IP組播簡介

作為IP傳輸三種方式之一，IP組播通訊指的是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路頻寬、降低網路負載，所以被廣泛應用於IPTV、實時資料傳送和多媒體會議等網路業務中。

目的：

傳統的IP通訊有兩種方式：單播（Unicast）和廣播（Broadcast）。

• 對於單播通訊，資訊源為每個需要資訊的主機都發送一份獨立的報文。
• 對於廣播通訊，資訊源將資訊傳送給該網段中的所有主機，而不管其是否需要該資訊。

如果要將資料從一臺主機發送給多個主機而非所有主機，可以採用廣播方式，也可以由源主機採用單播方式向網路中的多臺目標主機發送多份資料。

• 採用單播方式時，網路中傳輸的資訊量與需要該資訊的使用者量成正比。當需要該資訊的使用者數量較大時，資訊源需要將多份內容相同的資訊傳送給不同的使用者，這對資訊源以及網路頻寬都將造成巨大的壓力。因此，該傳輸方式不利於資訊的批量傳送，只適用於使用者稀少的網路。
• 採用廣播方式時，不需要接收資訊的主機也將收到該資訊，這樣不僅資訊的安全性得不到保障，而且會造成同一網段中資訊氾濫。因此，該傳輸方式不利於與特定物件進行資料互動，同時會浪費大量的頻寬。

由上述可見，傳統的單播和廣播通訊方式不能有效地解決單點發送、多點接收的問題。

組播（Multicast）可以很好的解決點到多點的資料傳輸，源只發送一份資料，網路中只有需要該資料的主機可以接收該資料，其他主機不能收到該資料。

組播相對單播和廣播有如下優勢：

• 相比單播，由於被傳遞的資訊在距資訊源儘可能遠的網路節點才開始被複制和分發，所以使用者的增加不會導致資訊源負載的加重以及網路資源消耗的顯著增加。
• 相比廣播，由於被傳遞的資訊只會傳送給需要該資訊的接收者，所以不會造成網路資源的浪費，並能提高資訊傳輸的安全性。

組播的優勢：

• 提高效率：降低網路流量、減輕硬體負荷
• 優化效能：減少冗餘流量、節約網路頻寬、降低網路負載。
• 分散式應用：使多點應用成為可能

組播適用於任何“點到多點”的資料釋出，主要包含以下幾方面：

• 多媒體、流媒體的應用。
• 培訓、聯合作業場合的通訊。
• 資料倉庫、金融應用（股票）。

IP組播技術在ISP提供的網際網路資訊服務中已經得到了應用。例如：線上直播、網路電視、遠端教育、遠端醫療、網路電臺和實時視/音訊會議等。

組播的劣勢：

組播技術有效地解決了單點發送多點接收的問題，實現了IP網路中點到多點的高效資料傳送。但由於組播技術是基於UDP的，所以同時也存在著不足之處：

1. 盡力而為

   報文不能依賴組播網路進行可靠性保證，必須針對組播網路的這個特點進行特別設計。“可靠組播”目前仍然處於研究階段。丟失是不可避免的。因此組播應用程式

2. 沒有擁塞避免機制

   缺少TCP視窗機制和慢啟動機制，組播可能會出現擁塞。如果可能的話，組播應用程式應該嘗試檢測避免擁塞。

3. 報文重複

   某些組播協議的特殊機制（如Assert機制和SPT切換機制）可能會造成偶爾的資料包的重複。組播應用程式應該容忍這種現象。

4. 報文失序

   同樣組播協議有的時候會造成報文到達的次序錯亂，組播應用程式必須自己採用某種手段進行糾正（比如緩衝池機制等）。

原理描述

組播基本概念：

組播傳輸的特點是單點發送，多點接收。

• 組播組：用IP組播地址進行標識的一個集合。任何使用者主機（或其他接收裝置），加入一個組播組，就成為了該組成員，可以識別並接收發往該組播組的組播資料。
• 組播源：資訊的傳送者稱為“組播源”，一個組播源可以同時向多個組播組傳送資料，多個組播源也可以同時向一個組播組傳送報文。組播源通常不需要加入組播組，由源端DR負責管理組播源的註冊和SPT（Shortest Path Tree）的建立。
• 組播組成員：所有加入某組播組的主機便成為該組播組的成員，組播組中的成員是動態的，主機可以在任何時刻加入或離開組播組。組播組成員可以廣泛地分佈在網路中的任何地方。
• 組播路由器：支援三層組播功能的路由器或交換機。組播路由器不僅能夠提供組播路由功能，也能夠在與使用者連線的末梢網段上提供組播組成員的管理功能。

組播服務模型：

組播服務模型的分類是針對接收者主機的，對組播源沒有區別。組播源發出的組播資料中總是以組播源自己的IP地址為報文的源地址，組播組地址為目的地址。而接收者主機接收資料時可以對源進行選擇，因此產生了ASM（Any-Source Multicast）和SSM（Source-Specific Multicast）兩種服務模型。這兩種服務模型預設使用不同的組播組地址範圍。

ASM模型：

• ASM模型僅針對組地址提供組播分發。一個組播組地址作為一個網路服務的集合，任何源釋出到該組地址的資料得到同樣的服務。接收者主機加入組播組以後可以接收到任意源傳送到該組的資料。
• 為了提高安全性，可以在路由器上配置針對組播源的過濾策略，允許或禁止來自某些組播源的報文通過。最終從接收者角度看，資料是經過篩選的。
• ASM模型要求組地址必須整個組播網路中唯一。“唯一”指的是同一時刻一個ASM地址只能被一種組播應用使用。如果有兩種不同的應用程式使用了同一個ASM組地址傳送資料，它們的接收者會同時收到來自兩個源的資料。這樣一方面會導致網路流量擁塞，另一方面也會給接收者主機造成困擾。

