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  • 第12章 播和多播路由选择协议

    千次阅读 2019-06-29 16:02:25
    第12章 播和多播路由选择协议 单播:只有一个源点网络和一个终点网络。源点网络和终点网络的关系是一对一的。数据报途径的每一个路由器都要将这个分组仅从一个接口转发出去。在单播通信中,路由器仅从它的一个接口...

    第12章 多播和多播路由选择协议

    单播:只有一个源点网络和一个终点网络。源点网络和终点网络的关系是一对一的。数据报途径的每一个路由器都要将这个分组仅从一个接口转发出去。在单播通信中,路由器仅从它的一个接口转发收到的分组

    多播:在多播通信中,有一个源点和一组终点,这是一对多的关系。在这种类型通信中,源地址是一个单播地址,而目的地址则是一个组地址,在这个组中包含了一个或多个目的网络,且在这些目的网络中至少含有一个有兴趣接收该多播数据报的组成员。在多播通信中,路由器可以通过它的多个接口转发收到的分组

    多播应用**:访问分布式数据库、信息传播、传播新闻、电视会议、远程学习**

    广播:在广播通信中,源点和终点的关系是一对所有,源点只有一个,但其他所有的主机都是终点

    多播地址

    IPv4中的多播地址

    指派给多播的地址块是224.0.0.0/4,这个地址块有268435456个地址

    本地网络控制地址块(Local Network Control Block):是由协议控制通信量来使用的。某些多播的或与多播相关的协议需要使用这些地址。目的地址落在这个范围内的IP分组必须将自己的TTL值置为1,不允许路由器转发这些分组,其地址块为224.0.0.1/24

    网际互联控制地址块(Internetwork Control Block):由协议控制通信量使用的,但是以这些地址为目的地址的IP分组能够被路由器转发,因而可以在整个因特网内畅通无阻,其地址块为224.0.1.0/24

    AD-HOC地址块:从224.0.2.0到244.0.255.255的地址块被IANA称为专用(AD-HOC)地址块。传统上,这个地址块被分配给那些不适于前面讨论两种地址块使用

    流多播组地址块(Stream Multicast Group Block):为流媒体而分配的地址块,其地址块为224.1.0.0/16

    SAP/SDP地址块:地址块224.2.0.0/16用于会话宣布协议(Session Announcement
    Protocol)和会话目的协议(Session Directory Protocol)

    SSM地址块:地址块232.0.0.0.0/8用于特定源多播(Source Specific Multicasting,SSM)

    GLOP地址块:地址块233.0.0.0/8称为GLOP地址块。这个地址块定义了可以在一个自治系统(AS)内使用的全球分配的地址段

    管理范围的地址块:地址块239.0.0.0/8称为**管理范围的地址块(AdministratIvely Scoped Block)**被用于因特网中的某个特定区域内。目的地址属于这个地址块的分组不应离开该区域

    netstat实用程序

    可以查找出某个接口支持的多播地址

    • -n:给出IP地址的版本号

    • -r:给出路由表

    • -a:给出所有的地址

    选择多播地址

    有限的组

    系统管理员可以利用AS号(x,y)并选择在233.x.y.0~233.x.y.255之间的一个还没有被其他组使用的地址

    更大的组

    如果这个组要扩展到一个AS管辖范围之外,这样的组需要从SSM地址块中选择一个地址,这个地址块中的地址不需要经过允许就可以使用。因为在特定源多播中,分组的路由选择要根据分组的组地址和源地址,而它俩的组合是唯一的。

    数据链路层多播分组的交付

    支持多播的网络

    绝大多数局域网都支持物理多播地址,以太网地址的长度是6个8位组。在IPv4地址中,多播地址块的组标识长度是28位,意味着IP级的每个多播地址会映射到同一个物理地址。

    以太网 物理多播地址的范围是:01:00:5E:00:00:00 ~ 01:00:5E:7F:FF:FF

    不支持多播的网络

    绝大多数广域网都不支持物理多播地址。要通过这样的网络发送一个多播分组就需要使用称之为隧道的处理过程。在使用隧道时,多播分组被封装成单播分组并通过网络传送,而当它出现在隧道的另一端时在转换为一个多播分组

    IGMP

    **网际组管理协议(Internet Group Management Protocol,IGMP)**负责收集和解释一个网络中的组成员信息

    组管理

    IGMP是个组管理协议。它帮助多播路由器创建和更新与每一个路由器接口有关的忠实成员(loyal member)的列表

    IGMP报文

    IGMPv3有两种类型的报文:成员关系查询报文成员关系报告报文。第一种类型有三种不同的格式:一般的格式特定组的格式以及特定组和源的格式、

    成员关系查询报文格式

    成员关系查询报文是路由器为了找出网络中活跃的组成员而发送的报文

    在这里插入图片描述

    • 类型:8位字段,定义了报文的类型

    • 最大响应码:8位字段,定义了在接收到这个查询后必须在多长时间内做出响应

    • 检验和:16位字段,保存的是检验和

    • 组地址:32位字段,在一般的查询报文中置0。而在发送特定组或特定组和源的查询报文时,这个字段设置为被查询的IP多播组地址

    • Resv:4位字段,目前未用

    • S:1位字段,仰制标志。当这个字段置1时表示此查询报文的接收者应当仰制正常的计时器更新

    • QRV:3位字段,称为询问者的健壮变量。用于监视网络的健壮性

    • QQIC:8位字段,称为询问者的查询间隔码。用于计算询问者的查询间隔时间(QQI)

    • 源数量(N):16位字段,定义了依附在此查询上的32位单播源地址的数量。对于一般的查询和特定组的查询来说,这个字段的值是0,而对于特定组和源的查询来说,这个字段的值是非0

