近年來，隨著Internet的迅速普及和爆炸性發(fā)展，在Internet上產(chǎn)生了許多新的應用，其中不少是高帶寬的多媒體應用，譬如網(wǎng)絡視頻會議、網(wǎng)絡音頻/視頻廣播、股市行情發(fā)布、多媒體遠程教育、大規(guī)模協(xié)同計算等。這就帶來了帶寬的急劇消耗和網(wǎng)絡擁擠問題。為了緩解網(wǎng)絡瓶頸，人們提出各種方案，其中一種是采用IP Multicast(組播、多播或多路廣播)技術，它是一種能最大限度利用現(xiàn)有帶寬的技術。比較而言，IP組播技術有其獨特的優(yōu)越性，在組播網(wǎng)絡中，即使用戶數(shù)量成倍增長，主干帶寬不需要隨之增加。

　　一、IP組播發(fā)展簡史

　　20世紀80年代中期，斯坦福大學實施了第一次多目的通話，博士生S. E. Deering發(fā)表Host group: A multicast extension to the Internet Protocol (RFC0966) 和Host extensions for IP Multicasting (RFC0988) 兩篇論文。提出了IP組播的可能性。

　　1988年，D. Waltzman, C. Portridge, S. E. Deering發(fā)表題為《距離向量組播路由協(xié)議》的文章(RFC1075)，它是組播路由協(xié)議的首次實踐;

　　1991年12月，S. E. Deering發(fā)表了他的博士論文《數(shù)據(jù)報互連網(wǎng)絡中的組播路由》(RFC1112)。它奠定了組播網(wǎng)絡體系結構和路由協(xié)議的基礎。該文也成為Internet組管理協(xié)議(IGMP)的原型;

　　1994年3月，形成了OSPF協(xié)議的擴展協(xié)議MOSPF(RFC1584);

　　1995年，Cisco公司開始銷售支持組播的路由器和交換機

　　1997年11月，組管理協(xié)議IGMPv2得到IETF的批準，成為標準(RFC2336);

　　1998年6月，評估可靠組播傳輸協(xié)議RMTP的IETF標準出臺(RFC2357);

　　1998年7月，在制定IPv6地址體系標準時，確定IPv6組播地址分配方案(RFC2373)，這為組播技術在下一代Internet上的應用做出了必要的準備;

　　2000年底2001年初，人們著手制定各種組播MIB庫，這標志組播技術正向可管理、可控制方向發(fā)展。

　　二、組播網(wǎng)絡的體系結構

　　組播網(wǎng)絡體系結構包括：組播的基本工作原理、實現(xiàn)組播的條件、組播的地址分配方案及與MAC地址映射、Internet組管理協(xié)議。

　　1、組播的工作原理

　　組播是一種允許一個或多個發(fā)送者(組播源)發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包到多個接收者(一次的，同時的)的網(wǎng)絡技術。組播源把數(shù)據(jù)包發(fā)送到特定組播組，而只有屬于該組播組的地址才能接收到數(shù)據(jù)包。簡單地說，

　　主機通過使用INTERNET組管理協(xié)議加入野火所個組中，并且可以動態(tài)離開組，即成員關系常有變化，路由器跟蹤這種關系并試圖形成一條到達組播成員的無回路路徑。組播路有些已用于得到正在使用的組播組的路徑上那些路由器，以及到達這些組播組的最佳路徑信息。一旦報文到達目標LAN，該報文就有可能泛洪或轉發(fā)到主機。三種傳輸方式比較如下：

　　單播(Unicast)傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間需要單獨的數(shù)據(jù)信道。如果一臺主機同時給很少量的接收者傳輸數(shù)據(jù)，一般沒有什么問題。但如果有大量主機希望獲得數(shù)據(jù)包的同一份拷貝時卻很難實現(xiàn)。這將導致發(fā)送者負擔沉重、延遲長、網(wǎng)絡擁塞。為保證一定的服務質量需增加硬件和帶寬。

　　組播(Multicast)傳輸：它提高了數(shù)據(jù)傳送效率。減少了主干網(wǎng)出現(xiàn)擁塞的可能性。組播組中的主機可以是在同一個物理網(wǎng)絡，也可以來自不同的物理網(wǎng)絡。

　　廣播(Broadcast)傳輸：是指在IP子網(wǎng)內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包，所有在子網(wǎng)內(nèi)部的主機都將收到這些數(shù)據(jù)包。廣播意味著網(wǎng)絡向子網(wǎng)主機都投遞一份數(shù)據(jù)包，不論這些主機是否樂于接收該數(shù)據(jù)包。廣播的使用范圍非常小，只在本地子網(wǎng)內(nèi)有效，因為路由器會隔離廣播通信。廣播傳輸增加非接收者的開銷。

