1.1 组播简介
随着Internet的不断发展，数据、语音和视频信息等多种交互业务与日俱增，另外新兴的电子商务、网上会议、网上拍卖、视频点播、远程教学等对带宽和实时数据交互要求较高的服务逐渐兴起，这些服务对信息安全性、可计费性、网络带宽提出了更高的要求。
在网络中，存在着三种发送报文的方式：单播、广播、组播。下面我们对这三种传输方式的数据交互过程分别进行介绍和对比。
1.1.1 单播方式的信息传输过程采用单播（Unicast）方式时，系统为每个需求该信息的用户单独建立一条数据传送通路，并为该用户发送一份独立的拷贝信息，如图1-1：
图1-1 单播方式传输信息
假设用户B、D和E需要该信息，则信息源Server必须分别和用户B、D、E的设备建立传输通道。由于网络中传输的信息量和要求接收该信息的用户量成正比，因此当需要相同信息的用户数量很庞大时，服务器就必须要将多份内容相同的信息发送给用户。因此，带宽将成为信息传输中的瓶颈。
从单播信息的传播过程可以看出，单播的信息传输方式不利于信息规模化发送。
1.1.2 广播方式的信息传输过程如果采用广播（Broadcast）方式，系统把信息传送给网络中的所有用户，不管他们是否需要，任何用户都会接收到广播来的信息，如图1-2：
图1-2 广播方式传输信息
假设用户B、D和E需求该信息，则信息源Server通过路由器广播该信息，网络其他用户A和C也同样接收到该信息，信息安全性和有偿服务得不到保障。
从广播信息的传播过程可以看出，广播的保密性和有偿性比较差。并且当同一网络中需求该信息的用户量很小时，网络资源利用率将非常低，带宽浪费严重。
因此，广播不利于对特定用户进行数据交互，并且还严重的占用带宽。
1.1.3 组播方式传输信息综上所述，单播方式适合用户较少的网络，而广播方式适合用户稠密的网络，当网络中需求某信息的用户量不确定时，单播和广播方式效率很低。
IP组播技术的出现及时解决了这个问题。当网络中的某些用户需要特定信息时，组播信息发送者（即组播源）仅发送一次信息，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的信息在距离用户端尽可能近的节点才开始复制和分发，如图1-3。
图1-3 组播方式传输信息
假设用户B、D和E需求该信息，为了将信息顺利地传输给真正需要该信息的用户，需要将用户B、D、E组成一个接收者集合，由网络中各路由器根据该集合中各接收者的分布情况进行信息转发和复制，最后准确地传输给实际需要的接收者B、D和E。
相比单播来说，组播的优点在于：
l 不论接收者有多少，相同的组播数据流在每一条链路上最多仅有一份。
l 使用组播方式传递信息，用户数量的增加不会显著增加网络的负载。
相比广播来说，组播的优点在于：
l 组播数据流仅会发送到要求数据的接收者。
l 不会造成网络资源的浪费，合理的利用带宽。
1.1.4 组播中各部分的角色在组播方式的信息传输过程中，网络中各部分的角色如下：
l 信息的发送者称为“组播源”，如图1-3中的Source；
l 所有的接收者都是“组播组成员”，如图1-3中的Receiver；
l 由所有接收者构成一个“组播组”，组播组不受地域的限制；
l 支持三层组播功能的路由器称为“组播路由器”或“三层组播设备”，组播路由器不仅能够提供组播路由功能，也能够提供组播组成员的管理功能。
为了更好地理解，可以将组播方式的信息传输过程类比于电视节目的传送过程，如表1-1所示。
表1-1 组播信息传输与电视节目传输的类比
步骤
电视节目的传送过程
组播方式的信息传输过程
1
电视台S通过频道G传送电视节目
组播源S向组播组G发送组播数据
2
用户U将电视机的频道调至频道G
接收者U加入组播组G
3
用户U能够收看到由电视台S通过频道G传送的电视节目了
接收者U能够收到由组播源S发往组播组G的组播数据了
4
用户U关闭电视机
接收者U离开组播组G
1.1.5 组播中常用的表示法
在组播中，经常出现以下两种表示方式：
l （，G）：通常用来表示共享树，或者由任意组播源发往组播组G的组播报文。其中的“”代表任意组播源，“G”代表特定组播组G。
l （S，G）：也称为“组播源组”，通常用来表示最短路径树，或者由组播源S发往组播组G的组播报文。其中的“S”代表特定组播源S，“G”代表特定组播组G。
1.1.6 组播的优点和应用 1. 组播的优点
组播的优势在于：
l 提高效率：降低网络流量，减轻服务器和CPU负荷。
l 优化性能：减少冗余流量。
l 分布式应用：使多点应用成为可能。
2. 组播的应用组播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题，实现了IP网络中点到多点的高效数据传送，能够节约大量网络带宽、降低网络负载。
