組播和IGMP協(xié)議

1、1,第2章 互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)協(xié)議體系,2.1 ARP協(xié)議和RARP協(xié)議 2.2 ICMP協(xié)議 2.3 多播和IGMP協(xié)議 2.4 因特網(wǎng)路由選擇協(xié)議,2,知識(shí)點(diǎn),單播、廣播、多播概念 以太網(wǎng)多播實(shí)現(xiàn) IP多播地址 IP和以太網(wǎng)多播地址的映射 IP通過以太網(wǎng)的多播實(shí)現(xiàn) 多播組管理IGMP協(xié)議，IP多播基本工作原理 IP多播過程優(yōu)化處理,3,要求,理解多播概念和主要應(yīng)用 掌握以太網(wǎng)硬件多播實(shí)現(xiàn)方法 掌握IP多播地址分配 理解和掌握互聯(lián)網(wǎng)多播地址的映射 理解IP多播通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的方法 掌握多播組管理IGMP協(xié)議和工作原理 了解IP多播基本工作原理 IP多播過程優(yōu)化處理和多播路由復(fù)雜性,4,單播、廣播、多

2、播,單播（unicast）:一個(gè)主機(jī)向網(wǎng)上的單個(gè)目的主機(jī)發(fā)送幀。 廣播（broadcast）:一個(gè)主機(jī)向網(wǎng)上的所有其它主機(jī)發(fā)送幀。 多播（multicast）：介于單播和廣播之間，幀僅傳送給屬于多播組的多個(gè)主機(jī)。,單播,多播,廣播,5,1、單播的方法分別傳送N次，當(dāng)N很大時(shí)的問題？,對(duì)一組計(jì)算機(jī)完成相同報(bào)傳送的方法,2、廣播的方法，分別傳送所有計(jì)算機(jī)，然后由應(yīng)用端口確定丟棄，最后 N臺(tái)接收。其問題是大量無用數(shù)據(jù)報(bào)經(jīng)過直至UDP端口的大量處理，才被丟棄，產(chǎn)生大量資源浪費(fèi)，網(wǎng)絡(luò)垃圾。且通過路由器的大范圍廣播實(shí)際不存在。,3、采用多播方法，由N臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成多播組，一次只向N臺(tái)計(jì)算機(jī)傳送。所以，多播更

3、具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值！,6,X,A,B,C,D,R3,R1,R2,R5,R4,R6,復(fù)制,復(fù)制,多播組G,多播組G,多播組G,主機(jī)X向多播組G的三個(gè)主機(jī)進(jìn)行多播。主機(jī)X在進(jìn)行多播時(shí)只發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，只是 到了路由器R2才進(jìn)行復(fù)制，然后到了R6再復(fù)制一次。這就是說，多播的數(shù)據(jù)報(bào)僅在傳 送路徑分岔時(shí)才將數(shù)據(jù)報(bào)復(fù)制后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。若不是多播，則源站在一開始就要發(fā)送3個(gè) 數(shù)據(jù)報(bào)，分別發(fā)給主機(jī)A,C和D。構(gòu)成多播組的主機(jī)數(shù)可以是很大的，如成千上萬個(gè)。 因此，采用多播協(xié)議可明顯地減輕網(wǎng)絡(luò)中各種資源的消耗。,能夠接收發(fā)往一個(gè)特定多播組地址數(shù)據(jù)的主機(jī)集合稱為多播組,7,顯然，在因特網(wǎng)范圍的多播要靠路由器來實(shí)現(xiàn)的，因此

4、這些路 由器必須增加一些能夠識(shí)別多播的軟件。能夠運(yùn)行多播協(xié)議的 路由器稱為多播路由器（multicast router）。,多播路由器可以是一個(gè)單獨(dú)的路由器，也可以是運(yùn)行多播軟件的 普通路由器。,8,多播的應(yīng)用,第一個(gè)多播應(yīng)用提供了音頻會(huì)議功能。這些應(yīng)用在可用性和功能方面得到了改進(jìn)。當(dāng)前，多播系統(tǒng)的開發(fā)步伐不斷加快。新的經(jīng)過改進(jìn)的應(yīng)用正被交付使用以支持： 多媒體會(huì)議：這些工作已經(jīng)在MBONE上使用多年。它們支持多到多的單一的音頻通信，或者多到多的音頻視頻通信。 數(shù)據(jù)分發(fā)：這些工具提供了同時(shí)把數(shù)據(jù)分發(fā)給大量接收方的能力。例如，一個(gè)中心站點(diǎn)能夠有效地把更新后的數(shù)據(jù)文件推入每個(gè)地區(qū)辦公室。,多播主干

