宽带城域解决方案IPTV方案系列培训-IP 组播原理 ISSUE.ppt

1、IP 组播原理,ISSUE 1.0,Page 1,内容介绍,第1章 组播简介 第2章 组播协议基础 第3章 组播协议详述 第4章 组播配置举例,Page 2,什么是组播？,三种传输模型 Unicast：一对一的传输模型 Broadcast：一对所有的传输模型 Multicast：一对一组（多）的传输模型 所谓“组”，可以理解为有某个共同特征的对象的集合,Page 3,什么是IP组播？,传输模型是针对TCPIP或OSI层次模型中的某一层上讲的，下一层或上一层的模型不影响本层的模型。 所谓IP组播或者说3层组播，就是指在IP层看来，传输模型为一对多的模式。 尝试理解一下应用层组播和2层组播的含义,

2、Page 4,理解3层和2层组播,在普通以太网的情况下： 目的IP地址设置为225.0.0.1的组地址，网络层希望能够进行1对多的报文传输。 目的mac地址会被填成01:00:5E:00:00:01，链路层希望进行1对多的报文传输。 而实际上，位于同一个物理连接上的所有节点，都可以收到这个报文，原因就是以太网的物理层只提供广播功能。（载波侦听多路访问和冲突检测（CSMA/CD ） 链路层实现会根据目的mac地址决定是否上送这个报文到网络层。 对网络层而言，只有同一组的节点才收到了这个报文，从本层角度来看，完成了组播模式的传输。 本胶片的内容，以IP组播为主，同时会少量涉及其他内容。,Page

3、5,IP组播的特征,IP组播的特点是： 相对于单播传输模型，组播解决了在数据头端进行复制带来的压力问题，同时使得从整个网络的角度观察，数据传输是呈点到多点（而非点到点）的状态。这样，使得节点间的流量模型达到最优状态。 相对于广播传输模型，组播利用了网络层协议可以跨越链路层节点的特性，避免了全网进行数据广播引起的复杂模型，同时也降低了数据到达不必要节点而产生的冗余流量。另外，internet 明确不支持全网广播。 思考：这个特点带来的价值如何？,Page 6,IP组播的用户价值,IP组播对于业务的优势主要体现在： 减少服务器负载 节约带宽，减少冗余的流量 可扩展性，增加更多的接收者，并不会增加网

4、络压力 因此，IP组播适合的业务应用包括：视频直播、视频会议、证券市场等,劣势?,Page 7,组播IP地址分配,在IPv4中 D类地址被划为组播地址, 前缀为1110，它不代表网络上具体的主机，而仅仅代表由相应接收者组成的集合组播组。 范围从 224.0.0.0 to 239.255.255.25,Page 8,组播MAC地址分配,组播 IP &Mac 地址映射 当把组播地址映射到Mac地址时，D类地址的后23位被映射到IEEE Mac地址的后23位, 5位丢失，造成32个D类地址对应一个组播Mac地址。 利用组播 Mac 地址映射只能解决组播源与接收者在同一 LAN 内的组播数据的发送与接

5、收 思考：5bit的loss对部署带来什么样的约束？,1110,32Bit IP address,01011110,00000000,0,48 bit MAC address,mapping,00000001,Page 9,单播转发模型,1,3,1,2,3,发送到主机3的报文,Dest NextHop OIFH3/32 R3 Eth0.,单播转发表,发送到主机3的报文,基于IP报文的目的地址进行查找转发表,2,Page 10,组播转发模型,基于IP报文的源地址、目的地址进行查找转发表,1,2,3,1,2,3,发送到Group1的报文,S G IIF OIFListH1 G1 Eth1 Eth2

