组播协议原理与应_.ppt

1、第1页,锐捷网络技术培训系列课程 -（中级）,组播协议原理与应用 培训组 高志岩,第2页,前 言,本PPT主要介绍了组播协议原理和实际应用，适用于对组播协议有一定了解的工程师和网络维护人员。,第3页,课程目标,通过本课程的学习，您可以掌握如下知识点： 组播相关概念 IGMP以及IGMP Snooping工作原理 组播路由协议 组播在实际工程中的应用,第4页,提 纲,组播综述 IGMP工作原理 IGMP Snooping工作原理 组播路由协议 组播在实际工程中的应用,第5页,组播综述,组播定义:与广播和单播的区别,服务器,主机,单播,广播,组播,第6页,组播综述,为什么需要组播? 随着数据通讯技

2、术的不断发展，传统的数据通讯业务已不能满足人们对信息的需求。视频点播，网络电视，视频会议等点到多点业务已经被广泛的应用起来。 解决点到多点的通信,可以通过单播和组播方式来实现.,第7页,组播综述,单播方式与组播方式的对比,组播方式,第8页,组播综述,组播的优势: 单播可以通过建立多个点对点的连接来达到点对多点的传输。 这种方式将在源点(服务器)与各个接收点建立连接，从服务器开始，就将有多份数据流分别流向分散的接收点。这种方式将加重服务器的负荷，增大对服务器性能的要求；同时还在网络中造成大流量，从而增加网络的负载，导致网络拥塞。 组播则不然，发送方仅发一份数据包，此后数据包只是在需要复制分发的地

3、方才会被复制分发，每一个网段中都将保持只有一份数据流。这样就可以减轻服务器的负担，节省网络带宽。,第9页,组播综述,组播体系结构 组播协议分为主机-路由器之间的组成员关系协议和路由器-路由器之间的组播路由协议. 组成员关系协议包括IGMP(Internet 组管理协议 ).组播路由协议分为域内组播路由协议及域间组播路由协议. 域内的组播路由协议又分为密集模式与稀疏模式.域内组播路由协议主要PIM-DM,PIM-SM,DVMRP等协议.,第10页,组播综述,组播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

4、本地管理组播地址 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,第11页,组播综述,常见保留组播IP地址,第12页,组播综述,IP地址到MAC地址的映射 例如,组播IP地址224.10.10.10就映射为组播MAC地址01-00-5e-0a-0a-0a,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

5、）,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,第13页,提纲,组播综述 IGMP工作原理 IGMP Snooping工作原理 组播路由协议 组播在实际工程中的应用,第14页,IGMP工作原理,为什么需要IGMP? 组播服务器与需要接收组播信息的主机在同一个子网内,服务器,主机,只要主机开启了组播流接收程序,都可以收到组播数据,主机,第15页,IGMP工作原理,为什么需要IGMP? 组播服务器与需要接收组播信息的主机不在同一个子网内,服务器,主机,主机,路由器收到服务器发送的组播报文,将其隔离在服务器所在的子网内,需要接收组播数据的主机无法接收到组播数据,需要一种机制,能

6、够让路由器将组播数据转发到有接收需求的主机所在的子网,第16页,IGMP工作原理,IGMP定义 IGMP:Internet 组管理协议,用于主机与路由器之间交互信息的一种协议 所有要加入组播组的主机和所有连接到有组播主机的子网中的路由器都必须使用IGMP IGMP消息不能被路由器转发，只能限制在本地网段内部。IGMP的TTL参数永远是1，保证了IGMP的使用范围。 IGMP的版本目前有V1/V2/V3三种。,第17页,IGMP工作原理,IGMP报文分类(以IGMPv2为例): 主机使用的IGMP报文: Membership Report Leave Group 路由器使用的IGMP报文: Ge