5、網(wǎng),9,博奕和模擬：這些應(yīng)用已經(jīng)存在。然而多播服務(wù)集成使應(yīng)用可以適用于大量用戶。多播組能夠表示博奕或者模擬的不同部分。當(dāng)用戶從一部分移到另一部分時(shí)，它們退出并加入到不同的多播組。 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)多播：這些應(yīng)用把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)給大量的用戶。例如，能夠把新聞，證券報(bào)價(jià)信息提供給許多工作站的集合。,10,局域網(wǎng)的多播,局域網(wǎng)的多播是用硬件實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)以太網(wǎng)上的PC機(jī)收到一個(gè) 幀時(shí)，用PC機(jī)網(wǎng)卡硬件就可判斷該幀的目的地址是否屬于以下 三種地址之一：,1.本網(wǎng)卡的硬件地址（單播）。 2.全1的目的地址（廣播）。 3.地址的第一字節(jié)的最低位為1的多播地址，且本站已加入 到該組（多播）。,如果是，就收下該幀，否則就丟

6、棄。,11,因特網(wǎng)的多播,在因特網(wǎng)上進(jìn)行多播IP多播。,IP多播就有以下一些特點(diǎn)：,D類是專用多播地址，范圍 224.0.0.0-239.255.255.255,1 1 1 0,D類,28位多播組目的地址,一個(gè)D類多播地址對(duì)應(yīng)特定一組計(jì)算機(jī)，這組計(jì)算機(jī)的集合稱為多播主機(jī)組。,主機(jī)組成員可以是因特網(wǎng)上任何主機(jī)，成員是動(dòng)態(tài)的。,顯然，多播地址只能用為目的地址，而不用為源地址。,一計(jì)算機(jī)IP地址與多播組地址是否可以同時(shí)存在？,1.多播地址,12,2.永久的組地址： 224.0.0.1 （子網(wǎng)所有多播主機(jī)組地址，即發(fā)往224.0.0.1地址查詢時(shí)，任何多播主機(jī)組都要報(bào)告） 224.0.0. 2（子網(wǎng)所

7、有參加多播的路由器組） 224.0.0. 4（DVMRP路由器） 224.0.1. 1（網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議組NTP） 239.252.0.0-239.255.255.255（限制在一個(gè)地點(diǎn)的范圍） 239.192.0.0-239.251.255.255（限制在一個(gè)組織的范圍）,多播組地址是一類參加多播組所有主機(jī)的組地址，而不是一般的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)IP地址，主機(jī)IP地址是在網(wǎng)絡(luò)中唯一的位置標(biāo)識(shí)（獨(dú)立占有），而多播組地址是一組共有，多播組地址與通常IP地址不相關(guān)、不矛盾。,13,3.動(dòng)態(tài)的組成員,主機(jī)組中的成員是動(dòng)態(tài)的。一個(gè)進(jìn)程可請(qǐng)求其主機(jī)參加某個(gè)特定的組，或在任意時(shí)間退出該組。,當(dāng)一個(gè)主機(jī)新加入某一個(gè)主機(jī)組

8、時(shí)，它就向多播地址中的所有主機(jī)發(fā)送報(bào)文，聲明其組員關(guān)系。本地的多播路由器收到此報(bào)文后，就將此報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到因特網(wǎng)中其他的多播路由器。,當(dāng)主機(jī)最后一個(gè)進(jìn)程退出某個(gè)組時(shí)，該主機(jī)即不再屬于那個(gè)組了。,由于組內(nèi)成員的關(guān)系是動(dòng)態(tài)的，因此本地的多播路由器要周期性地向本地網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)進(jìn)行輪詢，以確定哪些主機(jī)仍留在組內(nèi)。若經(jīng)過幾次輪詢?cè)谝粋€(gè)組內(nèi)已沒有主機(jī)是其中的成員，多播路由器就認(rèn)為該網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)沒有主機(jī)屬于該組，以后也就不再向其他的多播路由器通告組內(nèi)成員的狀況。,14,IP多播映射的以太網(wǎng)多播地址范圍：,當(dāng)一個(gè)IP多播組傳送到一個(gè)以太網(wǎng)時(shí)，以太網(wǎng)怎樣完成地址轉(zhuǎn)換，傳送到其中的幾臺(tái)計(jì)算機(jī)上？,IANA（Intern

9、et Assigned Numbers Authority)擁有00:00:5e:00:00:00-00:00:5e:ff:ff:ff 的以太網(wǎng)地址（高24位為00:00:5e的地址段），并把其中一半的地址00:00:5e:00:00:00-00:00:5e:7f:ff:ff分配給為多播地址，由于以太網(wǎng)多播地址第一字節(jié)最低位必須為1，所以IANA定義的可轉(zhuǎn)化的以太網(wǎng)多播地址范圍為：,01:00:5e:00:00:0001:00:5e:7f:ff:ff,因特網(wǎng)號(hào)碼指派管理局,15,01.00.5e.00.00.0001.00.5e.7f.ff.ff，所以圖中第24bit始終為零，實(shí)際上只有低23

