组播概述

比较组播和单播

Junos® 操作系统 （Junos OS） 路由协议进程支持各种路由协议。这些路由协议在路由设备之间传输网络信息，不仅适用于一对客户端和服务器之间发送的 单播 流量流，还适用于单个服务器源和多个客户端接收器之间包含视频、音频或两者的 组播 流量流。用于组播的路由协议在许多关键方面与单播路由协议不同。

信息通过三种基本方法在网络上传递：单播、广播和组播。

单播、广播和组播之间的差异可以总结如下：

• 单播：一对一，从一个源到一个目的地。

• 广播：一对多，从一个来源到所有可能的目的地。

• 组播：一对多，从一个源到多个目标，表示有兴趣接收流量。

  注意：

  此列表不包括多对多应用（如在线游戏或视频会议）的特殊类别，在这些应用中，同一接收器有许多源，并且接收器通常兼作源。多对多是一种重复采用一对多组播的服务模型，因此不需要唯一的协议。原始组播规范 RFC 1112 支持任意源组播 （ASM） 多对多模型和特定于源的组播 （SSM） 一对多模型。

使用单播流量时，跨网络传输的许多 IP 数据包流从单个源（如网站服务器）流向单个目标（如客户端 PC）。单播流量仍然是网络上最常见的信息传输形式。

广播流量从单一源流向网络上可到达的所有可能目标，通常是 LAN。广播是确保流量到达目的地的最简单方法。

电视网络使用广播来分发视频和音频。即使电视网络是有线电视（CATV）系统，源信号也会到达所有可能的目的地，这是某些频道内容被打乱的主要原因。广播在互联网上是不可行的，因为大量不必要的信息会不断到达每个最终用户的设备，加扰的复杂性和影响以及相关的隐私问题。

组播流量介于单播（一个源，一个目标）和广播（一个源，所有目标）的极端之间。组播是一种“一个源，多个目标”的流量分配方法，这意味着只有明确表示需要从特定源接收信息的目标才会接收流量流。

在 IP 网络上，由于目标（客户端）通常不与源（服务器）直接通信，因此源和目标之间的路由设备必须能够从单播或组播的角度确定网络的拓扑，以避免随意路由流量。组播路由设备复制在一个输入接口上接收的数据包，并在多个输出接口上发送副本。

在 IP 组播中，源和目标几乎总是主机，而不是路由设备。组播路由设备通过网络从源分发到目标的组播流量。组播路由设备必须在网络上查找组播源，在多个接口上发送数据包副本，防止路由环路，将感兴趣的目标与正确的源连接，并将不需要的数据包流保持在最低限度。标准组播路由协议提供了其中的大部分功能，但某些路由器体系结构无法发送数据包的多个副本，因此不支持直接组播。

IP 组播用途

组播使 IP 网络支持的不仅仅是互联网早期阶段盛行的单播数据传输模式。组播最初在 1989 年的 RFC 1112 中定义为主机扩展，它提供了一种有效的方法来传递流量，其特征为一对多或多对多。

单播流量并不严格限于数据应用程序。电话交谈，无论是否无线，都包含数字音频样本，可能包含数字照片甚至视频，并且仍然从单个源流向单个目的地。同样，组播流量也不严格限于多媒体应用程序。在某些数据应用程序中，流量从单个源流向需要数据包的许多目标，例如交付给许多 PC 的新闻或股票行情服务。因此，对于组播目标，术语 接收器 优先于 侦听器 ，尽管这两个术语都很常见。

可以使用单播但更适合组播的网络应用包括协作群件、电话会议、定期或“推送”数据传输（股票报价、体育比分、杂志、报纸和广告）、服务器或网站复制以及分布式交互式模拟 （DIS），例如战争模拟或虚拟现实。任何涉及减少具有多个接收器的一对多或多对多数据或多媒体应用程序的网络资源开销的 IP 网络都可以从组播中受益。