7、neral Query Group-Specific Query,第18页,IGMP工作原理,Membership Report Membership Report用于指示一台主机希望加入一个组播组 当主机首次加入到一个组时，它会主动向组发送Membership Report。 Membership Report还用来响应本地路由器发出的General Query和Group-Specific Query消息,Membership Report,组播数据,主机,主机,GeneralQuery,GengralQuery,GeneralQuery,Membership Report,第19页,IG

8、MP工作原理,Leave Group 当主机退出一个组时，它用Leave Group消息通知本地的路由器。 这个消息包含有退出的组的地址，但与Membership Report消息不同的是，Leave group消息是发向“子网中的所有路由器”地址224.0.0.2的,而Membership Report是发向想要加入的组播组地址。,主机,主机,不再需要接收组播数据,Leave Group,停止向该子网转发组播数据,第20页,IGMP工作原理,General Query 路由器通过General Query消息向与其连接的所有子网进行轮询来发现是否有组员存在，并在子网中没有组员时检测到这一情况

9、 General Query消息被发向“子网中的所有主机”224.0.0.1这个地址，而且不涉及任何一个具体组播组.,主机,主机,如果一台组播路由器在3次查询的时间间隔里没有收到一个特定子网的Membership Report消息，那么这个路由器将宣布这个子网中没有组员,不再向这个子网发送组播数据。,General Guery,没有响应,没有响应,一定时间内仍无人响应,则不再像该子网转发组播数据,第21页,IGMP工作原理,Group-Specific Query 路由器的Group-Specific Query消息是根据主机发出的Leave Group消息而发出的，当路由器收到Leave G

10、roup消息时，必须判断子网中是否仍有组员存在。目的地址为该发出Leave Group的主机所在组的组地址。,不需要接收组播数据,Leave Group,Group-Specific Query,还需要接收,Membership report,仍然向该子网发送组播数据,第22页,IGMP工作原理,报告抑制,Membership Report 想加入224.5.5.5,也想加入224.5.5.5,收到了关于224.5.5.5的Report,知道子网中还有主机希望加入224.5.5.5,于是抑制了关于224.5.5.5的Membership Report的发送,第23页,IGMP工作原理,报告抑制

11、,General Guery,Membership Report,还需要接收224.5.5.5组播数据,还需要接收224.5.5.5组播数据,收到了关于224.5.5.5的report,抑制了224.5.5.5的Membership Report的发送,第24页,IGMP工作原理,查询路由器选举 当子网中有多个路由器时，选举查询者的规则就十分简单：有较小的IP地址的路由器成为查询者。 所有子网中现有的路由器在收到新路由器的General Query消息后，就检查源地址。如果它的IP地址的值更小，则会继续发送查询。 当新的路由器收到其中一个查询，并发现这台路由器有较小的IP地址时，它就变成非查询

12、者。非查询者将旁听整个IGMP过程。 所有非查询路由器启动一个查询计时器，无论何时只要收到来自IGMP的General Query消息，计时器被复位。默认的计时器持续时间是查询间隔的两倍。如果查询计时器满，就认为IGMP查询有问题，选择查询者过程重新开始。,第25页,IGMP工作原理,IGMPv3 简介 在IGMPv3中主要增加了Group-and-Source-Specific Query ,它能允许一个组不仅用组地址进行识别，而且也能被源地址识别。 当一个组有多个源时，IGMPv3路由器可以根据组员的请求对源进行过滤。,第26页,提纲,组播综述 IGMP工作原理 IGMP Snooping

13、工作原理 组播路由协议 组播在实际工程中的应用,第27页,IGMP Snooping工作原理,为什么需要IGMP Snooping?,发送224.5.5.5的Membership Report,开始向该子网发送224.5.5.5的组播数据,并不需要接收224.5.5.5的组播数据,需要接收224.5.5.5的组播数据,需要一个机制,让二层交换机只把组播数据转发给需要接收组播的主机.,浪费了带宽,第28页,IGMP Snooping工作原理,IGMP Snooping的作用: IGMP Snooping能使二层交换机将组播数据只朝需要接收的用户所在的端口转发，从而不会影响到其它的用户。,发送22

14、4.5.5.5的Membership Report,开始向该子网发送224.5.5.5的组播数据,并不需要接收224.5.5.5的组播数据,需要接收224.5.5.5的组播数据,第29页,IGMP Snooping工作原理,IGMP Snooping的工作过程:,发送224.5.5.5的Membership Report,开始向该子网发送224.5.5.5的组播数据,需要接收224.5.5.5的组播数据,根据收到的224.5.5.5的Membership Report,生成组播MAC地址表.,第30页,IGMP Snooping工作原理,IGMP Snooping的工作过程:,发送224.5.

