什么是組播-網(wǎng)工必會(huì)的組播基礎(chǔ)概念詳解

什么是組播?組播方式解決了單播情況下數(shù)據(jù)的重復(fù)拷貝及帶寬的重復(fù)占用，也解決了廣播方式下帶寬資源的浪費(fèi),下面培訓(xùn)啦教育小編給大家科普一些網(wǎng)工必會(huì)的組播基礎(chǔ)概念詳解。

單播一對多通信場景

1.在單播(Unicast)通信中每一個(gè)數(shù)據(jù)包都有確切的IP地址。

2.對于同一份數(shù)據(jù)，如果存在多個(gè)接收者，Server需發(fā)送和接收數(shù)目相同的單播數(shù)據(jù)包。

3.當(dāng)接受者增加到成百上千時(shí)，將極大家中Server創(chuàng)建相同數(shù)據(jù)和發(fā)送多份相同數(shù)據(jù)拷貝后所產(chǎn)生的消耗，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備性能及鏈路帶寬將會(huì)面臨一定程度的浪費(fèi)。

廣播一對多通信場景

1.廣播(Broadcast)數(shù)據(jù)包被限制在廣播域中。

2.一旦有設(shè)備發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，則廣播域內(nèi)所有設(shè)備都會(huì)收到這個(gè)數(shù)據(jù)包，并且不得不耗費(fèi)資源去處理，大量的廣播數(shù)據(jù)包將消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬及設(shè)備資源。

3.在IPV6中，利用廣播進(jìn)行報(bào)文傳輸?shù)倪@種方式被取消。

組播一對多通信場景

1.組播(Multicast)非常適合一對多的通信模型，只有加入到特定組播組的成員，才會(huì)受到組播數(shù)據(jù)，當(dāng)存在多個(gè)組播組成員時(shí)，源無需拷貝多個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送，僅需發(fā)送一份即可，組播網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(運(yùn)行組播路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)會(huì)根據(jù)實(shí)際需要轉(zhuǎn)發(fā)或拷貝組播數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)按需拷貝，按需發(fā)送。

2.數(shù)據(jù)流只發(fā)送給加入該組播組的接收者(組成員)，而不需要該數(shù)據(jù)的設(shè)備將不會(huì)接收到該組播流量。

3.相同的組播報(bào)文，在一段鏈路上僅有一份數(shù)據(jù)，大大提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

組播的優(yōu)勢：

1.提高效率：降低網(wǎng)絡(luò)流量、減輕硬件負(fù)荷。

2.優(yōu)化性能：減少冗余流量、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

3.分布式應(yīng)用：是多點(diǎn)應(yīng)用成為可能。

組播的應(yīng)用：

1.組播使用于多接受者期望接受相同流量的場景。

2.組播適用于接受者地址(或位置)位置的場景。

3.多媒體直播(如IPTV)。

4.培訓(xùn)、聯(lián)合作業(yè)場景的通信。

5.數(shù)據(jù)倉庫、金融應(yīng)用(股票)。

6.其他“單到多”數(shù)據(jù)發(fā)布應(yīng)用。

組播的劣勢：

1.組播是基于UDP的，采用盡力而為的傳輸方式。

2.沒有擁塞避免機(jī)制。

3.可能出現(xiàn)報(bào)文重復(fù)的現(xiàn)象。

4.可能出現(xiàn)報(bào)文失序的現(xiàn)象。

組播服務(wù)模型

1.組播源向特定組播組發(fā)送組播數(shù)據(jù)，它并不關(guān)心組成員所處的位置。

2.組播路由器把數(shù)據(jù)拷貝并轉(zhuǎn)發(fā)給需要該數(shù)據(jù)或存在組播接收者的網(wǎng)絡(luò)分支。

3.主機(jī)加入自己感興趣的組播組，以便接收發(fā)往這些組播組的數(shù)據(jù)包。

組播術(shù)語

組播源(Source)：組播流量的發(fā)送者，例如多媒體播放器，組播源無需運(yùn)行任何組播協(xié)議，只需簡單的將組播數(shù)據(jù)發(fā)送出來即可。

組播接收者(Receiver)：也被稱作組播組成員，是期望接收特定組播組流量的設(shè)備，例如運(yùn)行多媒體直播客戶端軟件的PC。

組播組(Multicast Group)：一個(gè)使用組播IP地址標(biāo)識的群組，例如224.1.1.1便是一個(gè)IPv4組播地址，該地址標(biāo)識了一組接收者，組播源可以向這個(gè)地址發(fā)送組播數(shù)據(jù)，而需要該數(shù)據(jù)的設(shè)備組需加入組播組224.1.1.1，以便從組播網(wǎng)絡(luò)中獲得源發(fā)往該組播組的數(shù)據(jù)。

組播路由器(Multicast Router)：支持組播、運(yùn)行組播協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。實(shí)際上不僅僅路由器能夠支持組播，交換機(jī)、防火墻等設(shè)備也能夠支持組播(取決于設(shè)備型號)，路由器僅僅是一個(gè)代表。

