组播之IGMP（2）

公共互联网中的一些团体经常会用到IP组播（Mbone就是一个例子），此外IP组播还被用于Internet2等私有IP网络中的一些特殊应用。链路本地组播是指将IP组播包发往处于同一物理的或虚拟的数据链路层的若干主机组。由于这种组播不需要复杂的路由，因此其应用要广泛得多。在IPv6中，它被用于地址解析，而在零配置网络中，它取代了低效的广播协议，完成服务发现、名字解析和地址冲突解析的功能。
IP组播会议的第一次大规模演示是在1992年3月的第23届IETF大会上，当时它被用于向全世界的研究人员和感兴趣的观察员们广播一些会议。之后，IETF的一些会议就被有选择地继续在MBONE和一些私有组播网络上多播。
组播安全性是一个重要的问题。标准的、实用的通信安全解决方案一般采用的是对称加密。但是将其应用于IP组播流量可能会使任何一个接收方都拥有冒充发送方的能力。这显然是令人无法接受的。IETF的MSEC工作组正在开发用以解决这一问题的安全协议，这些协议大多都是在IPsec协议集的体系框架内开发的。
IPsec不能被用于组播方案，这是因为IPsec安全关联是被绑定到两个而非多个主机的。IETF提出了一个新的协议——TESLA，就组播安全性而言，这个协议是灵活且令人信服的。 组播协议分为主机-路由器之间的组成员关系协议和路由器-路由器之间的组播路由协议。组成员关系协议包括IGMP（互连网组管理协议）。组播路由协议分为域内组播路由协议及域间组播路由协议。域内组播路由协议包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP等协议，域间组播路由协议包括MBGP、MSDP等协议。同时为了有效抑制组播数据在链路层的扩散，引入了IGMP Snooping、CGMP等二层组播协议。对组播的技术历史作出了巨大的贡献！
IGMP建立并且维护路由器直联网段的组成员关系信息。域内组播路由协议根据IGMP维护的这些组播组成员关系信息，运用一定的组播路由算法构造组播分发树进行组播数据包转发。域间组播路由协议在各自治域间发布具有组播能力的路由信息以及组播源信息，以使组播数据在域间进行转发。 组播IP地址用于标识一个IP组播组。IANA（internet assigned number authority）把D类地址空间分配给IP组播，其范围是从224000到239255255255。如下图所示（二进制表示），IP组播地址前四位均为1110八位组⑴ 八位组⑵ 八位组⑶ 八位组⑷1110
XXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX组播组可以是永久的也可以是临时的。组播组地址中，有一部分由官方分配的，称为永久组播组。永久组播组保持不变的是它的ip地址，组中的成员构成可以发生变化。永久组播组中成员的数量都可以是任意的，甚至可以为零。那些没有保留下来供永久组播组使用的ip组播地址，可以被临时组播组利用。
224000～22400255为预留的组播地址（永久组地址），地址224000保留不做分配，其它地址供路由协议使用。
224010～238255255255为用户可用的组播地址（临时组地址），全网范围内有效。
239000～239255255255为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效。常用的预留组播地址列表如下：
224000 基准地址（保留）
224001 所有主机的地址
224002 所有组播路由器的地址
224003 不分配
224004dvmrp（Distance Vector Multicast Routing Protocol，距离矢量组播路由协议）路由器
224005 ospf（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）路由器
224006 ospf dr（Designated Router，指定路由器）
224007 st (Shared Tree，共享树）路由器
224008 st主机
224009 rip-2路由器
2240010 Eigrp(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol，增强网关内部路由线路协议）路由器　2240011 活动代理
2240012 dhcp服务器/中继代理