    • 源地址:32位字段,列出了N个源地址

    查询报文的三种格式

    在这里插入图片描述

    • a.在一般的查询报文中,发起查询的路由器探询每个邻站,使之报告组成员关系的完整列表(对任何多播组都感兴趣)

    • b.在特定组的查询报文中,发起查询的路由器探询每个邻站,使之报告是否仍然对某个特定的多播组感兴趣。这个多播组的地址在查询的组地址字段中用x.y.z.t来指明

    • c.在特定组和源的查询报文中,发起查询的路由器探询每个邻站,使之报告是否仍然对来自N个源之一的且到特定多播组x.y.z.t的多播分组感兴趣,这些源的单播地址在分组中指明

    成员关系报告报文的格式

    在这里插入图片描述

    • 类型:8位字段,值为0x22,定义了报文的类型

    • 检验和:16为字段,保持的是对整个IGMP报文做的检验和

    • 组记录数量(M):16位字段,定义了分组携带的组记录的数量

    • 组记录:在这个分组中科院有0个或者多个可变长度的组记录。每个组记录包含了响应者在某个多播组中的成员关系信息

    • 记录类型:目前一共有六种记录类型:当前状态记录(Current-State-Record)(Mode_Is_Include and Mode_Is_Exclude)、过滤模式改变记录(Filter-Mode-Change-Record)(Change_To_Include_Mode and Change_To_Exclude_Mode)、源列表改变记录(Source-List-Change-Record)(Allow_New_Sources and Block_Old_Sources)

    • 辅助数据长度:8位字段,定义了每个组记录中包含的辅助数据的长度

    • 源数量(N):16位字段,定义了依附在这个报告上的32位源多播地址的数量

    • 源地址:32位字段,一共列出了N个源地址

    • 辅助数据:包含的是任何需要被包含在这个报告报文中的辅助数据

    在主机上应用的IGMP协议

    套接字状态:一个进程和一个套接字关联,套接字希望从哪个多播组接收多播报文,该进程都有一个记录。这个记录有两个模式:include模式或exclude模式

    接口状态:组管理要求将主机连接到网络的接口也要保存一个接口状态。合并源列表时需要遵守以下两个规则:

    • 1、如果被合并的记录之中有某个记录具有exclude过滤模式,那么结果得到的接口记录也将具有exclude过滤模式,且源地址列表的生成方法如下:

      • a、对用exclude过滤的所有地址列表进行交集操作

      • b、把a 部分得出的结果与用include过滤的所有地址列表差集操作

    • 2、如果被合并的所有记录都是include过滤模式,那么结果得到的接口记录也是include过滤模式,且新的源地址列表就是对所有地址列表的并集操作

    注:当任何一个套接字记录发生变化时,接口状态就要采用上述规则进行修改

    发送改变状态的报告:不管接口状态有任何变化,主机都需要立即用相应的组记录为多播组发送一个成员关系报告报文,根据旧的状态过滤器和新的状态过滤器的组合,可能产生四种不同的变化。

    接收查询报告

    计时器到期

    报告抑制

    IGMP协议应用于路由器

    查询者的状态:多播路由器需要维持与每一个网络接口关联的每一个多播组的状态信息

    收到成员关系报告后采取的动作

    • 收到的报告是对一般的的查询的响应(四种不同的情况)

    • 收到对方报告是对其他查询的响应(八种不同的情况)

    IGMP在转发中的作用

    IGMP的作用只是通过收集各种信息来帮助连接网络的路由器,使之能够为来自特定源并且以某个多播组为终点的分组做出转发或不转发的决定。在前面两个版本的IGMP中,转发建议仅仅依据分组的多播目的地址,而在IGMPv3中,这个转发决定要依据目的地址和源地址。

    变量和计时器

    最大响应时间:在响应一个查询而发送报告报文 之前所允许的最大时间

    查询者的健壮性变量(QRV):IGMP监视网络中的分组的丢失情况(通过测量接收到的报告的时延),并调整QRV的值。这个变量的值指明了一个查询的响应报文应当被发送的多少次。

    查询者的查询间隔:这是发送一般的查询之间的时间间隔,默认值是125。这个默认值可被管理员修改,以控制网络通信质量。

    其他变量和计时器:RFC3376定义了其他几个变量和计时器

    封装

    IGMP报文封装在IP数据报中,其协议字段的值设置为2,TTL字段置1。不过这个数据报的目的IP地址取决于这个报文的类型。

    多播路由选择

    最佳域间路由选择过程最终的结果就是找出一个最短路径树(shortest path tree)。这个数的树根就是源点,而树叶是所有可能的终点。

    最佳路由选择:最短路径树

    • 单播路由选择

    在单播的情况下,当路由器收到一个分组要转发时,它需要找出到达这个分组终点的最短路径。路由器从路由表中找出到达这个特定终点的信息。

    在单播路由选择的情况下,域中的每个路由器都有一张定义了到达可能终点的最短路径的路由表。

    • 多播路由选择

    在多播路由选择下,每一个相关的路由器需要对每一个组构建一个最短路径树

    • 源点基准树(source-based tree)

    每一个路由器需要对每一个组有一个最短路径树,对一个组的最短路径树定义了到每一个网络(在这个网络中有该组的忠实成员)的下一跳。

    在使用源点基准树的方法,每个路由器需要对每个组都有一个最短路径树

    • 组共享树(group-shared tree)

    在使用组共享树的是方法时,不是每个路由器都需要有m个最短路径树,而是只有一个称为中心核心路由器或汇集路由器的特定路由器负责多播通信量的传播。核心路由器在其路由表中有m个最短路径树。域中的其他路由器则一个都没有。