第一跳路由器(First-Hop Router)：直連Source的組播路由器。該路由器負(fù)責(zé)將Source發(fā)送出來的組播報(bào)文發(fā)送到組播網(wǎng)絡(luò)中。

最后一跳路由器(Last-Hop Router)：直連組成員的組播路由器。該路由器負(fù)責(zé)將組播流量轉(zhuǎn)發(fā)到直連網(wǎng)絡(luò)(給接收者)，也負(fù)責(zé)管理及維護(hù)直連網(wǎng)段中的組播組的成員關(guān)系。

組播分發(fā)樹

組播分發(fā)樹(Multicast distribution tree)，由組播路由協(xié)議構(gòu)建，是組播流量的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

組播IP地址

1.在IPV4地址空間中，D類地址(224.0.0.0/4)被用于組播。組播IP地址代表一個(gè)接收者的集合。

2.IANA對D類地址做了進(jìn)一步的定義，幾種主要的組播地址如下表所示：

組播MAC地址

組播IP地址和MAC地址的映射

1.組播MAC，第一個(gè)8位組的最后一位恒為1。

2.單播MAC，第一個(gè)8位組的最后一位恒為0。

3.組播IP地址有5位被丟棄，因此組播IP與MAC的對應(yīng)關(guān)系是32：1。

組播路由協(xié)議概述

1.單播數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，就是一個(gè)一對一的模型，路由器將IP數(shù)據(jù)包送到它的目的地，單播路由器并不關(guān)心數(shù)據(jù)包的源地址。

2.組播數(shù)據(jù)時(shí)由組播源產(chǎn)生，發(fā)向一組接收者，組播路由器將數(shù)據(jù)包自源向組播接收者分發(fā)下去，一直到組播的接收者。

--組播路由器怎么知道這些組播數(shù)據(jù)向何處分發(fā)?

--哪些地方需要組播流量?

--具體的分發(fā)路徑?

這個(gè)時(shí)候就需要在組播路由器上運(yùn)行組播路由協(xié)議了。

3.組播流量和單播流量不同，組播流量發(fā)往一組接收者，如果網(wǎng)絡(luò)中有環(huán)路存在，那么情況要比單播環(huán)路嚴(yán)重，因此所有的組播路由器都需要實(shí)現(xiàn)知道組播源的位置，也必須把組播數(shù)據(jù)包自源(組播數(shù)據(jù)來的方向)向目標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)(組播接收者)。

4.為了保證組播數(shù)據(jù)從上游發(fā)送到下游，每一個(gè)組播路由器都需要維護(hù)一個(gè)組播路由轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)。

5.單播路由協(xié)議確定去往某個(gè)目的地的最優(yōu)(最短)路徑，它不會(huì)關(guān)心數(shù)據(jù)的源;而組播路由協(xié)議必須去判斷上游接口(距離組播源最近的接口)。

組播路由協(xié)議的主要功能

1.在接收組播報(bào)文時(shí)，判斷該報(bào)文是否在正確的接口上到達(dá)，從而確保組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)無環(huán)。

2.在組播中建立一棵組播分發(fā)樹(組播流量轉(zhuǎn)發(fā)的路徑)。

3.組播分發(fā)樹體現(xiàn)在每一臺組播路由器上便是(S,G)或(*,G)的組播轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)。

組播路由表項(xiàng)

PIM路由表項(xiàng)即通過PIM協(xié)議建立的組播路由表項(xiàng)，PIM中存在兩種路由表項(xiàng)：(S,G)或(*,G)的路由表項(xiàng)，S代表組播源，G表示組播組，*表示任意。

1.(S，G)路由表項(xiàng)知道組播源S的位置，主要用于在PIM路由器上建立SPT，適用于PIM-DM和PIM-SM網(wǎng)絡(luò)。

2.(*，G)路由表項(xiàng)由于只知道組播組G的存在，主要用于在PIM路由器上建立RPT，適用于PIM-SM網(wǎng)絡(luò)和雙向PIM網(wǎng)絡(luò)。

PIM路由器上可能存在兩種路由表項(xiàng)，當(dāng)收到源地址為S，組地址為G的組播報(bào)文，且通過RPF檢查的情況下，按照如下規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)：

1.如果存在(S,G)路由表項(xiàng)，則由(S,G)路由表項(xiàng)指導(dǎo)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。

2.如果不存在(S,G)路由表項(xiàng)，只存在(*，G)路由表項(xiàng)，則先依照(*，G)路由表項(xiàng)創(chuàng)建(S,G)路由表項(xiàng)，再由(S,G)路由表項(xiàng)指導(dǎo)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。

組播分發(fā)樹的分類

SPT(Shortest-Path Or Source Distribution Trees，最短路徑樹或源樹)

1.源樹是以組播源為根的組播分發(fā)樹。

2.源樹的分支形成了通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)接收者所在路由器的分發(fā)樹，因?yàn)樵礃涫褂米疃痰?、從源其?shí)貫穿網(wǎng)絡(luò)到達(dá)組播接收者的路徑，所以又叫做最短路徑樹。