6、、Eth3,组播转发表,发送到Group1的报文,加入Group1,加入Group1,发送到Group1的报文,Page 11,反向路径转发RPF (Reverse Path Forwarding),用来检查是否应该接收从某个接口来的某个源组的组播数据报文 在转发平面，表现为组播转发表中的入接口项 该接口由组播路由协议生成，也被组播路由协议用来构建分发树。,接收者R1,接收者R2,组播源S,Eth0,Eth1,Eth0,Eth1,组播转发表,目的 下一跳 接口 S . Eth0,单播路由表,S G IIF OIFListS G Eth0 ,Page 12,组播基本概念小结,在TCPIP的分层架

7、构上理解各层的组播 IP组播的特征 IP组播的地址分配 IP组播转发模型 RPF在转发平面的概念,Page 13,内容介绍,第1章 组播简介 第2章 组播协议基础 第3章 组播协议详述 第4章 组播配置举例,Page 14,组播协议要素,组播通信模型 组播协议四要素： 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,Page 15,组播协议架构,组播协议 主机通信协议 组播路由协议 域间组播协议 组播拓扑分离协议,Page 16,组播协议概述,组播协议 主机通信协议 IGMP（v1、v2、v3），用于了解接口所连接的网络是否有主机要接收某个组或者某个(源，组

8、）的数据 组播路由协议 域间组播协议 组播拓扑分离协议,组播网络,查询,报告239.0.1.1,IGMP,Page 17,组播协议概述,主机通信协议 组播路由协议 掌握网络拓扑，发现组播源，建立起以组播源为根的或者 RP 为根的分发树 PIM: SM, DM, SSM, BidirPIM DVMRP, MOSPF 域间组播协议 组播拓扑分离协议,组播网络,组播源,Page 18,组播协议概述,组播协议 主机通信协议 组播路由协议 域间组播协议 MSDP + PIM-SM 跨域运行组播时，由MSDP协议完成组播源信息的收集发布，提供给组播路由协议 PIM-SM BGMP 组播拓扑分离协议,MSD

9、P,组播源A,组播源B,组播自治域 A PIM-SM,组播自治域 B PIM-SM,组播源信息,Page 19,组播协议概述,组播协议 主机通信协议 组播路由协议 域间组播协议 组播拓扑分离协议 组播受单播网络拓扑限制。通过提供一套专门供组播进行 RPF 检查的单播路由，可以实现组播网络与单播网络拓扑的分离， MBGP 组播扩展 组播静态路由 ISIS、OSPF组播拓扑,组播静态路由,组播网络B,组播网络A,组播网络C,组播网络D,组播源A,MBGP,MBGP,接收者,Page 20,协议基础小结,通信四要素 四类组播协议 协议名称和含义，以及主要功能,Page 21,内容介绍,第1章 组播简

10、介 第2章 组播协议基础 第3章 组播协议详述 第4章 组播配置举例,Page 22,主机通信协议IGMP,IGMPv1 (RFC 1112),IGMPv2,IGMPv3,引入快速离开 是目前最广泛应用的协议 RFC 2236,引入特定源的加入离开机制 RFC 3376,每个版本向下兼容（IGMPv2最广泛应用）,Page 23,IGMPv1,路由器查询该网段是否有某个组感兴趣的的接收主机，不关心主机数量 主机报告是否要接收某个组播组,因此IGMP被称作因特网组管理协议 Internet Group Management Protocol (IGMP),Page 24,IGMPv2 协议(引入

11、快速离开机制),IGMPV2主要机制 兼容v1主要机制，如：周期性查询，主机加入报告,加入抑制等 主机发送组离开消息 路由器接收到组离开消息，发送特定组查询，如果没有主机响应，删除组成员信息，停止转发组播数据,225.1.1.1 组加入报告,229.9.9.9 组加入报告,路由器发送特定组查询,组229.9.9.9 离开消息,路由器发送特定组229.9.9.9的查询,Page 25,IGMPv3 协议(引入特定源组播机制（Source Specific Mulitcast, SSM),IS_IN (1.1.1.1) for 232.1.1.1,IS_EX (2.2.2.2) for 229.9