组播功能主要有以下的应用：
l 多媒体、流媒体的应用，如：网络电视、网络电台、实时视/音频会议。
l 培训、联合作业场合的通信，如：远程教育。
l 数据仓库、金融应用（股票）等。
l 任何“点到多点”的数据发布应用。
1.2 组播模型分类根据对组播源处理方式的不同，组播模型有下列三种：
l ASM（Any-Source Multicast，任意信源组播）
l SFM（Source-Filtered Multicast，信源过滤组播）
l SSM（Source-Specific Multicast，指定信源组播）
1. ASM模型简单地说，ASM模型就是任意源组播模型。
在ASM模型中，任意一个发送者都可以成为组播源，向某组播组地址发送信息。众多接收者通过加入由该组播组地址标识的组播组以获得发往该组播组的组播信息。
在ASM模型中，接收者无法预先知道组播源的位置，但可以在任意时间加入或离开该组播组。
2. SFM模型SFM模型继承了ASM模型，tp钱包app下载从发送者角度来看， tpwallet官方网站两者的组播组成员关系完全相同。
同时，SFM模型在功能上对ASM模型进行了扩展。在SFM模型中，上层软件对收到的组播报文的源地址进行检查，允许或禁止来自某些组播源的报文通过。因此，接收者只能收到来自部分组播源的组播数据。从接收者的角度来看，只有部分组播源是有效的，组播源被经过了筛选。
3. SSM模型在现实生活中，用户可能只对某些组播源发送的组播信息感兴趣，而不愿接收其它源发送的信息。SSM模型为用户提供了一种能够在客户端指定组播源的传输服务。
SSM模型与ASM模型的根本区别在于：SSM模型中的接收者已经通过其他手段预先知道了组播源的具体位置。SSM模型使用与ASM/SFM模型不同的组播地址范围，直接在接收者和其指定的组播源之间建立专用的组播转发路径。
1.3 组播的框架结构IP组播技术比较复杂，其根本用途是以组播方式将信息从组播源传输到接收者手中，同时满足接收者对信息的各种需求。对于IP组播，需要关注的是：
l 网络中有哪些接收者？即主机注册。
l 这些接收者需要从哪个组播源接收信息？即组播源发现技术。
l 组播源将组播信息传输到哪里？即组播寻址机制。
l 组播信息如何传输？即组播路由。
IP组播属于一种端到端服务，按照协议层从下往上划分，组播机制包括以下四个部分：
l 寻址机制：借助组播地址，实现信息从组播源发送到一组接收者。
l 主机注册：使用组播成员注册机制实现接收主机动态加入和离开组播组。
l 组播路由：使用组播路由构建报文分发树，从组播源传输报文到接收者。
l 组播应用：组播源必须支持视频会议等组播应用软件，TCP/IP协议栈必须支持组播信息的发送和接收。
1.3.1 组播地址由于信息的接收者是一个组播组内的多个主机，因此需要面对信息源该将信息发往何处、目的地址如何选取的问题。
这些问题简而言之就是组播寻址。为了让信息源和组播组成员进行通讯，需要提供网络层组播地址，即IP组播地址。同时必须存在一种技术将IP组播地址映射为链路层MAC组播地址。下面分别介绍这两种组播地址。
1. IP组播地址根据IANA（Internet Assigned Numbers Authority，因特网编号授权委员会）规定，IP地址分为五类，即A类、B类、C类、D类和E类。
l 单播报文按照网络规模大小分别使用A、B、C三类IP地址。
l 组播报文的目的地址使用D类IP地址，D类地址不能出现在IP报文的源IP地址字段。
l E类地址保留在今后使用。
在单播数据传输过程中，一个数据包传输的路径是从源地址路由到目的地址，利用“逐跳”（hop-by-hop）的原理在IP网络中传输。然而在IP组播环境中，数据包的目的地不是一个，而是一组，形成组地址。所有的信息接收者都加入到一个组内，并且一旦加入之后，流向该组地址的数据立即开始向接收者传输，组中的所有成员都能接收到数据包，这个组就是“组播组”。
组播组具有以下的几个特点：
l 组播组中的成员是动态的，主机可以在任何时刻加入和离开组播组。
l 组播组可以是永久的也可以是临时的。
l 由IANA分配组播地址的组播组称为永久组播组（又称之保留组播组）。
对于永久组播组，要注意的是：
l 永久组播组的IP地址保持不变，但组中的成员构成可以发生变化。
l 永久组播组中成员的数量可以是任意的，甚至可以为零。
l 那些没有保留下来供永久组播组使用的IP组播地址，可以被临时组播组使用。
D类组播地址范围是224.0.0.0～239.255.255.255，范围及含义见表1-2。
表1-2 D类地址的范围及含义
