IP组播概念

流量模型

网络中存在各种各样的业务，从流量模型看一般可以将业务分为两类：

点到点业务：比如FTP，WEB业务，此类业务主要特点是不同的用户有不同的需求，比如用户A需要下载资料A，用户B需要下载资料B。此类业务一般由单播承载，服务器对于不同用户发送不同的点到点数据流。

点到多点业务：比如IPTV，视频会议等，此类业务的特点是用户对于业务有相同的需求，比如用户A，B，C，D都需要收看视频X，此类业务可以使用单播，组播，广播承载。但使用单播或广播承载点到多点业务时存在一定问题。

组播技术能够较好的解决单播或广播在承载点到多点业务时存在的问题。

单播和广播的局限性

单播（Unicast）是在一台源IP主机和一台目的IP主机之间进行。网络上绝大部分的数据都是以单播的形式传输的，例如电子邮件收发、网上银行都是采用单播实现的。在单播通信中每一个数据包都有确切的目的IP地址；对于同一份数据，如果存在多个接收者，Server需发送与接收者数目相同的单播数据包；当接收者增加到成百上千时，将极大加重Server创建相同数据和发送多份相同拷贝后所产生的消耗，网络中的设备性能及链路带宽都会面临一定程度的浪费；单播方式较适合用户稀少的网络，当用户量较大时很难保证网络传输质量。

广播（Broadcast）是在一台源IP主机和网络中所有其它的IP主机之间进行，属于一对所有的通讯方式，所有主机都可以接收到（不管是否需要）。广播数据包被限制在广播域中；一旦有设备发送广播数据，则广播域内所有设备都会收到这个数据包，并且不得不耗费资源去处理，大量的广播数据包将消耗网络的带宽及设备资源；广播方式只适合共享网段，且信息安全性和有偿服务得不到保障。

使用组播承载点到多点业务

组播（Multicast）是在一台源IP主机和多台（一组）IP主机之间进行，中间的网络设备根据接收者的需要，有选择性地对数据进行复制和转发。

组播技术有效地满足了单点发送、多点接收的需求，实现了IP网络中点到多点业务数据的高效传送，能够大量节约网络带宽、降低网络负载。

组播分发树：组播流量的转发路径。

组播报文结构

组播数据报文的结构与单播报文类似，但组播数据报文的目的MAC地址与目的IP地址与单播报文有很大差异。

组播目的IP地址：目的IP地址为组播IP地址，地址范围从224.0.0.0到239.255.255.255

组播目的MAC地址：目的MAC地址为组播MAC地址，组播MAC地址由组播IP地址映射而来

组播地址分类

范围	含义
224.0.0.0—224.0.0.255	为路由协议预留的永久组地址
224.0.1.0—231.255.255.255 233.0.0.0—238.255.255.255	Any-Source临时组播组地址
232.0.0.0—232.255.255.255	Source-Specific临时组播组地址
239.0.0.0—239.255.255.255	本地管理的Any-Source临时组播组地址

组播MAC地址

IANA规定，IPv4组播MAC地址的高24位为0x01005e，第25位为0，低23位为IPv4组播地址的低23位，例如组播组地址224.0.1.1对应的组播MAC地址为01-00-5e-00-01-01。

IPv4组播地址的前4位是固定的1110，对应组播MAC地址的高25位，后28位中只有23位被映射到MAC地址，因此丢失了5位的地址信息，直接结果是有32个IPv4组播地址映射到同一MAC地址上。例如IP地址为224.0.1.1、224.128.1.1、225.0.1.1、239.128.1.1等组播组的组播MAC地址都为01-00-5e-00-01-01。网络管理员在分配地址时必须考虑这种情况。

一个组播MAC地址所标识的一组设备有着共同的特点，那就是它们都加入了相同的组播组，这些设备将会侦听目的MAC地址为该组播MAC地址的数据帧。只有单播MAC地址才能够被分配给一个以太网接口，组播或广播MAC地址是不能被分配给任何一个以太网接口的，换句话说，这两种类型的MAC地址不能作为数据帧的源MAC地址，而只能作为目的MAC地址。

组播网络基本架构

源端网络

将组播源产生的组播数据发送至组播网络。

组播源（Source）：组播流量的发送者，例如多媒体服务器。组播源无需运行任何组播协议，只需简单地将组播数据发送出来即可。

组播转发网络

形成无环的组播转发路径，该转发路径也被称为组播分发树（Multicast Distribution Tree）。

组播路由器（Multicast Router）：支持组播、运行组播协议的网络设备，实际上不仅仅路由器能够支持组播，交换机、防火墙等设备也能够支持组播（取决于设备型号），路由器仅是一个代表。

第一跳路由器（First-Hop Router）：组播转发路径上，与组播源相连且负责转发该组播源发出的组播数据的PIM路由器。

最后一跳路由器（Last-Hop Router）：组播转发路径上，与组播组成员相连且负责向该组成员转发组播数据的PIM路由器。

成员端网络

让组播网络感知组播组成员位置与加入的组播组。

组播接收者（Receiver）：也被称为组播组成员，是期望接收特定组播组流量的设备，例如运行多媒体直播客户端软件的PC。

组播组（Multicast Group）：用IP组播地址进行标识的一个集合。任何用户主机（或其他接收设备），加入一个组播组，就成为了该组成员，可以识别并接收发往该组播组的组播数据。

