单播、广播、组播(多播)

当前的网络中有三种通讯模式：单播、广播、组播(多播)，其中的组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。

一、单播（Unicast）

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。
单播的优点：
服务器及时响应客户机的请求
服务器针对每个客户不通的请求发送不通的数据，容易实现个性化服务。
单播的缺点：
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，只要有5％的客户在全速使用网络，其他人就不要玩了。而将主干扩展20倍几乎是不可能。

二、广播（Broadcast）

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。
广播的优点：
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。
广播的缺点：
1.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。
广播禁止在Internet宽带网上传输。
广播地址(Broadcast Address)是专门用于同时向网络中所有工作站进行发送的一个地址。在使用TCP/IP 协议的网络中，主机标识段host ID 为全1 的IP 地址为广播地址，广播的分组传送给host ID段所涉及的所有计算机。例如，对于10.1.1.0 （255.255.255.0 ）网段，其广播地址为10.1.1.255 （255 即为2 进制的11111111 ），当发出一个目的地址为10.1.1.255 的分组（封包）时，它将被分发给该网段上的所有计算机。
本地广播地址为255.255.255.255。

三、组播（Multicast）

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。
组播的优点：
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（268435456）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。
组播的缺点：
1．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。
2．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。

（1）组播的工作原理

组播通过把224.0.0.0-239.255.255.255的D类地址作为目的地址，有一台源主机发出目的地址是以上范围组播地址的报文，在网络中，如果有其他主机对于这个组的报文有兴趣的，可以申请加入这个组，并可以接受这个组，而其他不是这个组的成员是无法接受到这个组的报文的。

（2）组播协议的要素

1．组的管理和维护
在组播这套协议中，在网络设备和所连接的子网需要有一套协议或机制来保证网络设备知道所连接的子网中，有多少台主机属于一个特定的组。
2．组播报文的路由
要组播路由协议有什么用？
(1)是发现上游接口，离源最近的接口。因为组播路由协议只关心到源的最短路径。
(2)通过（S，G）对来决定真正的下游接口，当所有的路由器都知道了他们的上下游接口，那么一颗多播树就已经建立完成。根是源主机直连的路由器，而树枝是通过IGMP发现有组员的子网直连的路由器
(3)管理多播树
单播路由只需要知道下一跳的地址，就可以进行报文得转发。而组播，是把从一个由源产生得报文发送给一组目的。在一个特定的路由器上，一个包得多个备份可能从多个接口上发出。如果有环路得存在，那么一个或多个包会返回到其输入的接口，而且这个包也会经复制发到其他的端口上。这一结果可能导致多播风暴，这个包不断在路由器与交换机间复制，直到TTL减为0。由于这是个复制过程，它的危害会比单播环路严重的多，所以所有的多播路由器必须知道多播包的源，并且需要保证多播包不能从源接口发出。所以他必须知道哪些是上游接口和下游接口，可以分辨出数据包的流向。如果在不是在源的上游接口收到数据包，就会把它丢弃掉。而多播路由协议必须关心到源的最短路径，或者说它关心到源的上游接口。同时，除了关心上游接口，但是在转发的时候，不能把数据包从除了上游接口的其他接口发送出去。所以，另外，他还要关心（S，G）下游接口。当关于一个（S，G）的上下游接口都被判断出来了，那么一颗多播树就形成了。

（3）稀疏和密集模式

什么是稀疏模式？
它是指在一个整体网络中，参与组播的主机相对来少的一种拓扑，主要出现在WAN中。
什么是密集模式？
和以上相反，主要出现在交换式LAN或校园网中

（4）隐式加入和显示加入

组员可以在多播会话存活的时候，加入或退出一个组，而其相连的路由器必须动态的根据直连子网内组员的存在或退出来决定要加入或剪除多播树的树枝。这就是通过显式或隐式加入两种方式来完成。
隐式加入
试用于密集模式，它是采用广播/剪除模式来去除多播树上的没有组播成员的树枝，也就是说，它是通过先把网际网络上的所有路由器都加入到多播树上，然后由每个路由器通过IGMP来查询是否有组员在直连的子网上，如果没有，就发出一条剪除消息，来剪除多余的树枝。
显示加入
适用于稀疏模式，它是由每个路由器先查询子网内有无组员，然后才看是否要发加入信息给上游路由器。

