2022-11-06 网工进阶（三十五）IP组播协议--PIM-SM工作原理（组播分发树的形成、ASM、SSM）
PIM-DM的局限性
中大型组播网络中由于网络较大，如果依然使用PIM-DM会遇到诸多问题：
1 使用“扩散-剪枝”方式需要全网扩散组播报文，对于网络有一定冲击。
2 所有组播路由器均需要维护组播路由表，即使该组播路由器无需转发组播数据。
3 对于组成员较为稀疏的组播网络，使用“扩散-剪枝”形成组播分发树的效率不高。
PIM-SM(ASM)
通过PIM-SM（ASM）模式形成组播分发树的特点
1 只有组播转发路径上的组播路由器需要维护组播路由表。
2 通过RP可以让所有组播路由器获知组成员的位置。
3 避免“扩散-剪枝”机制，提高组播分发树的形成效率。
PIM-SM（ASM）组播分发树的形成步骤
1 将组成员的位置事先告知某台组播路由器（Rendezvous Point，RP），形成RPT（RP Tree）。
2 组播源在发送组播数据时，组播网络先将组播数据发送至RP，然后由RP再将组播数据转发给组成员。
3 对于部分次优的组播转发路径，PIM-SM（ASM）能自动优化为最优路径（SPT）。
PIM-SM(ASM)协议报文
|
报文类型 |
报文功能 |
|
Hello |
用于PIM邻居发现，协议参数协商，PIM邻居关系维护等 |
|
Register（注册） |
用于事先源的注册过程。这是一种单播报文，在源的注册过程中，组播数据被第一跳路由器封装在单播注册报文中发往RP |
|
Register-Stop（注册停止） |
RP使用该报文通知第一跳路由器停止通过注册报文发送组播流量 |
|
Join/Prune（加入/剪枝） |
加入报文用于加入组播分发树，剪枝则用于修剪组播分发树 |
|
Assert（断言） |
用于断言机制 |
|
Bootstrap（自举） |
用于BSR选举。另外BSR也使用该报文向网络中扩散C-RP（Candidate-RP，候选RP）的汇总信息 |
|
Candidate-RP-Advertisement （候选RP通告） |
C-RP使用该报文向BSR发送通告，报文中包含该C-RP的IP地址及优先级等信息 |
RP概述
汇聚点RP（Rendezvous Point）为网络中一台重要的PIM路由器，用于处理源端DR注册信息及组成员加入请求，网络中的所有PIM路由器都必须知道RP的地址，类似于一个供求信息的汇聚中心。
配置RP的方式
静态RP：在网络中的所有PIM路由器上配置相同的RP地址，静态指定RP的位置。
动态RP：通过选举机制在多个C-RP（Candidate-RP，候选RP）之间选举出RP。
PS：静态RP或者是动态RP在设置时均可以指定该RP为哪些组播组提供服务。
动态选举RP
动态选举RP涉及的角色有C-BSR（Candidate-Bootstrap Router）和C-RP（Candidate-RP）
选举RP的流程
1 首先，C-BSR通过竞选能选举出一个唯一的BSR。
2 然后，BSR的是用于收集C-RP的信息并形成RP-Set信息的路由器（类似选举RP的裁判）。BSR通过PIM报文将RP-Set信息扩散给所有PIM路由器。
3 最后，PIM路由器收到RP-Set消息后，根据RP选举规则选举出合适的RP。
BSR竞选规则
1 优先级较高者获胜（优先级数值越大优先级越高）。
2 如果优先级相同，IP地址较大者获胜。
RP竞选规则
1 与用户加入的组地址匹配的C-RP服务的组范围掩码最长者获胜。
2 如果以上比较结果相同，则C-RP优先级较高者获胜（优先级数值越小优先级越高）。
3 如果以上比较结果都相同，则执行Hash函数，计算结果较大者获胜。
4 如果以上比较结果都相同，则C-RP的IP地址较大者获胜。
组播分发树的形成
PIM-SM（ASM）模式首次形成组播分发树主要依赖RPT构建机制，组播源注册机制与DR选举机制。
RPT构建机制
组播叶子路由器主动建立到RP的组播分发树（RPT）
RPT（RP Tree）是一棵以RP为根，以存在组成员关系的PIM路由器为叶子的组播分发树。
当网络中出现组成员（形成IGMP表项）时，组成员端DR向RP发送Join报文，在通向RP的路径上逐跳创建（*，G）表项，生成一棵以RP为根的RPT。
组播源注册机制
通过该机制形成组播源到RP的组播分发树（SPT）
SPT建立后，RP使用Register-Stop报文通知源端DR后续报文可以以组播报文形式发送。
DR选举机制
在源端网络或者成员端网络中，有可能有多台组播路由器转发组播流量，从而造成重复组播报文的问题。
PIM DR（Designated Router）是源端网络或者成员端网络的唯一组播转发者，由于不存在别的组播转发路由器就避免了重复组播报文的问题。
DR负责源端或组成员端组播报文的收发，避免重复组播报文，同时成员端DR还负责发送Join加组消息。
PIM DR选举规则
在PIM-SM（ASM）中各路由器通过比较Hello消息上携带的优先级和IP地址，为多路访问网络选举指定路由器DR。
接口DR优先级高的路由器将成为该MA网络的DR，在优先级相同的情况下，接口IP地址大的路由器将成为DR。
当DR出现故障后，邻居路由器之间会重新选举DR。
PS：DR优先级默认为1，数值越大越优；对于成员端网络，如果有多台组播路由器，则组播路由器的下行接口需要同时开启IGMP与PIM； DR还可充当IGMPv1的查询器。
SPT切换机制
在PIM-SM网络中，一个组播组只对应一个RP。因此组播数据最初都会发往RP，由RP进行转发，这会导致两个问题：1 过大的组播流量会对RP形成巨大的负担。2 组播转发路径有可能是次优路径。
为了解决RPT潜在的次优路径问题，成员端DR会基于组播数据包中的源IP，反向建立从成员端DR到源的SPT。
设备沿最短路径发送Join消息，该最短路径基于RPF选举规则决定。设备将Join消息从RPF选举得出的上行接口发出。
