4.7 IP 多播
4.7.1 IP 多播的基本概念
1988 年，Steve Deering 首次提出 IP 多播的概念。
多播 (multicast)：以前曾译为组播。
目的：更好地支持一对多通信。
一对多通信：一个源点发送到许多个终点。
1、多播可大大节约网络资源
2、IP 多播
在互联网上进行多播就叫做 IP 多播。
互联网范围的多播要靠路由器来实现。
能够运行多播协议的路由器称为多播路由器 (multicast router)。
多播路由器也可以转发普通的单播 IP 数据报。
从 1992 年起，在互联网上开始试验虚拟的多播主干网 MBONE (Multicast Backbone On the InterNEt)。
3、多播 IP 地址
在 IP 多播数据报的目的地址需要写入多播组的标识符。
多播组的标识符就是 IP 地址中的 D 类地址（多播地址）。 地址范围：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
每一个 D 类地址标志一个多播组。
多播地址只能用于目的地址，不能用于源地址。
4、多播数据报
多播数据报和一般的 IP 数据报的区别：
目的地址：使用 D 类 IP 地址。
协议字段 = 2，表明使用网际组管理协议 IGMP。
尽最大努力交付，不保证一定能够交付多播组内的所有成员。
对多播数据报不产生 ICMP 差错报文。在 PING 命令后面键入多播地址，将永远不会收到响应。
4.7.2 在局域网上进行硬件多播
IANA 拥有的以太网地址块的高 24 位为 00-00-5E。
TCP/IP 协议使用的以太网地址块的范围是：
从 00-00-5E-00-00-00
到 00-00-5E-FF-FF-FF
IANA 只拿出 01-00-5E-00-00-00 到 01-00-5E-7F-FF-FF （223 个地址）作为以太网多播地址。或者说，在 48 位的多播地址中，前 25 位都固定不变，只有后 23 位可用作多播。
1、D 类 IP 地址与以太网多播地址的映射关系
4.7.3 网际组管理协议 IGMP 和多播路由选择协议
1、IP 多播需要两种协议
（1）网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)
使多播路由器知道多播组成员信息（有无成员）。
（2）多播路由选择协议
使多播路由器协同工作，把多播数据报用最小代价传送给多播组的所有成员。
（3）IGMP 使多播路由器知道多播组成员信息
（4）多播路由选择协议更为复杂
多播转发必须动态地适应多播组成员的变化（这时网络拓扑并未发生变化），因为每一台主机可以随时加入或离开一个多播组。
多播路由器在转发多播数据报时，不能仅仅根据多播数据报中的目的地址，还要考虑这个多播数据报从什么地方来和要到什么地方去。
多播数据报可以由没有加入多播组的主机发出，也可以通过没有组成员的接入网络。
2、网际组管理协议 IGMP
1989 年公布的 RFC 1112（IGMPv1）已成为了互联网的标准协议。
1997 年公布的 RFC 2236（IGMPv2，建议标准）对 IGMPv1 进行了更新。
2002 年 10 月公布了 RFC 3376（IGMPv3，建议标准）。
（1）IGMP 使用 IP 数据报传递其报文
在 IGMP 报文加上 IP 首部构成 IP 数据报。
但 IGMP 也向 IP 提供服务。
因此，不把 IGMP 看成是一个单独的协议，而是整个网际协议 IP 的一个组成部分。
（2）IGMP 工作可分为两个阶段
第一阶段：加入多播组。
第二阶段：探询组成员变化情况。
（3）IGMP 采用的一些具体措施，以避免增加大量开销
所有通信都使用 IP 多播。只要有可能，都用硬件多播来传送。
对所有的组只发送一个请求信息的询问报文。默认询问速率是每 125 秒发送一次。
当同一个网络上连接有多个多播路由器时，能迅速和有效地选择其中的一个来探询主机的成员关系。
分散响应。在 IGMP 的询问报文中有一个数值 N，它指明一个最长响应时间（默认值为 10 秒）。当收到询问时，主机在 0 到 N 之间随机选择发送响应所需经过的时延。若一台主机同时参加了几个多播组，则主机对每一个多播组选择不同的随机数。对应于最小时延的响应最先发送。
采用抑制机制。同一个组内的每一个主机都要监听响应，只要有本组的其他主机先发送了响应，自己就不再发送响应了。
3、多播路由选择
转发多播数据报时使用三种方法：洪泛与剪除、隧道技术 (tunneling)、基于核心的发现技术
1）洪泛与剪除
适合于较小的多播组，所有组成员接入的局域网也是相邻接的。
开始时，路由器转发多播数据报使用洪泛的方法（这就是广播）。
为避免兜圈子，采用反向路径广播 RPB (Reverse Path Broadcasting) 的策略。
（1）RPB 的要点：检查，转发
（2）RPB 的要点：形成以源为根节点的多播转发树
（3）RPB 的要点：剪枝与嫁接
剪枝：如果在多播转发树上的某个路由器发现它的下游树枝（即叶节点方向）已没有该多播组的成员，就把它和下游的树枝一起剪除。
嫁接：当某个树枝有新增加的组成员时，可以再接入到多播转发树上。
2）隧道技术 (tunneling)
3）基于核心的发现技术
（1）对于多播组的大小在较大范围内变化时都适合。
（2）对每一个多播组 G 指定一个核心 (core) 路由器，并给出它的 IP 单播地址。
（3）核心路由器按照前面讲过的 2 种方法创建出对应于多播组 G 的转发树（核心路由器为根节点）。
为一个多播组构建一棵转发树，而不是为每个（源，组）组合构建一棵转发树。
构建转发树开销较小，扩展性较好。
（4）如果有一个路由器 R1 向核心路由器发送数据报，那么它在途中经过的每一个路由器都要检查其内容。
（5）当数据报到达参加了多播组 G 的路由器 R2 时，R2 就处理这个数据报。
如果 R1 发出的是一个多播数据报，其目的地址是 G 的组地址，R2 就向 G 的成员转发这个多播数据报。
如果 R1 发出的数据报是一个请求加入多播组 G 的数据报，R2 就把这个信息加到它的路由中，并用隧道技术向 R1 转发每一个多播数据报的副本。
4、几种多播路由选择协议
距离向量多播路由选择协议 DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol)。互联网上使用的第一个多播路由选择协议。
基于核心的转发树 CBT (Core Based Tree)
开放最短通路优先的多播扩展 MOSPF (Multicast Extensions to OSPF)
协议无关多播-稀疏方式 PIM-SM (Protocol Independent Multicast-Sparse Mode) 。唯一成为互联网标准的一个协议。
协议无关多播-密集方式 PIM-DM (Protocol Independent Multicast-Dense Mode)