12、.9.9,After Query Interval (60sec),SSM = Source Specific Multicast,I want packets for Group 232.1.1.1 but only from source 1.1.1.1,I want packets for Group 229.9.9.9 from all sources Except 2.2.2.2,IGMPv3 Router 维护特定源的状态 发送特定源的查询,对组232.1.1.1只有从源1.1.1.1的报文被转发 对组229.9.9.9除了源2.2.2.2以外的所有源的组播数据被转发,Page 2

13、6,IGMP v3 消息类型,主机发送给路由器的消息类型 (Host to Router),路由器发送的查询消息 (Router to Host),Page 27,IGMP小结,IGMP的作用 IGMP版本间的差异 现实中的IGMP,Page 28,组播路由协议PIM-SM （Sparse Mode）,PIM-SM协议机制 显式加入（Explicit join）模型 可以建立以汇聚点(Rendezvous Point, RP)或者源为根的组播分发树（RP-rooted or Source-rooted Multicast Distribution Tree) 支持从共享树(RP Tree, R

14、PT)到源树(最短路径树，Shortest Path Tree, SPT) 的切换 周期性发送加入/剪枝(Join/Prune)消息维护分发树状态 需要额外的RP发现机制(静态RP, BSR-RP, Auto-RP等) PIM-SM特点 相对于 DM 协议，协议状态复杂，但需要更少的带宽，更有效率 是目前域间组播最好的协议 适用于稀疏分布的接收者模型，广泛应用于IPTV,Page 29,PIM-SM常用术语,源（Source) 发送组播数据的终端主机或者PC 接收者(Receiver) 接收组播数据的终端主机或者PC 指定路由器(Designated Router, DR) 在共享网段上选举优

15、先级最高或者IP地址最大的路由器为 DR 源 DR 负责将数据从源转发到 RP 接收者 DR 复制将数据从RP转发到接收者,或称作最后一跳 DR (Last-Hop DR) 汇聚点（Rendezvous Point, RP） 接收者从这里获取源信息，并且是共享树的根 RPT 从接收者 DR 到 RP 逐跳建立起来的，以 RP 为根的共享树 SPT 从接收者 DR 到源 DR建立起来的，以源为根的最短路径树,Page 30,PIM-SM协议报文类型,Hello 报文 发现和维护邻居关系 加入/剪枝(Join/Prune) 报文 发送加入/剪枝消息到上游邻居 注册(Register)报文 DR 封

16、装从组播源来的数据并单播给 RP 注册停止(Register stop)报文 当在 RP 上没有接收者或者 RP 已经从源树接收数据时，由 RP 单播发送给源 DR 断言(Assert)报文 在共享网段上选出唯一的转发者 C-RP通告(C-RP Advertisement)报文 候选 RP 发送其可以服务的组信息单播发送给BSR 自举路由器(Bootstrap Router)报文 BSR 收集网路内的 RP 信息，并以 RP 集(RP-Set)的形式扩散到全网,Page 31,PIM SM协议主要工作过程,邻居发现及 DR 选举 通过 Hello 报文维护邻居关系 在共享网段上选举优先级最高和

17、 IP 地址最大的路由器为 DR 共享树构建 接收者 DR 向到 RP 的邻居发送 (*,G) 加入，并逐跳扩散到 RP, 形成以 RP 为根的共享树 源 DR向 RP 注册活跃的组播源 源 DR 封装组播源发送的数据并单播给 RP 数据沿 RPT 转发 RP 接收到源 DR 发送的注册报文，解封装注册报文中的数据，并沿共享树转发该数据 RPT 到 SPT 切换 接收者 DR向到源的邻居发送 (S,G) 加入，并逐跳扩散到源 DR, 形成以源 DR 为根的源树 RPT 剪枝 当接收者 DR从源树接收到数据后，向共享树发送 (S,G) RPT 剪枝消息， 剪除从共享树上下来的相同源的组播数据 R