    使用组共享树的方法,只有拥有每个组的最短路径树的核心路由器才能涉及到多播。

    路由选择协议

    在这里插入图片描述

    多播链路状态路由选择:MOSPF

    • 多播链路状态路由选择

    **多播链路状态路由选择时单播链路状态路由选择的直接扩展,使用的是源点基准树的方法。**当一个路由器收到所有这些LSP时,它就生成了n个(n是组的数目)拓扑,根据这些拓扑,使用Dijkstra算法就可以得出n个最短路径树。因此,每一个路由器的路由表显示出和组数一样多的最短路径树。

    • MOSPF

    多播开放最短通路优先(Multicast Open Shortest Path
    First,MOSPF)协议是OSPF协议的扩展,使用多播链路状态路由选择来创建源点基准树。这个协议需要一个新的链路状态更新分组,把主机的单播地址和组地址或主机负责的地址联系起来,这个分组就称为组成员关系LSA。此外,这个数可以保存在高速缓存中,以便以后有同样源点/组地址对的分组可以使用它。MOSPF是数据驱动(data-driven)的协议。

    多播距离向量路由选择

    多播距离向量路由选择

    多播路由选择不允许一个路由器吧自己的路由表发送给邻站。其思想是要使用单播距离向量路由表中的信息从零开始创建一个路由表。多播距离向量路由选择使用源点基准树,但路由器从来没有真正的构造一个路由表。当路由器收到一个多播分组时,它就转发这个分组,好像查找了路由表一样。多播距离向量算法要使用基于四种判决策略的处理过程。

    • 洪泛(flooding)

    一个路由器收到了一个分组,不管这个分组的目的地址,把它从所有的接口(除了这个分组的接口之外)转发出去。洪泛完成了多播的首要任务,即每一个具有活跃成员的网络都能收到这个分组。

    洪泛对分组进行广播,但在系统中产生了环路

    • 反向路径转发(reverse path forwarding,RPF)

    RPF是修正后的洪泛策略,为了防止环路,仅有一个副本被转发,其他所有副本都被丢弃。在使用RPF时,路由器仅转发从源点到这个路由器走的是最短路径的副本。

    RPF消除了洪泛过程中的环路

    • 反向路径广播(reverse path broadcasting,RPB)

    **对每个网络只定义一个父路由器,必须做出这样的限制:一个网络只能从一个特定的父路由器那里接收来自特定源点的多播分组。**对每一个源点,路由器只能从这样的接口向外发送分组。RPB保证分组能够到达每一个网络,且每个网络值收到分组的一个副本。

    RPB创建了从源点到达每一个终点的最短路径广播数。它保证每一个终点都收到且仅收到分组的一个副本。

    • 反向路径多播(reverse path multicasting,RPM)

    多播分组必须只到达用有特定组的活跃成员的网络,要把广播转变为多播,协议使用了剪枝嫁接这两个过程。

    • 剪枝

    这个路由器为上游路由器发送剪枝报文(prune message)。使之剪枝相应的接口。

    • 嫁接

    已经发送剪枝报文,突然通过IGMP发现它的某个网络又对该多播报文感兴趣,可以发送嫁接报文(graft message)。嫁接报文强迫上游路由器恢复发送多播报文

    RPM给RPB增加了剪枝和嫁接,以产生可支持动态成员关系变化的多播最短路径树

    DVMRP

    距离向量多播路由选择协议(Distance Vector Multicast Routing Protocol,DVMRP)是距离向量路由选择的一个实现。它时一个基于RIP的源点基准路由选择协议

    CBT

    核心基干树(Core-Based Tree,CBT)协议是一个组共享协议,使用一个核心作为树的根。自治系统划分许多区,而每一个区选择一个核心(中心路由器或汇集路由器)

    • 树的形成

    CBT的树是从树叶向下构造的,开始并没有树,而是使用加入(嫁接)的方法逐渐地构造出这个树

    • 发送多播分组

    任何一个源点(属于或不属于这个组的)都可以向这个组的所有成员发送多播分组。它只是简单地用汇集路由器的单播地址把分组发送给该汇集路由器,然后汇集路由器再把这个分组分发给所有的组成员。

    • 选择汇集路由器

    小结:

    • 1、源点可以是也可以不是树的一部分,它把多播分组封装在一个单播分组中,利用核心路由器的单播目的地址,把这个分组发送给核心路由器。

    • 2、核心路由器吧这个多播分组拆封,然后将其转发给所有“感兴趣”的接口

    • 3、收到多播分组的每一个路由器接着再把它转发到所有“感兴趣”的接口

    在使用CBT时,源点把多播分组(封装成单播分组)发送给核心路由器,核心路由器把这分组拆封,再转发给所有感兴趣的接口

    PIM

    协议无关多播(Protocol Independent Multicast,PIM)是给两个独立的多播路由选择协议协议无关多播-密集方式(Dense Mode,PIM-DM)协议无关多播-稀疏方式(Sparse Mode,PIM-SM)的统一名称。

    • PIM-DM

    PIM-DM用在密集多播情况下,是一种源点基准树路由选择协议,使用RPF和剪枝/嫁接策略来进行多播。但是它不依赖于底层的单播协议

    • PIM-SM

    PIM-SM用于稀疏多播环境下,是一种组共享树路由选择协议,有一个汇集点(RP)作为树的源点。操作与CBT相似,但使用了更加简单的过程。

    MBONE

    利用隧道技术的概念用这些孤立的路由器构造出一个多播主干网(multicast backbone,MBONE)

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  • 适用于视频会议与在线聊天室的CSM(Conference Steiner Multicast)协议,在支持移动主机时存在多播树切换频率过高,网络开销过大的问题。运用Range(服务范围)的概念,结合Mobile IP隧道技术,提出了一种改进的CSM协议――...
  • 单播路由及组播路由协议及就用

    千次阅读 2014-11-12 16:30:17
    单播路由及组播路由协议及就用  分类: 系统运维 单播路由概述 单播路由概述 http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/cc786079(WS.10).aspx 单播路由是通过路由器将到...
     
