tcpip协议原理chapter 14 ip组播

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第14章IP组播计算机科学学院梁晓Email:xiaoliang.edu@gmail.comTel:13540013002 单播、广播与组播单播组播广播 实现点对多点通信的两种途径(1)多个单播：发送者对每个接收者都采用一条单播传输；共有90个主机接收视频节目R1R3R4R2视频服务器M………30个30个90个30个30个30个30个 实现点对多点通信的两种途径(2)组播发送主机仅发送一个包；一旦该包需要转发，路由器才进行复制；组播组成员共有90个R1R3R4R2视频服务器M组播1个组播1个………1个1个1个组播1个1个发送1次组播复制 IPMulticast–HowDoesitWork?Thesender(source)sendsonecopyofasinglepacketaddressedtoagroupofreceivers-multicastgroupMulticastroutersreplicateandforwardthepackettoallthebrancheswherereceivers(may)existReceiversexpress（表达了）theirinterestinmulticasttrafficbysendingcontrolmessagestorouters WhyMulticast?moreandmoremultimediacommunicationapplicationandservicehaveemergedinInternetthatalltherecipientswantthesametypeofdataEx.DigitalTV,DigitalRadio,VideoConferenceConsumemuchmorebandwidththanusualapplicationRequirehighQoSsupportBelongtoone-to-manycommunicationstyle EnhancedEfficiencyOptimizedPerformanceDistributedApplicationsExample:AudioStreamingAllclientslisteningtothesame8-Kbpsaudio00.20.40.60.8TrafficMbps120406080100NumberofClientsMulticastUnicastMulticastAdvantages 组播应用一对多定时的媒体播放，“推送”服务（股票价格，天气预报）；多对多网络游戏，视频会议有反馈的多对一资源发现，数据收集 IPMulticastApplicationsCorporateBroadcastsDistanceLearningTrainingVideoConferencingWhiteboard/CollaborationMulticastFileTransferDataandFileReplicationReal-TimeDataDelivery—FinancialVideo-On-DemandLiveTVandRadioBroadcasttotheDesktop 组播通信的几个问题如何标识组播通信的接收方？如何确定和维护组成员关系？如何为发送给这些接收者的数据报寻址？IP组播编址机制组成员关系协议组播路由协议组播体系结构 组播组和组播地址IP组播地址由D类IP地址标记。地址的最高四位为“1110”；范围224.0.0.0～239.255.255.255。D类IP地址又进行了划分。224.0.0.255238.255.255.255239.255.255.255224.0.0.0本地管理组播地址用户组播地址保留组播地址 组播组和组播地址从224.0.0.0至224.0.0.255的地址被IANA保留为网络协议使用，作为永久组的地址，其中比较重要的地址有：224.0.0.1－网段上所有支持组播的主机224.0.0.2－网段上所有支持组播的路由器224.0.0.4－所有DVMRP路由器224.0.0.5－所有OSPF路由器224.0.0.6－指定的OSPF路由器224.0.0.9－所有RIP2路由器224.0.0.10－所有IGRP路由器224.0.0.13－所有PIM路由器 D类IP地址与以太网多播地址的映射关系0000000000000001010111100111008162431D类IP地址这5位不使用48位以太网地址01005E表示多播最低23位来自D类IP地址 组播协议组成员关系协议主机-路由器之间；主要有IGMP，它负责建立并维护路由器直联网段的组成员关系信息。组播路由协议路由器-路由器之间；根据IGMP维护的这些组播组成员关系信息，运用一定的组播路由算法构造组播分布树进行组播分组转发，主要包括DVMRP、MOSPF、CBT、PIM-DM、PIM-SM等。 Internet组管理协议(IGMP)目前已使用的有3个版本：IGMPv1，v2和v3。它用于将局域网内主机的组成员关系报告给本网段内的组播路由器。 Internet组管理协议(IGMP)IGMP只工作在本地范围。128.56.24.34135.27.74.52130.12.14.56130.12.14.43组播组226.15.37.123IGMPIGMPIGMPIGMPR1R4R3R2 Internet组管理协议(IGMP) IGMP工作的两个阶段(1)当某个主机加入新的组播组时，该主机应向组播组的组播路由器发送IGMP报文，声明自己要成为该组的成员。本地的组播路由器收到IGMP报文后，将组成员关系转发给因特网上的其他组播路由器。 