18、PT及SPT树的状态维护 接收者 DR 向 RPT 的邻居周期性发送(*,G) 加入 和 (S,G) RPT 剪枝，维护 (*,G) 加入和特定源的 RPT 剪枝状态 接收者 DR向SPT 的邻居周期性发送(S,G) SPT 加入，维护 SPT 的加入状态,Page 32,RPT 树建立过程演示,Send IGMP Report,Send (*,G) Join towards RP,RP,RP create (*,G) entry and add this oif,Source DR,Create (*,G) entry and add oif,Create (*,G) entry and a

19、dd oif,I have a receiver,I want data from,G,Send data,Unicast data to RP,Create (S,G) entry and copy oif from (*,G),Create (S,G) entry and copy oif from (*,G),Forward data,Forward data,Create (S,G) entry and copy oif from (*,G),Send (*,G) Join towards RP,Forward data,Register intf,在本演示中 RP 被配置了永不切换到

20、源树,Page 33,RPT 树建立过程总结,路由器通过 IGMP 了解到某个直连网段有接收者加入某个组播组 G 接收者 DR 查找到 RP 的 RPF 邻居(即到 RP 的单播下一跳，并且是 PIM 邻居)，向其发送（*,G) 加入 (*,G) 沿着从接收者 DR 到 RP 的路径逐跳扩散, 沿途路由器都创建相应的(*,G)项, 将接收到加入的报文的接口加入出接口列表(oif-list)，成为 RPT 树的节点 源 DR 接收到组播源的数据，封装到注册报文，单播发送给 RP RP接收到注册报文，解封装里面的组播数据报文，并沿共享树转发,Page 34,RPT 到 SPT 树的切换过程演示,R

21、P,Source DR,I have a receiver,I want data from G,Send data,Unicast data to RP,Forward data,Forward data,Create (S,G) entry and add this oif,Forward data,Send (S,G) Join towards Source,Send (S,G) Join towards Source,Add this oif in (S,G) entry,Forward data,Forward data,Send (S,G,rpt) prune towards RP

22、,Send (S,G,rpt) prune towards RP,Send (S,G,) Register stop towards DR,在本演示中 RP 被配置了永不切换到源树,Page 35,RPT 到 SPT 树切换过程总结,共享树并不一定是到源的最优路径 当从 RPT 上的数据超过配置的阈值时，接收者 DR 发起从RPT 到 SPT 的切换过程 接收者 DR 查找到源的 RPF 邻居（即到源的单播下一跳，并且是 PIM 邻居）并向其发送(S,G) 加入 (S,G)沿着从接收者 DR 到源DR 的路径逐跳扩散，沿途路由器创建 (S,G) 项，并将接收到 (S,G) 加入的接口加入到(S

23、,G)项的出接口列表(oif-list), 沿途路由器成为 SPT 树的节点 源 DR 沿 SPT 树转发数据 接收者 DR 从 SPT 树上接收到数据，向到 RP 的 RPF 邻居发送 (S,G) RPT 剪枝消息, 数据停止从 RPT 树上转发,Page 36,Assert 过程,在共享网段上可能存在多个转发者，会造成数据重复复制，起因可能是到源/RP有并行链路或者 RPT 和 SPT 经过同一 LAN 当路由器从一个下游接口接收到数据时，将其到源/RP路由的优先级和 Cost 放到 Assert 消息中发送 路由器将接收到的Assert消息中的路由优先级和Cost与自己的比较, 优先级最

24、高或者Cost最小的被选为Assert Winner Assert Winner负责将数据转发到 LAN. Assert Loser剪枝自己的下游接口,Page 37,状态维护,发送给上游邻居的周期性 (S,G) SPT Join, (*,G) Join 和 (S,G, RPT) Prune 周期性 Join 刷新上游邻居的下游接口加入状态 周期性 RPT Prune 刷新上游邻居的下游接口的 RPT 剪枝状态 数据报文刷新 (S,G) 项的超时定时器 (Expiry timer), 当源不活跃时，超时定时器超时，(S,G) 项被删除 C-RP周期性单播 C-RP-Adv 通告给 BSR BS

