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知识路径： > 网络技术 > 因特网与物联网 > IP组播技术 >
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相关知识点：10个
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组播网络的体系结构包括：组播的基本工作原理、实现组播的条件、组播的地址分配方案及与MAC地址映射、Internet组管理协议。
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组播是一种允许一个或多个发送者（组播源）发送单一的数据包到多个接收者（一次的，同时的）的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。组播可以大大的节省网络带宽，因为无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。
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（1）单播（Unicast）传输：在发送者和每一接收者之间需要单独的数据信道。如果一台主机同时给很少量的接收者传输数据，一般没有什么问题。但如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时却很难实现。这将导致发送者负担沉重、延迟长、网络拥塞；为保证一定的服务质量需增加硬件和带宽。
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（2）组播（Multicast）传输：它提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持）。
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（3）广播（Broadcast）传输：是指在IP子网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。广播意味着网络向子网主机都投递一份数据包，不论这些主机是否乐于接收该数据包。然而广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，因为路由器会封锁广播通信。广播传输增加非接收者的开销。
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实现IP组播传输，则组播源和接收者以及两者之间的下层网络都必须支持组播。这包括以下几方面：
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.有一套用于加入、离开、查询的组管理协议，即IGMP（v1,v2）;
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.有一套IP地址分配策略，并能将第三层IP组播地址映射到第二层MAC地址；
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.所有介于组播源和接收者之间的路由器、集线器、交换机及TCP/IP栈、防火墙均需支持组播。
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目前，IP组播技术得到硬件、软件厂商的广泛支持，比如，新生产的以太网卡几乎都支持组播;Cisco的路由器不仅支持DVMRP、PIM路由协议及IGMP组管理协议，而且支持Cisco专有Cisco组管理协议CGMP，再如微软的Windows 95支持IP组播和IGMPv1，而Windows 98还支持IGMPv2。对于不支持IP组播传输的中间路由器采用IP隧道（Tunneling）技术作为过渡方案。这些说明IP组播技术的应用环境已基本具备。
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在组播通信中，我们需要两种地址：一个IP组播地址和一个Ethernet组播地址。其中，IP组播地址标识一个组播组。由于所有IP数据包都封装在Ethernet帧中，所以还需要一个组播Ethernet地址。为使组播正常工作，主机应能同时接收单播和组播数据，这意味着主机需要多个IP和Ethernet地址。
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IP地址方案专门为组播划出一个地址范围，在IPv4中为D类地址，范围是224.0.0.0到239.255.255.255，并将D类地址划分为局部链接组播地址、预留组播地址、管理权限组播地址：在IPv6中为组播地址提供了许多新的标识功能，下图所示为IPv4和IPv6的组播地址格式，其中IPv6中特殊域的定义如下图所示。
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局部链接地址：224.0.0.0~224.0.0.255，用于局域网，路由器不转发属于此范围的IP包；
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预留组播地址：224.0.1.0~238.255.255.255，用于全球范围或网络协议；
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管理权限地址：239.0.0.0~239.255.255.255，组织内部使用，用于限制组播范围。
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IP组播帧都使用以0X0100.5EXX.XXXX的24位前缀开始的MAC层地址，但只有其中的一半MAC地址可以被IP组播使用，剩下的MAC地址空间的23位作为第三层IP组播地址进入第二层MAC地址的映射使用。由于第三层IP组播的28位地址不能映射到只有23位的可用MAC地址空间，造成有32个IP组播的地址不明确，所以主机CPU必须对收到的每一个组播数据包做出判断。这增加了主机CPU的开销。此外，还产生抑制第二层局域网交换的组播扩散问题。