2240013 所有pim (Protocol Independent Multicast，协议无关组播）路由器
2240014 rsvp （Resource Reservation Protocol，资源预留协议）封装
2240015 所有cbt 路由器
2240016 指定sbm（Subnetwork Bandwidth Management，子网带宽管理）
2240017 所有sbms
2240018 vrrp（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由器冗余协议）
239255255255 SSDP协议使用
组播MAC地址
组播MAC地址的高24bit为0x01005e，第25bit为0，即高25bit为固定值。MAC地址的低23bit为组播IP地址的低23bit。由于 IP组播地址的前4bit 是1110，代表组播标识，而后28bit 中只有23bit 被映射到MAC 地址，这样IP 地址中就有5bit 信息丢失，导致的结果是出现了32 个IP 组播地址映射到同一MAC 地址上。 在组播方式中，信息的发送者称为“组播源”，信息接收者称为该信息的“组播组”，支持组播信息传输的所有路由器称为“组播路由器”。加入同一组播组的接收者成员可以广泛分布在网络中的任何地方，即“组播组”没有地域限制。需要注意的是，组播源不一定属于组播组，它向组播组发送数据，自己不一定是接收者。多个组播源可以同时向一个组播组发送报文。
假设只有 Host B、Host D 和Host E 需要信息，采用组播方式时，可以让这些主机加入同一个组播组（Multicast group），组播源向该组播组只需发送一份信息，并由网络中各路由器根据该组播组中各成员的分布情况对该信息进行复制和转发，最后该信息会准确地发送给Host B、Host D 和Host E。 IGMP协议运行于主机和与主机直接相连的组播路由器之间，主机通过此协议告诉本地路由器希望加入并接受某个特定组播组的信息，同时路由器通过此协议周期性地查询局域网内某个已知组的成员是否处于活动状态（即该网段是否仍有属于某个组播组的成员），实现所连网络组成员关系的收集与维护。
IGMP有三个版本，IGMPv1由RFC1112定义，目前通用的是IGMPv2，由RFC2236定义。IGMPv3目前仍然是一个草案。IGMPv1中定义了基本的组成员查询和报告过程，IGMPv2在此基础上添加了组成员快速离开的机制，IGMPv3中增加的主要功能是成员可以指定接收或指定不接收某些组播源的报文。这里着重介绍IGMPv2协议的功能。
IGMPv2通过查询器选举机制为所连网段选举唯一的查询器。查询器周期性的发送普遍组查询消息进行成员关系查询；主机发送报告消息来应答查询。当要加入组播组时，主机不必等待查询消息，主动发送报告消息。当要离开组播组时，主机发送离开组消息；收到离开组消息后，查询器发送特定组查询消息来确定是否所有组成员都已离开。
通过上述IGMP机制，在组播路由器里建立起一张表，其中包含路由器的各个端口以及在端口所对应的子网上都有哪些组的成员。当路由器接收到某个组G的数据报文后，只向那些有G的成员的端口上转发数据报文。至于数据报文在路由器之间如何转发则由路由协议决定，IGMP协议并不负责。 网络二层组播相关协议包括IGMP Snooping,IGMP Proxy和CGMP协议。
IGMP Snooping的实现机理是：交换机通过侦听主机发向路由器的IGMP成员报告消息的方式，形成组成员和交换机接口的对应关系；交换机根据该对应关系将收到组播数据包只转给具有组成员的接口。
IGMP Proxy与IGMP Snooping实现功能相同但机理相异：IGMP snooping只是通过侦听IGMP的消息来获取有关信息，而IGMP Proxy则拦截了终端用户的IGMP请求并进行相关处理后，再将它转发给上层路由器。
CGMP(Cisco Group Management Protocol）是Cisco基于客户机/服务器模型开发的私有协议，在CGMP的支持下，组播路由器能够根据接收到的IGMP数据包通知交换机哪些主机何时加入和脱离组播组，交换机利用由这些信息所构建的转发表来确定将组播数据包向哪些接口转发。GMRP是主机到以太网交换机的标准协议，它使组播用户可以在第二层交换机上对组播成员进行注册。 众多的组播路由协议中，目前应用最多的协议是 PIM-SM稀疏模式协议无关组播。
