IP组播的基本概念

原理概述:

IANA(Internet Assigned Numbers Authority)将IP地址分成了A、B、C、D、E5类,其中的D类为组播IP地址,范围是224.0.0.0-239.255.255.255。

一个IP报文,其目的地址如果是单播IP地址,则被称为单播IP报文。如果是组播IP地址,则称为组播IP报文。如果是广播IP地址,则称为广播IP报文。发送IP报文时,如果发送的是单播IP报文,则这样的发送方式称为IP单播方式,简称为IP单播。如果发送的是组播IP报文,则这样的发送方式称为IP组播方式,简称为IP组播。如果发送的是广播IP报文,则这样的发送方式称为IP广播方式,简称为IP广播。

IP单播是一种点到点的通信方式,而IP组播则是一种点到多点的通信方式。一个发送者需要同时向多个接收者发送完全相同的信息时,如果采用单播方式,则网络需要传输大量的报文,相比之下,采用组播方式可以大大减少需要传输的报文数量,从而可以节约大量的网络资源。随着Internet的不断发展,电子商务、网络会议、视频点播、远程教学等服务大量兴起,这些服务大多符合点到多点的模式,特别适合于IP组播的应用。

在组播方式下,组播报文将沿着组播路由协议建立的树型路由从信息源传递到众多的终端用户。在这个过程中,只有该组播组的成员才能收到并处理该组播组的报文,而对于不是该组播组的成员,要么不能收到该组播组的报文,要么收到后直接丢弃。

虽然IP广播也是一种点到多点的通信模式,当相比之下,IP组播总的来说个更具优势。例如,IP组播是可以跨域网段的,而IP广播只能限制在一个网段内。另外,IP组播也比IP广播具有更好的安全性;

单播(Unicast)、“多播/组播”(Multicast)和“广播”(Broadcast)这三个术语都是用来描述网络节点之间通讯方式的术语。它们三者之间的区别详细论述:

单播:

1 概念

网络节点之间的通信就好像是人们之间的对话一样。如果一个人对另外一个人说话,那么用网络技术的术语来描述就是“单播”,此时信息的接收和传递只在两个节点之间进行。

主机之间一对一的通讯模式,网络中的交换机和路由器对数据只进行转发不进行复制。如果10个客户机需要相同的数据,则服务器需要逐一传送,重复10次相同的工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应,所以现在的网页浏览全部都是采用单播模式,具体的说就是IP单播协议。网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径,将IP单播数据传送到其指定的目的地。

2 优点

服务器及时响应客户机的请求

服务器针对每个客户不同的请求发送不同的数据,容易实现个性化服务。

3 缺点

服务器针对每个客户机发送数据流,服务器流量=客户机数量×客户机流量;在客户数量大、每个客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负。

现有的网络带宽是金字塔结构,城际省际主干带宽仅仅相当于其所有用户带宽之和的5%。如果全部使用单播协议,将造成网络主干不堪重负。现在的P2P应用就已经使主干经常阻塞。而将主干扩展20倍几乎是不可能。

4 应用

单播在网络中得到了广泛的应用,网络上绝大部分的数据都是以单播的形式传输的,只是一般网络用户不知道而已。例如,你在收发电子邮件、浏览网页时,必须与邮件服务器、Web服务器建立连接,此时使用的就是单播数据传输方式。但是通常使用“点对点通信”(Point to Point)代替“单播”,因为“单播”一般与“多播”和“广播”相对应使用。

多播

1 概念

“多播”也可以称为“组播”,在网络技术的应用并不是很多,但多播出现时间最晚但同时具备单播和广播的优点,最具有发展前景。

主机之间一对一组的通讯模式,也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据,网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。

主机可以向路由器请求加入或退出某个组,网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据,即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要(加入组)的主机,又能保证不影响其他不需要(未加入组)的主机的其他通讯。

2 优点

需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流,节省了服务器的负载。具备广播所具备的优点。

由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发,所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。IP协议允许有2亿6千多万个组播,所以其提供的服务可以非常丰富。

