IP組播基礎知識

前言

       當網絡中部署點到多點通信應用時，若採用單播方式，網絡中傳輸的信息量與需要該信息的用戶量成正比。多份內容相同的信息發送給不同用戶，對信源及網絡帶寬都將造成巨大壓力。若採用廣播方式，無需接收信息的主機也將收到該信息，這樣不僅信息安全得不到保障，且會造成同一網段中信息氾濫。
       IP組播技術有效地解決了單播和廣播在點到多點應用中的問題。組播源只發送一份數據，數據在網絡節點間被複制、分發，且只發送給需要該信息的接收者。

       

一、點到多點應用的發展與部署

       

1. 單播方式部署點到多點應用

單播方式所存在的問題：

1. 重複流量過多。
2. 消耗設備和鏈路帶寬資源。
3. 難以保證傳輸質量。

單播（Unicast）是在一臺源IP主機和一臺目的IP主機之間進行。網絡上絕大部分的數據都是以單播的形式傳輸的，例如電子郵件收發、網上銀行都是採用單播實現的。

單播的特點：
       一份單播報文，使用一個單播地址作爲目的地址。Source向每個接收者發送一份獨立的單播報文。如果網絡中存在N個接收者，則Source需要發送N份單播報文。
       網絡爲每份單播報文執行獨立的數據轉發，形成一條獨立的數據傳送通路。N份單播報文形成N條相互獨立的傳輸路徑。

單播的缺陷：
       單播方式下，網絡中傳輸的信息量和需求該信息的用戶量成正比，當需求該信息的用戶量較大時，網絡中將出現多份相同信息流，不僅佔用處理器資源而且浪費帶寬。
       單播方式較適合用戶稀少的網絡，當用戶量較大時很難保證網絡傳輸質量。

       

2. 廣播方式部署點到多點應用

廣播方式所存在的問題：

1. 地域範圍限制。
2. 安全性無法保障。
3. 有償性無法保障。
   
   廣播（Broadcast）是在一臺源IP主機和網絡中所有其它的IP主機之間進行，屬於一對所有的通訊方式，所有主機都可以接收到（不管是否需要）。

廣播的特點：
       一份廣播報文，使用一個廣播地址作爲目的地址。Source向本網段對應的廣播地址發送且僅發送一份報文。
       不管是否有需求，保證報文被網段中的所有用戶主機接收。

廣播的缺陷：
       廣播方式下，信息發送者與用戶主機被限制在一個共享網段中，且該網段所有用戶主機都能接收到該信息。
       廣播方式只適合共享網段，且信息安全性和有償服務得不到保障。
       對於點到多點的網絡應用，單播和廣播都有一定的侷限性

       

3. 組播方式部署點到多點應用

組播方式的優勢：

1. 無重複流量。
2. 節省設備與帶寬資源。
3. 安全性高。
4. 有償性有保障。

組播（Multicast）是在一臺源IP主機和多臺（一組）IP主機之間進行，中間的交換機和路由器根據接收者的需要，有選擇性地對數據進行復制和轉發。

組播的優勢：
       組播方式下，單一的信息流沿組播分發樹被同時發送給一組用戶，相同的組播數據流在每一條鏈路上最多僅有一份。
       相比單播，由於被傳遞的信息在距信息源儘可能遠的網絡節點纔開始被複制和分發，所以用戶的增加不會導致信息源負載的加重以及網絡資源消耗的顯著增加。
       相比廣播，由於被傳遞的信息只會發送給需要該信息的接收者，所以不會造成網絡資源的浪費，並能提高信息傳輸的安全性。另外，廣播只能在同一網段中進行，而組播可以實現跨網段的傳輸。

組播的應用：
       組播技術有效地滿足了單點發送、多點接收的需求，實現了IP網絡中點到多點的高效數據傳送，能夠大量節約網絡帶寬、降低網絡負載。利用組播技術可以更方便地提供在線直播、網絡電視、遠程教育等服務。

       

二、組播基本概述

       

1. 組播基本架構

組播源到路由器：組播源生成組播數據，完成數據封裝併發送給網關路由器。
路由器到路由器：路由器根據接收者的分佈情況有選擇地對數據進行復制和轉發。
路由器到接收端：路由器收到組播數據併發送給相應的接收者。

       

