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1、TCP/IP协议分析,主讲：孟慧2014年3月,多播和Internet组管理协议（IGMP）,本章要求,1、掌握多播群组的概念和特点；2、掌握IP多播编址机制；3、掌握IGMP协议的作用及报文功能；4、了解多播选路算法：RPM、CBT；5、了解多播路由协议：DVMRP、MOSPF、CBT、PIM-DM、PIM-SM,6.1 多播概念,多播技术是IP网络数据传输三种方式之一。讨论：都有哪三种传输方式,IPv4支持单播、多播和广播方式三种类型IPv6 支持单播（Unicast）、多播（Multicast）以及任意播（Anycast）三种类型,单播（Unicast）传输在发送者和每一接收者之间实现点
2、对点网络连接。如果一台发送者同时给多个的接收者传输相同的数据，也必须相应的复制多份的相同数据包。如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时，将导致发送者负担沉重、延迟长、网络拥塞；为保证一定的服务质量需增加硬件和带宽。多播（Multicast）传输：在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接。如果一台发送者同时给多个的接收者传输相同的数据，也只需复制一份的相同数据包。它提高了数据传送效率。减少了骨干网络出现拥塞的可能性。广播（Broadcast）传输：是指在IP子网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。广播意味着网络向子网每一个主机都投递一份数据包，不论这些主机是否乐于接收该
3、数据包。所以广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，通过路由器和交换机网络设备控制广播传输。,任播（Anycast）传输：没有统一的定义，但是它是一种新的网络应用，它能够支持把同样的地址可以分配给多个节点去提供特定服务的地址，发送给任播地址的分组最终只交付到惟一的接口，该接口与源站在路由距离上最近。,单播、广播与多播,单播,服务器,多播,广播,主机,10.10.1.0/24,单播与多播实现点对多点传输比较,单播,多播,单播和多播,单播:每个数据报使用唯一的IP地址，一次只给一个节点传送单目标广播服务:把相同的信息传输给N个目标站点，须传输N个拷贝，即要传输N次。缺点：浪费链路带宽，在链路上要
4、传送多个相同的拷贝 大大地加重了服务器的负担,单播和多播,把消息一次性地同时传输给N个目标站点，叫做多播。特点：实现了真正的分布式信息传输服务大大减轻网络上出现的拥挤和服务器的负担可用于声音和影视的实时广播，例如，因特网电话会议，因特网电视会议IP多播路由协议比较好地满足了在IP网络上实现多播的功能,效率多播比单播更加有效 减少网络传输开销 降低网络带宽使用量时延多播比单播具有更小的时延 减少接收者观测到的延迟，群组成员越多，优势越明显。可扩展性发送者将数据一次发送给无限个接收者。,为什么需要多播,核心：有效地进行多点交付,硬件多播 vs.IP层多播,硬件多播：在物理网络上实现的多播。有一个限
5、制条件，就是这一组站点只能在同一个物理网络(网段)上。路由器隔离了硬件多播和广播。如：以太多播。在以太网中，一台硬件地址的一半保留用于硬件多播，使用高位字节中的最低位来区别单播地址（置0）和多播地址（置1）。01.00.5e.00.00.0001.00.5e.ff.ff.ff,IP多播：是对硬件多播的推广。最主要的区别在于该组目的站可以位于互联网上的任意物理网络上，这一组目的站称为多播群组(multicast group)，或简称群组。,IP多播关键技术,IP多播要解决的问题 1、多播编址除了给群组提供足够的地址之外，IP多播编址还必须满足：可以在本地网络分配群组地址，同时该地址又能在全互联网