IGMP工作的两个阶段(2)因为组成员关系是动态的，因此本地组播路由器要周期性地探询本网上的主机，以便知道这些主机是否还继续是组成员。只要对某个组有一个主机响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的。但一个组在经过几次的探询后仍然没有一个主机响应，则不再将该组的成员关系转发给其他的组播路由器。 IGMP报文格式与类型报文格式报文类型：查询，成员报告，退出报告。 IGMP报文的封装IGMP报文封装在IP数据报中发送。IP报头：协议字段值=2TTL=1（因为IGMP只在本地工作）目的IP地址： H2Joiningmembersendsreportto224.1.1.1immediatelyuponjoining(sameasIGMPv1)H2224.1.1.1Report1.1.1.1H1H31.1.1.101.1.1.111.1.1.12rtr-aIGMPv2—JoiningaGroup RoutersendsperiodicqueriesOnememberpergrouppersubnetreportsOthermemberssuppressreportsQuery1.1.1.1IGMPv21.1.1.101.1.1.111.1.1.12224.1.1.1Report224.1.1.1SuppressedX224.1.1.1SuppressedXH1H2H3IGMPv2—MaintainingaGroup IGMPv21.1.1.11.1.1.2H1H2H31.1.1.101.1.1.111.1.1.12Initially,allrouterssendoutaqueryQueryQueryRouterwiththelowestIPaddressiselectedquerierIGMPQuerierOtherroutersbecomenon-queriersIGMPNon-Querierrtr-artr-bIGMPv2—QuerierElection H2leavesgroup;sendsLeavemessageLeaveto224.0.0.2224.1.1.1#1RoutersendsGroup-SpecificQueryGroup-SpecificQueryto224.1.1.1#2AremainingmemberhostsendsreportReportto224.1.1.1224.1.1.1#3GroupremainsactiveH11.1.1.101.1.1.1rtr-aH31.1.1.121.1.1.11H2H2IGMPv2—LeavingaGroup Lasthostleavesgroup;sendsLeavemessageLeaveto224.0.0.2224.1.1.1#1RoutersendsGroup-SpecificQueryGroup-SpecificQueryto224.1.1.1#2NoreportisreceivedGrouptimesoutH21.1.1.1rtr-aH11.1.1.101.1.1.121.1.1.11H3H3IGMPv2—LeavingaGroup 组播与单播在选路的不同组播转发必须动态地适应组播组成员的变化（这时网络拓扑并未发生变化）。请注意，单播路由选择通常是在网络拓扑发生变化时才需要更新路由。组播数据报可以由没有加入组播组的主机发出，也可以通过没有组成员接入的网络。组播路由器在转发组播数据报时，不能仅仅根据组播数据报中的目的地址。在转发时，组播路由器使用数据报的源地址和目的地址 MulticastForwardingMulticastroutingworkstheoppositewayofunicastroutingUnicastroutingisconcernedwithwherethepacketisgoingMulticastroutingisconcernedwithwherethepacketcomesfromMulticastroutingusesReversePathForwarding(反向路径转发)topreventforwardingloops ReversePathForwarding(RPF)WhatisRPF?Arouterforwardsamulticastdatagramonlyifreceivedontheupstreaminterfacetothesource,i.e.itfollowsthedistributiontreeTheRPFCheckTheroutingtableforunicastischeckedagainstthesourceaddressinthemulticastdatagramIfthedatagramarrivedontheinterfacespecifiedintheroutingtableforthesourceaddress:TheRPFchecksucceedsOtherwise,theRPFcheckfails ReversePathForwarding(cont.)ReversePathForwarding(RPF)check:IftheRPFchecksucceeds,thedatagramisforwardedIftheRPFcheckfails,thedatagramistypicallysilentlydiscardedWhenadatagramisforwarded,itissentoutofeachinterfaceintheoutgoinginterfacelistThepacketisneversentbackoutoftheRPFinterface RPFCheckingSource151.10.3.21MulticastDistributionTreeExample:RPFCheckingMulticastPacketsRPFChecksfailPacketsarrivedonwronginterface. RPFCheckSucceedsRPFCheckSucceeds!UnicastRouteTableNetworkInterface151.10.0.0/16S1198.14.32.0/24S0204.1.16.0/24E0E0S1S0S2Multicastpacketfromsource151.10.3.21Packetarrivedonrightinterface!S1Forwardoutofalloutgoinginterfaces.