15、5.5的Leave Group,向该子网发送224.5.5.5的组播数据,不需要接收224.5.5.5的组播数据,停止向该子网发送224.5.5.5的组播数据,第31页,IGMP Snooping工作原理,消息报告抑制问题 如果主机收到了其他主机发出的Membership Report后,就抑制了自己的Membership Report的发送,这样的话就会造成交换机的组播MAC地址表里不会出现关于该主机所在的端口的转发信息. 在开启IGMP Snooping之后,交换机的CPU在收到Membership Report时,不会将Report报文转发到其他接口,这样其他主机就无法收到其他主机发出的

16、Membership Report报文,不会产生消息报告抑制现象,从而保证交换机组播MAC地址表的完整.,Membership Report,抑制了Membership Report的发送,无法将相应端口添加到组播MAC表中,第32页,IGMP Snooping工作原理,取消消息抑制报告带来的问题 如果存在组播路由器,但是由于IGMP Snooping抑制了消息报告,那么Membership Report报文将无法发送到组播路由器,因此组播路由器将无法将组播数据发送到相应的子网. 解决办法:采用路由连接口,设置与路由器相连的端口为路由连接口,需要接收224.5.5.5的组播数据,发送224.5

17、.5.5的Membership Report,第33页,IGMP Snooping工作原理,IGMP Snooping工作模式: IVGL:在该模式下,各VLAN间的组播流是相互独立的.主机只能朝与自己处于同一个VLAN的路由连接口请求组播. SVGL:在该模式下, 主机可以跨VLAN申请组播流.指定一个Multicast VLAN,在该VLAN收到的组播数据流可以向其他VLAN的主机转发.,Vlan 10,Vlan 20,vlan 10的路由连接口,第34页,提纲,组播综述 IGMP工作原理 IGMP Snooping工作原理 组播路由协议 组播在实际工程中的应用,第35页,组播路由协议,为

18、什么需要组播路由协议?,需要接收224.5.5.5的组播数据,发送着224.5.5.5的组播数据,发送224.5.5.5的Membership Report,需要一种机制,可以让组播数据在网络中传输有接收需求的地方,第36页,组播路由协议,组播路由协议分类 分为域内组播路由协议及域间组播路由协议 域内的组播路由协议又分为密集模式与稀疏模式.域内组播路由协议主要PIM-DM,PIM-SM,DVMRP等协议. 我们在园区网中经常使用的域内组播路由协议为PIM-DM和PIM-SM.,第37页,组播路由协议,逆向路径转发,ip:192.168.1.1,发送着224.5.5.5的组播数据,两个接口都收到

19、了目的地址为224.5.5.5,源地址为192.168.1.1的组播报文,查找单播路由表,去往192.168.1.0/24的下一跳接口是S1,于是丢弃从S2收到的组播报文.,R1,R2,R3,S1,S2,重复的组播数据流,第38页,组播路由协议,PIM PIM(Protocol Independent Multicasting)独立于单播协议,使用任意单播路由协议进行RPF检查.与其他的路由协议不同，PIM不在路由器之间发送和接收路由更新信息。 UDP端口号：103 PIM路由器组地址为：224.0.0.13 PIM协议分为： PIM-DM（协议无关组播-密集模式） PIM-SM（协议无关组播

