护一棵组播树，内存消耗减少。 缺点：组播分组使用的转发路径可能不是最佳的，这是组共享树为实现可扩展性而付出的性能代价。第42页/共61页第四十二页，共62页。组播路由协议(xiy) 组播路由协议的主要任务就是构造组播的分布(fnb)树，使组播分组能够传送到相应的组播组成员。 根据对网络中的组播成员的分布(fnb)和使用的不同，组播路由协议分为两类： 密集模式路由协议（DM） 稀疏模式路由协议（SM）。第43页/共61页第四十

30、三页，共62页。DM路由协议(xiy) DM路由协议通常用于组播组成员（接收者）密集地分布且有足够带宽的网络环境。 DM路由协议采用一种定期广播组播组的扩散-剪枝技术来维护组播分布树，它只使用(shyng)源分布树（SPT）。 DM路由协议有： DVMRP（Distance Vector Multicast Routing Protocol，距离向量组播路由协议） MOSPF（Multicast Open Shortest Path First，组播OSPF协议） PIM-DM（Protocol Independent Multicast-Dense Mode，协议无关组播协议-密集模式）第4

31、4页/共61页第四十四页，共62页。PIM - Dense Mode (PIM-DM) Protocol independent supports all underlying（已有） unicast routing protocols: static, RIP, IGRP, EIGRP, IS-IS, OSPF, and BGP Uses flood and prune mechanism Floods network and prunes back based on multicast group membership Assert mechanism used to prune off

32、redundant flows on multiaccess networks Appropriate for smaller implementations and pilot networks（适用于小规模实验(shyn)型网络）第45页/共61页第四十五页，共62页。Initial FloodingSourceReceiverMulticast Packets(S, G) state created inevery router in the network!PIM-DM Flood and Prune第46页/共61页第四十六页，共62页。Pruning Unwanted Traffi

33、cSourceReceiverMulticast PacketsPrune MessagesPIM-DM Flood and Prune (cont.)第47页/共61页第四十七页，共62页。SourceResults after PruningReceiverMulticast PacketsFlood and Prune processrepeats every three minutes!(S, G) state still exists ineveryrouter in the network!PIM-DM Flood and Prune (cont.)第48页/共61页第四十八页，共

34、62页。SM路由协议(xiy) 在网络中稀疏分布组播组成员、网络也没有充足带宽(di kun)的情况（如广域网环境）下可以使用SM路由协议。 SM路由协议采用选择性的建立和维护分布树的方式，由空树开始，仅当成员显式的请求加入分布树才做出修改。 SM路由协议有： CBT：基于核心的分布树协议 PIM-SM（Protocol Independent Multicast-Sparse Mode，协议无关组播协议-稀疏模式）第49页/共61页第四十九页，共62页。ReceiverRP(*, G) JoinShared Tree(*, G) State created onlyalong the Sha

35、red Tree.PIM-SM Shared Tree Join第50页/共61页第五十页，共62页。ReceiverRP(S, G) JoinSourceShared Tree(S, G) Register(unicast)Source Tree(S, G) State created onlyalong the Source Tree.Traffic FlowPIM-SM Sender Registration第51页/共61页第五十一页，共62页。ReceiverRPSourceShared TreeSource TreeRP sends a Register-Stop back to

36、the first-hop router to stop the Register process.(S, G) Register-Stop(unicast)Traffic Flow(S, G) Register(unicast)(S, G) traffic begins arriving at the RP via the Source tree.PIM-SM Sender Registration (cont.)第52页/共61页第五十二页，共62页。ReceiverRPSourceShared TreeSource TreeTraffic FlowSource traffic flows

37、 nativelyalong SPT to RP.From RP, traffic flows downthe Shared Tree to Receivers.PIM-SM Sender Registration (cont.)第53页/共61页第五十三页，共62页。ReceiverRP(S, G) JoinSourceSource TreeShared TreeLast-hop router joins the Source Tree.Additional (S, G) State is created along new part of the Source Tree.Traffic FlowPIM-SM SPT Switchover第54页/共61页第五十四页，共62页。ReceiverRPSourceSource TreeShared Tree(S, G)RP-bit PruneTraffic begins