　　2、實現(xiàn)IP組播的前提條件

　　實現(xiàn)IP組播傳輸，組播源和接收者以及兩者之間的下層網(wǎng)絡都必須支持組播。即主機的TCP/IP實現(xiàn)支持發(fā)送和接收IP組播;主機的網(wǎng)絡接口支持組播;有一套用于加入、離開、查詢的組管理協(xié)議，即IGMP(v1,v2);有一套IP地址分配策略，并能將第三層IP組播地址映射到第二層MAC地址;支持IP組播的應用軟件;所有介于組播源和接收者之間的路由器、交換機均需支持組播;Cisco的路由器不僅支持DVMRP、PIM路由協(xié)議、IGMP組管理協(xié)議，而且支持Cisco專有Cisco組管理協(xié)議CGMP，對于不支持IP組播傳輸?shù)闹虚g路由器采用IP隧道(Tunneling)技術作為過渡方案。

　　三、組播的實現(xiàn)

　　在IP組播技術中有四個方面的問題：首先是發(fā)送給誰的問題、其次是接收方如何接收組播信息、第三是用戶主機如何通知路由器對某個組不再感興趣、第四是路由器如何轉發(fā)組播信息。

　　1、組播地址分配與MAC地址

　　在組播通信中，我們需要兩種地址：一個IP組播地址和一個Ethernet組播地址。其中，IP組播地址標識一個組播組。由于所有IP數(shù)據(jù)包都封裝在Ethernet幀中，所以還需要一個組播Ethernet地址。為使組播正常工作，主機應能同時接收單播和組播數(shù)據(jù)，這意味著主機需要多個IP和Ethernet地址。IP地址方案專門為組播劃出一個地址范圍，在IPv4中為D類地址，范圍是224.0.0.0到239.255.255.255，并將D類地址劃分為局部鏈接組播地址、預留組播地址、管理權限組播地址。

　　局部鏈接地址：224.0.0.0～224.0.0.255，用于局域網(wǎng)，路由器不轉發(fā)屬于此范圍的IP包;

　　預留組播地址：224.0.1.0～238.255.255.255，用于全球范圍或網(wǎng)絡協(xié)議;

　　管理權限地址：239.0.0.0～239.255.255.255，組織內(nèi)部使用，用于限制組播范圍;

　　以太網(wǎng)組播MAC地址映射方法： IP組播幀都使用以0X0100.5EXX.XXXX的24位前綴開始的MAC層地址，但只有其中的一半MAC地址可以被IP組播使用，剩下的MAC地址空間的23位作為第三層IP組播地址進入第二層MAC地址的映射使用。由于第三層IP組播的28位地址不能映射到只有23位的可用MAC地址空間，造成有32:1的地址不明確，所以主機CPU必須對收到的每一個組播數(shù)據(jù)包做出判斷。這增加了主機CPU的開銷。此外，還產(chǎn)生抑制第二層局域網(wǎng)交換的組播擴散問題。

　　2、組管理協(xié)議IGMP

　　主機使用IGMP通知子網(wǎng)組播路由器，希望加入組播組;路由器使用IGMP查詢本地子網(wǎng)中是否有屬于某個組播組的主機。

　　1)加入組播組

　　當某個主機加入某一個組播組時，它通過“成員資格報告”消息通知它所在的IP子網(wǎng)的組播路由器，同時將自己的IP模塊做相應的準備，以便開始接收來自該組播組傳來的數(shù)據(jù)。如果這臺主機是它所在的IP子網(wǎng)中第一臺加入該組播組的主機，通過路由信息的交換，組播路由器加入組播分布樹。

　　加入之后，接收方主機的網(wǎng)絡接口卡開始偵聽與組播組地址相關的組播MAC地址，路由器把發(fā)送方的信息包一跳一跳地發(fā)送到有接受者的網(wǎng)段上去，局域網(wǎng)路由器根據(jù)信息包中的組地址轉換成與之相關的MAC地址，接收方偵聽到這個地址，收到信息包后，將IP層的組播數(shù)據(jù)包取出傳向上層。

　　2)退出組播組

　　在IGMP v1中，當主機離開某一個組播組時，它將自行退出。組播路由器定時使用“成員資格查詢” 消息向IP子網(wǎng)中的所有主機的組地址(224.0.0.1)查詢，如果某一組播組在IP子網(wǎng)中已經(jīng)沒有任何成員，那么組播路由器在確認這一事件后，將不再在子網(wǎng)中轉發(fā)該組播組的數(shù)據(jù)。與此同時，通過路由信息交換，從特定的組播組分布樹中刪除相應的組播路由器。這種不通知任何人而悄悄離開的方法，使得組播路由器知道IP子網(wǎng)中已經(jīng)沒有任何成員的事件延時了一段時間，在IGMP v2.0中，當每一個主機離開某一個組播組時，需要通知子網(wǎng)組播路由器，組播路由器立即向IP子網(wǎng)中的所有組播組詢問，從而減少了系統(tǒng)處理停止組播的延時。

