Multicast :: 组播学习笔记

概念：组播 (Multicast)
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与 unicast, broadcast 类似，它是数据的一种传送方式。
与 unicast 相比较，在发送相同数据到多个目标时，unicast 对不同目标分别发送一份数据，即每个目标均要发送一次，而 multicast 只发送一份数据但所有目标将都会得到一份，即多目标只发送一次。
这里要注意，multicast 与 broadcast 是有区别的，broadcast 通常只能在同一广播域传递，路由器是分割广播域的。虽然我们可以允许路由器传递广播，但这是非常差的一种解决方案，而 multicast 有一系列机制可以在不同的网络之间传递。



概念: IGMP v1, v2, v3
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Internet Group Management Protocol, 互联网络组管理协议

我理解它是工作在同一 broadcast domain 的 multicast 基础协议，它使得 router 和 host 使用相同的机制进行 multicastt group 的 join, leave 等基本行为的实现和管理。与之相比，IP multicast routing protocols 就是实现不同 broadcast 之间组播通信的基础协议了。

组播路由协议要建立在 router 支持/启用 IGMP 的基础之上，这道理与 IP 路由协议要建立在支持 IP 协议的网络上一样。



概念: Multicast routing protocol有哪些？
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PIM, DVMRP, MOSPF, CBT

PIM：基于单播路由表构建 Source-based Tree 和 Shared Tree，路由器用 join, prune, graft 三种消息通知 upstream router 是否需要向其转发组播数据。目前较常用的是 PIM-SM (Protocol Independent Multicast Sparse-Mode, 协议无关组播稀疏模式)。



概念: PIM-DM 和 PIM-SM 的主要区别
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我认为只是强调 push 和 pull 的工作方式区分二者的区别是不太直观的。

我选择用直述性的语言描述区别：
PIM-DM 的组播成员是由 source 发送全组播网络的 flooding 再 prune 后确定的，默认情况下每 3 分钟就要重新 flooding 一次。而 PIM-SM 的组播成员是 source 和 receiver 主动向 RP 注册最终确定的，RP 是 PIM-SM 特有概念。

那么从上面的区别不难看出，这两种方式恰恰是 push 和 pull。直接告诉学习者结论，不如先说明过程再归纳出结论，这样效果会更好一些。从我自身的情况看，我很难从精辟的结论描述反推出过程、原理，因此我也建议授课讲师们不要一上来就谈 push 和 pull 概念，这样不利于学习者的理解。



概念：RPF (Reverse Path Forwarding)
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反向路径转发，组播路径选择依据的技术。
它包括三个过程：
1）Broadcast，假定网络上的每个主机都是多播组成员；
2）Prune(修剪)，停止向没有组播成员的网络发送组播信息；
3）Selective forwarding，如果有多条路径，依据单播路由表选路。
RPF在应用时，会检查组播数据的源地址、进入路由器的端口是否与路由器 unicast route table 中的信息一致，如果源地址在路由表中的指向不是这个端口，那么将会对数据包执行 silence drop。



概念：Source-based Tree 和 Shared Tree
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*** 这两个概念是学习组播必须掌握的！ ***

Source-based Tree: 源树，依据 RPF 算法计算得出的从 RP 到 source 的一棵 RPT （RP 是 root），用 Notation(S,G) 记录转发表，S 表示源地址，G 表示组播地址。*注：Source-Based Tree 是在 <> 中的叫法，在 <> 中称其为 Source-rooted Tree。

Shared Tree: 共享树 (有的书上也叫 Shared Distribution Tree)，依据 RPF 算法计算得出的从 RP 到 receiver 的一棵 RPT （RP 是 root），用 Notation(*,G) 记录转发表。

在 Source-based Tree 中，也就是 RP 与 source 之间数据通过 unicast 传播(将组播数据封装到单播包内)，而在 Shared Tree 中，也就是 RP 和 Receiver 之间数据通过 multicast 传播。

