黃麗波

92524部隊 浙江 寧波 315020

1 IP網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)包傳遞的三種方式

在IP網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)包主要有三種傳遞方式：單播，廣播和組播。傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡中主要以點對點單播通信應用為主，此時信息的接收和傳遞在兩個節(jié)點之間進行。數(shù)據(jù)源發(fā)送多份數(shù)據(jù)，鏈路上傳遞多份數(shù)據(jù)，中間網(wǎng)絡設備轉發(fā)多份數(shù)據(jù)，需要數(shù)據(jù)的接收者都會接收到數(shù)據(jù)，但是浪費網(wǎng)絡帶寬。在廣播通信中數(shù)據(jù)源只發(fā)送一份數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡設備在子網(wǎng)內(nèi)部對數(shù)據(jù)進行無條件轉發(fā)，子網(wǎng)內(nèi)部的所有主機都可以接收到該數(shù)據(jù)。由于廣播會導致網(wǎng)絡設備不堪重負，所以一般都是將廣播限制在二層交換機的局域網(wǎng)范圍內(nèi)，路由器上是禁止廣播數(shù)據(jù)通過的。組播通信則是數(shù)據(jù)源僅發(fā)送一份數(shù)據(jù)，中間網(wǎng)絡設備根據(jù)需要只給加入組播組的成員轉發(fā)數(shù)據(jù)，非組播組成員不接收數(shù)據(jù)[1]。

2 音視頻會議的特點適合使用組播協(xié)議

在組播通信中，數(shù)據(jù)源和骨干路由設備之間只需要發(fā)送一份數(shù)據(jù)，主機主動申請加入組播組，數(shù)據(jù)源只會被路由設備轉發(fā)給需要數(shù)據(jù)的組播組成員，沒有加入組播組的主機不會被轉發(fā)。這種按需轉發(fā)的規(guī)則特別適合音視頻會議的場合。因為在音視頻會議中，一般是一個主會場對應多個分會場，一對一組的通信方式。而組播恰好又是一對一組的通信協(xié)議。主會場只需要在骨干網(wǎng)絡上發(fā)送一份數(shù)據(jù)，在分支路由器上再進行數(shù)據(jù)轉發(fā)到達分會場即可。組播網(wǎng)絡中，即使組播用戶數(shù)量成倍增長，骨干網(wǎng)絡中網(wǎng)絡帶寬不會增加，只需要一份數(shù)據(jù)通過，極大降低了骨干網(wǎng)帶寬消耗[2]。

3 組播技術體系

組播技術涉及組播地址分配，二層的組播監(jiān)聽IGMP SNOOPING協(xié)議，主機與路由器之間的組成員管理協(xié)議IGMP和路由協(xié)議。

3.1 組播IP地址

組播IP地址不同于用來標識一臺主機的單播地址，組播地址不是任何主機或者組播源的地址，它僅僅用于標識一個IP組播組，相當于一個組號碼，僅僅是屬于該組播組的成員都會接收到組播源發(fā)送過來的消息。

3.1.1 組播地址屬于D類地址。組播地址第一個字節(jié)的前4位，用二進制1110來識別。

字節(jié)1 字節(jié)2 字節(jié)3 字節(jié)4

1110XXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXX

3.1.2 組播地址分類：

224.0.0.0—224.0.0.255：永久組地址，預留出來給協(xié)議使用。

224.0.1.0—224.0.1.255：公用組播地址。

224.0.2.0—238.255.255.255：用戶可用的地址。

239.0.0.0—239.255.255.255：本地管理組播地址。

3.1.3 組播地址與MAC地址的換算。單播IP報文在網(wǎng)絡中傳輸時，目的MAC地址使用的是接收者的MAC地址。但組播報文的接收者不是單一的，是在組播組里的全部成員，所以不能用單個IP對應的MAC，而應該用組播MAC。組播MAC地址的計算方法如下：組播MAC地址=組播MAC標識（0x01005E）+第25位為0+組播IP地址后23位對應的二進制位。因為組播MAC地址的前25位是固定的，后23位和組播IP地址的后23位相同，組播IP地址的前四位是固定的0100，那么就會有32-23-4=5個二進制位的IP地址也就是32個多播地址對應的MAC地址是相同的。

3.2 二層組播協(xié)議為IGMP SNOOPING

IGMP組成員管理協(xié)議是針對第三層的，但是在實際網(wǎng)絡情況中，組播報文要經(jīng)過一些二層交換機進行轉發(fā)，如果不對二層交換機進行一些設置，組播數(shù)據(jù)就會在第二層數(shù)據(jù)鏈路層進行擴散，會造成廣播風暴。IGMP SNOOPING的出現(xiàn)解決了這個問題，其工作機理為二層交換機根據(jù)偵聽到的主機發(fā)向路由器的IGMP成員報告消息形成組成員和交換機的接口之間的對應關系，交換機則根據(jù)此對應關系將收到的組播數(shù)據(jù)包只轉發(fā)給連接組成員的接口。IGMP SNOOPING解決了二層交換機中的廣播風暴問題，但是要求交換機具有提取三層信息的能力，并且在監(jiān)聽組播報文的時候大量占用了交換機CPU的資源。

