IP多播概述

ID:107189 · 發表于 2016-3-5 23:35

除了單播和廣播支持，IP（第4版）還提供一種發送和接收IP多播流量的機制。IP多播流量發送到單個目標IP地址，但是由多個IP主機接收和處理，而不管這些主機在IP互聯網絡上所處的位置。一個主機偵聽一個特定的IP多播地址，并接收發送到該IP地址的所有數據包。
對于一對多的數據傳輸，IP多播要比IP單播和廣播更為高效。與單播不同，多播僅發送數據的一個副本。與廣播不同，多播流量僅由正在偵聽它的計算機進行接收和處理。
IP多播的附加元素如下：

?	偵聽特定IP多播地址的那一組主機稱為一個主機組。
?	主機組的成員關系是動態的，主機可以在任何時候加入或離開該組。
?	主機組的成員數量沒有限制。
?	主機組可以跨越多個網段。這種配置需要IP路由器上的IP多播支持，并要求主機能夠將它們對接收多播流量的意愿注冊到該路由器。主機注冊是使用“Internet組管理協議（Internet Group Management Protocol，IGMP）”來完成的。
?	主機可以向不屬于對應的主機組的某個IP多播地址發送流量。

IP多播地址（也稱為組地址）在224.0.0.0到239.255.255.255的D類地址范圍內，這是通過將前四個高序位設置為1110來定義的。在網絡前綴或無類別域間路由（Classless Inter-Domain Routing，CIDR）表示法中，IP多播地址縮寫為224.0.0.0/4。從224.0.0.0到224.0.0.255 (224.0.0.0/24)范圍的多播地址保留用于本地子網，而IP報頭中的生存時間（Time to Live，TTL）可忽略，它們都不會被IP路由器轉發。下面是保留IP多播地址的一些例子：

?	224.0.0.1 - 該子網上的所有主機。
?	224.0.0.2 - 該子網上的所有路由器。
?	224.0.0.5 - 開放最短路徑優先（Open Shortest Path First，OSPF）算法第2版，設計用于到達某個網絡上的所有OSPF路由器。
?	224.0.0.6 - 開放最短路徑優先算法第2版，設計用于到達某個網絡上的所有OSPF指定的路由器。
?	224.0.0.9 - 路由信息協議（Routing Information Protocol，RIP）第2版。
?	224.0.1.1 - 網絡時間協議（Network Time Protocol）。

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將IP多播映射到MAC層多播為了支持IP多播，Internet權威機構把01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF范圍的多播地址保留用于以太網和光纖分布式數據接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）媒體訪問控制（MAC）地址。為了將一個IP多播地址映射到一個MAC層多播地址，IP多播地址的23個低序位被直接映射到MAC層多播地址23個低序位。根據D類地址約定，IP多播地址的前4位是固定的，IP多播地址中有5位沒有映射到MAC層多播地址。因此，某個主機可以接收不是它所屬的組的MAC層多播數據包。然而，一旦確定了目標IP地址，這些數據包就會被IP丟棄。
例如，多播地址224.192.16.1將變成01-00-5E-40-10-01。為了使用那23個低序位，第一個八位組將不會被使用，第二個八位組中僅有最后7位被使用。第三個和第四個八位組將直接轉換為十六進制數字。對于第二個八位組，192的二進制表示11000000。如果丟棄高序位，它將變成1000000或64（十進制）或0x40（十六進制）。對于下一個八位組，16的十六進制表示0x10。對于最后一個八位組，1的十六進制表示0x01。因此，對應于224.192.16.1的MAC地址將變成01-00-5E-40-10-01。
令牌環網使用同樣的方法進行MAC層多播尋址。然而，許多令牌環網絡適配器并不支持它。因此在默認情況下，功能地址0xC0-00-00-04-00-00將用于通過令牌環網發送的所有IP多播流量。有關令牌環網對IP多播的支持的更多信息，請參見RFC 1469。

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支持IP多播的Intranet在支持IP多播的intranet（企業內聯網）中，任何主機都能夠向任何組地址發送IP多播流量，并且任何主機都能夠接收來自任何組地址的IP多播流量，而它們的位置可忽略。為了促進這個功能，intranet的主機和路由器都必須支持IP多播。
主機的IP多播支持
為了使主機能夠發送IP多播包，它必須：

?	確定要使用的IP多播地址。該IP多播地址可由應用程序硬編碼，或者通過一種分配唯一多播地址的機制來獲得。
?	將IP多播數據包放到媒體上。發送主機必須構造一個包含預期目標IP多播地址的IP數據包，并將它放到媒介上。對于諸如以太網、FDDI和令牌環網這樣的共享訪問技術，目標MAC地址是根據先前描述的IP多播地址來創建的。