SSM模型：

• SSM模型針對特定源和組的繫結資料流提供服務，接收者主機在加入組播組時，可以指定只接收哪些源的資料或指定拒絕接收來自哪些源的資料。加入組播組以後，主機只會收到指定源傳送到該組的資料。
• SSM模型對組地址不再要求全網唯一，只需要每個組播源保持唯一。這裡的“唯一”指的是同一個源上不同的組播應用必須使用不同的SSM地址來區分。不同的源之間可以使用相同的組地址，因為SSM模型中針對每一個（源，組）資訊都會生成表項。這樣一方面節省了組播組地址，另一方面也不會造成網路擁塞。

組播地址：

為了使組播源和組播組成員進行通訊，需要提供網路層組播，使用IP組播地址。同時，為了在本地物理網路上實現組播資訊的正確傳輸，需要提供鏈路層組播，使用組播MAC地址。組播資料傳輸時，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組播地址對映為組播MAC地址。

IPv4組播地址：

IANA（Internet Assigned Numbers Authority，網際網路編號分配委員會）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位為1110，因此地址範圍從224.0.0.0到239.255.255.255，具體分類及含義見下表：

常見的永久組地址列表：

IPv6組播地址：

和IPv4組播地址相比，IPv6組播地址有了明確的Group ID欄位用於標識組播組。

• FF：最高8位為11111111，標識此地址為組播地址。即IPv6組播地址總是以FF開頭。
• Flags欄位（4位），用來標識組播地址的狀態。其含義如下:

• ​

• 取值	含義
  0	表示是IANA指定的常用組播地址，也叫保留組地址
  1	表示是ASM範圍的組播地址
  2	表示是ASM範圍的組播地址
  3	表示是SSM範圍的組播地址
  其他	未分配

• Scope欄位（4位）：用來標識組播組的應用範圍，例如是隻包含同一本地網路、同一站點、同一機構中的節點，還是包含全球地址空間內的任何節點。其含義如下：

• 取值	含義
  0、3、F	保留
  1	節點（或介面）本地範圍（node/interface-local scope）
  2	鏈路本地範圍（link-local scope）
  4	管理本地範圍（admin-local scope）
  5	站點本地範圍（site-local scope）
  8	機構本地範圍（organization-local scope）
  E	全球範圍（global scope）
  其他	未分配

• Group ID（112位）：組播組標識號。用來在由Scope欄位所指定的範圍內唯一標識組播組，該標識可能是永久分配的或臨時的，這由Flags欄位的T位決定。

IPv6組播地址範圍及含義：

IPv4組播MAC地址：

乙太網傳輸IPv4單播報文的時候，目的MAC地址使用的是接收者的MAC地址。但是在傳輸組播資料時，其目的地不再是一個具體的接收者，而是一個成員不確定的組，所以要使用IPv4組播MAC地址，即IPv4組播地址對映到鏈路層中的地址。

IANA規定，IPv4組播MAC地址的高24位為0x01005e，第25位為0，低23位為IPv4組播地址的低23位，例如組播組地址224.0.1.1對應的組播MAC地址為01-00-5e-00-01-01。

IPv4組播地址的前4位是固定的1110，對應組播MAC地址的高25位，後28位中只有23位被對映到MAC地址，因此丟失了5位的地址資訊，直接結果是有32個IPv4組播地址對映到同一MAC地址上。

IPv6組播地址：

IPv6組播MAC地址的高16位為0x3333，低32位為IPv6組播地址的低32位。

組播的相關協議：

組播協議包括用於主機註冊的組播組管理協議，和用於組播選路轉發的組播路由協議。

• IGMP（InternetGroup Management Protocol）在接收者主機和組播路由器之間執行，該協議定義了主機與路由器之間建立和維護組播成員關係的機制。

組播路由器之間執行組播路由協議，組播路由協議用於建立和維護組播路由，並正確、高效地轉發組播資料包。

對於ASM模型，可以將組播路由分為域內和域間兩大類。

域內組播路由協議用來在自治系統AS（AutonomousSystem）內發現組播源並構建組播分發樹，將資訊傳遞到接收者。域內組播路由協議包括：DVRMP、MOSPF、PIM。

• DVRMP是距離向量組播路由協議（DistanceVector Multicast Routing Protocol）是一種密集模式協議。該協議有跳數限制，最大跳數32跳。
• MOSPF是OSPF路由協議的擴充套件協議。它通過定義新的LSA來支援組播。
• PIM（Protocol Independent Multicast為稀疏時，）是典型的域內組播路由協議，分為DM（DenseMode）和SM（SparseMode）兩種模型。當接收者在網路中的分佈較為密集時，適用DM；較適用SM。PIM必須和單播路由協議協同工作。

域間組播路由協議用來實現組播資訊在AS之間的傳遞。

• MSDP（MulticastSource Discovery Protocol）能夠跨越AS傳播組播源資訊。
• MPBGP（MultiProtocolBorder Gateway Protocol）的組播擴充套件MBGP（MulticastBGP）能夠跨越AS傳播組播路由。

對於SSM模型，沒有域內和域間的劃分。由於接收者預先知道組播源的具體位置，因此可以藉助PIMSM的部分功能直接建立組播傳輸路徑。