在PIM-SM域中，运行PIM-SM协议的路由器周期性的发送Hello消息，用以发现邻接的PIM路由器，并且负责在多路访问网络中进行指定路由器（DR）的选举。这里，DR负责为其直连组成员朝着组播分发树根节点的方向发送加入/剪枝消息，或是将直连组播源的数据发向组播分发树。 组播的规范是在1989年出版的，但是它的使用受到了限制。Internet上的路由器目前并不是都具有组播的能力。在这样一种情况下，研究者们为了在现有情况下开发和测试组播协议的应用，建立了组播骨干网（Multicast Backbone，Mbone）。Mbone支持组播分组的路由选择而不打扰其它的因特网业务流。
Mbone是一种跨越几个大陆的，由志愿者合作完成的实验性的网络。它是一个相互连接的子网和路由器的集合，这些子网和路由器支持IP组播业务流的传送。作为因特网上的虚拟网络，Mbone通过隧道（Tunneling）来旁路因特网上无组播能力的路由器。
隧道把组播数据包封装在IP包（即单播数据包）中来通过哪些不支持组播路由的网络。如图5所示，MR3和MR4是支持IGMP协议的有组播能力的路由器，他们把组播数据包封装在单播数据包中来发送，同时它们还从收到的单播数据包中取出组播数据包。R1和R2是没有组播能力的路由器，它们像传送其它普通单播数据包那样来传送封装有组播数据包的单播数据包。 点对多点应用是指一个发送者，多个接收者的应用形式，这是最常见的组播应用形式。
典型的应用包括：
媒体广播：如演讲、演示、会议等按日程进行的事件。其传统媒体分发手段通常采用电视和广播。这一类应用通常需要一个或多个恒定速率的数据流，当采用多个数据流（如语音和视频）时，往往它们之间需要同步，并且相互之间有不同的优先级。它们往往要求较高的带宽、较小的延时抖动，但是对绝对延时的要求不是很高。
媒体推送：如新闻标题、天气变化、运动比分等一些非商业关键性的动态变化的信息。它们要求的带宽较低、对延时也没有什么要求。
信息缓存： 如网站信息、执行代码和其他基于文件的分布式复制或缓存更新。它们对带宽的要求一般，对延时的要求也一般。
事件通知：如网络时间、组播会话日程、随机数字、密钥、配置更新、有效范围的网络警报或其他有用信息。它们对带宽的需求有所不同，但是一般都比较低，对延时的要求也一般。
状态监视：如股票价格、传感设备、安全系统、生产信息或其他实时信息。这类带宽要求根据采样周期和精度有所不同，可能会有恒定速率带宽或突发带宽要求，通常对带宽和延时的要求一般。 多点对多点应用是指多个发送者和多个接收者的应用形式。通常，每个接收者可以接收多个发送者发送的数据，同时，每个发送者可以把数据发送给多个接收者。
典型应用包括：
多点会议: 通常音/视频和白板应用构成多点会议应用。在多点会议中，不同的数据流拥有不同的优先级。传统的多点会议采用专门的多点控制单元来协调和分配它们，采用组播可以直接由任何一个发送者向所有接收者发送，多点控制单元用来控制当前发言权。这类应用对带宽和延时要求都比较高。
资源同步：如日程、目录、信息等分布数据库的同步。它们对带宽和延时的要求一般。
并行处理: 如分布式并行处理。它对带宽和延时的要求都比较高。
协同处理：如共享文档的编辑。它对带宽和延时的要求一般。
远程学习: 这实际上是媒体广播应用加上对上行数据流（允许学生向老师提问）的支持。它对带宽和延时的要求一般。
讨论组：类似于基于文本的多点会议，还可以提供一些模拟的表达。
分布式交互模拟（DIS）：它对带宽和时延的要求较高。
多人游戏: 多人游戏是一种带讨论组能力的简单分布式交互模拟。它对带宽和时延的要求都比较高。
Jam Session：这是一种音频编码共享应用。它对带宽和时延的要求都比较高。
多点对点的应用
多点对点应用是指多个发送者，一个接收者的应用形式。通常是双向请求响应应用，任何一端（多点或点）都有可能发起请求。典型应用包括：
资源查找：如服务定位，它要求的带宽较低，对时延的要求一般。
数据收集：它是点对多点应用中状态监视应用的反向过程。它可能由多个传感设备把数据发回给一个数据收集主机。带宽要求根据采样周期和精度有所不同，可能会有恒定速率带宽或突发带宽要求，通常这类应用对带宽和延时的要求一般。
网络竟拍：拍卖者拍卖产品，而多个竟拍者把标价发回给拍卖者。
信息询问: 询问者发送一个询问，所有被询问者返回应答。通常这对带宽的要求较低，对延时不太敏感。
Juke Box：如支持准点播（Near-On-Demand）的音视频倒放。通常接收者采用“带外的”协议机制（如>