10、位IP地址與以太網(wǎng)地址直接對(duì)應(yīng)。,1,1,1,0,0,1,0,1,1,1,1,1,0,0,多播和以太網(wǎng)低23位對(duì)應(yīng),0 7 8 16 2324 32 40 47,16進(jìn)制01:00:5E,16進(jìn)制00:00:007F:FF:FF,IP多播地址和以太網(wǎng)多播地址映射關(guān)系：,0,16,通過以上的IP多播地址和以太網(wǎng)多播地址的映射關(guān)系，多播路由器IP多播報(bào)進(jìn)入以太網(wǎng)前，把IP多播地址和轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的以太網(wǎng)的硬件多播地址，然后利用以太網(wǎng)的多播機(jī)制完成多播。,以太網(wǎng),C,多播Router,B,A,17,多播地址轉(zhuǎn)換中的問題：,由于多播地址（e0）與以太網(wǎng)地址劃分（01:00:5e)定義，D類地址5位bit（

11、2024bit)在映射中沒有定義。,1,1,1,0,0,1,0,1,1,1,1,1,0,0,多播和以太網(wǎng)低23位對(duì)應(yīng),0 7 16 20 24 32 40 47,D類地址該5位地址沒用,0000000,00000000,映射地址前25bit是固定的。（01:00:5e及第3字節(jié)最高位是0）,18,所以產(chǎn)生了IP多播地址與以太網(wǎng)多播地址的映射不唯一問題，如地址e0:80:40:20（224.128.64.32）與e0:00:40:20 （224.0.64.32）映射的以太網(wǎng)多播地址同樣為:01:00:5e:00:40:20。,由于不唯一性，需要其他協(xié)議對(duì)多播數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行額外的過濾處理；所以目前多播

12、機(jī)制是有缺陷的，但比廣播還是有效得多。,1,1,1,0,0000,0,1,0,1,1,1,1,1,0,0,0000000,多播和以太網(wǎng)低23位對(duì)應(yīng),0 7 16 20 24 32 40 47,e0:80:40:20,1,1,1,0,0000,0000000,e0:00:40:20,1,0,01000000,00100000,01000000,00100000,01000000,01000000,00100000,0000000,19,IP多播傳送基本過程,單個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)中IP多播過程：,1、發(fā)送主機(jī)多播進(jìn)程將目的IP地址指向一個(gè)多播地址；,2、主機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)將IP多播地址轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的以太網(wǎng)多播地，

13、并發(fā)送數(shù)據(jù)；,3、收端接收進(jìn)程，加入一個(gè)多播組，使驅(qū)動(dòng)設(shè)備能夠接收這些數(shù)據(jù)報(bào)；,4、當(dāng)以太網(wǎng)以多播形式接收數(shù)據(jù)后，再次根據(jù)地址映射關(guān)系，傳送給IP層相應(yīng)的多播進(jìn)程處理；,5、注意：一臺(tái)主機(jī)上加入多個(gè)不同多播進(jìn)程；也可能同時(shí)存在屬于同一多播組的多個(gè)進(jìn)程；一臺(tái)主機(jī)是否加入或撤出一個(gè)多播組是動(dòng)態(tài)的。,20,多個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)中IP多播過程,2、在多播網(wǎng)絡(luò)中必須使用多播路由器或運(yùn)行多播軟件的一般路由器，構(gòu)成多播網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；,3、網(wǎng)絡(luò)中多播路由器的專用協(xié)議，根據(jù)用戶的加入或退出，自動(dòng)記錄多播組的成員關(guān)系；,4、當(dāng)一個(gè)多播數(shù)據(jù)報(bào)傳輸時(shí)，多播路由器可以根據(jù)多播組成員的位置，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)復(fù)制，并選擇相關(guān)的路徑進(jìn)行傳

14、送。,1、互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中多播比較復(fù)雜，需要管理廣域范圍的多播組的成員變化、解決動(dòng)態(tài)路由，并最大可能節(jié)約各種資源開銷問題；,21,5.如果多個(gè)多播路由器連接到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，它們會(huì)迅速而有效地選用一個(gè)路由器來輪詢主機(jī)成員。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中添加其它多播路由器時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上的通信量總量不會(huì)增加。 6.主機(jī)并不會(huì)同時(shí)響應(yīng)路由器的查詢，每個(gè)查詢包含一個(gè)N值，指定了最大響應(yīng)時(shí)間（默認(rèn)值是10秒）。當(dāng)查詢到達(dá)時(shí)，主機(jī)選擇0至N之間的一個(gè)隨機(jī)時(shí)延，在這個(gè)時(shí)延之后發(fā)送響應(yīng)報(bào)文。實(shí)際上，如果某個(gè)主機(jī)是多個(gè)群組的成員，就會(huì)為每個(gè)群組選擇不同的隨機(jī)數(shù)，這樣，主機(jī)對(duì)路由器的響應(yīng)就會(huì)在10秒內(nèi)隨機(jī)分布。 7.每臺(tái)主機(jī)監(jiān)聽群組中其它