（5）基于源的树和共享树

基于源的树
基于源的树是针对一个源就会有一颗多播树构成，也就说，如果网络中有多个可以产生组播报文的源主机，那么就会有多少颗组播树组成，在组播表里，会有组数×每组的成员数的项目条数。这种拓扑主要适用于密集模式。
共享树
共享树是在整个网络中选一个RP，或叫集中点，所有的组播报文都需要从这个点来进行传送，所以它没有（S，G）项，只有（*，G）项，表明所有有多个源。 RP是预先设定的一个路由器，承担转发所有的多播报文的责任。所有要发送组播报文的源主机在发送组播报文前，都需要到RP上进行注册，然后通过直连的路由器来确定到RP的最短路径，通过RP路由器来确定到目的地的最短路径。RP成为了多播树的根结点。
相对于基于源的树，共享树的多播表项更为精简，适合在稀疏模式下使用。但是也有一些缺点。共享树在RP上的选择，会导致从源主机到各个组地址的路由并非最优路径。
如果在整个局域网里同时有多条耗带宽的组播链路，会导致RP成为整个网络的瓶颈。并且在共享树中，采用选取RP来转发组播报文，会增加产生单点故障的可能。

（6）组播地址

组播组可以是永久的也可以是临时的。组播组地址中，有一部分由官方分配的，称为永久组播组。永久组播组保持不变的是它的ip地址，组中的成员构成可以发生变化。永久组播组中成员的数量都可以是任意的，甚至可以为零。那些没有保留下来供永久组播组使用的ip组播地址，可以被临时组播组利用。

224.0.0.0～224.0.0.255为预留的组播地址（永久组地址），地址224.0.0.0保留不做分配，其它地址供路由协议使用；
224.0.1.0～224.0.1.255是公用组播地址，Internetwork Control Block；
224.0.2.0～238.255.255.255为用户可用的组播地址（临时组地址），全网范围内有效；
239.0.0.0～239.255.255.255为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效。
永久的组播地址：

224.0.0.0 基准地址（保留）
224.0.0.1 所有主机的地址（包括所有路由器地址）
224.0.0.2 所有组播路由器的地址
224.0.0.3 不分配
224.0.0.4 dvmrp路由器
224.0.0.5 所有ospf路由器
224.0.0.6 ospf DR/BDR
224.0.0.7 st路由器
224.0.0.8 st主机
224.0.0.9 rip-2路由器
224.0.0.10 Eigrp路由器
224.0.0.11 活动代理
224.0.0.12 dhcp 服务器/中继代理
224.0.0.13 所有pim路由器
224.0.0.14 rsvp封装
224.0.0.15 所有cbt路由器
224.0.0.16 指定sbm
224.0.0.17 所有sbms
224.0.0.18 vrrp
以太网传输单播ip报文的时候，目的mac地址使用的是接收者的mac地址。但是在传输组播报文时，传输目的不再是一个具体的接收者，而是一个成员不确定的组，所以使用的是组播mac地址。组播mac地址是和组播ip地址对应的。iana（internet assigned number authority）规定，组播mac地址的高24bit为0x01005e，mac 地址的低23bit为组播ip地址的低23bit。
由于ip组播地址的后28位中只有23位被映射到mac地址，这样就会有32个ip组播地址映射到同一mac地址上。

如何来维护组成员
现在有IGMP和CGMP（Cisco专有的）两种协议，可以进行主机和网络设备之间的组员关系的维护。
IGMP是路由器和内部子网之间通信的方式，也就是说它是三层设备对直连子网的组关系的维护机制。它可以分成两个部分，主机部分和路由器部分，每个部分可以完成不同的工作。但是它有一个限制，就是IGMP报文只能在本地子网内传送，使三层设备不能前转到其他的设备上，它的TTL总是1。
IGMPv2主机部分的功能：
运行IGMPv2的主机会产生以下3种信息：

Member Report消息
用来指示一台主机想要加入一个组播组，这个消息在一个主机第一次加入组的时候会发出，也可以用来响应三层设备发出Membership Query消息。由于Membership Query消息的目的地址是组地址，除了路由器，网内其他的组员主机都会收到这个报文，一旦其他主机收到报文，他们将会抑制自己的Membership Query报文，避免了内部局域网充斥了Membership Query报文。它只需要让路由器知道网内还有一个组员。
Version 1 Membership Report消息
是为了IGMPv2主机的向后兼容性，用于检测和支持子网中IGMPv1主机和路由器
Leave Group消息
主机发出的，目的地址为224.0.0.2（所有路由器），告诉路由器主机离开了一个组。
IGMPv2路由器功能：
主要是查询功能，它会有两种查询报文，General Query和Group-Specific Query
General Query每隔一段时间就会向局域网内发送，目的地址是224.0.0.1（网内所有主机），所以子网里的每一个主机都会收到这个报文，并且会以 Member Report报文回应，如果在一定的时间间隔内设备没有收到任何Member Report，它就会认为子网内没有组员。
Group-Specific Query报文，当路由器收到一个Leave Group报文的时候，它会发送这样一个具体包含有组地址的报文来查询这个组是否有组成员存在。
当如果在一个子网上同时有两个多播路由器，他们一开始都会认为自己是组播成员的查询者，当他们发送General Query报文时，通过比较从对端收到的报文源IP地址的大小来决定谁是查询者谁不是查询者，IP地址大的成为查询者。如果在一段时间内没有收到查询的报文，就会认为查询者down掉了，它就会充当起查询者的角色。

