一、引言
隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們在網(wǎng)絡(luò)平臺上開發(fā)了各種業(yè)務(wù)，如E-mail、TELNET、FTP、WWW等業(yè)務(wù)，這些都是點到點的數(shù)據(jù)傳輸；而人們更希望在Internet上開視頻會議、聽現(xiàn)場音樂會、看實況轉(zhuǎn)播等，這些是點到多點或多點到多點的數(shù)據(jù)傳輸，需要采用IP組播（IP multicast）通信技術(shù)。目前，這種技術(shù)已成為國外各種研究團體和科研機構(gòu)研究的熱點，許多網(wǎng)絡(luò)廠商紛紛提供能支持IP組播技術(shù)的產(chǎn)品，一些網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)商(ISP)也逐漸提供這種高級服務(wù)，許多提供大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)的大公司開始使用組播通信。

二、IP組播技術(shù)的產(chǎn)生
IP組播的概念最早在1988年出現(xiàn)在Steve deering的博士論文中，并在1989年Steve deering對標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進行了擴展，提出了IP組播規(guī)范；1992年3月第一次建立組播主干網(wǎng)MBone，IETF并成功地在組播網(wǎng)上舉行了一次會議，才引起了人們的廣泛關(guān)注。而第一個WWW瀏覽器出現(xiàn)在1990年，到1993年已發(fā)展到100個WWW站點，所以組播和WWW雖處于同一時期，但組播的發(fā)展遠遠慢于WWW，主要原因是IP組播通信模式需要狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜的路由器，要求路由器能提供每個群組和每個源的信息狀態(tài)，并且隨著Internet的越來越復(fù)雜給組播的進一步發(fā)展帶來了困難。后來，出現(xiàn)的一些設(shè)計精巧的組播路由協(xié)議（如PIM-DM、PIM-SM等），使組播IP包能正確而又迅速地發(fā)送給成千上萬的接收者，IP組播的技術(shù)和應(yīng)用開始快速發(fā)展。

目前，IP組播可以運行在任意體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)之上，包括因特網(wǎng)、ATM、幀中繼、SMDS和衛(wèi)星，并許多應(yīng)用領(lǐng)域，能應(yīng)用在視頻會議、多媒體、新聞發(fā)布和來自太空的遠程實況廣播。

三、IP組播的概念
IP組播是利用一種協(xié)議將IP數(shù)據(jù)包從一個源傳送到多個目的地，將信息的拷貝發(fā)送到一組地址，到達所有想要接收它的接收者處。IP組播是將IP數(shù)據(jù)包“盡最大努力”傳輸?shù)揭粋�構(gòu)成組播群組的主機集合，群組的各個成員可以分布于各個獨立的物理網(wǎng)絡(luò)上。IP組播群組中成員的關(guān)系是動態(tài)的，主機可以隨時加入和退出群組，群組的成員關(guān)系決定了主機是否接收送給該群組的組播數(shù)據(jù)包，不是某群組的成員主機也能向該群組發(fā)送組播數(shù)據(jù)包。

同單播（unicast）和廣播（broadcast）相比，組播效率非常高，因為任何給定的鏈路至多用一次，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源。

在一個單播（unicast）環(huán)境里，視頻服務(wù)器依次送出n個信息流，由網(wǎng)絡(luò)中的用戶接收，共需要nx1.5Mbit/s的帶寬；如果服務(wù)器處于10Mbit/s的以太網(wǎng)內(nèi)，6~7個信息流就占滿了帶寬；若在一個高速的以太網(wǎng)里，最多只能容納250~300個1.5Mbit/s的視頻流，所以服務(wù)器與主機接口間的容量是一個巨大的瓶頸。

在一個組播（multicast）環(huán)境里，不論網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)目有多少，服務(wù)器發(fā)出的一個視頻流，由網(wǎng)絡(luò)中的路由器或交換器同時復(fù)制出n個視頻流，廣播到每個用戶，僅需1.5Mbit/s的帶寬。

可見，IP組播能夠有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源，管理網(wǎng)絡(luò)的增容和控制開銷，大大減輕發(fā)送服務(wù)器的負荷，從而高性能地發(fā)送信息。