*注意：source-based tree 和 shared tree 的生成算法是 RPF，而不是 SPF，最终生成的 2 棵树均为 reverse path tree。只有在 multicast router 完成 RPF 到 SPT 的 switchover 后，才会在 receiver 和 source 之间建立一棵 SPT (shortest path tree)。



概念：DR (Designated Router)
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这里的 DR 是组播的 DR，更准确地说是 PIM 的 DR。

在 PIM-SM 中，它有两个作用，前提是在 Multiaccess 网络中，一是代替 receiver 向 RP 发送 join 消息，二是代替 source 向 RP 发送 register 消息。之所以要在 multiaccess 网络中选举 DR 的原因则与 OSPF 的 DR 产生原因是相似的，可以参考。

在 PIM-DM 中，它的作用是作为 IGMP Querier 代表所有参与组播的路由器向 receiver 定期发送查询。

PIM 通过 hello 消息发现并维持邻居关系，在 Multiaccess 网络中，路由器向 224.0.0.13 (All-PIM-Router) 发送 hello 包，并进行 DR 选举，pim priority 数值大的路由器胜出，若 pim priority 相同，IP地址高的胜出。

另外，在 IGMP 中定义了 DR 的概念，但奇怪的是，IGMP中规定主机地址最小的路由器被选举为 DR，这与 PIM 是不同的!



概念: BootStrap Protocol 和 Auto-RP Protocol
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首先明确一下，二者及 Static RP 都是为了一件事情：finding RP (automatic discovery of the RP)

Bootstrap 是一个 open-standard protocol, 它使用 TTL=1, destination=224.0.0.13 的组播包来进行 ALL_PIM_Routers 之间的消息传递。BSR 是 Bootstrap Protocol 的特有产物，BSR 由选举产生。

Auto-RP 是 Cisco-proprietary protocol，它使用 224.0.0.13 和 224.0.0.14 进行信息传递。RP mapping agents 是 Auto-RP 的特有产物，它相当于 Bootstrap Protocol 中的 BSR，与 BSR 不同的是 RP mapping agents 是通过手工指定的。

BSR 和 RP mapping agent 的作用都是为了最终确认组播网络中的 RP，但是 BSR 通过 224.0.0.13 宣告 RP-Set，而 Auto-RP 是由 RP mapping agents 通过 224.0.1.39 获得 C-RPs 列表并负责选出 RP，再通过 224.0.1.40 向所有组播路由器宣告各个 group 的 RP 和 C-RPs。两个组播地址的消息发送间隔均为 60s。

RP 选举方法：
在 Bootstrap protocol 中，如果只有一个 RP，则选定；有多个RP，选优先级最低的；优先级相同的，选最大 hash 结果的。
在 Auto-RP protocol 中，选优先级高的；优先级相同的，选 IP 地址最大的。



概念: join 和 register
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这两个概念要注意一下。
首先，它们是 PIM-SM 所使用的 PIM v2 的 7 种消息类型中的 2 种。
其次，join 是指 receiver 向 RP 申请加入 multicast group 的动作和过程，register 是指 source 向 RP 申请加入 multicast group 的动作和过程。
最后，join 中文翻译为加入，register 中文翻译为注册。



问题: 关于 source 和 receiver 之间的 SPT
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感谢从开头一直看到这里的朋友，相信此时你已经了解到我对 multicast 了解是很初级的，因此邀请你与我一起思考下面的问题。我们知道，当 receiver 和 source 之间的 RPT 转换到 SPT 后，source 和 receiver 之间存在一条最短路径，它是 SPT 的一部分，我们称这条路径为 P。

问题一: SPT 的 root 在哪里？
问题二: 如果 source 和 receiver 中的一个是 SPT 的 root，请问，如果以二者中的非 root 端作为 root，重新计算生成一棵新的 SPT，那么新 SPT 中二者之间的路径是否就是 P 的逆向？或者说就是同一条路径？

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