组播技术基础

Posted 2022-03-05 超凡脫俗

组播技术基础

在IPV4网络中，存在单播、组播及广播三种通信方式，单播即一对一通信，简单来说，单播报文源IP地址是报文发送方的IP地址，而目的地址则是报文接收者的IP地址，两个地址都必须是单播地址，单播是唯一标识一台设备的 IP地址（如电脑网卡的IP地址）。

广播即常见的目的地址为255.255.255.255的广播报文，广播的作用即泛洪至所在的广播域，而域中的所有设备都需要解析该报文，如设备解析后需要用到该报文，则会丢弃。组播则是一种一对多的通信方式，组播报文（目的地址为组播IP地址的报文）。

组播报文发向一组接收者，接收者需要加入相应的组播组中，才会收到发往该组播组的报文。在IPV4网络中，对于某个特定组播组，即使网络存在多个接收者，对于组播源而言，每次只需要发一份报文，网络中的组播转发设备负责拷贝组播报文并向有需要的接口转发，但网络设备收到组播报文后，缺省并不对其转发，需要设备激活组播路由功能，并维护组播路由表，再依据路由表项进行转发，因此组播流量，需要一个组播网络来承载。

组播网络架构示意图

Server1为多媒体服务器，PC1、PC2、PC3、PC4则是网络中的主机，分别以单播、组播、广播，演示该场景；

假设网络中使用单播，Server需要为每个pc创建一份数据，并单独发往pc，如果网络不止4台，而是有大规模的pc，则Server需要创建大量的数据拷贝，而拷贝的内容还是完全一样的，只是目的地址不同，单播在此种环境下显得极为低效。

如果采用广播方式发送数据，接收者就得与Server处于同一广播域，可广播报文在网络中泛洪范围有限，再者从网络优化角度考虑，广播流量是需要尽量减少的，因广播流量会造成其它设备不必要的性能损耗，广播并不适用于此种环境。

那如果使用组播呢？如要开始播放视频时，组播报文从Server源源不断发送出来，无论网络中存在多少接收者，Server都只需要发送一份数据。发送者的源地址192.168.100.1，而目的地址则是组播地址（以224.1.1.1为例），组播报文到达路由器后，R1将组播报文拷贝，然后将组播报文从有需要的接口转发而出，而不需要的接口则不会向其转发组播报文，R2、R3也是如此，直到报文到达加入224.1.1.1组播组的接收者接收报文为止。组播源不关心存在多少个接收者，接收者处于网络何处，它们的IP是什么？它只负责将组播报文发送出去，组播网络设备负责将组播报文根据需要进行拷贝及转发。

拓扑中，没有加入组播组的PC4不会收到组播流量，R5没有任何接收者，它也不会收到发往该组播组的流量。

组播应用场景

组播技术适用于一对多的通信场景，在多媒体直播、在线会议、股票金融等领域有广泛的应用。

组播网络架构

上述网络拓即为组播网络架构，架构分为三个部分，组播源、组播接收者、组播组及组播路由器；

1. 组播源：组播流量发送源，多媒体服务器即为组播发送源，组播源无需任何组播协议，只需将组播报文发送出来；在上述拓扑中，组播源发出的组播报文源IP为其网卡地址192.168.100.1（单播），而目的地址必须为一个组播地址。
2. 组播接收者：接收特定组播组流量的终端，组播接收者也叫组播组成员；
3. 组播组：采用一个特定的组播IP地址标识的群组；
4. 组播路由器：激活了组播路由功能的路由器，其实许多交换机、防火墙都支持组播路由；在拓扑中，R2、R3、R4、R5作为连着终端的组播路由器，它们需要通过IGMP因特网组管理协议来查询及发现其直连网段中是否存在组成员，只有最后一跳路由器获知其直连网段存在某个组播组成员，组播路由器才会向该组织发送该组的组播流量。