另外，組播傳送的信息能同時到達用戶端，時延小，且網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器不需要知道每個客戶機的地址。所有的接收者使用一個網(wǎng)絡(luò)組播地址，可實現(xiàn)匿名服務(wù)，并且IP組播具有可升級性，與新的IP和業(yè)務(wù)能相兼容。

四、IP組播技術(shù)的特點
IP組播技術(shù)具有以下特點。

1.群地址

在組播網(wǎng)中，每個組播群組擁有惟一的組播地址（D類地址），一部分IP組播地址是由Internet管理機構(gòu)分配的，其他的組播地址作為暫時地址被用戶使用；組播數(shù)據(jù)包可以送到標(biāo)識目的組機的組地址，發(fā)送者不必知道有哪些組成員，它自己不必是組成員，對組成員中主機的數(shù)目和位置也沒有限制。主機不需要和組成員以及發(fā)送者商量，可以任意加入和離開組播組；使用組地址，不必知道主機指定的位置，可以找到具有此組播地址的任何資源和服務(wù)器，在動態(tài)變化的信息提供者中搜尋到需要的信息，或者發(fā)布信息到任意大小的可選用戶群。

2.規(guī)�？蓴U展性

如果網(wǎng)絡(luò)速率提高，廣域組播網(wǎng)絡(luò)的容量需要擴大，后來產(chǎn)生的組播路由算法和協(xié)議如PIM-DM、PIM-SM、CBT等都支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴展，而上述的群地址和動態(tài)性也是適應(yīng)規(guī)�？蓴U展性的另一方面。

3.健壯性

IP組播網(wǎng)絡(luò)使用的路由協(xié)議和算法能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)路由動態(tài)變化，它采用軟件狀態(tài)刷新機制，制作路由備份等方法，來維護群組成員之間的連接，加強網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

4.路由算法的獨立性

組播路由算法和協(xié)議獨立于單播路由使用的協(xié)議，但又依靠現(xiàn)存的單播路由表，在域內(nèi)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化，動態(tài)生成組播樹。

5.組播生成樹的靈活性

組播生成樹的形成與發(fā)送者和接收者的分布、網(wǎng)絡(luò)的流量狀況以及組成員的動態(tài)性有關(guān)，且組播生成樹也反映了不同的組播路由算法和組播應(yīng)用。靈活的組播生成樹有利于數(shù)據(jù)包的傳送，不容易造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞。

五、IP組播技術(shù)
1.IP組播地址分配

在組播網(wǎng)內(nèi)，一個組播群組指定為一個D類地址。使用點分十進制表示發(fā)來描述組播地址的范圍是：224.0.0.0到239.255.255.255，但是地址224.0.0.0是保留的，它不能賦給任何群組。

在組播通信模型中，需要兩種新型地址：一個IP組播地址和一個Ethernet組播地址，IP組播地址表示一組接收者，它們要接收發(fā)給整個組的數(shù)據(jù)；由于IP包封裝在Ethernet幀內(nèi)，所以還需要一個Ethernet組播地址。為使組播模型正常工作，主機應(yīng)能同時接收單播和組播數(shù)據(jù)，主機需要多個IP地址和Ethernet地址，其中單播IP和Ethernet地址用于單播通信，而Ethernet組播地址用于組播通信。如果主機不準(zhǔn)備接收組播地址，就設(shè)置為零組播地址。所以，單播和組播地址之間的主要差異在于每個主機都有一個惟一的單播地址，組播地址則不然。

將D類IP地址映射為Ethernet MAC地址是由數(shù)據(jù)鏈路層完成的。從組播映射到令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)第2層地址的過程，是CISCO路由器采取的工作程序，而Ethernet及FDDI網(wǎng)絡(luò)從組播到第2層的映射相當(dāng)直接。