CGMP（Cisco专有）
考虑到了如果有交换机存在的情况，考虑到了在三层设备和主机中有二层设备，而IGMP是一个三层协议，二层设备如果收到这样一个类型的报文，只会向除了源端口以外的所有端口进行转发，这样会对网络的带宽和整体性能造成影响。解决的方法是希望交换机可以对有组播成员的端口进行组播报文的转发。
在交换式网络上，对组播流的控制有三种方法：
(1)手工配置的交换式多播树
在交换机的桥接表上配置静态的组播MAC地址和端口映射。
(2)GMRP（802.1p）
他让MAC层的多播组地址动态地在交换机上注册和取消。
(3)IGMP侦听
通过在交换机端口上配置，可以使交换机进行IGMP消息地检查，可以知道多播路由器和组员地位置。但是，检测IGMP消息意味着所有地IP包都要进行检查。尤其当这些如果是在软件地方式来实施，会严重降低交换机的性能。
CGMP的做法是通过路由器来告诉交换机，组播成员的组MAC地址和主机MAC地址，让交换机可以知道在那个端口上有组员，并且可以进行转发。
四、组播报文如何来进行路由
现下常用的组播路由协议有一下几种，由于现在主流的路由器产品只支持Pim，其他的路由器协议都不支持，所以只会对PIM做个详细的解释。
DVMRP 它是通过RIP来发现到源的最短路径，采用广播/剪除的方式来构建一颗多播树。
MOSPF 它是通过OSPF协议来发现到源的最短路径，也是用在密集方式的拓扑下。
CBT 是一个与协议无关的，基于稀疏模式的，共享树协议。他和DVMRP和MOSPF的区别有两点：它无需要在组播中在加入一个路由协议，可以在现有的任何协议上查找到到源的最短路径；它是基于共享树的协议，所以必须要在网络里设置一个网络的核心来确保组播包的前转；更适合使用在稀疏模式下。
PIM-DM 它是个与协议无关的组播协议，同时又是基于密集拓扑的组播协议。采用广播/剪除的方法来进行多播树的构造。
功能：

通过交换Hello报文发现邻居
当单播路由发生变化时，重新计算RPF接口
在多路访问的网络中选举指定路由器
在多路访问的网络中使用剪除覆盖
在多路访问的网络中用Assert消息选举指定前转器
其中会产生一下5中PIMv2消息：
Hello
周期性地发送用来发现PIM邻居。和OSPF中的Hello报文有着类似点，如果没有在一定的时间内收到，就会认为邻居已经死亡。
Join/Prune
这是一个合成的报文，其中有要加入组播树的路由器信息，也有要被剪除路由器信息，都会在这样一个报文里列出来。
当源在发送多播报文的时候，PIM-DM用扩散与剪除的方式建立多播树。那些没有组员连接的路由器通过发送Prune消息可以把自己变成处于剪除状态。
当处在剪除状态的路由器，它收到了所直连的子网所发出的IGMP加入信息，就会发出这样一个join的报文给上游路由器，通知列出了需要加入多播树的子网列表。
Graft
当一个下游路由器发送给上游路由器一个Prune报文时，上游路由器不会马上把通告的子网从多播前转表中删除，而是会等待一段时间，如果下游路由器所直连的子网又要加入多播树时，需要发出一个Graft报文，通知上游路由器来加入多播树。
Graft-Ack
上游路由器收到一个Graft信息，必须要回一个Ack信息，这样才会使下游路由器接受组播报文
Assert
当有两台设备同时连在同一个广播网络上，并且有相同的上游路由器接口，如果两台路由器同时负责前转多播报文的话，会造成网络资源的浪费，所以需要可以在两台路由器中选出一个来作为唯一的前转报文路由器，Assert报文就是在两个路由器中互相通信，选出一个前转器的报文，通过优先权值，IP地址等参数来协商前转器。
PIM-SM
采用共享树的拓扑方式，建立起多播树。使用显示加入的方式来加入多播树。
查找汇聚点：
自举协议
自动RP协议
静态设置
PIM-SM和共享树：
PIM-SM由于是单向传输协议，所以组播流量只能从RP向外发送，而不能向RP发送，而源是通过把组播报文封装在PIM Register报文里，发送RP接口，然后再由RP进行剥头，对其中的组播报文进行处理。如果组播报文比较多，通过封装Register报文对设备来说是一种负担，所以可以在RP和源之间建立一个基于源的树，进行源到RP的组播报文传送。
PIM-SM和最短路径树
在大型网络中，共享树的路径未必是最短路径，PIM-SM可以通过在源和目的地之间建立一个基于源的树实现最短路径的传送。