2. 組播源到路由器

1. 組播源如何封裝組播數據？
2. 目的IP地址如何確定？
3. 目的MAC地址如何確定？

1. 單播數據包傳輸的路徑是利用“逐跳”（hop-by-hop）轉發原理在IP網絡中傳輸。
2. 相較於IP單播，IP組播通信的特點是數據包的目的地址不是一個特定的單一IP地址，而是一個特定組地址。
3. 爲了實現信息源和組播組成員跨越互聯網進行通訊，需要提供網絡層組播，組播數據包的目的IP地址使用組播IP地址。也就是說組播源不關注接收者的位置信息，只要將數據發送到特定組IP地址即可。
4. 以太網傳輸單播數據幀時，目的MAC地址使用的是接收者或者去往接收者的下一跳網關設備的MAC地址。
5. 但是在傳輸組播報文時，目的端不再是一個具體的接收者，而是一個成員不確定的組，如果目的MAC封裝成接收者的MAC地址，則需要爲每個接收者分別發送一份組播幀。顯然，這是不合理的。爲了在數據鏈路層實現組播信息的高效傳輸，需要提供鏈路層組播轉發能力，鏈路層組播使用組播MAC地址。

       

3. 組播IP地址

一個組播IP地址並不是表示具體的某臺主機，而是一組主機的集合，主機聲明加入某組播組即標識自己需要接收目的地址爲該組播地址的數據。

IP組播常見模型分爲ASM模型和SSM模型。

IPv4組播地址：

1. IPv4地址空間分爲五類，即A類、B類、C類、D類和E類。D類地址爲IPv4組播地址，範圍是從224.0.0.0到239.255.255.255，用於標識組播組，且僅能作爲組播報文的目的地址使用，不能作爲源地址使用。
2. IPv4組播報文的源地址字段爲IPv4單播地址，可使用A、B或C類地址，不能是D類、E類地址。
3. 在網絡層上，加入同一組播組的所有用戶主機能夠識別同一個IPv4組播組地址。一旦網絡中某用戶加入該組播組，則此用戶就能接收以該組地址爲目的地址的IP組播報文。

組播服務模型：

1. ASM全稱爲Any-Source Multicast，譯爲任意源組播。在ASM模型中，任意發送者都可以成爲組播源，向某組播組地址發送信息。接收者加入該組播組後，能夠接收到發往該組播組的所有信息。在ASM模型中，接收者無法預先知道組播源的位置，接收者可以在任意時間加入或離開該組播組。
2. SSM全稱爲Source-Specific Multicast，譯爲指定源組播。在現實生活中，用戶可能僅對某些源發送的組播信息感興趣，而不願接收其它源發送的信息。SSM模型爲用戶提供了一種能夠在客戶端指定信源的傳輸服務。
3. SSM模型和ASM模型的根本區別是接收者已經通過其他手段預先知道了組播源的具體位置。SSM和ASM使用不同的組播地址範圍，直接在接收者和組播源之間建立組播轉發樹。

       

4. 組播MAC地址

組播MAC地址與單播MAC地址的區別：
IANA規定，IPv4組播MAC地址的高24位爲0x01005e，第25位固定爲0。

組播數據幀的傳輸目的不再是一個具體的接收者，而是一個成員不確定的組，所以使用的是組播MAC地址。IANA規定，組播MAC地址的高24bit爲0x01005e，第25bit固定爲0。

組播MAC地址用於在鏈路層標識屬於同一組播組的接收者。

以太網傳輸單播數據幀的時候，目的MAC地址使用的是接收者的MAC地址或者下一跳路由器的MAC地址。這個MAC地址通過ARP獲取。對於組播數據幀也需要有一個可預知的MAC地址。

       

5. 組播IP與MAC的映射

需要組播IP地址與組播MAC地址的自動映射。
MAC地址的低23bit爲組播IP地址的低23bit。

       爲了使組播源和組播組成員進行通信，需要提供網絡層組播，使用IP組播地址。同時，爲了在本地物理網絡上實現組播信息的正確傳輸，需要提供鏈路層組播，使用組播MAC地址。組播數據傳輸時，其目的地不是一個具體的接收者，而是一個成員不確定的組，所以需要一種技術將IP組播地址映射爲組播MAC地址。

       

6. 映射導致的問題

組播IP地址映射成組播MAC地址時，會導致32個組播IP地址對應一個組播MAC的問題。

由於IP組播地址的前4bit是1110，代表組播標識，而後28bit中只有23bit被映射到MAC地址，這樣IP地址中就有5bit信息丟失，直接的結果是出現了32個組播IP地址映射到同一組播MAC地址上。

IETF認爲同一個局域網中兩個或多個組地址生成相同的MAC地址的機率非常低，不會造成太大的影響。

       

三、思考？

什麼是IP組播通信？

答案：IP組播通信指的是IP報文從一個源發出，被轉發到一組特定的接收者。相較於傳統的單播和廣播，IP組播可以有效地節約網絡帶寬、降低網絡負載，所以被廣泛應用於IPTV、實時數據傳送和多媒體會議等網絡業務中。

IPv4組播地址的範圍是什麼？

答案：IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互聯網編號分配委員會）將D類地址空間分配給IPv4組播使用。IPv4地址一共32位，D類地址最高4位爲1110，因此地址範圍從224.0.0.0到239.255.255.255。