如果广播或新闻自动收报机服务采用单播，则每个广播或PC都必须为PC上的每个听众或观众提供单独的流量会话（这实际上是某些基于Web的服务的方法）。随着更多人“调入”服务器，服务器消耗的处理负载和带宽将线性增加。在处理全球规模的互联网时，这是非常低效的。单播将数据包复制的负担放在服务器上，并且随着用户数量的增加而消耗越来越多的主干带宽。

如果改用广播，则源可以使用广播目标地址生成单个 IP 数据包流。尽管广播消除了服务器数据包重复问题，但这对于 IP 来说并不是一个好的解决方案，因为 IP 广播只能发送到单个子网，而 IP 路由设备通常会将 IP 子网隔离在单独的接口上。即使 IP 数据包流可以寻址到任何地方，并且根本不需要“调谐”到任何源，由于带宽压力和不感兴趣的主机需要丢弃大量数据包，广播的效率也会极低。广播将数据包拒绝的负担放在每台主机上，并消耗最大的骨干带宽。

对于广播电台或新闻自动收报机流量，组播提供了最高效和最有效的结果，没有其他方法的缺点和所有优点。组播数据包的单一来源会到达每个 感兴趣的 接收方。与广播一样，传输主机仅生成单个 IP 数据包流，因此无论有一个接收器还是一百万个接收器，负载都保持不变。网络路由设备复制数据包并将数据包传递到正确的接收方，但只有复制角色是路由设备的新角色。指向由完全不感兴趣的接收方组成的子网的链路不携带组播流量。组播最大限度地减少了发送方、网络和接收方的负担。

IP 组播术语

组播有其自己的特定术语和首字母缩略词集，适用于 IP 组播路由设备和网络。 图 1 描述了 IP 组播网络中常用的一些术语。

在组播网络中，关键组件是 路由设备，它能够复制数据包，因此支持组播。IP 组播网络中的路由设备与其所基于的单播网络具有完全相同的拓扑结构，它使用 组播路由协议 构建 分配树，该分配树 将接收方（首选于侦听器的多媒体含义，但也使用侦听器）连接到 源。在多播术语中，分发树植 根于源（ 分发树的根是源）。路由设备上通向源的接口是 上游 接口，但也使用了不太精确的术语 传入 接口或 入站 接口。为了将带宽使用降至最低，路由设备上只有一个上游接口接收组播数据包。路由设备上通向接收方的接口是 下游 接口，但也使用了不太精确的术语 传出 接口或 出站 接口。路由设备上可以有 0 到 N–1 个下游接口，其中 N 路由设备上的逻辑接口数。为防止环路，上游接口绝不能接收下游组播数据包的副本。

图 1：IP 网络中 的组播术语

路由环路在组播网络中是灾难性的，因为存在重复复制数据包的风险。现代组播路由协议的复杂性之一是需要避免逐个数据包的路由环路，这比单播路由协议要严格得多。

用于环路预防的反向路径转发

路由设备的组播转发状态更基于反向路径（从接收方返回到分配树的根）运行。在 RPF 中，收到的每个组播数据包都必须通过 RPF 检查，然后才能在任何接口上复制或转发。

当路由器在接口上收到组播数据包时，路由器将 source 验证地址。然后，路由器会检查是否可以将同一地址用作地址， destination 以便通过单播路由返回到源。如果在单播路由表中找到的传出接口与接收组播数据包的接口相同，则该数据包将通过 RPF 检查。

未通过 RPF 检查的组播数据包将被丢弃，因为传入接口不在返回源的最短路径上。路由设备可以为 RPF 目的构建和维护单独的表。

用于防止环路的最短路径树

用于组播的分布树植根于源，是最短路径树 （SPT），但如果源位于网络外围，则此路径可能很长。在主干网上提供 作为 shared tree 分布树，将组播源定位在网络中更集中的位置。根于核心网络的共享分布树由作为集合点 （RP） 运行的组播路由设备创建和维护，这是稀疏模式组播协议的一项功能。

环路预防的管理范围

范围限制可以转发组播数据包的路由设备和接口。组播范围 administrative 是指为范围确定目的保留一系列组播地址，如 RFC 2365 中所述。 Administratively Scoped IP Multicast边界处的路由设备必须过滤组播数据包，并确保数据包不会超出建立的限制。