    

    分类: 系统运维

    单播路由概述

    单播路由概述


    单播路由是通过路由器将到网际网络上某一位置的通信从源主机转发到目标主机。网际网络至少有两个通过路由器连接的网络。路由器是网络层中介系统,用于根据公用网络层协议(如 TCP/IP)将多个网络连接在一起。网络是通过路由器连接,并与称为网络地址或网络 ID 的同一网络层地址相关联的联网基础结构(包括中继器、集线器和桥/ 2 层交换机)的一部分。

    典型的路由器是通过 LAN 或 WAN 媒体连接到两个或多个网络。网络上的计算机通过将数据包转发到路由器,可以将数据包发送到其他网络上的计算机。路由器将检查数据包,并使用数据包报头内的目标网络地址来决定转发数据包所使用的接口。通过路由协议(OSPF、RIP 等),路由器可以从相邻的路由器获得网络信息(如网络地址),然后将该信息传播给其他网络上的路由器,从而使所有网络上的所有计算机之间都连接起来。

    运行“路由和远程访问”的服务器可以路由 IP 和 AppleTalk 通信。

    IP 路由

    IP 网络协议是一组称为“传输控制协议/Internet 协议 (TCP/IP)”的 Internet 协议的一部分。IP 用来通过任意一组互相连接的 IP 网络进行通讯。IP 路由器可以是静态路由器(由管理员建立路由,而且只能由管理员进行更改),也可以是动态路由器(通过路由协议来动态地更新路由)。

    IP 路由就是通过 IP 路由器将 IP 通信从源主机转发到目标主机。在每个路由器上,通过将数据包中的目标 IP 地址与路由选择表中的最佳路由进行匹配来确定下一个跃点。

    “路由和远程访问”包括对两个 IP 单播路由协议的支持:

    • 用于 IP 的路由信息协议 (RIP)

    • 开放式最短路径优先 (OSPF) This feature is not available on the Itanium-based versions of the Windows operating systems. This content is not available in this preliminary release. 

    “路由和远程访问”不限于仅支持 RIP-for-IP 和 OSPF。运行“路由和远程访问”的服务器是一个可扩展的平台;其他供应商可以创建其他的 IP 路由协议,如“内部网关路由协议 (IGRP)”和“边界网关协议 (BGP)”。

    有关 Windows 2000 路由器支持的 IP 单播路由协议的详细信息,请参阅 RIP-for-IP 和 OSPF

    AppleTalk 路由

    AppleTalk 主要用于 Apple Macintosh 环境中。

    “路由和远程访问”包括对“路由表维护协议 (RTMP)”路由协议的支持。

    组播路由协议及其应用

    社会已经进入信息时代,网络技术在飞速发展。由于视频会议、推送技术、大规模协作计算、为用户群进行软件升级、用于培训和企业报告的共享白板式的多媒体应用、网络代理、镜像和高速缓存站点等等应用,都依赖于从一个主机向多个主机或者从多个主机向多个主机发送同一信息的能力,而在Internet上分发的数目可能达数十万台,这些都需要更高的带宽,并且大大超出了单播的能力。一种能最大限度地利用现有带宽的有力武器是IP组播技术,这项技术已获得了包括AT&T、HP、IBM、Intel、Microsoft、Cisco和3Com等业界有影响的众多厂商的支持。

    一、单播与广播

            传统的点对点单播通信,在发送方和每一接收方需要单独的数据通道。在这种通信方式下,源IP主机向指定的目标IP主机发送信息包。IP信息包中的目标地址就是IP网络中惟一的主机地址。从一台主机送出的每个数据包只能传送给一个目标主机,通过路由器或交换机将这些IP信息包从源主机发送到目标主机。在源主机和目标主机之间的路径上的每一个路由器都维护由单播路由协议生成的单播路由信息库,并根据数据包中的IP目标地址在单播路由信息库中查找单播包转发路径。这种传送方式称为单播。 
    在单播方式下,如果有另外的多个用户希望同时获得这个数据包的拷贝是不可能的。发送信息的主机必须向每个希望接收此数据包的用户发送一份单独的数据包拷贝。这种巨大的冗余会带来很大的代价,首先,会给发送数据的源主机带来沉重的负担,因为它必须对每个要求都做出响应,这使得负担过于沉重主机的响应会大大延长。其次对路由器和交换机的性能也提出了更高的要求,管理人员被迫购买本来不必要的硬件和带宽来保证一定的服务质量。 
            在IP通信另一个领域是IP广播,在这里,源主机向一个网段中的所有IP主机发送IP信息包。IP广播包的目标地址的主机部分被设置成全“1”,网络部分设置成当前子网地址。在一些例子中,主机部分设置为全“0”,但是这种形式的IP广播地址通常不再使用。 
    IP网络的主机(包括路由器)都能识别以IP广播地址作为目标地址的信息包,一个子网中的所有IP主机都接收地址为本子网的广播地址的信息包。除非特别配置,路由器一般不会转发IP广播信息包,这样,IP广播通信通常被限制在本地的子网内。而如果路由器转送这些广播,那么,路由回环将很可能引起一场严重的广播风暴。而且广播的主要的缺点就是每个广播都要发送数据至所有机器,消耗了所有机器上的资源,即使数据要被网络中大多数机器所丢弃。