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令牌环网MAC地址格式与标准以太网MAC地址格式位序相反。令牌环网的缺点是其功能地址位使得它对组播地址映射的不明确性高达228:1，这意味着令牌环网上的组播数据流将导致令牌环网点的CPU被环路上的每一个组播数据包中断，从这个角度来说，令牌环网不适合于组播。
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在单播模型中，数据包通过网络沿着单一路径从源主机向目标主机传递，但在组播模型中，组播源向某一组地址传递数据包，而这一地址却代表一个主机组。为了向所有接收者传递数据，一般采用组播分布树描述IP组播在网络里经过的路径。
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组播分布树有四种基本类型：泛洪法、有源树、有核树和Steiner树。
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这是最简单的向前传送组播路由算法，并不构造所谓的分布树。其基本原理如下：当组播路由器收到发往某个组播地址的数据包后，首先判断是否是首次收到该数据包，如果是首次收到，那么将其转发到所有接口上，以确保其最终能到达所有接收者；如果不是首次收到，则抛弃该数据包。
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泛洪法的实现关键是"首次收到"的检测。这需要维护一个最近通过的数据包列表，但无须维护路由表。它适合于对组播需求比较高的场合，并且能做到即使传输出现错误，只要还存在一条到接收者的链路，则所有接收者都能接收到组播数据包。然而，泛洪法不适合用于Internet，因为它不考虑链路状态，并产生大量的拷贝数据包。此外，对于高速网络而言，"首次收到"列表将会很长，占用相当大的内存；尽管它能保证不对相同的数据包进行二次转发，但不能保证对相同数据包只接收一次。
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有源树也称为基于信源的树或最短路径树（Shortest Path Tree， SPT）。它是以组播源为根构造的从根到所有接收者路径都最短的分布树。如果组中有多个组播源，则必须为每个组播源构造一棵组播树。由于不同组播源发出的数据包被分散到各自分离的组播树上，因此采用SPT有利于网络中数据流量的均衡。同时，因为从组播源到每个接收者的路径最短，所以端到端（end-to-end）的时延性能较好，有利于流量大、时延性能要求较高的实时媒体应用。SPT的缺点是：要为每个组播源构造各自的分布树，当数据流量不大时，构造SPT的开销相对较大。
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共享树也称RP树（RPT），是指为每个组播组选定一个共用根（汇合点RP或核心），以RP为根建立的组播树。同一组播组的组播源将所要组播的数据单播到RP，再由RP向其他成员转发。目前，讨论最多同时也是最具代表性的两种共享树是Steiner树和有核树（CBT）。
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（1）Steiner树是总代价最小的分布树，它使连接特定图（graph）中的特定组成员所需的链路数最少。若考虑资源总量被大量的组使用的情况，那么使用资源较少最终就会减少产生拥塞的风险。Steiner树相当不稳定，树的形状随组中成员关系的改变而改变，且对大型网络缺少通用的解决方案。所以Steiner树只是一种理论模型，而非实用工具。目前，出现了许多Steiner树的次优启发式生成算法。
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（2）有核树是由根到所有组成员的最短路径合并而成的树。
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共享树在路由器所需存储的状态信息的数量和路由树的总代价两个方面具有较好的性能。当组的规模较大，而每个成员的数据发送率较低时，使用共享树比较适合。但当通信量大时，使用共享树将导致流量集中及根（RP）附近的瓶颈。
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主机使用IGMP通知子网组播路由器，希望加入多播组；路由器使用IGMP查询本地子网中是否有属于某个组播组的主机。
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当某个主机加入某一个多播组时，它通过"成员资格报告"消息通知它所在的IP子网的组播路由器，同时将自己的IP模块做相应的准备，以便开始接收来自多组播组传来的数据。如果这台主机是它所在的IP子网中第一台加入该多播组的主机，通过路由信息的交换，组播路由器加入组播分布树。
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在IGMP v1协议中，当主机离开某一个多播组时，它将自行退出。组播路由器定时（如120秒）使用"成员资格查询"消息向IP子网中的所有主机的组地址（224.0.0.1）查询，如果某一组播组在IP子网中已经没有任何成员，那么组播路由器在确认这一事件后，将不再在子网中转发该多播组的数据。与此同时，通过路由信息交换，从特定的多播组分布树中删除相应的组播路由器。这种不通知任何人而悄悄离开的方法，使得组播路由器知道IP子网
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