组播叶和分支术语

路由设备上具有主机且至少有一个相关接收方的每个子网都是分布树上的 一个叶 。路由设备可以在不同的接口上有多个叶，并且必须在每个接口上使用叶发送 IP 组播数据包的副本。将新的叶子网添加到树中时（即，主机子网的接口之前未收到组播数据包的副本），将构建一个新 分支 ，将叶子网加入树，并在接口上发送复制的数据包。特定接口上的叶数不会影响路由设备。对于一个叶子或一百个叶子，操作是相同的。

当分支由于路由设备接口上没有指向该 IP 子网的相关主机而不包含叶子时，将从分布树中 修剪 分支，并且不会向该接口发送组播数据包。只有在分布树在路由设备上分支的位置，才会复制数据包并将其发送出多个接口，并且任何链路都不会携带重复的数据包流。

接收相同 IP 数据包流（通常来自同一组播源）的所有主机集合称为 组。在 IP 组播网络中，流量根据 IP 组播地址或 组地址传递到组播组。组确定叶的位置，叶确定组播网络上的分支。

IP 组播寻址

组播使用 D 类 IP 地址范围（224.0.0.0 到 239.255.255.255）。D 类地址通常称为 组播地址 ，因为整个有类地址概念已经过时。组播地址永远不能显示为 IP 数据包中的源地址，只能是数据包的目标。

组播地址的前缀长度通常为 /32，但也允许使用其他前缀长度。组播地址表示接收方的逻辑分组，而不是设备的物理集合。组播地址块仍然可以用传统表示法的前缀长度来描述，但只是为了方便起见。例如，从 232.0.0.0 到 232.255.255.255 的组播地址范围可以写为 232.0.0.0/8 或 232/8。

互联网服务提供商 （ISP） 通常不会为其客户分配组播地址，因为组播地址与内容相关，而不是与物理设备相关。接收方不会分配自己的组播地址，但需要知道内容的组播地址。只需为源分配多播地址，才能生成内容，而不是标识其在网络中的位置。每个源和接收器仍然需要一个普通的单播 IP 地址。

组播寻址通常引用接收方，组播内容的源通常甚至不是为其生成内容的组播组的成员。如果源需要监控它产生的数据包，可以在本地进行监控，不需要让数据包遍历网络。

许多应用程序都被分配了一系列组播地址供自己使用。这些应用程序将多播地址分配给该应用程序创建的会话。通常不需要静态分配组播地址，但可以这样做。

组播地址

组播主机组地址定义为高阶四位为 1110 的 IP 地址，给出的地址范围从 224.0.0.0 到 239.255.255.255，或简称为 224.0.0.0/4。（这些地址也称为 D 类地址。

互联网编号分配机构 （IANA） 维护一份已注册的 IP 组播组列表。基址 224.0.0.0 是保留的，不能分配给任何组。从 224.0.0.1 到 224.0.0.255 的组播地址块保留供本地线路使用。此范围内的组被分配用于各种用途，包括路由协议和本地发现机制。

从 239.0.0.0 到 239.255.255.255 的范围是为管理范围的地址保留的。由于寻址到管理作用域组播地址的数据包不会跨越配置的管理边界，并且管理作用域组播地址是本地分配的，因此这些地址不需要跨管理边界是唯一的。

第 2 层帧和 IPv4 组播地址

LAN 上的组播是开始调查第 2 层组播的好地方。在第 2 层，组播处理媒体访问控制 （MAC） 帧和地址，而不是 IPv4 或 IPv6 数据包和地址。考虑使用没有路由设备的单个 LAN，并将组播源发送到特定组。其余主机是对多播组内容感兴趣的接收方。因此，组播源主机生成数据包，其单播 IP 地址作为源，组播组地址作为目标。