    二、组播化解矛盾

            解决上述这些IP单播和IP广播问题的办法是构建一种具有组播能力的网络,允许路由器一次将数据包复制到多个通道上。采用组播方式,单台服务器能够对几十万台主机机同时发送连续数据流而无延时。组播发送方只要发送一个信息包而不是很多个,所有目的地同时收到同一信息包,更及时,更同步,可以把信息发送到任意不知名目的地,能减少网络上传输的信息包的总量。网络成本变得相当低廉,可达到从未有过的传送能力。 
            IP组播通信介于IP单播和IP广播通信之间,并且能使主机发送IP信息包到IP网络中任何一组特定的主机上。这些主机都具有一种特定的IP地址,称之为IP组播组地址。支持组播的路由器会转发IP组播信息包至所有具有该组播地址的主机的接口上。
            单播传送发送数据的多个拷贝,每个拷贝发送到一个接收者,主机轮流发送数据的拷贝,网络分别将它们转发至每个接收者,主机一次只能发送至一个接收者。而组播传送则只把发送数据的一个拷贝发送到多个接收者,主机发送数据的一个拷贝,可同时发送到多个接收者。网络在每个接收者的最后一个路由器或主机复制它,在一个给定的网络上每一个包只传送一次。

    三、IP组播技术简介

            组播首先要解决发送给谁的问题。按不同应用项目(如体育、文艺、娱乐或学习等)进行分组,组成员要向组播路由器通过IGMP协议进行注册登记,用户主机发出请示,提出具体组播地址。IP组播的地址采用D类IP地址确定组播的组。在Internet的“小数点”表示法中,组播地址范围是从224.0.0.0到234.255.255.255。为发送一份IP组播数据包,发送者要确定一个合适的组播地址,这个地址代表一个组。然后,组播数据通过普通的IP发送操作发送出去。 
            其次要解决的问题是如何接收组播信息,有时在同一网段中有多个组播组的成员。对于信息的发送方来说相当简单,但接收方却十分复杂。为了能够正确地接收感兴趣的组播信息数据包,主机上的应用首先要申请特定组播组的成员。这种申请通过Internet组管理协议(Internet Group Management Protocol,IGMP)传送到本网段上的路由器完成,如有必要,相关的信息还可能要传送到发送方的路由器,这取决于使用的组播路由协议。这一步完成,接收主机的网络接口卡开始侦听与新组播组地址相关的数据链路层组播地址。路由器把由发送方送来的组播数据包一跳一跳地发送到有接收者的网段上的路由器,局域网路由器根据组播信息包中的组地址转换出与它相关的数据链路层地址,并用这个地址建立数据链路层的报文。接收方的网络接口卡和网络驱动程序侦听这个地址,收到该组播包后,将IP层的组播数据包取出,传向上层TCP/IP协议堆栈,从而使数据适合用户的应用。 
            第三个问题是用户主机在注销对某个组的兴趣时如何通知组播路由器。如果接收方使用的是IGMPv2,会主动地通知路由器离开。但如果是IGMPv1主机,注销就不会通知路由器,这时服务器要在一定时间后向本网段发出查询,接收主机的应答,若无用户应答,路由器就认为不再有接收者,不会再向该网段上转发组播信息。 
            第四个问题是组播信息的转发,要根据所使用的组播路由协议建立组播转发树。根据该转发树进行组播信息的转发,当某个处于转发树中的路由器收到一个组播信息后,对要转发的组播包进行拷贝和转发。如果路由器为最后一跳,组播包就以广播的方式传送到该网段中各主机接收者。 
            对于IP组播的研究早在80年代就已经开始有许多组播路由协议已经投入使用。像PIM(Protocol Independent Muiticast)、MBGP(Muticast Border Gateway Protocol)以及DVMRP(Distance Vector Multicast Routing Protocol)等协议的应用都比较广泛,但是目前还没有一种可靠的组播协议已经具备了处理大范围的组分发、发送者要求的反馈或各种类型使用路由器应用的能力。

    四、IP组播的特点

            与单播应用相比,使用IP组播技术分发信息常常能从本质上减少整个网络带宽的需求,一个典型的例子就是音频与视频网。这些例子常常用来说明IP组播的优点,体现在以下几个方面。 
    1.带宽 
            对于音频与视频网来说,大量的用户经常要在大致相同的时间里访问相同的信息,如果使用IP单播,网络带宽的消耗就会呈线性增长。由于典型的MPEG-2视频信息流需要大约1Mbps~5Mbps的带宽用于流畅且逼真的影像,显然用IP组播来发送节目是一种明智的选择。因为重复数据流被单一传送所代替,从而使得网络带宽得到了更有效地使用。 
    2.服务器负载 
            如果音频与视频网的网络运营商继续使用单播传送机制,随着用户的增长,它将需要不断增加它的实时音频服务器的能力和数量以满足连接用户的增长。当服务器负载增加到一定程度,服务器就不能再发出信息流。如果运营商使用IP组播来发布它们的节目,那么就不需要购买越来越多高性能的服务器以满足客户数目的增长。很明显IP组播提供的主要优势在于通过大大减少需要转发和处理的数据量,从而降低了所需服务器性能。 
    3.分布式应用 
            在IP单播的情况下,随着需求与应用的增长,多点应用不太可能,因为单播通信中的客户数量不能无限增长。而组播几乎不受客户数量增长的限制。 
            尽管在网络里使用IP组播会带来许多好处,但是像任何技术一样,这项技术也有其局限性和不尽如人意的地方,包括不可靠的信息包传送和组播信息包的复制。


