组播协议简介

组播是一种一对多的IP传输方式。域内组播路由协议维护组播组成员关系信息，通过建立组播分发树进行组播数据包的转发。域间组播路由协议在各自治域间发布具有组播能力的路由信息和组播源信息，实现组播数据在域间进行转发。多种组播协议共同协作、相辅相成，共同保障组播网络正确、高效地运转。

发布时间：2022-11-25
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1 组播是什么

组播是一种IP（Internet Protocol，网际互连协议）传输方式。IP是TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）体系中的网络层协议，有三种传输方式：

●单播

单播又称为单点传送，是指在一个只有单个发送者和单个接收者的网络中进行通信。采用单播方式传输的数据包会被多次重复转发，从而引起带宽资源浪费，并且会增加源主机的负荷。

●广播

广播通信是指一台源主机与网络中所有其他主机间进行通信。当源主机采用广播方式发送数据报文时，该报文会被同域内的其他主机无条件接收，所以无法向众多的终端用户提供多样化的定制服务。此外，广播禁止在Internet宽带网上传输，因此存在一定的局限性。

●组播

组播又称为多播，是指在一个发送者和多个特定接收者之间进行通信。组播解决了传统的单播和广播方式效率低的问题，当网络中的某些用户需要特定信息时，组播数据发送者仅发送一次组播报文，设备借助组播协议为组播报文建立分发树，被转发的组播报文会在该组播分发树上按需开始复制和转发，从而实现节约带宽、减少网络负载。因此组播报文的正确转发离不开组播协议。

2 组播协议分类

实现IP组播通讯，需要解决两个问题：

●组播成员如何加入组播组？

●组播数据如何转发到对应接收者？

以下两类基本协议可以分别解决上述两个问题：

●组成员管理协议

●组播路由协议

2.1 组成员管理协议

组成员管理协议用于管理组播组成员的加入和离开。常用的组成员管理协议有：IGMP（Internet Group Management Protocol，因特网组管理协议）、MLD（Multicast Listener Discovery，组播侦听发现协议）、IGMP SNOOPING（Internet Group Management Protocol Snooping，组播侦听者发现协议窥探）和MLD SNOOPING（Multicast Listener Discovery Snooping，组播侦听者发现协议窥探）。

●IGMP

IGMP是一种常用的管理IPv4组播组成员的TCP/IP协议，运行在组播网络末梢的组播设备与用户主机上，用于用户主机和其直连的组播设备之间建立并维护组播组成员关系。目前，IGMP协议共有3个版本：IGMPv1、IGMPv2和IGMPv3。在IGMPv1中，IGMP查询器只查询和转发普通组查询报文和成员报告报文；IGMPv2兼容IGMPv1的功能，并在其基础上引入查询器选举机制和离开组播机制；IGMPv3兼容IGMPv1和IGMPv2，并在二者基础上增加用户主机支持组播源过滤功能，增强查询报文和加入报文的功能。

●MLD

MLD是负责IPv6组播成员管理的TCP/IP协议，用于组播设备在其直连网段上发现IPv6组播侦听者，维护与IPv6组播地址相关的定时器信息。目前，MLD有两个版本MLDv1和MLDv2，分别对应IPv4组播网络中的IGMPv2和IGMPv3。不同版本MLD对报文的处理与IGMP处理方式一致，都是向前兼容。

●IGMP SNOOPING

IGMP SNOOPING是运行在二层设备上的组播协议，用于管理和控制组播组。该协议通过侦听三层组播设备和主机间的协议报文来管理和控制IP组播流在数据链路层的转发，实现二层组播功能。当用户终端和上游三层设备之间传递的IGMP协议报文通过二层组播设备时，IGMP SNOOPING会分析报文携带的信息，根据这些信息建立和维护二层组播转发表，从而指导组播数据在数据链路层按需转发。

●MLD SNOOPING

MLD SNOOPING通过侦听三层组播设备和主机间的协议报文来管理和控制IPv6组播流在数据链路层内的按需转发，实现二层组播功能。在组播网络中，当二层组播设备没有配置MLD SNOOPING功能时，IPv6组播报文会在整个网络中泛洪，导致网络带宽浪费，还影响了网络信息安全。配置了MLD SNOOPING后，二层组播设备可以侦听用户主机和上游三层组播设备间的MLD协议报文，从而建立二层组播表项，控制IPv6组播数据报文只往特定用户主机转发，防止组播数据在二层网络中广播，实现按需转发。

2.2 组播路由协议

组播成员通过组成员管理协议加入到组播组后，就会按需进行组播数据报文交互。组播设备在进行组播数据交互时需要依赖组播路由协议，通过维护组播路由表项，对数据报文进行转发。组播路由协议负责在组播网络中构建一个无环的组播分发树，即组播流量在组播网络中的传输路径。组播路由协议根据工作域的不同可分为：