20、-稀疏模式）,第39页,组播路由协议,剪枝与嫁接 当组播路由器的某个接口RPF检查失败时,该路由器会从这个接口发出一个剪接报文,以通知邻居路由器不要再向它发送组播数据.,发送着224.5.5.5的组播数据,R1,R2,R3,S1,S2,RPF检查失败,所连接的子网内没有接收的需求,发送着224.5.5.5的组播数据,第40页,组播路由协议,剪枝与嫁接 嫁接报文正好与剪枝报文相反,它是用来通知上游路由器将组播报文转发给自己.,发送着224.5.5.5的组播数据,R1,R2,R3,S1,S2,S1接口down掉,所连接的子网内无接收的需求,发送着224.5.5.5的组播数据,所连接的子网内有接收的

21、需求,第41页,组播路由协议,PIM-DM PIM-DM用于指导路由器如何将组播数据在网络中传输到有组播接收需求的地方. PIM-DM使用推（push）模式将组播数据包扩散（flood）到网络的每个角落。这种推模式是一种使用蛮力将数据包传送到接收者的方法。如果网络中的每个子网都有接收者，那么这种方法是高效的。,第42页,组播路由协议,PIM-DM工作过程 扩散并剪枝,组播源,所连接的子网内无接收的需求,所连接的子网内有接收的需求,所连接的子网内有接收的需求,R1,R2,R3,R5,R4,R6,置为修剪状态pruned,s1,s2,从两个接口都收到了组播报文,在S2上做RPF检查失败.,第43页

22、,组播路由协议,PIM-DM工作过程 嫁接,组播源,所连接的子网内无接收的需求,R1,R2,R3,R5,R4,R6,s1,s2,所连接的子网内有接收的需求,第44页,组播路由协议,PIM-DM工作过程 剪枝,组播源,所连接的子网内有接收的需求,R1,R2,R3,R5,R4,R6,s1,s2,所连接的子网内有接收的需求,所连接的子网内有接收的需求,所连接的子网内无接收的需求,确认所连接子网内没有接收需求,但还有R6需要从这里接收数据,因此将不发送剪枝信息给R2,所连接的子网内无接收的需求,确认所连接子网内没有接收需求,因此发送剪枝信息给R3,同时将相应端口置为修剪状态,收到R5的剪枝消息,将响应

23、接口修剪,并确认其他接口都没有接收需求,因此发送剪枝消息给R1,并将相应的接口修剪,收到R3的剪枝消息,将相应的接口修剪,第45页,组播路由协议,SPT PIM-DM采用扩散与剪接的方式来构建组播路由表. PIM-DM形成的组播路由表呈现一种树型结构 我们通常称这种树型结构为SPT(Shortest Path Tree)最短路径树,第46页,组播路由协议,SPT SPT是以组播源为根构造的从根到所有接收者路径都最短的分布树。 优势:最短路径保证转发组播数据的网络时延最小 劣势:路由器必须为每个组播源维护路径信息,开销过大. 在组播设计时,如果选用PIM-DM(SPT),那么组播源的数量、带宽情

24、况、有组播接收需求的子网分布情况都应该成为设计者考虑的各种因素.,第47页,组播路由协议,组播路由器的组播转发表项是怎么样的呢？ 单播：目的地址-下一跳 目的地址 下一跳 192.168.0.0/24 1.1.1.1 110.112.119.0/24 2.2.2.2 4.4.0.0/16 3.3.3.3 组播：组地址-下一跳？ 在R4上会出现一个组地址有两个下一跳？,第48页,组播路由协议,组播转发表项的形式 组播转发表项可以简单地理解为S，G，入口，出口集合,S代表组播源地址，G代表组播组地址，入口代表离组播源最近的接口（RPF检查通过的接口）,出口集合代表经过PIM协议计算后没有被修剪掉的