6、中使用。2、有效的通知和交付机制需要解决站点如何发送和接收IP多播分组的问题，即站点需要一种通知机制把自己参与的群组通知给路由器，路由器需要一种交付机制把IP多播分组传输给站点。另外，应尽量有效利用硬件多播，同时也允许IP多播能够在不支持硬件多播的网络上交付。3、有效的网间转发机制（多播路由选择协议）多播路由选择协议应该能够沿着最短路径路由多播分组，而不应该沿无法到达群组成员的路径发送多播分组，并且应该允许站点在任何时刻参加或退出群组。,IP多播地址,IP多播编址方法 1、IP多播地址格式 使用多播目的地址：,2、编址机制（1）地址分两类：永久分配地址：用于互联网上的主要服务以及基础结构维护（
7、如多播路由协议）。临时分配地址：对应于临时群组，需要使用时创建，群组成员为零时则丢弃。（2）每个多播群组对应一个唯一的D类地址（3）地址没有结构，也没有管理信息（4）多播地址只能用作目的地址,多播地址,多播IP地址：多播地址范围224.0.0.0239.255.255.255224.0.0.1永久分配给一个物理子网上包含所有主机和路由器的群组。224.0.0.2永久分配给一个物理子网上包含所有路由器的群组。此两组用于控制协议，不用于通常的分组交付。多播MAC地址：以太网：01.00.5E.00.00.00-01.00.5E.FF.FF.FF,IP多播特征,多播路由器支持。转发IP多播分组需要特
8、殊的多播路由器群组地址。IP最多可提供228个多播地址。动态群组成员。群组成员是动态的，可随时加入或离开 成员和传输。任意站点都可以向任何群组发送IP分组，群组成员只用于确定站点是否接收发往群组的IP分组。交付机制。IP多播与其它IP分组交付使用同样的尽最大努力交付机制。底层硬件使用。如果底层网络支持硬件多播，则可以使用硬件多播发送IP多播。如果硬件不支持多播，则使用广播或单播来实现IP多播。任意主机可向任何群组发送数据。,当一个多播路由器收到一个D类地址的IP分组时，它就检查它的表，寻找组地址的匹配。若找到，则将该分组封装成帧，并将它发送到目的站。为此，它需要物理地址。一般共有两种情况：1）
9、物理地址能够支持多播，2）不支持。情况1：物理地址支持如：IP多播地址到以太网多播地址的映射以太网中前25位标识一个多播地址，剩下23位定义一个群组。将IP多播地址的低23bit映射到以太多播地址的低23bit,使用以太网多播实现IP多播,D类IP地址,以太网地址,IP地址到MAC地址的映射,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多播地址后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多播地址映射成一个MAC地址,映射不唯一，可能32个多播组
10、号被映射为一个以太网地址。例如：多播地址224.128.64.32（十六进制e0.80.40.20）和224.0.64.32（十六进制e0.00.40.20）都映射为同一以太网地址01:00:5e:00:40:20。解决：网卡驱动程序或IP层过滤。,硬件多播地址：以太网（1）单播：MAC地址（2）广播：48位全“1”（3）多播：01.00.5e.00.00.0001.00.5e.ff.ff.ff,情况2：无物理地址支持要通过这样的网络发送多播分组，就要使用隧道技术。即多播分组封装成单播分组并发送到网络，然后在另一端，这个分组又转变成多播分组。,对多播的评价,尽管：地址映射不完美，需要硬件过滤但
11、：前景非常好,IGMP用于多播路由器和实现多播的站点之间进行群组成员关系的通信。多播路由器在传输成员信息之前，必须知道本网络有哪些站点加入到某个群组。所有接收IP多播的站点都需要IGMP。,6.2Internet组管理协议,工作原理网络上的每一个多播路由器都有一个多播列表，其中每一个多播地址对应一个群组。一个群组至少包括本网络上的一个成员。主机或路由器都可以是一个群组中的成员。多播路由器负责把多播分组分发给一个群组中的各个成员。如果有多个多播路由器连接在同一个物理网络上，它们的多播地址表一定是互斥的。任一个多播地址不会同时属于一个物理网络上的多个路由器。,IGMP是IP层的一部分。它和IP协议