分布式：服务分散部署在不同服务器组成一个整体应用，分散压力，解决高并发。

假设访问量特别大，就可以做成分布式，将一个大项目拆分出来单独运行。跟cdn一样的机制。

Redis分布式：将redis中的数据分布到不同的服务器上，每台服务器存储不同内容。Mysql集群是每台服务器都存放相同数据。分布式部署：系统应用部署在2台或以上服务器或虚拟机上，服务间通过RPC、WCF(包含WebService）等交互，即可称作分布式部署。微服务也算作分布式的一种，反之则不然。分布式优点:1、将模块拆分，使用接口通信，降低模块之间的耦合度。2、将项目拆分成若干个子项目，不同团队负责不同子项目。3、增加功能时只需再加一个子项目，调用其它系统接口即可。4、可灵活进行分布式部署。5、提高代码的复用性，比如service层，如果不采用分布式rest服务方式架构，在手机Wap商城、微信商城、PC、Android、ios每个端都要写一个service层逻辑，开发量大，难以维护和一起升级，此时可采用分布式rest服务方式共用一个service层。缺点：系统之间交互要使用远程通信，接口开发增大工作量，但利大于弊。微服务：可单独部署运行的微小服务，一个服务只完成单一功能分散能力，服务之间通过RPC等交互，至少有一个数据库。用户量过大高并发时，建议将应用拆解为多个子系统，各自隔离，独立负责功能。缺点：服务数量大，后期运维较难。分布式、微服务区别：分布式依赖整体组合，是系统的部署方式；微服务是架构设计方式，粒度更小，服务之间耦合度更低。独立小团队负责，敏捷性更高。集群：多台服务器复制部署相同应用，由负载均衡共同对外提供服务，逻辑功能仍是单体应用。项目如果跑在一台机器上，这台机器如果出现故障，或者用户请求量比较高一台机器支撑不住，网站可能就访问不了。那怎么解决呢？就需要使用多台机器，复制部署一样的程序，让几个机器同时运行网站。那怎么分发请求到所有机器上？所以负载均衡的概念就出现了。负载均衡：将请求分发以分摊服务器压力。基于反向代理能将所有的请求根据指定的策略算法，分发到不同的服务器上。实现负载均衡常用Nginx、LVS。负载均衡服务器出现问题了怎么办？所有冗余的概念就出现了。冗余：两台或多台服务器，一个主服务器，一个从服务器。假设一个主服务器的负载均衡服务器出现问题，从服务器能替代主服务器来继续负载均衡。实现的方式就是使用Keepalive来抢占虚拟主机。双机双工模式：目前Cluster（集群）的一种形式，两台服务器均为活动状态，同时运行相同的应用，保证整体的性能，也实现了负载均衡和互为备份。WEB服务器或FTP服务器等用此种方式比较多。实现多台服务器代码（文件）同步方案：1、负载均衡中实现代码同步rsync。2、rsync+inotify逐一文件监听并实时同步。3、实现redis共享session。

在网络中，主机间可以用三种不同的地址进行通信：

单播地址（unicast）：即在子网中主机的唯一地址（接口）。如IP地址MAC地址：
80:C0:F6:A0:4A:B1。

广播地址：这种类型的地址用来向子网内的所有主机（接口）发送数据。如广播IP地址是
，MAC广播地址：FF:FF:FF:FF:FF。

组播地址：通过该地址向子网内的多个主机即主机群（接口）发送数据。

如果只是向子网内的部分主机发送报文，组播地址就很有用处了；在需要向多个主机发送多媒体信息
（如实时音频、视频）的情况下，考虑到其所需的带宽，分别向每一客户端主机发送数据并不是个好办法，如
果发送主机与某些接收端的客户主机不在子网之内，采用广播方式也不是一个好的解决方案。

单播：网络节点之间的通信就好像是人们之间的对话一样。如果一个人对另外一个人说话，那么用网络技术的术语来描述就是“单播”，此时信息的接收和传递只在两个节点之间进行。单播在网络中得到了广泛的应用，网络上绝大部分的数据都是以单播的形式传输的，只是一般网络用户不知道而已。例如，你在收发电子邮件、浏览网页时，必须与邮件服务器、Web服务器建立连接，此时使用的就是单播数据传输方式。但是通常使用“点对点通信”（Point to Point）代替“单播”，因为“单播”一般与“多播”和“广播”相对应使用。

