组播概述

比较组播与单播

Junos®作系统 （Junos OS） 路由协议进程支持多种路由协议。这些路由协议在路由设备之间传输网络信息，不仅用于在一对客户端和服务器之间发送的 单播 流量流，还用于在单个服务器源和多个客户端接收器之间包含视频和/或音频的 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、广播和组播之间的区别可以总结如下：

• 单播：一对一，从一个源到一个目标。

• 广播：一对一，从一个源到所有可能的目的地。

• 组播：一对多，从一个源到多个目的地，表示有兴趣接收流量。

  注意：

  此列表不包括多对多应用的特殊类别，例如在线游戏或视频会议，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访问的所有可能目标，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。由于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，广播在互联网上是不可行的。

组播流量介于单播（一个源，一个目标）和广播（一个源，所有目的地）两端之间。组播是一种“一个源，多个目的地”的流量分配方法，这意味着只有明确表明需要从特定源接收信息的目的地才能接收流量流。

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出副本。

在 IP 组播中，源和目标几乎始终是主机，而非路由设备。组播路由设备通过网络将组播流量从源分发到目标。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来源连接，并将有害数据包的流量保持在最低限度。标准组播路由协议可提供其中的大部分功能，但某些路由器架构无法发送数据包的多个副本，因此不支持直接组播。

IP 组播使用

组播允许 IP 网络支持的不仅仅是互联网早期盛行的数据传输单播模式。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可描述为一对多或多对多的流量。

单播流量并不严格局限于数据应用。电话通话，无论是否无线，都包含数字音频样本，可能包含数码照片甚至视频，并且仍然从单一来源流向单一目的地。同样，组播流量也不严格局限于多媒体应用程序。在某些数据应用程序中，流量从单一来源流向需要数据包的许多目标，例如在向许多 PC 提供新闻或股票行情服务中。因此，对于组播目标，尽管这两个术语很常见，但术语 receiver 比 侦听 器更受欢迎。

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。任何关注减少一对多或多对多数据或多对多数据或具有多个接收机的多媒体应用的网络资源开销的 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）。随着越来越多的人“调入”服务器，服务器消耗的处理负载和带宽将线性增加。在处理互联网的全球规模时，这是极其低效的。单播给服务器带来了数据包复制的负担，并且随着用户数量的增加，消耗的骨干带宽也越来越多。

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。虽然广播消除了服务器数据包复制问题，但这并不是一个好的 IP 解决方案，因为 IP 广播只能发送到单个子网，而 IP 路由设备通常将 IP 子网隔离在不同的接口上。即使 IP 数据包流可以被处理成实际上无处不在，并且根本不需要“调谐”到任何源，但由于带宽紧张和不感兴趣的主机需要丢弃大量数据包，广播的效率将非常低下。广播会给每台主机带来数据包拒绝的负担，并消耗最大的骨干带宽。

对于广播电台或新闻收报机流量，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送到适当的接收方，但只有复制角色是路由设备的新角色。通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

组播有其自己的一组特定术语和首字母缩略词，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来构建将接收器（优先于侦听器的多媒体含义，但也使用侦听器）连接到源的分配树。在组播术语中，分布树植根于源（分布树的根是源）。通向源的路由设备上的接口是上游接口，尽管也会使用不太精确的术语传入接口或入站接口。为了将带宽使用量降至最低，最好仅由路由设备上的一个上行接口接收组播数据包。通向接收方的路由设备上的接口是下行接口，尽管也使用了不太精确的术语传出或出站接口。路由设备上可以有 0 到 N–1 个下行接口，其中 N 就是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

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

用于防止环路的反向路径转发

路由设备的组播转发状态基于从接收方返回到分布树根部的反向路径以更合乎逻辑的方式运行。在 RPF 中，接收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，路由器会 source 验证地址。然后，路由器会检查是否可以将同一地址用作 destination 通过单播路由返回源的地址。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。路由设备可以出于 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），但如果源位于网络的外围，则此路径可能很长。在主干网中提供 A shared tree 作为分布树，将组播源定位在网络中的更中心位置。根植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 是指为范围目的保留一系列组播地址，如 RFC 2365 Administratively Scoped IP Multicast中所述。边界上的路由设备必须过滤组播数据包，并确保数据包的偏离不会超出既定限制。