包含此数据包的帧上使用哪些 MAC 地址？数据包源地址（源自组播内容的主机的单播 IP 地址）可轻松直接转换为源的 MAC 地址。但是数据包的目标地址呢？这是 IP 组播组地址。帧的哪个目标 MAC 地址对应于数据包的组播组地址？

一种选择是让 LAN 仅使用 LAN 广播 MAC 地址，这样可以保证帧由 LAN 上的每个工作站处理。但是，此过程违背了组播的全部目的，即将数据包和帧的流通限制在感兴趣的主机上。此外，主机可能有权访问许多多播组，这会成倍增加流向不感兴趣目标的流量。在 LAN 级别广播帧以支持组播组是没有意义的。

但是，有一种简单的方法可以有效地将第 2 层帧用于组播目的。MAC 地址有一个位设置为0（LAN 术语为 单个地址），设置为 1 表示这是组播地址。其中一些地址是为特定供应商或 MAC 级协议的组播组保留的。互联网组播应用程序使用范围 0x01-00-5E-00-00-00 到 0x01-00-5E-FF-FF-FF。当应用程序加入多播组时，多播接收器（运行 TCP/IP 的主机）侦听具有这些地址之一的帧。当应用程序终止或主机离开数据包层（第 3 层）的组时，主机将停止侦听。

这意味着有 3 个字节或 24 位可用于将第 3 层的 IPv4 组播地址映射到第 2 层的 MAC 组播地址。但是，所有 IPv4 地址（包括组播地址）的长度均为 32 位，剩余 8 个 IP 地址位。哪种将 IPv4 组播地址映射到 MAC 组播地址的方法可以最大程度地减少“冲突”（即，数据包层的两个不同 IP 组播组映射到帧层的相同 MAC 组播地址）的可能性？

首先，重要的是要认识到所有IPv4组播地址都以相同的4位（1110）开头，因此实际上只有4位，而不是8位。LAN 不得丢弃 IPv4 地址的最后位，因为这些位几乎可以保证是主机位，具体取决于子网掩码。但是高阶位，最左边的地址位，几乎总是网络位，并且只有一个LAN（目前）。

剩余 24 个 MAC 地址位中的另一个位是保留的（初始 0 表示互联网组播地址），因此 IPv4 地址中初始 1110 后面的 5 位将被丢弃。剩余的 23 位逐一映射到 MAC 地址的最后 23 位。此过程的示例如图 2 所示。

图 2：将 MAC 地址转换为组播地址

请注意，此过程意味着有 32 （2⁵） 个 IPv4 组播地址可以映射到相同的 MAC 组播地址。例如，组播 IPv4 地址 224.8.7.6 和 229.136.7.6 转换为相同的 MAC 地址 （0x01-00-5E-08-07-06）。这是一个真正的问题，并且由于主机可能对发送到这两个组播组的帧感兴趣，因此 IP 软件必须拒绝其中一个。

确定组播组的 MAC 地址后，主机的操作系统实质上会命令 LAN 接口卡加入或离开组播组。加入组播组后，主机接受发送到组播地址的帧以及主机的单播地址，并忽略其他组播组的帧。当然，主持人可以同时加入并接收来自多个组的多播内容。

组播接口列表

为避免组播路由环路，每个组播路由设备必须始终了解通过最短路径指向该组播组内容源的接口。这是上游（传入）接口，数据包永远不会转发回组播源。所有其他接口都是潜在的下游（传出）接口，具体取决于分布树上的分支数。

路由设备会密切监控传入和传出接口的状态，该过程确定 组播转发状态。对于特定组播组具有组播转发状态的路由设备实质上是针对该组的内容“打开”的。路由设备的传出接口列表中的接口发送在该组的传入接口列表中接收的组数据包的副本。对于不同的组播组，传入和传出接口列表可能不同。

路由设备中的组播转发状态通常以 （S，G） 或 （*，G） 表示法书写。它们分别发音为“ess comma gee”和“star comma gee”。在 （S，G） 中，S 表示组播流量源的单播 IP 地址，G 表示以 S 为源的特定组播组 IP 地址。从此源发送的所有组播数据包都将 S 作为源地址，G 作为目标地址。