●域内组播路由协议

域内组播路由协议包括MOSPF（Multicast Open Shortest Path First，组播扩展开放式最短路径优先协议）、DVMRP（Distance Vector Multicast Routing Protocol，距离矢量组播路由选择协议）、PIM（Protocol Independent Multicast，协议无关组播）、CBT（Core-based Tree，基于核心树的组播协议）等协议。域内组播路由协议根据运行模式不同又分为密集模式下的协议和稀疏模式下的协议。其中，DVMRP、PIM-DM（Protocol Independent Multicast-Dense Mode，协议无关组播—密集模式）和MOSPF属于密集模式，CBT、PIM-SM（Protocol Independent Multicast-Sparse Mode，协议无关组播—稀疏模式）属于稀疏模式。由于MOSPF扩展性较差且复杂度高，不易被实现，并且不支持隧道功能，主流的组播网络架构中已不再使用。CBT虽然简单，但无法满足端到端的性能要求，不适合在大型组播全网中使用。DVMRP在运行过程中高度依赖单播路由协议，需要维护大量的拓扑数据，这对于设备负载有一定的压力。故在域内，组播网络主要使用的是与单播路由协议无关的PIM协议进行组播路由表项的维护和转发。

PIM是一种协议无关的域内组播路由协议。即为IP组播提供路由信息的可以是任意单播路由协议，如静态路由、RIP和OSPF等。组播路由和单播路由无关，只是利用单播路由表生成组播路由信息。PIM根据实现机制不同主要可以分为PIM-DM和PIM-SM两种。PIM-DM是密集模式的PIM协议，适用于组播组成员分布相对密集的小型网络，理想的场景是PIM网络中每个路径下都有组播组成员需要接收报文，每个转发节点通过PUSH（推送）的方式将组播报文泛洪至整个网络。与PIM-DM不同，稀疏模式的PIM协议——PIM-SM，多适用于接收者分布较为分散、地域广阔的环境，采用PULL（拉）的方式，由组播组成员按需发起接收报文的请求，才会接收到对应的组播报文。

●域间组播路由协议

域间组播路由协议用于发现和连通其他组播域内的组播源，实现跨域组播。最常用的域间组播路由协议是MSDP（Multicast Source Discovery Protocol，组播源发现协议）。在多个组播域中，MSDP通过在不同的组播域中建立MSDP对等体，交互SA（Source-Active，信源有效）消息，共享跨域组播源信息，实现组播报文跨域转发。此外，MSDP还可在单个组播域内工作：通过在单个组播域内在多个相同地址的RP（Rendezvous Point，汇聚点）间建立MSDP对等体，实现组播域内的各RP间的负载分担和冗余备份。

在整个组播网络中，域内组播路由协议维护组播组成员关系信息，运用组播路由算法组播分发树进行组播数据包的转发。同时，域间组播路由协议在各自治域间发布具有组播能力的路由信息和组播源信息，以实现组播数据在域间进行转发。内外组播路由协议共同协作、相辅相成，共同保障组播网络正确、高效地运转。

3 组播协议的应用

随着互联网技术的飞速发展，网络会议、流媒体点播、线上远程教学等在线服务兴起，这类服务大多都是一对多的通讯模式，对实时性要求较高，IP组播在其中就发挥着至关重要的作用。目前，主流的设备供应商的主打产品都配置了组播功能，内置完备的组播协议，配合先进的技术架构，全日不间断保障网络间的稳定通信。例如，ICT（Information and Communications Technology，信息与通信技术）设备主流厂商——锐捷网络，面向高教、政府、医疗、普教、金融等室内场景推出的双射频支持802.11ac Wave2的无线AP（Access Point，接入点）产品——RG-AP720-L就集成了多种组播技术，确保无线网络中视频资源使用不同的IP组播地址进行区分，IP组播流在VLAN内转发，组播网络设备通过IGMP SNOOPING侦听并建立组播表项，控制IP组播报文只发给指定接收者，防止组播数据在网络中的广播，减少网络负载，解决了在无线网络中视频点播等应用下掉包、时延大导致视频不流畅的问题，大大优化了组播视频业务在无线网络中的体验。

图3-1 RG-AP720-L产品图

4 总结

组播作为IP传输的三种方式之一，通过在组播网络中结合不同的组播协议，定向地向多个接收者传输单信息流的方式，有效地解决了单点发送、多点接收的问题，实现了IP网络中一对多的高效数据传输，节约网络带宽，降低网络负载。此外，利用组播网络特性，可保障在线直播、流媒体订阅、远程教育、远程医疗等高度实时性的互联网场景高效稳定运作。