D类地址范围
含义
224.0.0.0～224.0.0.255
预留的组播地址（永久组地址），地址224.0.0.0保留不做分配，其它地址供路由协议使用
224.0.1.0～231.255.255.255
233.0.0.0～238.255.255.255
用户可用的ASM（Any-Source Multicast，任意源组播模型）组播地址（临时组地址），全网范围内有效
232.0.0.0～232.255.255.255
用户可用的SSM（Source-Specific Multicast，指定源组播模型）组播组地址
239.0.0.0～239.255.255.255
本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效
根据IANA的约定，224.0.0.0～224.0.0.255网段地址被预留给本地网络中的路由协议使用，常用的预留IP组播地址列表如下：
表1-3 预留的IP组播地址列表
D类地址范围
含义
224.0.0.1
所有主机的地址
224.0.0.2
所有组播路由器的地址
224.0.0.3
不分配
224.0.0.4
DVMRP（Distance Vector Multicast Routing，距离矢量组播路由协议）路由器
224.0.0.5
OSPF（Open Shortest Path First，最短路径优先）路由器
224.0.0.6
OSPF DR（Open Shortest Path First Ddesignated Router，最短路径优先指定路由器）
224.0.0.7
ST（Shared Tree，共享树）路由器
https://www.bitpiema.com224.0.0.8
ST（Shared Tree，共享树）主机
224.0.0.9
RIP-2路由器
224.0.0.11
活动代理
224.0.0.12
DHCP服务器/中继代理
224.0.0.13
所有PIM（Protocol Independent Multicast，协议无关组播）路由器
224.0.0.14
RSVP（Resource Reservation Protocol，资源预留协议）封装
224.0.0.15
所有CBT（Core-Based Tree，有核树）路由器
224.0.0.16
指定SBM（Subnetwork Bandwidth Management，子网带宽管理）
224.0.0.17
所有SBMS
224.0.0.18
VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由冗余协议）
224.0.0.19– 224.0.0.255
未指定
2. 以太网组播MAC地址
以太网传输单播IP报文的时候，目的MAC地址使用的是接收者的MAC地址。但是在传输组播报文时，传输目标不再是一个具体的接收者，而是一个成员不确定的组，所以需要使用组播MAC地址作为目的地址。
IANA规定，组播MAC地址的高24bit为0x01005e，MAC地址的低23bit为组播IP地址的低23bit，映射关系如图1-4所示：
图1-4 组播IP地址与组播MAC地址的映射关系
由于IP组播地址的高4bit是1110，代表组播标识，而低28bit中只有23bit被映射到MAC地址，这样IP地址中就会有5bit信息丢失，直接的结果是出现了32个IP组播地址映射到同一MAC地址上。
1.3.2 组播协议1. 三层组播协议
三层组播协议包括组播组管理协议和组播路由协议两种类型，它们在网络中的应用位置如图1-5所示。
图1-5 三层组播协议的应用位置
(1) 组播组管理协议
在主机和与其直接相连的三层组播设备之间通常采用组播组的管理协议IGMP（Internet Group Management Protocol，互联网组管理协议），该协议规定了主机与三层组播设备之间建立和维护组播组成员关系的机制。
(2) 组播路由协议
组播路由协议运行在三层组播设备之间，用于建立和维护组播路由，并正确、高效地转发组播数据包。组播路由建立了从一个数据源端到多个接收端的无环（loop-free）数据传输路径，即组播分发树。
对于ASM模型，可以将组播路由分为域内和域间两大类：
l 域内组播路由用来在AS（Autonomous System，自治系统）内部发现组播源并构建组播分发树，从而将组播信息传递到接收者。在众多域内组播路由协议中，PIM（Protocol Independent Multicast，协议无关组播）是目前较为典型的一个。按照转发机制的不同，PIM可以分为DM（Dense Mode，密集模式）和SM（Sparse Mode，稀疏模式）两种模式。