25、R在全网周期性组播 BSR 消息，刷新所有 PIM 路由器的 RP 集(RP-Set) 信息,Page 38,RP学习机制,1：静态RP，全网手工配置 2：BSRRP，手工配置部分设备，其他设备通过BSR协议学习 3：AutoRP，手工配置部分设备，其他设备通过AutoRP协议学习（思科私有协议）,Page 39,BSR- RP 机制演示,BSR Msgs,BSR Msgs,BSR,BSR Msgs,BSR Msgs,PIM V2 Sparse Mode,BSR messages flooded hop by hop,C-RP,C-RP,C-RP Advertisement,(Unicast)

26、,C-RP Advertisement,(Unicast),FormRP Set Send BSM,BSR Msgs,BSR Msgs,Forward BSM on all intf,BSR Msgs,Page 40,RP的发现机制BSR RP,BSR-RP 是 PIM-SM 协议 RP 发现与分发的标准协议 BSR 在全网分发所有的候选RP与对应服务组的信息，所有 PIM 路由器缓存RP-Set信息， PIM 路由器根据 V = Hash( G, M, RP) 函数，选择Hash值最大的候选RP为 RP RP的负载分担，一个组范围（组掩码）内的每个组可以映射到不同的RP（而Auto-RP 一

27、个组范围内的每个组只能有一个RP 为其服务) 能自适应 RP 的变化,BSR Msgs,BSR Msgs,BSR,BSR Msgs,BSR Msgs,PIM V2 Sparse Mode,BSR messages flooded hop by hop,C-RP,C-RP,C-RP Advertisement,(Unicast),C-RP Advertisement,(Unicast),Page 41,PIMSM协议小结,RP RPT SPT,Page 42,组播路由协议PIM-SSM （Source Specific Multicast）,PIM-SSM协议机制 主动加入（Explicit j

28、oin）模型，只保留了SM 的 SPT 树 只建立源为根的组播分发树（Source-rooted Multicast Distribution Tree) 需要IGMP v3 主机的支持或者 SSM Mapping PIM-SSM特点 随着Internet的发展，IGMP v3 + PIM-SSM 的组网方式越来越普遍 有助于实现组播路由协议平面与组播数据转发平面的分离 SSM 模型相对于 ASM (Anycast Source Mulitcast) 模型简单，避免了复杂的 RPT 建立过程,Page 43,PIM-SSM 协议演示,Create (S,G) entry and add thi

29、s oif,Forward data,Forward data,Send (S,G) Join towards Source,I want data from G from Source S,Add this oif to the S,G entry,Host subscribe to channel (S,G) IGMPv3,Page 44,PIMSSM协议小结,IGMPV3 SPT only,Page 45,组播路由协议PIM-DM (Dense Mode),PIM-DM协议机制 泛滥 (Flood) 和剪枝 (Prune) 机制转发数据 利用嫁接 (Graft) 和嫁接应答 (Graft

30、 Acknowledge) 机制解决接收者后加入的问题 利用断言 (Assert) 机制在共享网段选出唯一的转发者 周期性状态刷新机制（Periodic State Refresh Mechanism) 替代周期性泛滥/剪枝机制 PIM-DM 特点 相对于 SM 协议，机制简单，只建立以源为根的分发树（Source-rooted Multicast Distribution Tree) 适用于网络有富余带宽，多用户接收模型,Page 46,PIM-DM协议概括,邻居发现 （Neighbor discovery） 发送和维护邻居关系 初始泛滥（Initial Flooding） 数据泛滥 到所有