3.3 三層組播協(xié)議

三層組播協(xié)議分為兩類，第一類為主機-路由器之間的組成員關系協(xié)議IGMP。第二類為路由器-路由器之間的組播路由協(xié)議，其中包括域內(nèi)（PIM-SM等）和域間（MBGP）組播路由協(xié)議。

3.3.1 主機-路由器之間的組成員關系協(xié)議IGMP。IGMP協(xié)議運行于主機和與主機直接相連的組播路由器之間，該協(xié)議使得本地路由器獲知主機希望加入某個特定組播組的信息。組播路由器也通過此協(xié)議周期性查詢局域網(wǎng)內(nèi)某個已知的組成員的活動狀態(tài)，也就是該網(wǎng)段是否還有屬于某個組播組的成員，這樣就實現(xiàn)了所有組播組的組成員關系的收集和維護。組播路由器通過IGMP協(xié)議建立起一張表，其中包含了路由器各個端口以及在端口上所對應的子網(wǎng)上都有哪些組成員。當路由器接收到某個組Group的數(shù)據(jù)報文后，只向那些有Group的成員端口上轉發(fā)數(shù)據(jù)報文，其他端口不轉發(fā)。IGMP建立并且維護路由器直聯(lián)網(wǎng)段的組成員關系信息。IGMP協(xié)議不負責數(shù)據(jù)報文在路由器之間如何轉發(fā)則由路由協(xié)議決定。域內(nèi)組播路由協(xié)議PIM-SM根據(jù)IGMP維護的這些組播組成員關系表通過一定的組播路由算法構造組播分發(fā)樹進行組播數(shù)據(jù)包轉發(fā)。

3.3.2 域內(nèi)組播路由協(xié)議PIM-SM的數(shù)據(jù)分發(fā)機制。目前應用最多的域內(nèi)組播路由協(xié)議是PIM-SM稀疏模式協(xié)議無關組播。在PIM-SM域中，運行PIM-SM協(xié)議的路由器周期性發(fā)送HELLO消息，用以發(fā)現(xiàn)鄰接的PIM路由器，并且負責在多路訪問網(wǎng)絡中進行指定路由器（DR）的選舉。這里，DR負責為其直連組成員朝著組播分發(fā)樹根節(jié)點的方向發(fā)送消息，或者是將直連組播源的數(shù)據(jù)發(fā)向組播分發(fā)樹。PIM-SM通過建立組播分發(fā)樹來進行組播數(shù)據(jù)包的轉發(fā)。組播分發(fā)樹分為兩種：以組Group的RP（Rendezvous Point匯聚點）為根的共享樹RPT和以組播源為根的最短路徑樹SPT（Short Path Tree）。PIM-SM通過顯式的加入/剪枝機制來完成組播分發(fā)樹的建立與維護。當DR（指定路由器）收到一個發(fā)自接收端的加入（Join），它就會向著組Group的RP方向逐跳組播發(fā)出一個（*，G）加入信息用以加入共享樹RPT，其中“*”指的是RP。源主機向組播組發(fā)送組播數(shù)據(jù)時，源的數(shù)據(jù)被封裝在注冊消息內(nèi)，并由其DR單播至RP，RP再將源的解封裝數(shù)據(jù)包沿著共享樹轉發(fā)到各個組成員。RP朝著源方向向第一跳路由器發(fā)送（S，G）加入信息，用以加入此源的最短路徑樹，這樣源的數(shù)據(jù)包將沿著其最短路徑樹不加封裝地發(fā)送到RP。當?shù)谝粋€組播數(shù)據(jù)沿此樹到達時，RP向源的DR發(fā)送注冊停止消息，以使DR停止注冊封裝過程，此后，這個源的組播數(shù)據(jù)不再注冊封裝，而是沿著源的源的最短路徑樹發(fā)送到RP，再由RP將其沿著共享樹轉發(fā)到各成員，當不再需要組播數(shù)據(jù)時，DR向著組G的RP逐跳組播剪枝消息用以剪枝共享樹。

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3.3.2.1 RPT向SPT的切換。PIM-SM組播網(wǎng)絡中有兩棵樹，一棵是從組播源到RP的SPT，另外一顆是從RP到組播接收者的RPT，為獲得更加小的延遲，接收者側的DR會發(fā)起從RPT到SPT的轉換，當接收者側的DR收到第一個組播報文時，就會知道組播源的位置，在單播路由表中查詢到達源的路由，明確到達源的出接口和下一跳地址，然后向組播源直接發(fā)送特定源組的join消息，join消息將沿著DR指向組播源的單播路由逐跳發(fā)送，最后到達組播源側的DR，沿途每一臺路由器都會建立（S，G）表項，這時，網(wǎng)絡中組播源會有兩條路徑到達組播接收者，一條是沿著SPT到達，另一條是沿著RPT的路徑到達，這時，會丟棄從RP接收到的報文，并向RP發(fā)送prune消息（在RP的（S，G））表項的出接口為空的條件下，證明下面沒有接收者）最終形成組播源到組播接收者的SPT。