12、配合使用的。IGMPv2，支持特定组查询，为主流版本,IGMP协议与其他协议在网络层中的位置关系,Internet组管理协议,类型：8bit，定义报文类型。最长响应时间：8bit，定义查询必须在多长时间内回答。以1/10秒为单位，在查询报告报文中，值不为0，其它两种报文中为0.校验和：16bit，检验和在8B的报文上计算。群组地址：在一般查询报告报文中此字段值为0，在特定查询报告报文、群组成员关系报告报文及退出报告报文中，定义群组地址,IGMP报文,IGMP协议实现 1、报文格式（第2版）IGMP有三种类型的报文：查询报告报文、群组成员关系报告报文、退出群组报告报文。,报文封装,IGMP报文在
13、封装成IP数据报时，其协议值是2，TTL的值必须置为1。保证IGMP报文不能发送到本网络外。查询报文是多播，使用多播地址224.0.0.1。报告报文也是多播，使用的目的地址等于被报告的多播地址。这就保证了对每一个网络的每一个组地址只产生一个报告。,1、加入一个群组：群组成员关系报告报文（类型0 x16）,IGMP工作原理,说明：是主机上的某应用加入群组（1）得知多播地址，进程P向群组MG的多播地址表的站点发送申请。（2）站点检查群组成员关系表。（3）若申请的群组在群组成员关系表，则把加入站点的群组成员关系表中。否则，执行（4）。（4）站点发送群组成员关系报告。即此站点新增加的一个群组。,2.删
14、除一个群组,当站点（主机）发现一个群组MG中没有进程时，就发送退出群组MG的报告。多播路由器收到该报告。不立即删除群组MG，发送针对MG的查询报文。若在指定的时间内没有收到站点对该群组的成员关系报告，就意味着本网络上没有该群组的成员，删除这个群组；否则，向下执行。不删除这个群组。,2、删除一个群组：退出群组报告报文（类型0 x17）,3、监视群组成员关系,多播路由器负责监视在本网络上所有站点，以便知道它们与一个群组的成员关系。网络上所有多播路由器周期地（125S）发送一般查询报文，涉及到站点的所有群组，而不是一个特定的群组。多播路由器期望得到每一个群组的回答。其最长响应时间是10S。,3、监视
15、群组成员关系：,情形：在一个群组中仅有一个成员（主机），但这台主机因异常而关机，即没有发送退出群组报告。事实上，多播路由器讲永远收不到退出群组报告。,处理流程,1.站点收到多播路由器发送的一般查询报文。2.站点查看群组成员关系表，判断是否有群组MG,若有则执行3，否则不做任何处理。3.启动随机计数器，并监听是否有其他站点对群组MG的成员关系报告4.若计时器时间到，仍没有收到其他站点对群组MG的成员关系报告，则本站点发送群组成员关系报告，否则，不发送成员关系报告。,功能：确认群组中是否有成员 成员查询报文（类型0 x11）,6.3 多播路由协议,IGMP和多播地址方法解决了同一物理网络上传送多播
16、分组的问题。路由器间如何交换群组成员关系，确保多播分组的副本能够达到群组所有成员?,6.3.1 多播路由特性,一、多播选路问题的复杂性 1、动态性:单播路由只有当网络拓扑结构发生变化时才会发生路由改变，多播路由中成员的加入或退出就会发生多播路由的变化。2、转发动作不一致性:发往同一群组的数据报转发动作可能不同。多播转发需要路由器检查多个目的地址。3、其它路由器支持:多播分组可以从非群组成员的主机上发起，并且可以通过任何没有群组成员的网络。,6.3.2 多播路由实现目标,群组的每一个成员只能收到一个多播分组的副本，不允许收到多个副本。非群组成员不能收到副本。路由选择中没有回路。（即一个多播分组通
17、过某个路由器至多一次）从源站到每一个目的站的路径必须是最佳的。,6.3.3 多播转发树,从源站到群组所有成员的一系列路径形成了结构犹如图论中的树，所以称为多播转发树。多播路由协议实际上就是要找到以源主机为根节点的多播转发树。每个多播路由器对应于树中的一个节点，连接路由器的网络对应于树中的一条边，分组的源站是树的根，到达的最后一个路由器对应于树中的一条边。多播转发分组时，多播路由协议使用了两种类型的多播转发树：源站基准树和群组共享树。,2.群组共享树每一个群组共享同样的树。如果在整个网络中有N个群组，那么就有N棵树，每一棵树对应于一个群组。使用群组共享树的多播路由选择协议有：核心基干树（Core