组播分叶和分支术语

如果路由设备上有主机，且至少有一个感兴趣的接收方，则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，并且必须在每个带有叶的接口上发送 IP 组播数据包的副本。将新的叶子网添加到树中时（即，先前与主机子网的接口未收到任何组播数据包的副本），将构建一个新 分支 ，将叶加入树，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。对于一片叶子或一百片叶子，作是相同的。

如果分支由于通向该 IP 子网的路由设备接口上没有相关主机而没有包含分叶， 则将从分布 树中删除该分支，并且不会向该接口发送组播数据包。只有当分布树在路由设备上分支时，数据包才会被复制和发出多个接口，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 组地址传送到组播组。分叶确定分叶的位置，分叶确定组播网络上的分叶。

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过时。组播地址永远不能在 IP 数据包中显示为源地址，只能作为数据包的目标地址。

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。在传统表示法中，组播地址块仍然可以用前缀长度来描述，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成 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，而与物理设备无关。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。只需为源分配组播地址以生成内容，而不是识别其在网络中的位置。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，而组播内容的源通常甚至不是其生成内容的组播组的成员。如果源需要监控其生成的数据包，可以在本地进行监控，而无需让数据包遍历网络。

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

组播地址

组播主机组地址定义为高阶四位为 1110 的 IP 地址，地址范围为 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） 负责维护已注册 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 的范围是为管理作用域的地址保留的。由于寻址到管理范围的组播地址的数据包不会跨越配置的管理边界，并且由于管理范围的组播地址是在本地分配的，因此这些地址不必在管理边界上是唯一的。

第 2 层帧和 IPv4 组播地址

LAN 上的组播是开始研究第 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。考虑一个没有路由设备的 LAN，其中将组播源发送到特定组。其余主机是对组播组内容感兴趣的接收方。因此，组播源主机生成的数据包时，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了哪些 MAC 地址？数据包源地址（发起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 LAN 上的每个站都处理帧。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组播组，这会使流向不感兴趣目标的流量成倍增加。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（对于单播（LAN 术语是 单个地址），设置为 1 表示这是一个组播地址。其中一些地址是为特定供应商的组播组或 MAC 级协议保留的。互联网组播应用程序使用范围 0x01-00-5E-00-00-00-00 到 0x01-00-5E-FF-FF-FF。当应用程序加入组播组时，组播接收器（运行 TCP/IP 的主机）会侦听具有这些地址之一的帧。当应用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（即 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 位 IP 地址位。将 IPv4 组播地址映射到 MAC 组播地址的哪种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）？

首先，需要认识到所有 IPv4 组播地址都以相同的 4 位 （1110） 开头，因此实际上只有 4 位需要关注，而不是 8 位。LAN 不得丢弃 IPv4 地址的最后几位，因为根据子网掩码的不同，这些位几乎可以保证是主机位。但是高阶位，即最左边的地址位，几乎都是网络位，并且只有一个 LAN（目前）。

剩余的 24 个 MAC 地址位中的另外一位是保留的（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 位将一对一映射到 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 （2、⁵） 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，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，主机的作系统实质上会命令 LAN 接口卡加入或退出组播组。加入组播组后，主机将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和接收来自多个组的组播内容。

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通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，这一过程决定了 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，对于该组的内容实质上是“打开”的。路由设备的传出接口列表上的接口会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会有所不同。

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是指组播流量源的单播IP地址，G是指S是源的特定组播组IP地址。从此源发送的所有组播数据包均以 S 为源地址，G 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，如果两个源为组播组 224.1.1.2 源出的内容完全相同，则路由设备可使用 （*，224.1.1.2） 来表示将流量从两个源转发到组的路由设备的状态。

组播路由协议

当直接连接的子网（通常是 LAN）上的主机希望接收来自特定组播组的流量、修剪分支、定位源和组以及防止路由环路时，组播路由设备集合可以使用组播路由设备构建（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，使此方法对大规模互联网使用没有吸引力。DVMRP 是一种仅密集模式的协议，它使用泛洪和删除或隐式连接方法将流量传送到任何地方，然后确定不感兴趣的接收器所在的位置。DVMRP 使用 （S，G） 形式的基于源的分布树，并构建自己的组播路由表用于 RPF 检查。