3.SPT同時(shí)適用于PIM-DM網(wǎng)絡(luò)和PIM-SM網(wǎng)絡(luò)。

1.與源樹使用組播源作為根不同，共享樹使用RP(Rendezous Point)作為匯聚點(diǎn)。

2.多個(gè)組播組可以共用一個(gè)RP，期望接收組播流量的路由器通過組播協(xié)議在自己和RP之間建立一條RPT的分支，組播流量首先需要從源發(fā)送到RP，然后再由RP沿RPT將組播流量發(fā)送到各個(gè)組播接收者。

3.RPT適用于PIM-SM網(wǎng)絡(luò)和雙向PIM網(wǎng)絡(luò)。

在組播網(wǎng)絡(luò)中，如果組播流量出現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路，比起單播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路的危害要大得多。路由器在轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)組播報(bào)文時(shí)，出了會(huì)關(guān)注報(bào)文的目的地址，還會(huì)特別關(guān)心該報(bào)文的源地址。組播路由器通過一個(gè)被稱為RPF(Reverse Path Forwarding，反向路徑轉(zhuǎn)發(fā))的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的無環(huán)化。

RPF機(jī)制確保組播數(shù)據(jù)從正確的接口接收到，只有通過RPF檢查的組播數(shù)據(jù)包才能被路由器沿著組播樹進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如果數(shù)據(jù)包從錯(cuò)誤的接口被收到，路由器將丟棄這些報(bào)文。所謂正確的接口，就是RPF接口(通過RPF檢查的接口)，也就是我們常說的上游接口，比如常見的情況時(shí)借用單播路由表來實(shí)現(xiàn)RPF檢查。

組播路由協(xié)議分類

密集模式：PIM-DM

PIM-DM使用“推(push)模式”轉(zhuǎn)發(fā)組播報(bào)文，一般應(yīng)用于組播組成員規(guī)模相對較小、相對密集的網(wǎng)絡(luò)。Push方式假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)子網(wǎng)至少有一個(gè)(S，G)組播組的接收者，因此組播數(shù)據(jù)被推送到網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)角落，然后再進(jìn)行剪枝操作，不需要組播流量的路由器將自己從組播分發(fā)樹上修剪掉。

稀疏模式：PIM-SM

稀疏模式協(xié)議使用“拉(Pull)的方式”，而不是強(qiáng)推。這種方式假定網(wǎng)絡(luò)中不存在接收者，除非有設(shè)備用join機(jī)制來申請。為什么組播使用UDP進(jìn)行封裝?

1.不需要進(jìn)行TCP三次握手的建立。

2.如果使用TCP，在回包的時(shí)候，以哪一個(gè)地址作為報(bào)文發(fā)送源地址成為問題：

--如果以主機(jī)的單播地址作為報(bào)文發(fā)送源地址，那么從邏輯上說不通，因?yàn)榘l(fā)出去的是一個(gè)組播報(bào)文，收到的卻是一個(gè)單播報(bào)文。

--如果以組播地址作為報(bào)文發(fā)送源地址，那么也不合邏輯，因?yàn)榻M播地址是代表一個(gè)組，而不是代表單一的設(shè)備，也就是說，組播地址不能作為報(bào)文的發(fā)送源地址。

綜上所述，因此使用UDP來封裝組播報(bào)文，因?yàn)閁DP不需要進(jìn)行三次握手。

注：UDP帶來的問題就是沒有流控機(jī)制，也沒有重傳和擁塞避免，但是這個(gè)缺陷并不是組播本身的問題，而是UDP這種封裝方式帶來的問題。

組播服務(wù)模型(面試題目)：

ASM模型：任意源組播，組成員無法對組播源做出選擇時(shí)，部署使用ASM模型。

SSM模型：指定源組播，組成員可以對組播源做出選擇時(shí)，部署SSM服務(wù)模型。

如何區(qū)分使用的是SSM還是ASM?

--以接收者為參照物進(jìn)行區(qū)分，依據(jù)接收者接收組播流量是否針對源進(jìn)行了區(qū)分。

優(yōu)缺點(diǎn)

ASM模型：

缺點(diǎn)：浪費(fèi)組播地址。只通過組播地址來唯一的區(qū)分不同的組播業(yè)務(wù)，因?yàn)椴恢澜M播源，無法對組播源做出選擇，在這種情況下，如果要區(qū)分不同的業(yè)務(wù)，就需要使用不同的組播地址來對不同的組播業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分，會(huì)造成組播地址浪費(fèi)。

優(yōu)點(diǎn)：對組成員的能力要求不高，容易部署和維護(hù)，接收者只需要實(shí)現(xiàn)知道自己要加入的組播組地址即可。

SSM模型：

缺點(diǎn)：組播接收者需要實(shí)現(xiàn)知道源和組地址的對應(yīng)關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)：通過組播源和組播組地址來唯一的區(qū)分不同的組播業(yè)務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)組播地址重復(fù)使用，也就是說，同一個(gè)組播地址可以針對不同的組播源來提供不同的組播業(yè)務(wù)。