15、主機(jī)的響應(yīng)，并抑制那些不必要的響應(yīng)通信量。,22,因特網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）,一臺(tái)主機(jī)如何加入或離開多播群組呢？有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 因特網(wǎng)組管理協(xié)議，,每當(dāng)主機(jī)需要加入或離開某個(gè)特定的多播群組時(shí)，該協(xié)議 允許該主機(jī)去通知鄰近的路由器。,該協(xié)議只用在主機(jī)與路由器之間的網(wǎng)絡(luò)上。而且，協(xié)議只 把計(jì)算機(jī)（不是應(yīng)用進(jìn)程）定義為群組成員。,如果在一給定計(jì)算機(jī)上有多個(gè)進(jìn)程要加入到一個(gè)多播群 組，計(jì)算機(jī)必須要把接收到的每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)復(fù)制多個(gè)副本 給每個(gè)進(jìn)程。只有當(dāng)最后一個(gè)進(jìn)程離開群組時(shí)，計(jì)算機(jī) 才利用IGMP通知本地的路由器，表明它不再是群組的 成員了。,23,IGMP報(bào)文格式,4位版本號(hào),0 8 16 31,IP

16、頭部 IP數(shù)據(jù)區(qū),IGMP數(shù)據(jù)區(qū),IGMP頭,32位D類多播組地址（查詢?yōu)?）,4位 類型,響應(yīng)時(shí)間,16位校驗(yàn)和,以十分之一秒為單位。默認(rèn)值是10秒。,對(duì)整個(gè)IGMP報(bào)文進(jìn)行檢驗(yàn)，其算法和IP數(shù)據(jù)報(bào)的相同。,當(dāng)向所有的組發(fā)出詢問時(shí)，組地址字段就填零。當(dāng)詢問特定的組時(shí)，路由器就填入該組的組地址。主機(jī)發(fā)送成員關(guān)系的報(bào)告時(shí)填入自己的組地址。,24,IGMP可分為兩個(gè)階段,第一階段：當(dāng)某個(gè)主機(jī)加入新的多播組時(shí)，該主機(jī)應(yīng)向組 播組的多播地址發(fā)送一個(gè)IGMP報(bào)文，聲明自己要成為該 組的成員。本地的多播路由器收到IGMP報(bào)文后 ，將組成 員關(guān)系轉(zhuǎn)發(fā)給因特網(wǎng)上的其他多播路由器。,第二階段：因?yàn)榻M成員關(guān)系是動(dòng)

17、態(tài)的，因此本地多播路由器要周期性地探詢本地局域網(wǎng)上的主機(jī)，以便知道這些主機(jī)是否還繼續(xù)是組的成員。只要對(duì)某個(gè)組有一個(gè)主機(jī)響應(yīng)，那么多播路由器就認(rèn)為這個(gè)組是活躍的。但一個(gè)組在經(jīng)過多次的探詢后仍然沒有一個(gè)主機(jī)響應(yīng)，則多播路由器就認(rèn)為本網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)已經(jīng)都離開這個(gè)組了因此就不再將該組的成員關(guān)系轉(zhuǎn)發(fā)給其他的多播路由器。,25,目的盡量避免多播信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)增加大量開銷。,1、主機(jī)和多播路由器的所有通信使用IP多播，只要有可能，攜帶IGMP報(bào)文的數(shù)據(jù)報(bào)都使用硬件多播來傳送。,2、多播路由器在探詢組成員關(guān)系時(shí)，只需要對(duì)所有多播組只發(fā)一個(gè)查詢，而不是對(duì)每一個(gè)組發(fā)送一個(gè)查詢，默認(rèn)125S一次。,IGMP協(xié)議優(yōu)化處理,26,1、IGMP協(xié)議只解決多播組的成員關(guān)系變化，而沒有涉及多播的路由選擇問題。,2、多播組成員的動(dòng)態(tài)變化，使多播的路由是動(dòng)態(tài)變化的；多播轉(zhuǎn)發(fā)不僅要考慮目的地址，而且還要考慮源地址，以確定復(fù)制和轉(zhuǎn)發(fā)副本；多播數(shù)據(jù)報(bào)可能不是組成員主機(jī)產(chǎn)生，也可能通過無組成員的網(wǎng)絡(luò)