18、 Based Trees。CBT）协议无关多播-密集方式(Protocol-Independent Multicast-Sparse Mode，PIM-SM)。,多播转发树,1.源站基准树 源站基准树定义为一系列通过多播路由器的路径，这些路径从源站可以到达群组的所有成员。使用源站基准树的多播路由选择协议有：距离向量多播路由协议(Distance Vector Multicast Routing Protocol，DVMRP）多播开放最短路径优先协议（Multicast Open Shortest Path First，MOSPF）协议无关多播-密集方式(Protocol-Independent
19、 Multicast-Dense Mode，PIM-DM),在此类树中，是群组确定树，不同的群组对应不同的树。对同一群组，不管源站是否改变，对应的树不变。,多播路由选择协议,根据网络中群组成员的分布，可分为两类：1）密集型网络：网络中大多数子网都至少包含一个群组成员，而且网络带宽足够大。如：DVMRP、MOSPF、PIM-DM.2）稀疏型网络:群组成员在网络中是稀疏分布的，并且网络不能提供足够的传输带宽。如：CBT、PIM-SM.,DVMRP是基于源站的路由选择协议，允许多播路由器之间传递群组成员关系和路由信息。当路由器收到发往一个群组的分组时，通过源站基准树中各分支的网络链路发送分组的副本。
20、,距离向量多播路由协议(DVMRP),反向路径转发（RPM）RPF思想：利用多播数据报源地址避免环路。算法步骤：（1）当收到一个组播报时，记下源地址S和入口I（2）查单播路由表，若I是通向S的最短路径，则在除I以外的所有接口上转发。（3）否则，丢弃该组播数据报。以得到用来转发多播数据报的多播转发树。,RPM的工作原理：1）源站使用广播方式向互联网中的所有网络发送第一个分组，确保所有群组成员都接收到一个副本。2）每一个网络的多播路由器使用IGMP维护本网络的群组成员关系，一旦多播路由器发现对某个群组没有兴趣，就向上游路由器发送修剪报文。上游路由器就停止在此接口上给该群组发送多播分组。3）如果某路
21、由器已经发送了修剪报文，但通过IGMP又发现要加入某个群组，此时就发送移植报文。,距离向量多播路由协议(DVMRP),DVMRP树的构造过程,1）第1次转发时，消息到达路由器MR1。2）第2次转发时，消息到达路由器MR2、3和4。3）第3次转发时，消息到达路由器MR5、6和8，MR3和4交换消息4）第4次转发时，消息到达路由器MR7。它认识到这是一个叶子路由器，此子网上没有广播组的成员，所以它就回送一个剪除消息给MR6。MR6回送一个剪除消息给MR4。MR3也回送一个剪除消息给MR1,最后生成的树,在子网上密布有多播组的情况下，DVMRP工作得很好，但组播组稀疏分布在广域网上的情况下，周期性地
22、广播行为会使网络的性能严重下降，DVMRP不能支持大型网络中稀疏分布的群组。,由于新成员可在任何时候加入到广播组，且新成员可能是在某一个被剪除的分支上加入，因此，DVMRP就周期性地重新启动跨越广播树的构造进程。,DVMRP特点,使用多播链路状态路由选择创建源站基准树。MOSPF依赖于单播路由协议OSPF。,多播开放最短路径优先MOSPF,OSPF是单目标广播路由协议沿着最低成本路径传递消息最低成本则使用链路状态(link-state)来衡量：负荷平衡信息，例如，对通信量小的链路，其成本就比较低，对交通量大的链路，其成本就比较高，这样做是为了平衡网络上的交通；要求的服务质量，例如，对要求时延低
23、的服务，其成本就比较高，对要求使用卫星链路的服务，其成本就比较高，等等,多播开放最短路径优先MOSPF,过程：每台MOSPF路由器通过IGMP周期性地收集群组成员的信息。信息和链路状态信息一起传送到区域中所有的其他路由器。由于每个路由器都了解整个网络的拓扑结构，就能够独立地计算出一颗最小代价树，源站和群组成员分别作为树的根和叶，这棵树定义了多播分组从源站发送到群组成员的路径。由于所有路由器都周期性地共享链路状态信息，因此它们计算得到的广播树将完全相同。,MOSPF只能在一个区域内向所有路由器发送所有群组成员关系信息，不能将其规模扩大到任意互联网。故MOSPF定义了区域间多播路由。,MOSPF计