多路访问网络在SPT切换的过程中可能会存在重复报文，需要利用断言机制快速选定下行接口。
SPT切换的触发条件：缺省情况下，当RP或者组成员端DR收到第一个组播数据包之后，就会向源发起SPT切换。
当组播分发树（SPT或RPT）稳定后，成员端DR会周期性发送Join/Prune报文，用于维护组播分发树。
如果组播在一段时间后（默认210s）没有流量则SPT树会消失，成员端DR恢复到RP的RPT树。
相关命令
在接口下开启PIM-SM模式
[R1-GigabitEthernet0/0/0]pim sm进入PIM视图
[R1]pim配置静态RP（通常使用RP路由器的环回接口）
[R1-pim]static-rp 1.1.1.1查看RP信息
<R1>display pim rp-info 配置BSR（可指定接口类型和编号、哈希掩码长度（缺省值30）、优先级（缺省值0，越大越优））
[R1-pim]c-bsr LoopBack 0 32 255配置RP（可指定接口类型和编号和优先级（缺省值0，越小越优）等）
[R1-pim]c-rp LoopBack 0 priority 255查看BSR信息
<R1>display pim bsr-info 配置PIM-SM域的BSR边界（禁止BSR发送的自举报文向PIM-SM域外发送，域内的其他组播报文可以通过该边界）
[R1-GigabitEthernet0/0/0]pim bsr-boundary 永不发起SPT切换机制（在成员端DR上配置，缺省情况下会自动切换）
[R1-pim]spt-switch-threshold infinity配置举例---PIM-SM（ASM）
静态RP配置
配置R2的环回接口2.2.2.2为静态RP。
组播源配置
路由器R1配置
#sysname R1
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0ip address 192.168.0.254 255.255.255.0 pim sm //配置为SM模式ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1ip address 10.1.0.1 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/2ip address 10.1.1.1 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 1.1.1.1 area 0.0.0.0
#
pimstatic-rp 2.2.2.2 //配置静态RP，指定RP的地址
#路由器R2配置
#sysname R2
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0ip address 10.1.0.2 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1ip address 10.1.2.2 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface LoopBack0 //配置了环回接口用于指定RPip address 2.2.2.2 255.255.255.255 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 2.2.2.2 area 0.0.0.0
#
pimstatic-rp 2.2.2.2
#路由器R3配置没有特别之处
路由器R4配置
#sysname R4
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0ip address 10.1.2.4 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1ip address 10.1.3.4 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/2ip address 192.168.1.254 255.255.255.0 igmp enable //连接成员端网络的接口开启IGMPospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 4.4.4.4 area 0.0.0.0
#
pimstatic-rp 2.2.2.2
#成员端配置（PC1与PC2类似）
配置完成后，点击组播源的运行和成员端的启动VLC可进行测试。
动态RP配置
配置R2、R3为c-bsr和c-rp，R2采用优先级100，R3采用优先级200，根据bsr和rp的选举规则可知，这样配置后bsr为R3，rp为R2。
组播源和成员端配置同静态。
路由器R1配置
#sysname R1
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0ip address 192.168.0.254 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1ip address 10.1.0.1 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/2ip address 10.1.1.1 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 1.1.1.1 area 0.0.0.0
#路由器R2配置
#sysname R2