(i.e.downthedistributiontree)RPFCheck(cont.) RPFCheckFails!RPFCheckFailsPacketarrivedonwronginterface!E0S1S0S2Multicastacketfromsource151.10.3.21XDiscardpacket!UnicastRouteTableNetworkInterface151.10.0.0/16S1198.14.32.0/24S0204.1.16.0/24E0S1RPFCheck RPFInterfaceReversePathForwarding(RPF)checkisdonewithrespect（关于）totheRPFinterfaceTheinterfacethatisclosesttothesourceDeterminedfromanyunicastordedicated（专用）multicasttable(DVMRP,MBGP)Periodic（周期性）recheckoftheRPFinterface 组播路由协议组播路由协议负责构建组播分组的传输路径。组播分布树（DistributionTree）在传输组播分组时，指派路由器构造一个连接所有组播组成员的树。根据这个树，路由器得出转发分组的一条唯一路径。由于组播组成员可以动态地加入和退出，因此组播分布树也必须动态更新。 组播路由协议根据构造方法的不同，有两种最基本的组播分布树：源分布树和共享分布树。源分布树（SourceDistributionTree）以组播源为根节点构造到所有组播组成员路径都最短的生成树。也称为最短路径树（ShortestPathTree，SPT）。 Shortest-PathorSourceDistributionTreeReceiver1BEADFSource1Notation:(S,G)S=SourceG=GroupCReceiver2Source2Shortest-PathTrees Shortest-PathorSourceDistributionTreeReceiver1BEADFSource1Notation:(S,G)S=SourceG=GroupCReceiver2Source2TheTreeisperSOURCEShortest-PathTrees Shortest-PathTrees在每一个组播组内，每个源节点建立一棵到所有其它成员的最短路径树，即源节点和组的每一种组合构成一棵树。每一个路由器必须有关于每一个特定树的信息，路由器根据组播分组的源地址及组地址确定使用哪棵多播树转发。优点：多播分组总是使用最佳路径转发。缺点：路由器需要维护大量的多播树。 SharedDistributionTree共享分布树（SharedDistributionTree）以网络中的某一个指定的路由器为根节点，该路由器称为汇聚点（RendezvousPoint，RP）或核心，由此节点生成包含所有组成员的组播树。也称为RP树（RPT）或基于核心的树（Core-BasedTree，CBT）。 SharedDistributionTreeReceiver1BEADFNotation:(*,G)*=AllSourcesG=GroupCReceiver2(RP)(RP)PIMRendezvousPointSharedTreeSharedDistributionTree SharedDistributionTreeReceiver1BEADFNotation:(*,G)*=AllSourcesG=GroupSource1CReceiver2Source2SourceTree(RP)(RP)PIMRendezvousPointSharedTreeSharedDistributionTree SharedDistributionTree每个组播组使用一棵以核心路由器为根的组播树。优点：路由器对于每个组只要维护一棵组播树，内存消耗减少。缺点：组播分组使用的转发路径可能不是最佳的，这是组共享树为实现可扩展性而付出的性能代价。 组播路由协议组播路由协议的主要任务就是构造组播的分布树，使组播分组能够传送到相应的组播组成员。根据对网络中的组播成员的分布和使用的不同，组播路由协议分为两类：密集模式路由协议（DM）稀疏模式路由协议（SM）。 DM路由协议DM路由协议通常用于组播组成员（接收者）密集地分布且有足够带宽的网络环境。DM路由协议采用一种定期广播组播组的扩散-剪枝技术来维护组播分布树，它只使用源分布树（SPT）。