数通面试私房菜之组播专题第五期：PIM DM详解

Posted 2020-12-06

PIM定义

PIM（Protocol Independent Multicast）协议无关组播，目前常用版本是PIMv2，PIM报文直接封装在IP报文中，协议号为103，PIMv2组播地址为224.0.0.13。

在PIM组播域中，以组播组为单位建立从组播源到组成员的点到多点的组播转发路径。由于组播转发路径呈现树型结构，也称为组播分发树（MDT，Multicast Distribution Tree）。组播分发树的特点：

? 无论网络中的组成员有多少，每条链路上相同的组播数据最多只有一份。

? 被传递的组播数据在距离组播源尽可能远的分叉路口才开始复制和分发。

PIM DM基本原理

? PIM-DM使用“推（Push）模式”转发组播报文，一般应用于组播组成员规模相对较小、相对密集的网络。在实现过程中，它会假设网络中的组成员分布非常稠密，每个网段都可能存在组成员。当有活跃的组播源出现时，PIM-DM会将组播源发来的组播报文扩散到整个网络的PIM路由器上，再裁剪掉不存在组成员的分支。PIM-DM通过周期性的进行“扩散（Flooding）—剪枝（Prune）”，来构建并维护一棵连接组播源和组成员的单向无环SPT（Source Specific Shortest Path Tree）。如果在下一次“扩散-剪枝”进行前，被裁剪掉的分支由于其叶子路由器上有新的组成员加入而希望提前恢复转发状态，也可通过嫁接（Graft）机制主动恢复其对组播报文的转发。

? PIM-DM的关键工作机制包括邻居发现、扩散、剪枝、嫁接、断言和状态刷新。其中，扩散、剪枝、嫁接是构建SPT的主要方法。

邻居发现（Neighbor Discovery）

PIM路由器上每个使能了PIM协议的接口都会对外发送Hello报文。封装Hello报文的组播报文的目的地址是224.0.0.13（表示同一网段中所有PIM路由器）、源地址为接口的IP地址、TTL数值为1。

? 同一网段中的PIM路由器都必须接收目的地址为224.0.0.13的组播报文。这样直接相连的PIM路由器之间通过交互Hello报文以后，就可以彼此知道自己的邻居信息，建立邻居关系。

? 只有邻居关系建立成功后，PIM路由器才能接收其他PIM协议报文，从而创建组播路由表项。

扩散（Flooding）

当PIM-DM网络中出现活跃的组播源之后，组播源发送的组播报文将在全网内扩散。当PIM路由器接收到组播报文，根据单播路由表进行RPF检查通过后，就会在该路由器上创建（S，G）表项，下游接口列表中包括除上游接口之外与所有PIM邻居相连的接口，后续到达的组播报文将从各个下游接口转发出去。

扩散过程如下：

1) 组播源S开始向组播组G发送组播报文。

2) RouterC接收到源发送的组播报文后，根据单播路由表进行RPF检查。RPF检查通过，创建（S，G）表项，下游接口列表包括与RouterA和RouterB相连的接口，后续到达的报文向RouterA和RouterB转发。

3) RouterA接收到来自RouterC的组播报文，RPF检查成功，在本地创建对应（S，G）表项，下游接口列表添加HostA相连的接口，后续到达的报文向HostA转发。

4) RouterB接收到来自RouterC的组播报文，由于与RouterB相连下游网段不存在组成员和PIM邻居，执行剪枝。

剪枝（Prune）

? 当PIM路由器接收到组播报文后，RPF检查通过，但是下游网段没有组播报文需求。此时PIM路由器会向上游发送剪枝报文，通知上游路由器禁止相应下游接口的转发，将其从（S，G）表项的下游接口列表中删除。剪枝操作由叶子路由器发起，逐跳向上，最终组播转发路径上只存在与组成员相连的分支。

? 路由器为被裁剪的下游接口启动一个剪枝定时器，定时器超时后接口恢复转发。组播报文重新在全网范围内扩散，新加入的组成员可以接收到组播报文。随后，下游不存在组成员的叶子路由器将向上发起剪枝操作。通过这种周期性的扩散-剪枝，PIM-DM周期性的刷新SPT。

剪枝过程如下：

1) RouterB向上游发送Prune报文，通知RouterC不用再转发数据到该下游网段。

2) RouterC收到Prune报文后，停止该下游接口转发，将该下游接口从（S，G）表项中删除。由于RouterC上还存在其他处于转发状态的下游接口，剪枝过程停止。后续到达的报文只向RouterA转发。

嫁接（Graft）

PIM-DM通过嫁接机制，使有新组成员加入的网段快速得到组播报文。叶子路由器通过IGMP了解到与其相连的用户网段上，组播组G有新的组成员加入。随后叶子路由器会向上游发送Graft报文，请求上游路由器恢复相应出接口转发，将其添加在（S，G）表项下游接口列表中。嫁接过程从叶子路由器开始，到有组播报文到达的路由器结束。

嫁接过程如下：

1) RouterB希望在下一次“扩散-剪枝”来临前恢复对HostB组播报文的转发，向上游路由器RouterC发送Graft报文，请求恢复相应出接口转发组播报文。

2) RouterC收到Graft报文后，恢复该接口转发，将该接口添加到（S，G）表项中的下游接口列表中。由于RouterC上有组播报文到达，嫁接过程停止。后续到达的报文向RouterB转发。

状态刷新（State Refresh）

在PIM-DM网络中，为了避免被裁剪的接口因为“剪枝定时器”超时而恢复转发，离组播源最近的第一跳路由器会周期性地触发State Refresh报文在全网内扩散。收到State Refresh报文的PIM路由器会刷新剪枝定时器的状态。被裁剪接口的下游叶子路由器如果一直没有组成员加入，该接口将一直处于抑制转发状态。

断言（Assert）

当一个网段内有多个相连的PIM路由器RPF检查通过向该网段转发组播报文时，则需要通过断言机制来保证只有一个PIM路由器向该网段转发组播报文。PIM路由器在接收到邻居路由器发送的相同组播报文后，会以组播的方式向本网段的所有PIM路由器发送Assert报文，其中目的地址为永久组地址224.0.0.13。其它PIM路由器在接收到Assert报文后，将自身参数与对方报文中携带的参数做比较，进行Assert竞选。

竞选规则如下：

1) 单播路由协议优先级较高者获胜。

2) 如果优先级相同，则到组播源的开销较小者获胜。

3) 如果以上都相同，则下游接口IP地址最大者获胜。

根据Assert竞选结果，路由器将执行不同的操作：

? 获胜一方的下游接口称为Assert Winner，将负责后续对该网段组播报文的转发。

? 落败一方的下游接口称为Assert Loser，后续不会对该网段转发组播报文，PIM路由器也会将其从（S，G）表项下游接口列表中删除。

Assert竞选结束后，该网段上只存在一个下游接口，只传输一份组播报文。所有Assert Loser可以周期性地恢复组播报文转发，从而引发周期性的Assert竞选。