    五、组播在企业中的应用

            通常人们想到IP组播就会想到视频会议和视频点播。尽管第一个使用的IP组播网络常常是视频网络,但视频只是许多IP组播应用之一。IP组播在其他领域应用的也很广泛。 
    1.多媒体应用 
            一些出色的IP组播多媒体应用程序已经被开发出来,允许通过IP组播实现多对多的音频或音频/视频会议。除音频与视频之外,还有一种基于Unix的白板工具,它允许用户共享公共的电子白板。
    2.数据分发 
            数据分发是IP组播应用的另一个领域。通过使用IP组播,公司可以采用“推”的模式进行文件和数据库更新。 这项技术允许公司每天夜里向他们的远程办公室发布新的信息,比如价格和产品信息。企业可使用软件通过卫星链路向所属分公司分发软件升级和数据更新消息。一次性向所有的分公司传送一种数据,而不是依次向每个分公司重发,节省了时间和通信费用。 
    3.实时数据组播 
            实时数据传送是使IP组播深受欢迎的又一应用领域。一个好的例子是将股票信息发送到交易大厅的工作站。 
    通过指定不同的财务分类(债券、运输、药品等等)给不同的组播组,交易员能使用他们的工作站来接收他们感兴趣的实时金融数据。 
            IP组播目前在该领域已获得了一定范围的商业应用。例如企业可在其企业网上使用组播向各个部门分发市场数据。这样做的优点是:如果使用单播系统出现故障时,数据被备份下来,而后当故障排除时,网络上的所有数据存储器开始重发它们备份的数据。这可能再度堵塞网络,从而可能使故障情况再次发生,造成网络停止运行一段时间,然后又再次备份数据。而如果采用组播,这些数据风暴就少多了,因为组播的第一次重发操作是很有效的。 
    4.游戏和仿真 
            IP组播非常适合于网络游戏或者仿真应用的使用。虽然很多的游戏和仿真支持联线的方式进行游戏,事实上所有这些应用使用单播,是点对点的连接。IP组播可用于有大量参与者的游戏和仿真。参与的计算机只需进入IP组播组就开始发送和接受游戏及仿真数据。 
            由于更多IP网络将变成组播网络,人们期望更多的游戏和仿真应用开发者把IP组播用于范围更大的仿真。不久的将来,成千上万的玩家通过Internet在游戏里同时战斗将不再是不可思议的事。

    六、组播设备

            要在网络上实现组播应用必须要有相应组播设备的支持。按照组播协议的分类在三层的组播协议主要有DVMRP、PIM和IGMP等,而在二层的组播协议主要用CGMP(Cisco Group Management Protocol)和IGMP监听。三层组播协议主要用于组播信息的转发,二层组播协议主要用于抑制局域网上多余的组播信息,在路由器以及多层交换机上一般实现三层的组播协议,而在不具备多层交换的交换机上一般只能实现二层组播协议。
            当前已经有大量通信设备制造商的设备支持组播路由协议,如Cisco系统公司的所有交换设备、3Com公司的交换机、Enterasys公司的交换式路由器、神州数码网络的路由交换机、华为公司的quidway系列路由交换机、中兴公司ZXR10核心路由器、迈普通信的路由交换机和网捷网络的第三层交换机等。如果需要在网络上实现组播功能,可以选用上述厂家的产品。 
            例如,Cisco系统公司的Catalyst 2948G-L3第三层交换机的所有端口支持线速IP组播。随着组播应用(例如Microsoft NetShow和NetMeeting)被更加广泛的实施,端到端组播支持变得越来越重要,其中组播路由协议是统一的端到端组播解决方案的有机组成部分。        Catalyst 2948G-L3支持PIM疏松和密集模式以及与DVMRP传统应用程序间的互操作性。Catalyst 2948G-L3提供对IGMPv1/2支持,为集成IP组播和Catalyst核心交换机,提供CGMP服务器功能。这些协议对IP组播客户机以及有效的处理必不可少,节约了带宽和客户端的CPU资源。
    虽然IP组播的概念很早就被提出,但是直到现在它的能力才被充分认识。目前组播技术应用的增长十分快速,而且这种趋势正在加快,但是IP组播仍然是一项新出现的技术,虽然组播具有很大的优点和长处,但是和所有新技术一样有其自身的局限性和一些问题,因此在组播领域还需要进行大量的工作。

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  • 与已有的MAODV组播路由协议以及应用于地面无线传感器网络的EMRS组播路由协议进行比较,在NS2上搭建OSWSNMP仿真环境,仿真结果表明,OSWSNMP较这两种协议在丢包率、网络延迟以及能量损耗方面有所改进。
  • 网络基础知识讲座十九:了解多播路由协议 播在历史上已不只一次成为时髦用语。IP播指的是一个发送者向个接收者发送数据,但只需发送一份数据副本。播对流媒体非常有用,所以我们来研究一下它的工作原理。 ...
     
    
    多播在历史上已不只一次成为时髦用语。IP多播指的是一个发送者向多个接收者发送数据,但只需发送一份数据副本。多播对流媒体非常有用,所以我们来研究一下它的工作原理。

      多播很象广播,多播数据被分配一些特定的地址。两者的区别在于,一些多播地址可以被路由,并使用在Internet上。IANA(Internet地址分配机构)为多播预留的地址空间是224.0.0.0/4,我们现在不再说“D类”地址了。224/4的地址范围是从224.0.0.0一直到239.255.255.255。

      多播比广播更具效率,因为广播数据包必须由本地链路上每台电脑接收,而每个操作系统都会生成一个中断,以便对收到的数据包进行检查,这个过程中通常会复制一些数据。而在多播时,网卡并不会接收这些数据包,除非它被告知需要接收。

      缺省情况下,启用了多播功能的网络接口卡(NIC)在引导时只会侦听224.0.0.1上的数据,这个地址被赋给了“该子网上的所有系统”。是的,这与广播非常相似,事实上很多人认为广播就是多播的一种特殊情况。