（*，G） 表示法中的星号 （*） 是一个通配符，表示该状态适用于发送到组 G 的任何组播应用程序源。因此，如果组播组 224.1.1.2 的两个源源自完全相同的内容，则路由设备可以使用 （*，224.1.1.2） 来表示路由设备将流量从两个源转发到组的状态。

组播路由协议

当直连子网（通常是 LAN）上的主机希望从特定组播组接收流量、修剪分支、定位源和组以及防止路由环路时，组播路由协议使组播路由设备集合能够构建（加入）分布树。

有几种组播路由协议：

• 距离矢量组播路由协议 （DVMRP） — 第一种组播路由协议，受到许多限制的阻碍，使得此方法对大规模互联网使用没有吸引力。DVMRP 是一种仅限密集模式的协议，它使用泛洪和修剪或隐式加入方法将流量传送到任何地方，然后确定不感兴趣的接收方所在的位置。DVMRP 以 （S，G） 的形式使用基于源的分布树，并为 RPF 检查构建自己的组播路由表。

• 组播 OSPF （MOSPF） — 扩展 OSPF 以用于组播，但仅适用于密集模式。但是，MOSPF 具有显式加入消息，因此路由设备不必使用来自每个源的组播流量淹没其整个域。MOSPF 使用形式为 （S，G） 的基于源的分布树。

• 双向 PIM 模式 - PIM 的一种变体。双向 PIM 生成植根于集合点 （RP） 地址的双向共享树。双向流量不会像 PIM-SM 中那样切换到最短路径树，因此针对路由状态大小而不是路径长度进行了优化。这意味着，与 PIM 稀疏模式相比，端到端延迟可能会更长。双向 PIM 路由始终是通配符源 （*，G） 路由。该协议消除了对 （S，G） 路由和数据触发事件的需求。双向 （*，G） 组树将流量从发送方上游传送到 RP，以及从 RP 下游传送到接收方。因此，在其他 PIM 模式中找到的基于反向路径转发 （RPF） 的严格规则不适用于双向 PIM。相反，双向 PIM （*，G） 路由来自所有源和 RP 的转发流量。双向 PIM 路由设备必须能够接受许多潜在传入接口上的流量。双向 PIM 可以很好地缩放，因为它不需要特定于源的 （S，G） 状态。在具有许多分散源和许多分散接收器的部署中，建议使用双向 PIM。

• PIM 密集模式 — 在此 PIM 模式下，假设几乎所有可能的子网都至少有一个接收方想要从源接收组播流量，因此网络在所有可能的分支上都会充 斥 着流量，然后在分支未表示有兴趣接收数据包时进行修剪，无论是显式（通过消息）还是隐式（超时静默）。这是组播操作的 密集模式 。LAN 是适合密集模式操作的网络。某些组播路由协议（尤其是较旧的协议）仅支持密集模式操作，因此不适合在 Internet 上使用。与 DVMRP 和 MOSPF 相比，PIM 密集模式允许路由设备使用任何单播路由协议，并使用单播路由表执行 RPF 检查。PIM 密集模式具有隐式加入消息，因此路由设备使用泛洪和修剪方法在所有位置传递流量，然后确定不感兴趣的接收方所在的位置。PIM 密集模式使用形式为 （S，G） 的基于源的分布树，所有密集模式协议也是如此。PIM 还支持稀疏-密集模式（具有混合稀疏和密集组），但该操作模式没有特殊表示法。如果支持 稀疏-密集模式 ，则组播路由协议允许某些组播组为稀疏，而其他组为密集组。