為了使主機能夠接收IP多播數據包，其必須：

?	通知IP接收多播流量。為了確定要使用的IP多播地址，應用程序必須首先確定是創建一個新的主機組，還是使用某個現有的主機組。為了加入某個現有的組，應用程序可以使用硬編碼的多播地址，或使用從某個統一資源定位符（URL）派生而來的地址。在確定組地址之后，應用程序必須通知IP在某個指定的目標IP多播地址接收多播流量。例如，應用程序可以使用Windows Socket（Windows套接字）函數來通知IP關于所加入的多播組的情況。如果多個應用程序使用相同的IP地址，那么IP必須向每個應用程序傳遞多播數據包的一個副本。當應用程序加入或離開某個主機組時，IP必須跟蹤哪個應用程序在使用哪個多播地址。此外，對于多宿主主機，IP必須跟蹤每個子網的主機組的應用程序成員關系。
?	將多播MAC地址注冊到網絡適配器。如果所使用的網絡技術支持基于硬件的多播，那么網絡適配器會被告知將數據包傳遞給特定的多播地址。對于諸如以太網、FDDI和令牌環網這樣的共享訪問技術，Windows 2000 NdisRequest函數可用于通知網絡適配器響應對應于某個IP多播地址的多播MAC地址。
?	通知本地路由器。主機必須通知本地子網路由器關于它正在偵聽某個特定組地址的多播流量的情況。注冊主機組信息的協議是“Internet組管理協議”。目前使用的IGMP有兩個版本：IGMP第1版（IGMP v1）和IGMP第2版（IGMP v2）。Windows 2000和Windows XP TCP/IP支持IGMP v2。主機通過發送“IGMP主機成員關系報告”消息，在某個特定的主機組中注冊成員關系。

路由器的IP多播支持
為了僅向那些存在組成員的子網轉發IP包，IP多播路由器必須能夠：

?	接收所有IP多播流量。
?	轉發IP多播流量。
?	接收和處理“IGMP主機成員關系報告”消息。
?	查詢連接的子網以了解主機成員關系狀態。
?	將組成員關系傳達給其他IP多播路由器。

接收所有IP多播流量
對于共享訪問技術，比如以太網和FDDI，通常的網絡適配器偵聽模式是單播偵聽模式。偵聽模式是網絡適配器分析傳入幀的目標MAC地址，以決定是否進一步處理它們的方式。在單播偵聽模式下，唯一被認為需要進一步處理的幀在網絡適配上的一個感興趣的目標MAC地址表中。通常，唯一感興趣的地址是適配器的廣播地址（0xFF-FF-FF-FF-FF-FF）和單播地址，也稱為MAC地址。
然而，為了使IP多播路由器能夠接收所有IP多播流量，它必須將網絡適配器置于一種稱為混雜模式（promiscuous mode）的特殊偵聽模式。多播混雜模式分析電子和電氣工程師協會（IEEE）定義的Individual/Group（單獨的/組，I/G）位，以確定該幀是否需要進一步的處理。以太網和FDDI地址的I/G位是目標MAC地址的第一個字節的最后一位。
I/G位的值如下：