31、有邻居或者有 IGMP 接收者信息的接口 所有从非 RPF 接口接收到的数据被丢弃或者利用Assert 机制选出唯一接收者 剪枝 (Pruning unwanted traffic) 没有接收者信息的路由器发送剪枝到上游路由器 剪枝消息主题扩散，直到剪除不需要的分支 被剪除的分支3分钟后转回到转发状态，数据再次泛滥 嫁接及嫁接应答 (Graft / Graft-Ack ) 当接收者在数据初始泛滥后加入，利用嫁接和嫁接应答机制恢复先前被剪掉的分支 减少加入延迟和数据丢失 断言机制 (Assert mechanism) 在共享网段上，存在多个接收者会导致重复的数据 利用断言机制选出离源最近的路由器

32、为唯一的转发者 状态刷新机制（State Refresh Mechanism) 利用状态刷新减少数据泛滥和后续的剪枝消息 由直连源的第一跳路由器产生， 扩散到全网 更新出接口的剪枝状态和快速响应拓扑变化,Page 47,PIM-DM协议演示,Send data,Forward data,Forward data,Forward data,Forward data,I want data from,G,Forward data,Send (S,G) prune,Send (S,G) prune,Remove downstream.,Send (S,G) prune,I have no recei

33、ver,I have no receiver,Olist null. Go to Pruned state. Remove downstream,Remove downstream,Forward data,I want data from,G,Send (S,G) Graft,Send (S,G) Graft-ACK,Add downstream.Go to F state in upstream,Send (S,G) Graft,Send (S,G) Graft-ACK,Add downstream.,Forward data,Page 48,PIMDM协议小结,泛洪和剪枝 嫁接 状态刷新

34、,Page 49,域间组播协议MSDP协议,MSDP协议机制 在 MSDP 对等体 （Peer）之间建立 TCP 会话，Peer一般都是各自域的 RP 在 MSDP 对等体 (Peer) 之间互相发布各自通过注册消息收到的组播源 利用 BGP 等域间协议进行报文的 RPF 检查, 防止报文环路 MSDP 特点 PIM-SM + MSDP 是 ASM 模型常用的跨越组播方案 MSDP 用在域内时，一般用作 Anycast RP, 实现 RP 之间的负载分担和备份,Page 50,MSDP协议演示,MSDP协议过程 A,B,C 分别是各自域的 RP, 互相建立 MSDP 会话 1、在 AS2,接收

35、者R1加入组 G,并建立到本域的RP B的RPT树 2、在 AS1,源S开始发送到组 G 的组播数据，并向本域的 RP C 注册该活跃源 3、RP C通过MSDP会话将源S通告给A和B 4、因为 B上有组G的接收者，B向域 AS1的源S发起SPT加入 5、RP A上没有组G的接收者，缓存通过MSDP会话接收到的源S 6、当域 AS3有接收者R2并建立到本域 RP A的共享树时，RP A查询缓存的源S, 并向 S发起SPT加入,B,C,A,Cache SA message,AS2,AS3,AS1,Page 51,MSDP之Anycast RP,Anycast RP是指通过在相同PIM-SM域内两

36、个具有相同地址的RP之间形成MSDP对等体关系，从而实现域内RP之间的负载分担和冗余备份。 在同一个PIM-SM域内，在多个路由器的某接口(通常是Loopback接口)上都配置C-RP功能，并且这些接口具有相同IP地址，Loopback接口之间形成MSDP对等体关系。,Page 52,MSDP协议小结,TCP连接 SA交换和缓存 Anycast RP,Page 53,内容介绍,第1章 组播简介 第2章 组播协议基础 第3章 组播协议详述 第4章 组播配置举例,Page 54,组网图,Page 55,网络规划,Page 56,基本组播配置（一）,配置各接口的IP地址和单播路由协议 过程略 使能组播功能，在各接口上使能PIM-SM功能 # 在所有路由器上使能组播功能，在各接口上使能PIM-SM功能。RouterB、RouterC、RouterD和RouterE上的配置过程