此协议和单播协议一样允许在Internet宽带网上传输。

3 缺点

与单播协议相比没有纠错机制,发生丢包错包后难以弥补,但可以通过一定的容错机制和QOS加以弥补。

现行网络虽然都支持组播的传输,但在客户认证、QOS等方面还需要完善,这些缺点在理论上都有成熟的解决方案,只是需要逐步推广应用到现存网络当中。

4 应用

网上视频会议、网上视频点播特别适合采用多播方式。因为如果采用单播方式,逐个节点传输,有多少个目标节点,就会有多少次传送过程,这种方式显然效率极低,是不可取的;

如果采用不区分目标、全部发送的广播方式,虽然一次可以传送完数据,但是显然达不到区分特定数据接收对象的目的。

采用多播方式,既可以实现一次传送所有目标节点的数据,也可以达到只对特定对象传送数据的目的。

IP网络的多播一般通过多播IP地址来实现。多播IP地址就是D类IP地址,即224.0.0.0至239.255.255.255之间的IP地址。Windows 2000中的DHCP管理器支持多播IP地址的自动分配。

广播

1 概念

“广播”在网络中的应用较多,如客户机通过DHCP自动获得IP地址的过程就是通过广播来实现的。

主机之间一对所有的通讯模式,网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制并转发,所有主机都可以接收到所有信息(不管你是否需要),由于其不用路径选择,所以其网络成本可以很低廉。有线电视网就是典型的广播型网络,我们的电视机实际上是接受到所有频道的信号,但只将一个频道的信号还原成画面。

在数据网络中也允许广播的存在,但其被限制在二层交换机的局域网范围内,禁止广播数据穿过路由器,防止广播数据影响大面积的主机。

2 优点

网络设备简单,维护简单,布网成本低廉

由于服务器不用向每个客户机单独发送数据,所以服务器流量负载极低。

3 缺点

无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务。

网络允许服务器提供数据的带宽有限,客户端的最大带宽=服务总带宽

例如有线电视的客户端的线路支持100个频道(如果采用数字压缩技术,理论上可以提供500个频道),即使服务商有更大的财力配置更多的发送设备、改成光纤主干,也无法超过此极限。也就是说无法向众多客户提供更多样化、更加个性化的服务。

广播禁止允许在Internet宽带网上传输。

4 应用

但是同单播和多播相比,广播几乎占用了子网内网络的所有带宽,可能形成广播风暴。拿开会打一个比方吧,在会场上只能有一个人发言。想象一下如果所有的人同时都用麦克风发言,那会场上就会乱成一锅粥。

集线器由于其工作原理决定了不可能过滤广播风暴,一般的交换机也没有这一功能,不过现在有的网络交换机(如全向的QS系列交换机)也有过滤广播风暴功能了,路由器本身就有隔离广播风暴的作用。

广播风暴不能完全杜绝,但是只能在同一子网内传播,就好像喇叭的声音只能在同一会场内传播一样,因此在由几百台甚至上千台电脑构成的大中型局域网中,一般进行子网划分,就像将一个大厅用墙壁隔离成许多小厅一样,以达到隔离广播风暴的目的。

在IP网络中,广播地址用IP地址“255.255.255.255”来表示,这个IP地址代表同一子网内所有的IP地址。

实验目的:

理解IP组播的基本原理和应用场景

观察IP单播、组播、广播现象

掌握组播源的配置方法

 

实验拓扑:

路由交换基础之IP组播的基本概念_帮助理解

1:基本配置:

 路由交换基础之IP组播的基本概念_详细解释_02

2:观察单播方式:

单播报文的目的IP地址只能标识一个唯一的接收者,只有该接收者才能收到并处理该IP报文,其他接收者要么不能收到此报文,要么收到后也不会进行处理,而是直接丢弃。

在R1上使用PC1的单播IP地址10.0.1.1作为目的地址进行ping操作,然后分别在PC1、PC2和PC3的E0/0/1接口查看报文的接收情况

 路由交换基础之IP组播的基本概念_帮助理解_03

PC1的Ethernet0/0/1接口报文情况

路由交换基础之IP组播的基本概念_组播_04

PC2的Ethernet0/0/1接口报文情况

路由交换基础之IP组播的基本概念_详细解释_05

PC3的Ethernet0/0/1接口报文情况

路由交换基础之IP组播的基本概念_组播_06

可以观察到,PC2和PC3没有收到ICMP消息,只有PC1收到了,如果三个用户都需要接收到ping包,则需要在R1上分别使用3台PC的单播IP地址发送3次ping包。