DM路由协议有：DVMRP（DistanceVectorMulticastRoutingProtocol，距离向量组播路由协议）MOSPF（MulticastOpenShortestPathFirst，组播OSPF协议）PIM-DM（ProtocolIndependentMulticast-DenseMode，协议无关组播协议-密集模式） PIM-DenseMode(PIM-DM)Protocolindependent–supportsallunderlying（已有）unicastroutingprotocols:static,RIP,IGRP,EIGRP,IS-IS,OSPF,andBGPUsesfloodandprunemechanismFloodsnetworkandprunesbackbasedonmulticastgroupmembershipAssertmechanismusedtopruneoffredundantflowsonmultiaccessnetworksAppropriateforsmallerimplementationsandpilotnetworks（适用于小规模实验型网络） InitialFloodingSourceReceiverMulticastPackets(S,G)statecreatedineveryrouterinthenetwork!PIM-DMFloodandPrune PruningUnwantedTrafficSourceReceiverMulticastPacketsPruneMessagesPIM-DMFloodandPrune(cont.) SourceResultsafterPruningReceiverMulticastPacketsFloodandPruneprocessrepeatseverythreeminutes!!!(S,G)statestillexistsineveryrouterinthenetwork!PIM-DMFloodandPrune(cont.) SM路由协议在网络中稀疏分布组播组成员、网络也没有充足带宽的情况（如广域网环境）下可以使用SM路由协议。SM路由协议采用选择性的建立和维护分布树的方式，由空树开始，仅当成员显式的请求加入分布树才做出修改。SM路由协议有：CBT：基于核心的分布树协议PIM-SM（ProtocolIndependentMulticast-SparseMode，协议无关组播协议-稀疏模式） ReceiverRP(*,G)JoinSharedTree(*,G)StatecreatedonlyalongtheSharedTree.PIM-SMSharedTreeJoin ReceiverRP(S,G)JoinSourceSharedTree(S,G)Register(unicast)SourceTree(S,G)StatecreatedonlyalongtheSourceTree.TrafficFlowPIM-SMSenderRegistration ReceiverRPSourceSharedTreeSourceTreeRPsendsaRegister-Stopbacktothefirst-hoproutertostoptheRegisterprocess.(S,G)Register-Stop(unicast)TrafficFlow(S,G)Register(unicast)(S,G)trafficbeginsarrivingattheRPviatheSourcetree.PIM-SMSenderRegistration(cont.) ReceiverRPSourceSharedTreeSourceTreeTrafficFlowSourcetrafficflowsnativelyalongSPTtoRP.FromRP,trafficflowsdowntheSharedTreetoReceivers.PIM-SMSenderRegistration(cont.) ReceiverRP(S,G)JoinSourceSourceTreeSharedTreeLast-hoprouterjoinstheSourceTree.Additional(S,G)StateiscreatedalongnewpartoftheSourceTree.TrafficFlowPIM-SMSPTSwitchover ReceiverRPSourceSourceTreeSharedTree(S,G)RP-bitPruneTrafficbeginsflowingdownthenewbranchoftheSourceTree.Additional(S,G)StateiscreatedalongalongtheSharedTreetopruneoff(S,G)traffic.TrafficFlowPIM-SMSPTSwitchover ReceiverRPSourceSourceTreeSharedTree(S,G)TrafficflowisnowprunedoffoftheSharedTreeandisflowingtotheReceiverviatheSourceTree.TrafficFlowPIM-SMSPTSwitchover(cont.) ReceiverRPSourceSourceTreeSharedTree(S,G)trafficflowisnolongerneededbytheRP,soitPrunestheflowof(S,G)traffic.TrafficFlow(S,G)PrunePIM-SMSPTSwitchover(cont.) ReceiverRPSourceSourceTreeSharedTree(S,G)TrafficflowisnowonlyflowingtotheReceiverviaasinglebranchoftheSourceTree.TrafficFlowPIM-SMSPTSwitchover(cont.) 习题组播路由器的表中有4个组（W、X、Y和Z），局域网上有3台主机。主机A有3个属于组W的成员，有一个属于组X的成员。主机B有2个属于组W的成员，有1个属于组Y的成员。主机C没有属于任何组的进程。试给出处于监视状态的IGMP报文。 组播路由协议