25、所有接口集合。,R1,R2,R3,R4,E0,E0,E0,S1,S2,S2,S1,E0,E1,S1,S2,S，G，E0，S1,S2,S，G，S1，E0,S，G，S1，E0,S，G，E0，E1,第49页,组播路由协议,PIM-SM PIM-SM用于指导路由器如何将组播数据在网络中传输到有组播接收需求的地方。 PIM-SM使用一种拉（pull）模式来传送组播数据包。只有包含活动接收者，并且接收者直接发送数据接收请求的网段才会收到数据。,第50页,组播路由协议,PIM-SM工作过程 PIM-SM与PIM-DM不同，采用的是一种共享树的机制。 PIM-SM引入了一个非常重要的概念，RP（Rendezo

26、us Point），汇聚点。 RP的作用：所有的组播源在发送组播数据时，与组播源相连的第一跳路由器都会把组播数据发送给RP，然后再由RP把组播数据发送给有接收需求的路由器，依次类推。,第51页,组播路由协议,PIM-SM工作过程 组播源到RP,RP,组播源,检测到组播报文，查找组播组G对应的RP的IP地址,将收到的组播报文封装在单播报文中，目的地址为RP的IP地址,根据单播路由表，将注册报文发给RP,第52页,组播路由协议,PIM-SM工作过程 RP在收到单播注册报文后会做哪些动作呢？ 当RP上没有存在关于（*，G）的转发表项，它将向R6返回一个注册暂停报文，以通知R6不要再将组播报文封装在单

27、播报文中发送，并且也不会建立到组播源的SPT,RP,组播源,R6,第53页,组播路由协议,PIM-SM工作过程 RP在收到单播注册报文后会做哪些动作呢？ 当RP上存在（*，G）的转发表项，RP将解封装单播报文，并将组播报文从(*，G)的转发表项的出口集合中发送出去。 向R6发送PIM保留信息，以终止R6继续发送单播注册报文。 同时RP还会向源的方向发送一条（S,G）的加入消息，形成与组播源之间的SPT，按照这个SPT从组播源接收组播数据。,R2,R1,R3,R4,R5,RP,组播源,R6,第54页,组播路由协议,PIM-SM工作过程 接收者到RP,RP,组播源,接收者,创建(*,G)的转发表项

28、，并将收到Membership Report的接口加到出口集合中,向RP方向发出加入报文,创建(*,G)的转发表项，并将收到(*,G)加入报文的接口加到出口集合中,将组播组G的数据从出口集合中发送出去,创建(*,G)的转发表项,将收到(*,G)加入报文的接口加到出口集合中,向RP方向发送加入(*,G)报文,第55页,组播路由协议,PIM-SM工作过程 完整的PIM-SM过程,RP,接收者,创建(*,G)的转发表项，并将收到Membership Report的接口加到出口集合中,向RP方向发出加入(*,G)报文,创建(*,G)的转发表项，并将收到加入报文的接口加到出口集合中,将组播组G的数据从出

29、口集合中发送出去,如果没有组播组G的数据,需等待组播源的注册.,组播源,R6,检测到组播报文，查找组播组G对应的RP的IP地址,将收到的组播报文封装在单播报文中，目的地址为RP的IP地址,根据单播路由表，将注册报文发给RP,不存在关于(*,G)的表项,存在(*,G)的表项,向组播源方向发送注册保留信息,并向组播源发送加入消息,创建(*,G)的转发表项,将收到(*,G)加入报文的接口加到出口集合中,向RP方向发送加入(*,G)报文,第56页,组播路由协议,PIM-SM工作过程 剪枝,RP,接收者,组播源,R6,不想接收G,将收到leave报文的接口从(*,G)的转发表项中的出口集合中删除,发现(

30、*,G)的转发表项中的出口集合为空,于是向RP方向发送一个剪枝消息,将自己从共享树上修剪,将收到剪枝消息的接口从(*,G)中删除,发现(*,G)的转发表项中的出口集合为空.向G的组播源发送剪枝消息.,将收到剪枝的接口从(*,G)的转发表项中的出口集合中删除,发现(*,G)的转发表项中的出口集合为空,于是向RP方向发送一个剪枝消息,将自己从共享树上修剪,第57页,组播路由协议,PIM-SM工作过程 剪枝,RP,接收者,组播源,R6,不想接收G,将收到leave报文的接口从(*,G)的转发表项中的出口集合中删除,发现(*,G)的转发表项中的出口集合为空,于是向RP方向发送一个剪枝消息,将自己从共享

