組網(wǎng)基礎之深入解析二層組播
二層組播相關協(xié)議包括IGMP 和GMRP協(xié)議。讓我們從分析組播MAC地址開始，逐步而深入的了解二層組播。
組播MAC地址
所謂組播MAC地址，是一類邏輯的MAC地址，該MAC地址代表一個組播組，所有屬于該組的成員都接收以該組對應的組播MAC地址為目的地址的數(shù)據(jù)幀。
注意的是，組播MAC地址是一個邏輯的MAC地址，也就是說，在網(wǎng)絡上，沒有一個設備的MAC地址是一個組播MAC地址。組播MAC地址跟單播MAC地址（物理MAC地址）的區(qū)別是，組播MAC地址六個字節(jié)中，***字節(jié)（第六字節(jié)）的***位為1，而單播MAC地址則為0，如下圖所示：
為了更進一步了解組播的概念，我們先從MAC層的數(shù)據(jù)幀接收過程說起。
MAC層數(shù)據(jù)幀的接收
在網(wǎng)卡的內(nèi)部保留一張接收地址列表（可以理解為一個可讀寫的隨機存儲器），其中至少有兩個MAC地址，即網(wǎng)卡的物理MAC地址和全1的廣播MAC地址。每當計算機想接收一個組播數(shù)據(jù)，也就是說要加入一個組播組，那么上層軟件會給網(wǎng)絡層一個通知，網(wǎng)絡層做完自己的處理后，也會發(fā)一個通知給數(shù)據(jù)鏈路層，于是，數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)網(wǎng)絡層想加入的組播組的組地址（一般是一個組播的IP地址），根據(jù)一定的規(guī)則映射為一個組播的MAC地址，然后把該MAC地址加入接收地址列表。
每當數(shù)據(jù)鏈路層接收到一個數(shù)據(jù)幀的時候，就提取該數(shù)據(jù)幀的幀頭，找出目的MAC地址，跟接收地址列表中的地址項目比較，如果在列表中遇到一個地址，跟該數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是相同的，就停止比較，接收該數(shù)據(jù)幀，并把該數(shù)據(jù)幀放到上層協(xié)議對應的接收隊列中；如果在整個接收列表中沒有找到一個匹配的MAC地址，則丟棄該數(shù)據(jù)幀。
現(xiàn)假設接收到的數(shù)據(jù)幀是發(fā)給自己的單播數(shù)據(jù)幀，于是該數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址就是自己的硬件地址。數(shù)據(jù)鏈路層接收到該數(shù)據(jù)幀，跟接收列表中的地址比較，***次比較就會通過，因為接收地址列表中的***個MAC地址就是自己的硬件地址。所以在任何情況下，發(fā)給自己的數(shù)據(jù)幀一定能接收下來；
假設接收到的數(shù)據(jù)幀是一個廣播數(shù)據(jù)幀，則在比較的時候，***一項是匹配的，因為接收地址列表中肯定包含一個廣播的MAC地址，這樣就保證了任何廣播數(shù)據(jù)報都會被正確接收；
假設上層軟件想接收組播組G的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一番映射到數(shù)據(jù)鏈路層之后，數(shù)據(jù)鏈路層會在自己的接收數(shù)據(jù)列表中添加一項組播組G對應的MAC地址，假設為MAC_G，當計算機接收到一個數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀的目的地址為MAC_G的時候，該數(shù)據(jù)幀會被接收并傳遞到上層，因為接收列表中有一項MAC_G記錄。
組播轉(zhuǎn)發(fā)表
在前面交換機的轉(zhuǎn)發(fā)方式一節(jié)中講到，交換機在轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)包的時候，也是根據(jù)一個轉(zhuǎn)發(fā)表來進行的，但跟單播轉(zhuǎn)發(fā)表不同的是，該組播轉(zhuǎn)發(fā)表對應的出口不是一個元素/端口，而是一組元素/端口，即一個出口列表。在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時候，交換機根據(jù)組播數(shù)據(jù)幀的目的組播地址查找組播轉(zhuǎn)發(fā)表，如果在組播轉(zhuǎn)發(fā)表中查不到相應的轉(zhuǎn)發(fā)項，則把該組播數(shù)據(jù)幀當做廣播數(shù)據(jù)幀處理，向所有端口上轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀（如果實現(xiàn)了VLAN，則僅僅向接收端口所屬同一個VLAN的端口上轉(zhuǎn)發(fā)）；如果能查找到一個結果，則結果肯定是一個接口列表，于是，交換機把這個組播數(shù)據(jù)報復制成許多份，每份提交到一個出接口，從而完成數(shù)據(jù)的交換。