?	如果設置為0，那么該地址為單播（或單獨的）地址。
?	如果設置為1，那么該地址為多播（或組）地址。廣播地址也會設置多播位。

當把網絡適配器置于多播混雜偵聽模式時，多播位設置為1的所有幀都會上傳以作進一步的處理。
多播混雜模式不同于混雜模式。在混雜模式下，所有幀（不管目標MAC地址如何）都會上傳以作進一步的處理。混雜模式由協議分析器（也稱為網絡探測器）應用，比如作為Microsoft Systems Management Server組成部分的完整版本的Microsoft Network Monitor（Microsoft網絡監視器）。主機的網絡適配器通常不會置于多播混雜模式。
轉發IP多播流量
轉發IP多播數據包的能力是TCP/IP協議的一個功能，Windows 2000所采用的TCP/IP包括了這個功能。當啟用多播轉發（通過“路由和遠程訪問”服務）時，非本地子網IP多播數據包將接受分析以確定該數據包是通過哪個接口轉發的。分析是通過將源地址和目標組地址與IP多播轉發表中的條目作比較來完成的。當接收到一個非本地IP多播數據包時，IP報頭中的生存時間（TTL）將減去1。如果TTL在減去1之后仍大于0，則檢查多播轉發表。如果在多播轉發表中找到一個與目標IP多播地址匹配的條目，該IP多播包將使用新的TTL通過適當的接口轉發。
多播轉發過程不區分本地連接的子網上正在接收多播流量的主機，或者跨越該子網上另一個路由器的本地連接的子網下游網段上的主機。換句話說，多播路由器可以轉發其上沒有主機在偵聽的子網上的多播數據包。這樣的多播數據包被轉發是因為，該子網上的另一個路由器指出了在它的方向上有一個主機正在接收多播流量。
多播轉發表沒有記錄每個主機組成員或主機組成員的數量；這只是因為一個特定的主地址至少有一個主機組成員。
接收和處理“IGMP主機成員關系報告”消息
多播路由器從所有本地連接的子網上的所有主機接收“IGMP主機成員關系報告”消息。這個信息用于跟蹤主機組成員關系，也就是在多播轉發表中放入條目。由于所有多播路由器都在以多播混雜模式偵聽，它們將接收發送到任何組地址的“IGMP主機成員關系報告”消息。
為了改進離開延遲（某個子網上的最后一臺主機離開該組和再沒有多播流量被轉發到該子網間的時間），可能是某個子網上的某個組的最后一個成員的主機將發送一條“IGMP離開組”消息。在通過“IGMP離開組”消息向該組發送特定于多播地址的IGMP查詢之后，路由器就能夠確定該子網上不再有組成員。
查詢連接的子網以了解主機成員關系狀態
在某個特定的子網上，可能存在IGMP v1和IGMP v2主機的混合。當IGMP v1主機停止接收某個特定組地址的IP多播流量（即這個主機離開該組）時，它不會發送“IGMP離開組”消息來通知本地路由器。結果，這個主機可能離開該組；如果它是這個子網的最后一個成員，那么本地路由器將繼續向該子網轉發這個組的多播流量。
為彌補IGMP v1主機報告功能的缺乏并避免可能丟失“IGMP主機成員關系報告和離開組”消息，多播路由器定期地向本地子網發送“IGMP主機成員關系”查詢，以獲得主機成員關系信息。仍然是某個多播組成員的主機將使用一條“IGMP主機成員關系報告”消息來響應該查詢。為了防止某個特定子網上的多個主機發送相同組的“IGMP主機成員關系報告”消息，主機使用一個隨機響應定時器來推遲“IGMP主機成員關系報告”消息的傳輸。如果這條消息是該子網上的另一個主機在響應定時器過期之前發送的，則不會發送消息。
對于Windows 2000 Server“路由和遠程訪問服務”，接收和處理“IGMP主機成員關系報告”消息以及查詢連接的子網以獲得主機成員關系狀態的能力，是通過添加路由協議組件并在一個接口上啟用IGMP路由器模式來提供的。
將組成員關系傳達給其他IP多播路由器
為了創建支持多播的包含多個路由器的IP互聯網絡，多播路由器必須相互傳達組成員關系信息，以便組成員能夠接收IP多播流量，而可以忽略它們在該IP互聯網絡上的位置。
多播路由器使用某種多播路由協議交換主機成員關系信息，比如距離矢量多播路由協議（Distance Vector Multicast Routing Protocol，DVMRP）、多播開放最短路徑優先（MOSPF）或者協議無關多播（PIM）。組成員關系信息要么顯性地傳遞，即交換組地址和子網信息；要么隱性地傳遞，即通知上游路由器關于多播流量來源的下游是否存在組成員的情況。
多播路由協議的目標包括如下：

?	從源轉發出流量以防止循環。
?	最小化或消除發送到不需要該流量的子網的多播流量。
?	最小化路由器上的CPU和內存負載以實現可伸縮性。
?	最小化路由協議的開銷。
?	最小化加入延時，即某個子網上的第一個主機成員開始接收組流量所花的時間。

多播路由要比單播路由更加復雜。對于單播路由，單播流量被轉發到一個全局唯一的目的地。單播路線總結了全局唯一目的地的范圍。網絡中的單播路線是相當穩定的，僅在IP互聯網絡的拓撲結構發生變化時才需要更新。
對于多播路由，多播流量被轉發到某個不明確的組目的地。組地址表示單獨的組，并且一般不能在多播轉發表中總結出來。組成員的位置是不穩定的，每當一個主機成員加入或離開某個主機組，多播路由器的多播轉發表就可能需要更新。
正如單播路由協議更新單播IP路由表一樣，多播路由協議將更新IP多播轉發表。 Windows 2000 Server“路由和遠程訪問”服務沒有包括任何多播路由協議，盡管它提供了一個可以運行第三方協議的平臺。 Windows 2000 Server所提供的能夠更新多播轉發表中的條目的唯一組件是IGMP路由協議組件。

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