l 域间组播路由用来实现组播信息在AS之间的传递，目前比较成型的解决方案有MSDP（Multicast Source Discovery Protocol，组播源发现协议）等。
对于SSM模型，没有域内和域间的划分。由于接收者预先知道组播源的具体位置，因此只需要借助PIM-SM构建的通道即可实现组播信息的传输。
2. 二层组播协议二层组播协议包括IGMP Snooping和组播VLAN等，它们在网络中的应用位置如图1-6所示。
图1-6 二层组播协议的应用位置
(1) IGMP Snooping
IGMP Snooping（Internet Group Management Protocol Snooping，IGMP侦听）是运行在二层设备上的组播约束机制，通过侦听和分析主机与三层组播设备之间交互的IGMP来管理和控制组播组，从而可以有效抑制组播数据在二层网络中的扩散。
(2) 组播VLAN
在传统的组播点播方式下，当连接在二层设备上、属于不同VLAN的用户分别进行组播点播时，三层组播设备需要向该二层设备的每个VLAN分别发送一份组播数据；而当二层设备运行了组播VLAN之后，三层组播设备只需向该二层设备的组播VLAN发送一份组播数据即可，从而既避免了带宽的浪费，也减轻了三层组播设备的负担。
1.4 组播报文的转发机制在组播模型中，IP报文的目的地址字段为组播组地址，组播源向以此目的地址所标识的主机群组传送信息。因此，转发路径上的组播路由器为了将组播报文传送到各个方位的接收站点，往往需要将从一个入接口收到的组播报文转发到多个出接口。与单播模型相比，组播模型的复杂性就在于此：
l 为了保证组播报文在网络中的传输，必须依靠单播路由表或者单独提供给组播使用的组播路由表来指导转发；
l 为了处理同一设备在不同接口上收到来自不同对端的相同组播信息，需要对组播报文的入接口进行RPF（Reverse Path Forwarding，逆向路径转发）检查，以决定转发还是丢弃该报文。RPF检查机制是大部分组播路由协议进行组播转发的基础。
RPF机制除了可以保证正确地按照组播路由的配置转发组播报文外，还能避免由于各种原因而造成的环路。
1.4.1 RPF机制的应用路由器在收到由组播源S向组播组G发送的组播报文后，首先查找组播转发表：
(1) 如果存在对应的（S，G）表项，且该报文实际到达的接口与组播转发表中的入接口一致，则向所有的出接口执行转发。
(2) 如果存在对应的（S，G）表项，但是该报文实际到达的接口与组播转发表中的入接口不一致，则对此报文执行RPF检查：
l 若检查结果表明RPF接口与现存（S，G）表项的入接口相同，则说明（S，G）表项正确，丢弃这个来自错误路径的报文；
l 若检查结果表明RPF接口与现存（S，G）表项的入接口不符，则说明（S，G）表项已过时，将入接口修改为该报文实际到达的接口，然后向所有的出接口执行转发。
(3) 如果不存在对应的（S，G）表项，则也对该报文执行RPF检查。将RPF接口作为入接口，结合相关路由信息创建相应的表项，并下发到组播转发表中：
l 如果该报文实际到达的接口正是RPF接口，则RPF检查通过，向所有的出接口执行转发；
l 如果该报文实际到达的接口不是RPF接口，则RPF检查失败，丢弃该报文。
1.4.2 RPF检查执行RPF检查的依据是单播路由。单播路由表中汇集了到达各个目的网段的最短路径。组播路由协议并不独立维护某种单播路由，而是依赖于网络中现有的单播路由信息创建组播路由表项。
在执行RPF检查时，路由器查找单播路由表的具体过程：以“报文源”的IP地址为目的地址查找单播路由表，自动选取一条最优单播路由。对应表项中的出接口为RPF接口，下一跳为RPF邻居。路由器认为来自RPF邻居且由该RPF接口收到的组播报文所经历的路径是从源S到本地的最短路径。
如图1-7所示，假设网络中单播路由畅通。组播报文沿从组播源（Source）到接收者（Receiver）的SPT进行传输。
图1-7 RPF检查过程
l SwitchC从接口Vlan-int 1收到来自Source的组播报文，组播转发表中没有相应的转发表项。执行RPF检查，发现单播路由表中到达网段192.168.0.0/24的出接口是Vlan-int 2 ，于是判断该报文实际到达的接口不是RPF接口。RPF检查失败，该组播报文被丢弃。
l Switch C从接口Vlan-int 2收到来自Source的组播报文，组播转发表中没有相应的转发表项。执行RPF检查，发现单播路由表中到达网段192.168.0.0/24的出接口正是该报文实际到达的接口。RPF检查通过，向所有的出接口转发该报文。