如果多个用户需要获得相同的信息,那么在单播方式下网络中需要传输的报文数量是用户数量成正比。用户数量越多,网络中包含相同信息的报文数量就越多,这样既浪费网络设备的CPU资源又浪费网络的带宽资源

3:观察广播方式

一个广播IP地址标识了某确定网段内的所有网络设备,该网段内每个网络设备都会收到并处理该网段的广播报文。

在R1上配置RIPv1协议,使R1通过广播方式发送RIP报文,然后在PC1、PC2和PC3的E0/0/1接口上查看报文接收情况

[R1]rip 1
[R1-rip-1]network 10.0.0.0

 路由交换基础之IP组播的基本概念_组播_07

PC1的Ethernet0/0/1接口报文情况

 路由交换基础之IP组播的基本概念_广播_08

PC2的Ethernet0/0/1接口报文情况

 路由交换基础之IP组播的基本概念_组播_09

PC3的Ethernet0/0/1接口报文情况

可以看到,PC1、PC2和PC3都收到了R1通过广播方式发送RIP报文

广播方式只在同一个网段中才有效,不能跨越网段。另外,广播方式是无法区分接受者的,这对于信息的安全性和服务的有偿性而言都是一个问题

4:观察组播方式

使用组播方式时,只有加入到该组播组的成员才能收到并处理该组播组的报文。对于不是该组播组的成员,要么不能接收到该组播组的报文,要么收到后直接丢弃。

在R1上完成组播的基本配置,包括在全局模式下开启组播功能,在G0/0/0接口下开启组播功能,在G0/0/1和G0/0/2接口下开启组播功能及IGMP功能

[R1]multicast routing-enable 
[R1]int g0/0/0
[R1-GigabitEthernet0/0/0]pi
[R1-GigabitEthernet0/0/0]pim dm
[R1-GigabitEthernet0/0/0]int g0/0/1
[R1-GigabitEthernet0/0/1]pim dm
[R1-GigabitEthernet0/0/1]int g0/0/2
[R1-GigabitEthernet0/0/2]pim dm
[R1-GigabitEthernet0/0/2]int g0/0/0
[R1-GigabitEthernet0/0/0]ig
[R1-GigabitEthernet0/0/0]igmp en
[R1-GigabitEthernet0/0/0]igmp enable
[R1-GigabitEthernet0/0/0]int g0/0/1
[R1-GigabitEthernet0/0/1]ig
[R1-GigabitEthernet0/0/1]igmp en
[R1-GigabitEthernet0/0/1]igmp enable

组播服务器需要使用VLC播放视频的方式来发送组播。首先,在网上下载并安装一个VLC软件,然后,在ensp软件的主页面中点击右上方工具栏的设置按钮,在工具设置页面上设置VLC软件路径如图所示

 路由交换基础之IP组播的基本概念_广播_10

在组播服务器上配置IP地址、掩码等,然后点击应用

 路由交换基础之IP组播的基本概念_详细解释_11

接下来,在组播源页面中配置组播组MAC地址和组播组IP地址

 路由交换基础之IP组播的基本概念_帮助理解_12路由交换基础之IP组播的基本概念_组播_13

可以观察到,在PC4上已能播放组播源的视频了。另一方面,如果PC1和PC2不加入该组播组,则即使启动VLC也无视频播放出来,同时,在PC1和PC2的Ethernet0/0/1接口上抓取不到任何UDP的视频数据

当PC1和PC2加入组播组224.1.1.1后,重新启动VLC,则观察到可播放视频。此时,只有PC3没加入好组播组,在PC3上启动VLC也无法视频播放

实验结束

备注:如有错误,请谅解!

此文章为本人学习笔记,仅供参考!如有重复!!!请联系本人!