组播报文

1. 组播报文在传输层通常采用UDP封装，在网络层采用IP封装；

组播路由协议

常见的组播路由协议有PIM、MOSPF、MBGP等，组播路由协议主要功能之一是在网络中形成一颗无环的树，它被称为组播分发树，树便是组播流量的传输途径，而树的末梢就是组播组的接收者所在的网段，组播路由协议除了需要形成无环树，还需要罐组组播报文转发过程中的放环问题，它必须有相应的机制确保组播报文在正确的接口上到达，并从正确的接口转发出去。

组播IP地址

在IPV4地址空间中，A、B及C类IP地址用于单播通信，它们一般用于设备的某个接口，而组播地址为D类地址，由IANA（互联网数字分配机构）规定，D类（224.0.0.0/4）用于组播通信，它的范围是224.0.0.0~239.255.255.255。组播地址不可以作为源地址使用，只能作为目的地址使用，也就是说，它不能分配给主机设备等，也不可以进行子网划。
组播地址分类：

1. 224.0.0.1为所有节点组播地址
2. 224.0.0.2为所有路由器组播地址
3. 224.0.0.5为所有OSPF路由器组播地址
4. 224.0.0.6为所有OSPF DR组播地址
5. 224.0.0.9为所有RIPv2路由器组播地址
6. 224.0.0.13为所有PIMv2路由器组播地址
7. 224.0.0.18为VRRP组播地址
8. 224.0.1.0~231.255.255.255 ， 233.0.0.0-238.255.255.255为D类IP地址临时组地址，这种组播地址全局有效
9. 232.0.0.0~232.255.255.255 为SSM（特定源组播）组地址
10. 239.0.0.0~239.255.255.255 为本地管理组地址。

组播MAC地址

数据传输时，应用层协议的数据载荷想被正确发往目的地，需要进行封装。在传输层如果应用基于UDP协议，数据载荷会被封装UDP头部，在网络层，需要封装IP头部，单播其头部为目的地址IP，组播则需要填入报文目的地址的组播组IP地址，在数据链路层，上层数据需要在进行封装，在以太网环境，它将被封装以太网的帧头及帧尾，单播帧帧头填入单播目的mac地址，广播填（ffff-ffff-ffff）全f的目的mac，而组播则填入组播Mac地址。

综上所述，mac地址存在单播、组播、广播三种类型，一个mac为48bit，6个8位组，在第1个8位组最低比特位标识了mac地址的类型，如果比特位为0标识单播mac，如果为1标识组播mac，而广播mac则是一个全f的特殊mac。

mac地址由6个8位组成，第1个8位0代表单播，1代表组播，
组播mac地址共有2的47次方个，占据mac地址空间一半，组播mac地址例子，在stp学习中，在Bpdu载荷被封装在以太网数据帧时，数据帧的目的mac地址就是一个组播mac地址（0180-c200-0000），这类组播mac地址与组播ip不存在关联。

也有与组播mac地址存在关联的组播ip，以太网环境中，组播报文需要封装成以太网数据帧以便在链路上传输，而这些数据帧的mac必须为组播mac，并且必须与报文的目的ip相对应，该组播mac地址的高25bit是固定的，其中高24bit是0x01005e，第25bit是0，而剩下的23bit则从其对应组播ip地址低23bit拷贝得来，因此组播地址对应组播mac的范围是0100-5e00-0000 ~ 0100-5e7f-ffff，它是整个组播mac地址空间的1个子集。

组播地址前4bit （1110）是固定的，在丢弃5bit，剩下23bit拷贝到组播mac中；由于IPv4组播地址的高4位是1110，代表组播标识，而低28位中只有23位被映射到IPv4组播MAC地址，这样IPv4组播地址中就有5位信息丢失。于是，就有32个IPv4组播地址映射到了同一个IPv4组播MAC地址上，因此在二层处理过程中，设备可能要接收一些本IPv4组播组以外的组播数据，而这些多余的组播数据就需要设备的上层进行过滤了。