      通过设置网卡是否忽略多播内容,多播可以选择传送的目的对象,这是本地链路的工作方式,但Internet是怎样做的呢?如果有人想通过多播向非洲传送一个名人孩子出生的流数据,我们并不想让Internet上的每一台路由器都消耗带宽把它传送到每台电脑。除了通过设置本地NIC做出决策外,还有一些多播路由机制可以“修剪”某些子网。如果你的网络中没有人想看这些信息,那么就没有理由让它进入你的网络。

      那些对这一信息感兴趣的人可以运行一个特别的程序,该程序会依次告诉NIC去加入一个多播组。NIC利用Internet组管理协议(IGMP)提醒本地多播路由器,它想加入一个特定的组。不过这只能单向实现(只能接收多播数据)。如果有人想发送和接收多播的信息,那么IP层就需要更高的技巧。为了发送数据,IP协议会把一个IP地址映射到一个以太网地址上,并把它告诉网卡驱动程序,以便用另一个MAC(媒体访问控制)地址配置网卡。

      IGMP本身非常简单。它与ICMP(Internet控制消息协议)很相似,因为它也用到了IP层,只不过协议号码不同而已。IGMP协议头只包含4个内容:版本号、类型、校验和,以及要加入的组(即多播地址)。当数据包被发送出去的时候,多播路由器就知道了至少有一台主机有兴趣接收数据包,以获得一个特定的多播地址。现在这台路由器必须以某种方式和其它路由器进行多播路由,以便获得所需的数据。

      现在事情变得有趣了,今天我们要谈论几种多播路由机制:DVMRP和PIM。这里稍事停顿一下,你要知道即使到了现在,多播技术仍然尚未被广泛支持,这一点很重要。在过去只有一个mbone即多播主干网络的时候,人们通过IPIP(IP封装IP)隧道与之相连。Unix程序mrouted可以理解DVMRP和IGMP协议,而Internet路由器却不能。现在很多希望采用多播技术的客户仍在询问他们的ISP,为什么某些协议不起作用。

    DVMRP指的是距离向量多播路由协议,它采用IGMP子码13,并实现所谓的密集泛洪(Dense Flooding)。Dense Flooding很有效,但效率不高。一台路由器首先会向每个子网发送信息,然后去掉没有多播需求的子网。PIM( Protocol-Independent Multicast),即协议无关多播,不依赖于单播路由机制,它在密集模式下类似于DVMRP。PIM密集模式(dense mode)本质上和DVMRP一样,只不过PIM采用的是IP协议103。PIM可以实现分支的加入、修剪和嫁接。嫁接与修剪相反:它将一条分支重新嫁接回主干网络。

      密集模式多播路由会由向所有人发送数据,然后修剪掉部分分支。多播分布树总被用来代表一组路由器,当一束分支被修剪,路由器将最终可以除去越来越粗壮的分支。如果一个AS内没有边界路由器感兴趣的分支,它就会向上流路由器发送一条修剪信息,从而不再浪费带宽。

      稀疏模式(sparse mode)多播路由则采用集合点(Rendezvous Point,即RP)的思想。所有的加入信息都被发送到RP的单播地址上,因此这里显然需要懂一些优先的概念。PIM稀疏模式操作起来也更智能一些,它利用了共享树结构,但是假如一台路由器发现它与数据源更近,就会向上流路由器发送一条加入信息,以确保数据从最佳地址开始流动。随后新指定的路由器成为网络的数据源发布点。

      这一点确实不错,只是要注意一处小细节:Internet并不是垂直的树状结构。企业总是想做冗余的连接,所以自然而然形成了巨大的网络环路。多播技术中采用了反向路径转发(RPF)来确保不会产生环路,其基本概念是,检验多播数据包所到达的接口是否是距离发送者最短的单播路径。如果不是,那么数据包就可能并非来自发送者,此数据包就会被丢弃。而如果RPF检验成功,数据包就会被复制然后发送给多播组里的每一个人。

      多播路由协议还有很多种,如OSPF的MOSPF(多播开放最短路径优先协议),不过它只能用在一个自治域内;还有BGP的BGMP(边界网关多播协议),但也从未见它实际使用。许多协议并没有真正使用过,但人们总能产生诸多新鲜有趣的想法,希望使多播技术的广为传播能够成为现实。要知道分别观看来自一个网站的同一视频是多么丢脸的一件事啊,如果我们利用多播技术让路由器在需要的时候复制数据流就可以节省大量的带宽了。

      小结

      多播协议采用特殊的地址,从一个发送者向多个接收者发送数据,且只发送一份数据副本。

      主机或路由器可以通过IGMP告诉其它路由器它们有兴趣从而加入多播组。

      密集模式协议实现flood和修剪作用,而稀疏模式利用RP(反向路径)避免不必要的floodin 



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  • 播路由协议基础——组播分发树

    千次阅读 2020-04-19 17:02:25
    组播报文是由组源产生并且发向一组接收者的,组播报文一旦进入组网络后,组网络设备(例如组路由器等)负责拷贝及转发这些报文,直至报文到达组接收者。 组流量在组网络中传递时,应该要考虑如下问题: ...

    背景

    组播报文是由组播源产生并且发向一组接收者的,组播报文一旦进入组播网络后,组播网络设备(例如组播路由器等)负责拷贝及转发这些报文,直至报文到达组播接收者。

    组播流量在组播网络中传递时,应该要考虑如下问题:

    1. 组播路由器如何知道应该将组播报文转发到哪里(从设备的哪个或者哪些接口转发出去)?
    2. 组播报文在网络中的传输路径如何?
    3. 如何确保组播报文在转发的过程中不存在环路?