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0ip address 10.1.0.2 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1ip address 10.1.2.2 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface LoopBack0ip address 2.2.2.2 255.255.255.255 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 2.2.2.2 area 0.0.0.0
#
pimc-bsr hash-length 32 //配置c-bsr的哈希掩码长度c-bsr priority 100 //配置c-bsr优先级c-bsr LoopBack0 //配置c-bsr的接口类型和编号c-rp LoopBack0 priority 100 //配置c-rp的接口类型、编号、优先级
#路由器R3配置
#sysname R3
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0ip address 10.1.0.3 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1ip address 10.1.3.3 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface LoopBack0ip address 3.3.3.3 255.255.255.255 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 3.3.3.3 area 0.0.0.0
#
pimc-bsr hash-length 32c-bsr priority 200c-bsr LoopBack0c-rp LoopBack0 priority 200
#
路由器R4配置
#sysname R4
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0ip address 10.1.2.4 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1ip address 10.1.3.4 255.255.255.0 pim smospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/2ip address 192.168.1.254 255.255.255.0 igmp enableospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 4.4.4.4 area 0.0.0.0
#
查看bsr信息
<R2>display pim bsr-info VPN-Instance: public netElected AdminScoped BSR Count: 0Elected BSR Address: 3.3.3.3Priority: 200Hash mask length: 32State: Accept PreferredScope: Not scopedUptime: 00:25:56Expires: 00:01:29C-RP Count: 2Candidate AdminScoped BSR Count: 0Candidate BSR Address: 2.2.2.2Priority: 100Hash mask length: 32State: CandidateScope: Not scopedWait to be BSR: 0
分析：可以看出路由器R3为挡墙BSR
查看rp信息
<R2>display pim rp-infoVPN-Instance: public netPIM-SM BSR RP Number:2Group/MaskLen: 224.0.0.0/4RP: 2.2.2.2 (local)Priority: 100Uptime: 00:38:16Expires: 00:02:16Group/MaskLen: 224.0.0.0/4RP: 3.3.3.3Priority: 200Uptime: 00:27:15Expires: 00:02:16
分析：可以看出路由器R2为当前RP
PIM-SM(SSM)
PIM-SM(SSM)基本概述
由于SSM提前定义了组播的源地址，所以PIM-SM（SSM）可以在成员端DR上基于组播源地址直接反向建立SPT。 PIM-SM（SSM）无需维护RP、无需构建RPT、无需注册组播源，可以直接在组播源与组成员之间建立SPT。 在PIM-SM（SSM）模型中，关键机制包括邻居发现、DR竞选、构建SPT。
组播分发树形成与维护
PIM-SM（SSM）模型构建组播分发树的形成主要依赖IGMPv3报文与Join报文。
PIM-SM（SSM）模型形成的组播分发树会一直存在，不会因为没有组播流量而消失。
PIM模型比较
|
协议 |
模型分类 |
适用场景 |
工作机制 |
|
PIM-DM |
ASM模型 |
适合规模较小、组播组成员相对比较密集的局域网 |
通过周期性“扩散-剪枝”维护一棵连接组播源和组成员的单向无环SPT |
|
PIM-SM |
ASM模型 |
适合网络中的组成员相对比较稀疏，分布广泛的大型网络 |
采用接收者主动加入的方式建立组播分发树，需要维护RP、构建RPT、注册组播源 |
|
SSM模型 |
适合网络中的用户预先知道组播源的位置，直接向指定的组播源请求组播数据的场景 |
直接在组播源与组成员之间建立SPT，无需维护RP、构建RPT、注册组播源 |
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