多播：“多播”也可以称为“组播”，在网络技术的应用并不是很多，网上视频会议、网上视频点播特别适合采用多播方式。因为如果采用单播方式，逐个节点传输，有多少个目标节点，就会有多少次传送过程，这种方式显然效率极低，是不可取的；如果采用不区分目标、全部发送的广播方式，虽然一次可以传送完数据，但是显然达不到区分特定数据接收对象的目的。采用多播方式，既可以实现一次传送所有目标节点的数据，也可以达到只对特定对象传送数据的目的。 IP网络的多播一般通过多播IP地址来实现。多播IP地址就是D类IP地址，即224000至239255255255之间的IP地址。Windows 2000中的DHCP管理器支持多播IP地址的自动分配。

单播：
主机之间一对一的通讯模式，网络中的交换机和路由器对数据只进行转发不进行复制。如果10个客户机需要相同的数据，则服务器需要逐一传送，重复10次相同的工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应，所以现在的网页浏览全部都是采用单播模式，具体的说就是IP单播协议。网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径，将IP单播数据传送到其指定的目的地。
单播的优点：
1、服务器及时响应客户机的请求
2、服务器针对每个客户不通的请求发送不通的数据，容易实现个性化服务。

单播的缺点：
1、服务器针对每个客户机发送数据流，服务器流量＝客户机数量×客户机流量；在客户数量大、每个客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负。
2、现有的网络带宽是金字塔结构，城际省际主干带宽仅仅相当于其所有用户带宽之和的5％。如果全部使用单播协议，将造成网络主干不堪重负。现在的P2P应用就已经使主干经常阻塞。而将主干扩展20倍几乎是不可能。

组播：
主机之间一对一组的通讯模式，也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组，网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据，即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要（加入组）的主机，又能保证不影响其他不需要（未加入组）的主机的其他通讯。组播的优点：
1、需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的负载。具备广播所具备的优点。
2、由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发，所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。IP协议允许有2亿6千多万个组播，所以其提供的服务可以非常丰富。 
3、此协议和单播协议一样允许在Internet宽带网上传输。

组播的缺点：
1、与单播协议相比没有纠错机制，发生丢包错包后难以弥补，但可以通过一定的容错机制和QOS加以弥补。
2、现行网络虽然都支持组播的传输，但在客户认证、QOS等方面还需要完善，这些缺点在理论上都有成熟的解决方案，只是需要逐步推广应用到现存网络当中。

MLD（multicast listener discover）组播侦听者发现协议，主要是ipv6路由器在其直连网段上发现组播侦听者。

路由器使用 IPv6单播链路本地地址作为源地址 发送MLD报文。MLD使用ICMPv6（Internet Control Message Protocol for IPv6，针对IPv6的互联网控制报文协议）报文类型。和IGMP协议一样，所有的MLD报文被限制在本地链路上，跳数为1。解释一下：单播链路本地地址前缀为FE80::/64，这个概念类似于ipv4中，当DHCP分配失败时自动生成的169254XXXXXX这样的地址，凡是源地址或目的地址中含有link-local address的报文，路由器都不应当转发它。这样的报文只能在一个LAN中互通。

简单介绍一下MLD两个版本：MLDv1和MLDv2，详见百度。

MLDv1协议是从IGMPv2协议中派生出来的，其运行机制和IGMPv2协议相同，专门用于IPv6组播群组的管理，其主要是应用于ASM（Any Specific Multicast）模式组播路由协议的组管理工作。主要功能有查询路由器的选举、查询报文、响应抑制、报告报文、离开报文、特定组查询报文、快速离开。

MLDv2从IGMPv3中发展过来，和MLDv1相比，增加了源过滤功能，不仅能够支持ASM模式组播路由协议，而且还能够支持基于IPv6的SSM（Source Specific Multieast）模式组播路由协议。

重点介绍一下如何测试MLD Snooping？针对我们自研的RTK switch

MLDv1测试环境搭建——采用vlc

vlc的一些版本支持ipv6组播服务器的搭建与点播，步骤和ipv4组播服务器的搭建一样，只需要将ipv4的组播地址改成ipv6组播地址，在客户端上输入的网络url格式为rtp://@[ff1e::1]:5004这样的即可。

这里涉及到ipv6的组播地址，要想了解ipv6组播地址更多内容请参见文章《IPv6的组播地址（掌握IPv6通信原理的关键知识点）》>