31、树上修剪,接收者,将收到剪枝消息的接口从(*,G)的转发表项中的出口集合中删除,发现(*,G)的转发表项中的出口集合不为空，于是不向RP方向发送剪枝消息,第58页,组播路由协议,共享树 PIM-SM形成的组播转发表通常被成为共享树结构. 共享树的根为RP,RP与组播源形成一个独立的SPT,网络中的所有组播组接收者都以RP为树根,接收各自的组播数据,形成一棵共享树.,RP,G组播源S,RP到G组播源S的SPT,G接收者1,G组播接收者1-n都以RP为根,G接收者n,不同的组播组可以对应不同的RP,第59页,组播路由协议,共享树 共享树的优势和劣势: 优势:每个路由器上需要保存的状态数最少 . 劣

32、势:每个组播接收者到组播源的路径可能不是最优的. 在组播设计时,如果选择PIM-SM作为组播路由协议的话,那么RP的性能以及位置将成为重要的考虑因素.,第60页,组播路由协议,共享树到SPT的切换 设定一个阀值,当接收到的组播流量超过这个阀值时,路由器会向源发送一个(S,G)的加入消息,以便要加入这个源的SPT中.,RP,接收者,组播源,R6,接收到的组播流量超过设定的阀值,向G的源S发送(S,G)的加入消息以建立SPT,R4检测到SPT和共享树在此分离,于是 向RP方向发送剪枝消息,将自己从共享树中修剪掉,创建(S,G)转发表项,向组播源方向发送加入消息,将收到剪枝消息的接口从(*,G)的出

33、口集合中删除掉,第61页,组播路由协议,RP的产生 通过静态指定 必须在所有的路由器上明确指定RP的地址 容易存在单点故障,一旦配置的RP失效,组播将不可用 BSR动态学习,第62页,组播路由协议,BSR:BootStrap Router BSR是RP的管理者，由BSR来收集和发布整个网络内的RP信息。 多个候选BSR（Candidate Bootstrap Router，C-BSR）通过自举报文（Bootstrap Message）选举产生唯一公认的BSR。 BSR周期性的向网络发送BSR信息,以便所有候选RP知道BSR的存在 所有侯选RP将自己的信息单播给BSR. BSR定期发送包含所有候

34、选RP信息的bootstrap报文给所有路由器. 所有的路由器根据相同的HASH算法在本地算出一个RP.,第63页,提纲,组播综述 IGMP工作原理 IGMP Snooping工作原理 组播路由协议 组播在实际工程中的应用,第64页,组播在实际工程中的应用,园区网组播设计原则: 如果需要接收组播的子网很多,分布密集,并且园区网带宽资源充足,那么采取的组播路由协议多为PIM-DM,反之可考虑PIM-SM 二层组播设计多采用IGMP Snooping SVGL模式,第65页,组播在实际工程中的应用,组播设计示例,SW1,SW2,SW3,SW4,3,1,2,vlan 10,vlan 20,2,1,2

35、,2,1,1,vlan 100,PIM-DM应用范围,IGMP Snooping应用范围,第66页,组播在实际工程中的应用,组播设计示例,SW3,3,1,2,vlan 10,vlan 20,1.配置IGMP Snooping SVGL,2.配置路由连接口,3.修改上联Trunk口的native vlan,ip igmp profile 1 deny ip igmp snooping svgl vlan 10 ip igmp snooping svgl profile 1 ip igmp snooping svgl,ip igmp snooping vlan 10 mrouter interface fastEthernet 0/3,interface fastEthernet 0/3 switchport mode trunk switchport trunk native vlan 10,第67页,组播在实际工程中的应用,组播设计示例,SW1,SW2,2,2,1,1,1.修改下联Trunk口的native vlan