• 组播 OSPF （MOSPF） — 扩展 OSPF 以使用组播，但仅适用于密集模式。但是，MOSPF 具有显式的加入消息，因此路由设备不必用来自每个源的组播流量淹没整个域。MOSPF使用基于源的分布树，形式为（S，G）。

• 双向 PIM 模式 — PIM 的变体。双向 PIM 可构建扎根于集合点 （RP） 地址的双向共享树。双向流量不会像在 PIM-SM 中那样切换到最短路径树，因此会针对路由状态大小（而非路径长度）进行优化。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向上游传输到 RP，以及从 RP 向下游传输到接收器的流量。因此，在其他 PIM 模式中发现的基于严格反向路径转发 （RPF） 的规则不适用于双向 PIM。相反，双向 PIM （*，G） 会从所有源和 RP 前向路由流量。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 扩展效果很好，因为它不需要特定于源的 （S，G） 状态。在具有多个分散源和许多分散接收方的部署中，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至少有一个接收方希望从源接收组播流量，因此网络中 会充斥着所有 可能分支上的流量，然后在分支表示不想接收数据包时（通过消息）或隐式（超时静默）进行修剪。这是组播作的 密集模式 。LAN 是适合密集模式作的网络。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删除方法将流量传送到各处，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，以及混合稀疏和密集组，但该作模式没有特殊标记。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组，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（通过消息）指示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 联接消息，因此路由设备可以确定感兴趣的接收方所在的位置，并向上游的邻接方发送联接消息，从而在接收方到集合点 （RP） 之间构建树。PIM 稀疏模式使用 RP 路由设备作为组播组流量的初始源，因此会像所有稀疏模式协议一样，以 （*，G） 的形式构建分布树。如果 PIM 稀疏模式的路径短于通过特定组播组流量的 RP 路径，则该树将迁移到基于源的 （S，G） 树。WAN 是适合稀疏模式作的网络，事实上，常见的组播准则是在任何情况下都不要在 WAN 上运行密集模式。

• 基于核心的树 （CBT） — 具有 PIM 稀疏模式（稀疏模式、显式联接和共享 （*，G） 树）的所有特征，但据说在寻找源方面比 PIM 稀疏模式更有效。认知行为疗法在学术讨论之外很少遇到。没有大规模的CBT部署，无论是商业的还是其他的。

• 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 配合使用，在接收方和源之间创建最短路径树。

• IGMPv1 — RFC 1112 中定义的原始协议， IP 组播的主机扩展。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。接收方主机和路由设备之间运行三个版本的互联网组管理协议 （IGMP）。

• 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明确的离开消息。

• 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源特定组播 （SSM） 的单一内容源的支持。与 PIM SSM 配合使用，在接收方和源之间创建最短路径树。

• 自举路由器 （BSR） 和自动汇聚点 （RP） — 允许稀疏模式路由协议在路由域（自治系统或 AS）中查找 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查找其他路由域中的 RP。如果所有接收方和信号源都位于同一路由域中，则不会在 RP 上使用 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。

• 会话声明协议 （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，用于播发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 通过使用 SAP 定期将通告数据包组播到已知的组播组播地址和端口来通告会议会话。

• 实际通用组播 （PGM） — 组播流量的特殊协议层，可在 IP 层和组播应用之间使用，以增加组播流量的可靠性。PGM 允许接收器在所有情况下检测缺失的信息，并在接收器应用需要时请求替换信息。

表 1 总结了组播路由协议之间的差异。

需要认识到，由于链路上的高误码率或路由设备过载而导致的重传会使组播与重复单播一样效率低下。因此，在许多组播应用中，需要权衡传输控制协议 （TCP） 提供的会话支持（但 TCP 总是重新发送缺失的分段），还是用户数据报协议 （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）。现代组播几乎只使用 UDP。

T Series 路由器组播性能

瞻博网络 T Series 核心路由器可以最小的路由器负载满足极端的组播数据包复制要求。每个内存组件最多复制组播数据包两次。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 Series 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到三个复制。在任何情况下，T Series 架构都不会影响组播性能，即使对于最大的组播扇出要求也是如此。