3.3.2.2 PIM-SM中的RPF逆向轉發(fā)機制。組播轉發(fā)機制和單播轉發(fā)機制不同，單播轉發(fā)機制查看的是報文的目的地址，用目的地址去查找路由表，進行轉發(fā)，而在組播轉發(fā)中，環(huán)路是比較致命的，組播轉發(fā)機制為了防止環(huán)路查看的是報文的源地址，有源地址去查找單播的IP路由表，查找到下一跳的出接口，與接收到的組播報文的接口相比，如果是同一個接口，則正常轉發(fā)，如果不是則丟棄，這就是組播的逆向轉發(fā)機制，組播轉發(fā)下想要找到下一跳的出接口，那么可以通過組播轉發(fā)表項（S，G）來進行查找，其中包含了源地址和組播地址還有出接口以及入接口。以組播報文的源地址作為IP單播的地址查找路由表，找到下一跳的出接口，如果出接口與接收到的組播報文的接口一致，那么RPF檢查通過，否則直接丟棄，每一臺路由器都會進行RPF檢查，確保路徑是最優(yōu)的，在SPT中報文源就是組播源，在RTP中RP到組播接收者的這段路徑上，組播源是RP，在組播源到RP的路徑上，報文源是組播源。

3.3.3 域間組播路由協(xié)議。域間組播路由協(xié)議MBGP在各自治域之間發(fā)布具有組播能力的路由信息及組播源信息，以使組播數(shù)據(jù)在域間進行轉發(fā)。MBGP是在目前使用最廣泛的單播路由協(xié)議BGP-4上做了一些增強和改進，MBGP不僅能攜帶單播路由協(xié)議，還能攜帶包括組播在內(nèi)的網(wǎng)絡層協(xié)議，在MBGP中，單播路由信息和組播路由信息可以在同一進程中進行交換，但他們分別存在于各自的單播路由表和組播路由表中。MBGP兼容BGP-4的策略和常見配置方法。

4 組播的實際配置與組播路由查看

二層交換機的配置：igmp snooping enable//組播抑制

三層交換機的配置：以三層交換機SwitchA上的vlan2接口為例：

[SwitchA]multicast routing enble//使能組播路由功能

[SwitchA-vlan2]pimsm //在vlan2接口下使能pimsm協(xié)議

[SwitchA-vlan2]igmp enable //若該vlan接口下有組播用戶要使能igmp協(xié)議，因為igmp是主機和與其直接相連的組播路由器之間的協(xié)議。

查看組播路由的命令是[SwitchA]display pim routing-table。通過此條命令返回的組播路由表中的（*，G）、（S，G）以及Upstream interface和Downstream interface來判斷網(wǎng)絡上是否形成了正確的組播路由表。此條命令是發(fā)生組播故障時檢查的重要依據(jù)，可以快速定位故障位置。一般在網(wǎng)絡音視頻會議中，如果單播正常，但是組播不正常，基本上可以判斷故障是出在組播路由上，可以在平時組播轉發(fā)正常的時候備份一個正確的組播路由表，將出現(xiàn)故障時通過display pim routing-table命令查詢出來的組播路由表與之對照，看是否與組播轉發(fā)正常時的組播路由表一致，如果不一致，則要查找在網(wǎng)絡上是否有單位近期對路由配置進行了改動。一般來說，如果RP的下游部分的路由器的組播路由（*，G）這一項還沒有建立，那么組播轉發(fā)故障基本上是在已經(jīng)建立（*，G）和還沒有建立（*，G）這一項的路由器之間。很有可能是因為網(wǎng)絡安全防護類設備如防火墻或者加密設備出現(xiàn)問題，導致（*，G）無法向RP發(fā)送加入申請消息。如果路由器的（*，G）、（S，G）項與組播能正常轉發(fā)時一致，中游路由器能收到組播包，但是下游路由器收不到組播包，那么故障原因很有可能是組播源的TTL值過小，數(shù)據(jù)包在還沒4有到達下游路由器時就被丟棄了。這時候只需要修改TTL的數(shù)值就可以了。

5 結束語

組播是IP通信的一種不同于單播的數(shù)據(jù)傳遞方式，在網(wǎng)絡音視頻會議中得到了廣泛應用，大大減輕了骨干網(wǎng)的傳輸壓力。與傳統(tǒng)的音視頻會議系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡音視頻會議系統(tǒng)又多了一個組播技術，組播技術涉及地址分配，組成員管理協(xié)議，域內(nèi)域間路由協(xié)議等，單播正常組播不正常的故障排查需要對組播技術有深入研究。對組播技術的深入研究有助于提高網(wǎng)絡音視頻會議的保障水平。