24、算最短路径树,计算步骤如下：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MR5MR3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。,OSPF指定一个区域中的一个或多个路由器作为区域边界路由器，然后此类路由器把路由信息传播给其他区域。类似地，MOSPF指定一个或多个ABR作为多播区域边界路由器，此类路由器把群组成员关系信息传播给主干区域，但不从主干区域向外传播信息。,CBT避免进行广播。当站点使用IGMP加入一个特定群组时
25、，本地路由器在转发多播分组之前必须通知其它路由器。CBT构建多播转发树时，为了能够适应不同的网络规模，把互联网划分成区域，每个区域的大小由网络管理员确定。核心基干树(CBT)构造一棵由所有组员共享的树，整个组的多播交通都在这棵相同的树上发送和接收，而不管它们的广播源。使用共享树可以明显节省在路由器中存储的组播状态信息的数量,核心基干树(CBT),站点A要想加入这棵核心树，接受该站点请求的本地路由器L发送一个CBT加入请求到核心路由器，表示它准备加入核心树。到核心的路径上的每个中间路由器都对这个请求进行检查，当核心路由器R接收到加入申请时，它返回一个确认，把群组成员传给自己的上层路由器，并开始转
26、发群组的通信量。这样就形成一个树的分支。,CBT把互联网或分成区域，并为每个区域指定一个核心路由器，区域中的其他路由器通过给核心发送加入请求，动态地建立群组共享树。,R：已经加入群组A：待加入群组1.A加入群组224.0.8.82.A用IGMP向L报告3.L产生CBT请求发往CR（单播路径）4.R收到请求，向L发确认，并记录组播表5.收到确认的每个中间路由器记录组播表，扩展组播树,协议无关多播（PIM）,PIM有两种运行模式：密集型分布的多播组群PIM-DM协议无关多播-密集型路由协议PIM-DM与DVMRP相类似，使用保留路径组播技术(RPM)构造广播树PIM-DM和DVMRP之间的差别是：
27、PIM完全独立于单目标路由广播协议PIM-DM比DVMRP简单。为稀疏型分布的组播组群PIM-SM协议无关多播-稀疏型路由协议,协议无关多播(PIM)路由协议的目标：开发一个标准的组播路由协议不依赖于任何特殊的单目标广播路由协议提供的方法用可增减路由域数目的域间组播的行程安排,PIM-SM,使用情况：当群组成员在广泛区域内稀疏分布时，就需要稀疏模式多播路由协议将多播流量控制在连接到群组成员的链路路径上，而不会“泄漏”到不相关的链路路径上。,PIM-SM围绕一个称为汇集点(RP)的路由器来构造组播树。这个会合点所扮演的角色与CBT协议中的核心路由器所扮演的角色相同，但比CBT协议更灵活.(备份R
28、P)用CBT路由协议构造的树总是共享广播树而使用PIM-SM协议构造广播树时既可构造组共享树，也可构造最短路径树。,广播-稀疏型广播树的构造过程,广播源1(Source 1)在会合点上的组播路由器RPt处登记。接收端加入路由器RPt；现在是一个比较大的共享树。接收端接收来自广播源1的数据，然后发送一个明确的加入消息到广播源1，这样就构造了一条最短的路径。,一个组有一个聚合点RP，组播源沿最短路径向RP发送数据，再由RP 沿最短路径将数据发送到各个接收端。,小 结,IP多播是对硬件多播的推广，可以有效的将一个分组交付到多个目的站，并允许目的站位于互联网上的任意物理网络上，一组目的站点称为多播群组。IGMP有三种类型的报文：查询报告报文、群组成员关系报告报文、退出群组报告报文。站点可在任何时候加入或退出群组。对于本地多播，站点只需要具有收发多播分组的能力。多播协议使用两种类型的多播转发树：源站基准树和群组共享树。多播路由协议分为两类：密集模式（DVMRP、MOSPF、PIM-DM），稀疏模式（CBT、PIM-SM）。,The End!,