• PIM 稀疏模式 — 在这种 PIM 模式中，假设很少有可能的接收方需要来自每个源的数据包，因此网络仅在至少有一个叶子指示（通过消息）对流量感兴趣的分支上建立和发送数据包。此组播协议允许路由设备使用任何单播路由协议，并使用单播路由表执行反向路径转发 （RPF） 检查。PIM 稀疏模式具有 显式 加入消息，因此路由设备确定感兴趣的接收方的位置，并向上游向其邻居发送加入消息，从而构建从接收方到集合点 （RP） 的树。PIM 稀疏模式使用 RP 路由设备作为组播组流量的初始源，因此像所有稀疏模式协议一样，以 （*，G） 形式构建分布树。如果 （S，G） 基于源的路径短于特定组播组流量的 RP，则 PIM 稀疏模式将迁移到该路径。WAN 是适合稀疏模式操作的网络，事实上，常见的组播准则是在任何情况下都不在 WAN 上运行密集模式。

• 基于核心的树 （CBT） - 共享 PIM 稀疏模式（稀疏模式、显式联接和共享 （*，G） 树）的所有特征，但据说在查找源方面比 PIM 稀疏模式更有效。CBT很少在学术讨论之外遇到。没有大规模的CBT，商业或其他部署。

• PIM 源特定组播 （SSM） — PIM 稀疏模式的增强功能，允许客户端直接从源接收组播流量，而无需 RP 的帮助。与 IGMPv3 一起使用，在接收器和源之间创建最短路径树。

• IGMPv1 — 在 RFC 1112“ IP 多播的主机扩展”中定义的原始协议。IGMPv1 向路由设备发送显式加入消息，但使用超时来确定主机何时离开组。三个版本的互联网组管理协议 （IGMP） 在接收方主机和路由设备之间运行。

• IGMPv2 — 在 RFC 2236， 互联网组管理协议版本 2 中定义。除其他功能外，IGMPv2 在加入消息中添加了显式的离开消息。

• IGMPv3 — 在 RFC 3376， 互联网组管理协议版本 3 中定义。除其他功能外，IGMPv3 还优化了对组播组或特定于源的组播 （SSM） 的单一内容源的支持。与 PIM SSM 配合使用，可在接收器和源之间创建最短路径树。

• 引导路由器 （BSR） 和自动集合点 （RP） — 允许稀疏模式路由协议在路由域（自治系统或 AS）内查找 RP。RP 地址也可以静态配置。

• 组播源发现协议 （MSDP） — 允许位于一个组播路由域中的组在其他路由域中查找 RP。如果所有接收方和源都位于同一路由域中，则 RP 上不使用 MSDP。通常与 PIM 稀疏模式 RP 在同一路由设备上运行。如果所有接收方和源都位于同一路由域中，则不适用。

• 会话公告协议 （SAP） 和会话描述协议 （SDP） — 显示组播会话名称并将这些名称与组播流量相关联。SDP 是一种会话目录协议，用于通告多媒体会议会话并将设置信息传达给想要加入会话的参与者。客户端通常使用 SDP 通告会议会话，方法是使用 SAP 定期将通告数据包组播到已知的组播地址和端口。

• 实用通用组播 （PGM） — 用于组播流量的特殊协议层，可在 IP 层和组播应用程序之间使用，以增加组播流量的可靠性。PGM 允许接收器检测所有情况下丢失的信息，并在接收器应用需要时请求更换信息。

表 1 总结了组播路由协议之间的差异。

重要的是要认识到，由于链路或过载路由设备上的高误码率而导致的重新传输可能会使组播与重复单播一样低效。因此，在许多组播应用程序中，对于传输控制协议 （TCP） 提供的会话支持（但 TCP 总是重新发送丢失的段）或用户数据报协议 （UDP） 数据报服务的简单丢弃和继续策略（但重新排序可能会成为一个问题），都需要权衡。现代组播几乎只使用 UDP。

T 系列路由器组播性能

瞻博网络 T 系列核心路由器能够以最小的路由器负载满足极端组播数据包复制要求。每个内存组件最多复制一个组播数据包两次。即使在涉及最大扇出的最坏情况下，当 1 个输入端口和 63 个输出端口需要数据包副本时，T 系列路由平台也只会复制组播数据包 6 次。大多数组播分布树要稀疏得多，因此在许多情况下只需要两个或三个复制。在任何情况下，T 系列架构都不会对组播性能产生影响，即使具有最大的组播扇出要求也是如此。