　　3、組播轉發(fā)

　　1)逆向路徑轉發(fā)(Reverse Path Forward: RPF)

　　當組播數(shù)據(jù)包到達路由器時，路由器作RPF檢查，以決定是否轉發(fā)或拋棄該數(shù)據(jù)包，若成功則轉發(fā)，否則拋棄。RPF檢查過程如下：

　　檢查數(shù)據(jù)包的源地址，以確定該數(shù)據(jù)包經(jīng)過的接口，是否在從源到此的路徑上;

　　若數(shù)據(jù)包是從可返回源主機的接口上到達，則RPF檢查成功，轉發(fā)該數(shù)據(jù)包到輸出接口表上的所有接口，否則RPF檢查失敗，拋棄該數(shù)據(jù)包。

　　2)組播轉發(fā)緩存

　　對于每一個輸入組播數(shù)據(jù)包進行RPF檢查會導致較大的路由器性能損失。因此，建立組播轉發(fā)緩存時，通常由組播路由確定RPF接口。然后將RPF接口變成組播轉發(fā)緩存項的輸入接口。一旦RPF檢查程序使用的路由表發(fā)生變化，必須重新計算RPF接口;并更新組播轉發(fā)緩存項。

　　3)TTL閾值

　　每當路由器轉發(fā)組播數(shù)據(jù)包，IP包中的TTL(Time To Live)值都減1。若數(shù)據(jù)包的TTL減少到0，則路由器將拋棄該數(shù)據(jù)包。TTL閾值可用于組播路由器的各個接口，以防止在該接口上轉發(fā)低于TTL閾值的組播數(shù)據(jù)包。這樣可對組播的范圍加以控制。

　　4)管理權限邊界

　　除TTL閾值外，組播提供另一種稱為管理權限的地址機制作為邊界，以限制組播信息轉發(fā)到域外。管理權限的組播地址是從239.0.0.0到239.255.255.255，這段地址被認為是本地分配(類似于單播中的192.168.xx.xx)，不能用于Internet。這種機制使得在Intranet內(nèi)部可重復使用組播地址，提高組播地址空間的利用率。

　　4、組播樹

　　在單播模型中，數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡沿著單一路徑從源主機向目標主機傳遞，但在組播模型中，組播源向某一組地址傳遞數(shù)據(jù)包，而這一地址卻代表一個主機組。為了向所有接收者傳遞數(shù)據(jù)，一般采用組播分布樹描述IP組播在網(wǎng)絡里經(jīng)過的路徑。

　　組播分布樹有兩種基本類型　有源樹和共享樹。

　　1)有源樹

　　有源樹也稱為基于信源的樹或最短路徑樹(Shortest Path Tree：SPT)。它是以組播源為根構造的從根到所有接收者路徑都最短的分布樹。如果組中有多個組播源，則必須為每個組播源構造一棵組播樹。由于不同組播源發(fā)出的數(shù)據(jù)包被分散到各自分離的組播樹上，因此采用SPT有利于網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流量的均衡。同時，因為從組播源到每個接收者的路徑最短，所以端到端(end-to-end)的時延性能較好，有利于流量大、時延性能要求較高的實時媒體應用。SPT的缺點是：要為每個組播源構造各自的分布樹，當數(shù)據(jù)流量不大時，構造SPT的開銷相對較大。

　　2)共享樹

　　共享樹也稱RP樹(RPT)，是指為每個組播組選定一個共用根(匯合點RP或核心)，以RP為根建立的組播樹。同一組播組的組播源將所要組播的數(shù)據(jù)單播到RP，再由RP向其它成員轉發(fā)。目前，討論最多同時也是最具代表性的兩種共享樹是Steiner樹和有核樹(CBT)。

　　共享樹在路由器所需存儲的狀態(tài)信息的數(shù)量和路由樹的總代價兩個方面具有較好的性能。當組的規(guī)模較大，而每個成員的數(shù)據(jù)發(fā)送率較低時，使用共享樹比較適合。但當通信量大時，使用共享樹將導致流量集中及根(RP)附近的瓶頸。

　　組播，多播說的是一個東西。他跟廣播類似，但是，只有感興趣的主機才會收到，不敢興趣的直接被網(wǎng)卡過濾掉了，而廣播不一樣，廣播報總是能到達網(wǎng)絡協(xié)議層的。另外，組播能夠卡網(wǎng)段，到達任何網(wǎng)絡，而廣播不行。

　　做播地址有一定的范圍。