    解决方法

    通过在组播网络中部署组播路由协议可以解决上述问题。每一台组播路由器都维护一个非常重要的数据表,这个数据表便是组播路由表,组播路由表中包含的组播路由表项将用于指导组播报文转发。

    组播路由协议

    在组播路由器上部署组播路由协议,主要作用是确定上游接口、下游接口建立组播路由表项以及维护组播路由表项。

    上游接口

    • 在组播网络设备(比如组播路由器)上确定朝向组播源(或者RP)的接口,该接口也被称为上游接口(RPF接口,用于防环)。
    • 在每台组播路由器的每一个组播路由表项中,如果存在上游接口,那么上游接口只会有一个,只有在该接口上到达的组播流量才被视为合法的。
    • 组播流量永远不会从上游接口转发出去,因为这有可能在网络中造成环路。

    下游接口

    • 在每台组播路由器上确定朝向组播接收者的接口,该接口也被称为下游接口(确定组播流量的出口方向)。
    • 当组播流量在上游接口到达时,组播路由器负责将流量从下游接口转发出去。
    • 在一个组播路由表项中,下游接口列表中可能包含零个、一个或多个接口(零个下游接口表示组播流量不经过本设备到达组播接收者)。

    组播路由表项

    每一个组播路由表项都以一对二元组(组播源及组播组)进行标识,而且每一个组播路由表项都包含上游、下游接口信息。

    从宏观的层面看,组播路由协议的工作成果是在网络中构建一棵无环的“树”,组播流量沿着这棵无环树从上游向下游转发,最终到达接收者所在的网段,而网络中的每一台组播路由器,便是这棵树上的节点。

    组播分发树

    在一个组播网络中,组播路由协议最重要的工作之一就是为组播网络生成一棵无环的树,这棵树也是组播流量在网络中的传输路径,我们称
    之为组播分发树(Multicast Distribution Tree ),简称为组播树。常用的组播分发树有以下两种:SPT和RPT。

    SPT(Shortest-Path Tree,最短路径树)

    • SPT也被称为源树,因为是以组播源为树根的组播分发树,而组播组的接收者则可以看作是这棵树的树叶。
    • 组播流量从树根(源)出发,沿着枝干传播,最终到达树叶,也即接收者所在的终端网络,如下图所示,是一个组播分发树仅形象化的概念。
      在这里插入图片描述
    • 组播分发树体现到每一台组播路由器上其实就是组播路由表中的相关表项。每一台组播路由器都维护着组播路由表,该数据表用于指导组播流量转发。
    • 在组播网络中,组播路由表可能包含多个表项,每个表项都存在四个关键信息:组播源地址、组播组地址、上游接口以及下游接口
    • 对于SPT而言,使用的是((S, G)组播路由表项,每一个(S, G)表项在网络中都对应了一棵独立的SPT。

    示例

    以上图为例,当SPT建立完成后,我们就能在每台路由器上观察到(S,G)表项,

    1. 其中S为组播源的IP地址,如上图中的10.1.1.1,假设该组播源向组播组239.1.1.13发送组播流量,那么网络中组播路由器所维护的(S,G)表项就是(10.1.1.1,239.1.1.13)。
    2. 每台路由器的(10.1.1.1,239.1.1.13)表项都包含上游及下游接口信息,在SPT中,上游接口是设备朝向组播源的接口,
    3. 在R3的(10.1.1.1, 239.1.1.13)表项中,上游接口是其连接R1的接口,而下游接口有三个,分别是其连接R5,R6以及直连网段中存在组成员的那个接口。
    4. 当R3从上游接口收到10.1.1.1发往239.1.1.13的组播流量时,就会将这些流量按照(10.1.1.1,239.1.1.13)表项的指示,拷贝三份并分别从三个下游接口转发出去,因此可以形象的理解,这些组播流量沿着SPT转发了下去。

    优势

    对于SPT而言,组播流量从源到接收者的过程走的是最短路径,这也是该组播分发树被称为最短路径树的原因。

    局限性

    由于SPT使用的组播路由表项是(S,G)表项,这意味着每台组播路由器都必须为每个组播组中的不同组播源创建单独的(S,G)表项,在一个大型的组播网络中,当存在大量的组播源及组播组时,路由器的内存空间将被臃肿的组播路由表占据,进而导致性能下降。

    组播路由表项类型

    • 组播路由表项分为两种类型:(S,G)和(*,G)。
    • 其中S表示具体的某个组播源IP地址,G表示具体的某个组播组IP地址,而*则表示任意的组播源。

    RPT( Rendezvous Point Tree,共享树)

    • RPT与SPT不同,它不以组播源为树根,而是以RP (Rendezvous Point)为根。
    • RP可理解为一个汇聚点的概念,在一个典型的组播网络中,通常是一台性能较好的网络设备。
    • 多个组播组可以共用一个RP,期望接收组播流量的路由器(下接组播接收终端)通过组播路由协议在自己与RP之间建立一段RPT的分支。组播流量首先需要从源发送到RP,然后再由RP将组播流量分发下来,组播流量顺着RPT最终到达各个接收者所在的终端网络,如下图所示。
      在这里插入图片描述

    示例

    1. 在上图中,组播源Source与RP之间建立了SPT,Source通过这棵SPT将组播流量发送到RP,
    2. 然后RP再将组播流量沿着RPT转发到组播接收者。
    3. RPT主要使用的是(*,G)组播路由表项(也使用(S,G)表项)。

    优势

    对于RPT而言,路由器对于每个组播组仅需维护一个(*,G)组播路由表项,无论有多少个组播源在向该组播组发送组播流量。

    局限性(次优路径问题)

    由于在网络中指定了RP,组播流量需要先从源发往RP,再由RP沿着组播树分发下来,这就势必存在这样一种情况:对于某些接收者而言,组播流量传输的路径可能并不是最优路径。

    如上图所示,组播流量从Source转发到RP,再由RP转发到R2,显然对于R2而言这条路径并非最优。

    组播路由协议也有相应的机制(RPT切换到SPT机制)来规避这种次优路径问题。

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