IGMP（Internet Group Management Protocol，因特网组管理协议），是TCP/IP协议族中负责IP组播成员管理的协议，它用来在接收者和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系。

组播服务模型

组播组成员在接收组播数据时可以对于组播数据源进行选择，因此产生了ASM（Any-Source Multicast，任意源组播）和SSM（Source-Specific Multicast，指定源组播）两种组播服务模型。

ASM（Any-Source Multicast，任意源组播）

组成员加入组播组以后，组成员可以接收到任意源发送到该组的数据。

ASM为了提高安全性，可以在路由器上配置针对组播源的过滤策略，允许或禁止来自某些组播源的报文通过。最终从接收者角度看，数据是经过筛选的。

ASM模型要求组地址必须整个组播网络中唯一。“唯一”指的是同一时刻一个ASM地址只能被一种组播应用使用。如果有两种不同的应用程序使用了同一个ASM组地址发送数据，它们的接收者会同时收到来自两个源的数据。这样一方面会导致网络流量拥塞，另一方面也会给接收者主机造成困扰。

SSM（Source-Specific Multicast，指定源组播）

组成员加入组播组以后，组成员只会收到指定源发送到该组的数据。

SSM模型对组地址不再要求全网唯一，只需要每个组播源保持唯一。这里的“唯一”指的是同一个源上不同的组播应用必须使用不同的SSM地址来区分。不同的源之间可以使用相同的组地址，因为SSM模型中针对每一个（源，组）信息都会生成表项。这样一方面节省了组播组地址，另一方面也不会造成网络拥塞。

总结：也就是无论ASM还是SSM，一个组播地址对应一个组播应用。建议ASM不同源使用不同地址。

组播数据转发原理

组播数据转发的问题

组播数据转发需要依赖路由表项。但是基于目的网络的路由表在转发组播数据时存在环路、次优、重复报文等问题。

转发环路，重复报文

次优路径，重复报文

组播路由与RPF检查

由于组播转发容易产生环路，次优，重复报文，所以组播路由表项除了目的网络和出接口外还需要添加组播源和入接口的信息。设备仅转发从特定唯一的入接口收到的组播数据，从而避免组播转发时产生环路，次优，重复报文（部分解决）等问题。

对于相同的组播源，设备通过RPF（Reverse Path Forwarding，反向路径转发）检查可以确定设备上唯一的组播流量入接口。

组播路由表项出接口一般需要通过组播路由协议确定。

RPF检查工作原理

组播路由器根据报文的源地址通过路由表（单播路由表、MBGP路由表或组播静态路由表）查找到达“报文源”的路由，查看到“报文源”的路由表项的出接口是否与收到组播报文的入接口一致。如果一致，则认为该组播报文从正确的接口到达，从而保证了整个转发路径的正确性和唯一性。这个过程就被称为RPF检查。

RPF检查过程

RPF路由选举规则

RPF路由可以从单播路由、MBGP路由、组播静态路由中选举产生。

MBGP（Multicast BGP，组播BGP）：用于传递组播源相关的路由条目。

组播静态路由表：手工配置组播源与出接口的对应关系。

选举规则

1 如果配置了按照最长匹配选择路由，则从这三条路由中选出最长匹配的那条路由；

2 如果这三条路由的掩码一样，则选择优先级最高的那条路由；

3 如果它们的优先级也相同，则按照组播静态路由、MBGP路由、单播路由的顺序进行选择。

检查过程

组播分发树

组播数据转发需要保证转发路径无环，无次优路径且无重复包。

通过RPF机制与组播路由协议，组播网络可以最终形成无环、无次优且无重复包的组播转发路径，该路径可以被称为组播分发树。

组播分发树以组播源为根，以组成员为叶子形成转发路径，组播数据在转发时都基于组播分发树进行转发。

组播协议介绍

组播网络需要基于多种组播协议才能建立转发路径

工作在成员端网络的主要是IGMP（Internet Group Management Protocol，因特网组管理协议）协议，用于告知组播网络，组成员的位置与所加组播组。

工作在组播转发网络的协议主要有PIM，MSDP，MBGP。

PIM（Protocol Independent Multicast，协议无关组播）协议主要作用是生成AS域内的组播分发树。

MSDP（Multicast Source Discovery Protocol，组播源发现协议）主要作用是帮助生成AS域间的组播分发树。

MBGP（Multicast BGP，组播BGP）主要作用是帮助跨域组播流进行RPF校验。

2022-10-31 网工进阶（三十三） IP组播-流量模型、组播概念、组播报文结构、组播地址与MAC、组播网络架构、组播服务模型、组播数据转发原理（RPF检查、组播分发树、组播协议介绍）相关推荐

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