在映射過程中，組播IP地址中共有9位不參與替換，包括高位字節(jié)8位以及緊接在該字節(jié)后面的一個標(biāo)志位，其中最開始的4位1110表示屬于D類IP地址，剩下23位進行替換，將IP組播地址中的低23位取代Ethernet組播地址01：00：5E：00：00：00的低23位。因此，有5位真正不參與映射，無論這些位的值是什么，組播Ethernet地址都是相同的。由于5個位共可以有32種不同的組合，所以映射并不具有惟一性。

2.IGMP

在一個組播路由器建立路由，傳送其組播群組成員關(guān)系信息之前，它必須確定在本地網(wǎng)絡(luò)上有一個或多個主機是否加入了某個組播群組。為此，組播路由器和實現(xiàn)組播的主機必須使用互連網(wǎng)組管理協(xié)議(IGMP，Internet Group Management Protocol)來進行群組成員關(guān)系信息的通信。利用IGMP，組播路由器可判斷在與自己連接的任何一個網(wǎng)絡(luò)上，是否存在組播組的一些成員，如存在組成員，組播路由器便可加入一個特定的組播組，并將組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給加入該組的主機。因此，IGMP被主機用來通知直連的路由器，令其加入一個組播組，使組播網(wǎng)具有動態(tài)性和靈活性。

最初的IGMP規(guī)范是在RFC 1112文件里詳細定義的，我們通常將這套規(guī)范稱為“IGMP版本1”，由斯坦福大學(xué)的S.Deering成文于1989年8月。后來又由施樂PARC公司的W.Fenner對最早的IGMP版本1進行了大幅更新，更新的結(jié)果就是RFC 2236文件即IGMP版本2。兩個版本的IGMP相互間可進行少許操作。在IGMP版本2臨近正式批準(zhǔn)時。IDMR已經(jīng)開始IGMP版本3的研究工作，現(xiàn)在已有的draft為draft-ietf-idmr-igmp-v3-05.txt。IGMPv1中定義了基本的組成員查詢和報告過程，IGMPv2在此基礎(chǔ)上添加了組成員快速離開的機制，IGMPv3中增加的主要功能是成員可以指定接收或指定不接收某些組播源的報文。

3.二層組播相關(guān)協(xié)議

IP網(wǎng)絡(luò)的二層組播相關(guān)協(xié)議包括IGMP Snooping和CGMP。

IGMP Snooping通過交換機去偵聽主機發(fā)向路由器的IGMP成員報告消息的方式，形成組成員和交換機接口的對應(yīng)關(guān)系，放在組播CAM表項中。交換機根據(jù)該對應(yīng)關(guān)系將收到組播數(shù)據(jù)包只轉(zhuǎn)給具有組成員的接口。

CGMP(Cisco Group Management Protocol)是Cisco基于客戶機/服務(wù)器模型開發(fā)的私有協(xié)議，它將運行在路由器和交換機上，允許成員關(guān)系信息從路由器到交換機進行通信。在CGMP的支持下，組播路由器能夠根據(jù)接收到的IGMP數(shù)據(jù)包通知交換機哪些主機何時加入和脫離組播組，交換機利用由這些信息所構(gòu)建的轉(zhuǎn)發(fā)表來確定將組播數(shù)據(jù)包向哪些接口轉(zhuǎn)發(fā)。GMRP是主機到以太網(wǎng)交換機的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它使組播用戶可以在第二層交換機上對組播成員進行注冊。

4.IP組播路由協(xié)議

在路由式網(wǎng)絡(luò)中，對于傳遞組播信息流，一個至關(guān)重要的問題是IP組播路由協(xié)議，它克服了利用單播通信模型傳遞組播信息帶來的帶寬瓶頸，減少了發(fā)送相同數(shù)據(jù)信息到多個接收者的通信費用，這也是IP組播應(yīng)用得到發(fā)展的主要原因。組播網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的流動必須根據(jù)組播路由協(xié)議建立生成樹，使發(fā)送源和組播組成員之間形成一條單獨的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，確保每個數(shù)據(jù)包都能轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

IP組播路由協(xié)議分為域內(nèi)協(xié)議和域間協(xié)議。域內(nèi)協(xié)議包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP、CBT等。域間協(xié)議包括MBGP、MSDP、BGMP等。

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