需要注意的是，這個組播轉(zhuǎn)發(fā)項不像單播那樣，是通過學習的方式獲得的（在處理單播數(shù)據(jù)的時候，交換機每轉(zhuǎn)發(fā)一個數(shù)據(jù)幀，會進行相應的學習過程，學習到一個單播轉(zhuǎn)發(fā)項），而是通過一些二層的組播協(xié)議獲得的，這些流行的組播協(xié)議有IGMP（Internet Group Management Protocol， 因特網(wǎng)組管理協(xié)議），GMRP（GARP Multicast Register Protocol，GARP組播注冊協(xié)議，GARP- General Attribute Registration Protocol）等。下面部分詳細解釋每一種二層組播協(xié)議。
二層組播協(xié)議
上面我們提到，用于轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)幀的組播轉(zhuǎn)發(fā)項不是通過學習獲得的，而是通過一些其他的組播協(xié)議，比如IGMP窺探，GMRP等協(xié)議獲得的。至于為什么不能通過學習獲得，是因為學習過程是分析一個數(shù)據(jù)幀的源地址，但組播地址在任何情況下不可能出現(xiàn)在源地址的位置（因為組播MAC地址是一個邏輯的MAC地址，網(wǎng)絡上沒有一個終端的MAC地址是一個組播MAC地址）。
下面我們分析二層組播協(xié)議，這些協(xié)議在構建組播網(wǎng)絡的時候，有不可替代的重要地位。尤其是將來的流媒體應用會很廣泛，在這種情況下，二層的組播將是必然的要求。
IGMP協(xié)議
在講述IGMP窺探之前，先看一下IGMP協(xié)議，理解了IGMP協(xié)議，IGMP窺探就很容易了。
一般情況下，組播數(shù)據(jù)是從路由器的上游流下來的，而組播的接收端一般位于路由器的下游，典型的情況是，路由器通過一個以太網(wǎng)口連接企業(yè)網(wǎng)，另外通過一個串口連接Internet。組播數(shù)據(jù)源，比如流媒體服務器一般位于Internet上，組播數(shù)據(jù)流通過路由器到達企業(yè)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)接收端。這種情況下，流媒體服務器是長時間工作的，也就是說，一天24小時，一周7天都在不停的發(fā)送媒體流信息，相當于電視頻道。但企業(yè)網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)接收端卻不是這樣，只有有限的時間接收端才接收數(shù)據(jù)，其他時間都是不接收數(shù)據(jù)的。這樣，在企業(yè)網(wǎng)上沒有數(shù)據(jù)接收端的時候，如果路由器也把大量的媒體流信息發(fā)到企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部，必然會浪費大量的資源，理想的情況是，如果企業(yè)網(wǎng)上沒有數(shù)據(jù)接收端，則路由器就不轉(zhuǎn)發(fā)媒體流，但如果只要有一個接收端，路由器就必須把媒體流引入企業(yè)網(wǎng)。這樣必須有一種機制來保證路由器對企網(wǎng)上的數(shù)據(jù)接收端有一個清楚的了解，什么時候網(wǎng)絡上有數(shù)據(jù)接收端，什么時候沒有數(shù)據(jù)接收端，這種機制就是IGMP協(xié)議。
從上面的分析中，我們可以看出IGMP協(xié)議是數(shù)據(jù)接收端和路由器之間的交互協(xié)議，數(shù)據(jù)接收端使用該協(xié)議來通知路由器，自己是否想接收組播數(shù)據(jù)流。如果想接收的話，接收哪個組播組的數(shù)據(jù)流。
一般情況下，存在兩種類型的IGMP消息：組成員報告和組成員查詢，其中組成員報告消息由計算機發(fā)出，用來告訴路由器，自己想加入某個組播組，而組成員查詢消息則由路由器發(fā)出，用來查詢網(wǎng)絡上是否存在相應組的成員。一個指導性的原則是，只要網(wǎng)絡上有組播組的數(shù)據(jù)接收端，不管該接收端的數(shù)量是多少，路由器必須把該組播組的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡上。
IGMP消息也是通過組播地址發(fā)出的，在IGMP加入消息中，該組播地址（IGMP消息的目的地址）就是該計算機想加入的組播組的組地址。比如，計算機想加入224.0.0.2這個組播組，則該計算機發(fā)出的IGMP加入消息的目的IP地址就是224.0.0.2。這樣當路由器接收到該組播消息后，就知道網(wǎng)絡上有一個主機，該主機想接收到組播組224.0.0.2的數(shù)據(jù)，于是，每當從上游接收到目的地址是該組地址的數(shù)據(jù)的時候，就把該數(shù)據(jù)包向企業(yè)網(wǎng)上轉(zhuǎn)發(fā)。
還有一類消息就是組播組成員查詢消息。在IGMP協(xié)議***版中，沒有規(guī)定主機的離開消息，即如果一個主機不想接收某一組播組的數(shù)據(jù)了，它也不會通過某種消息通知路由器，而是靜悄悄的離開該組播組。這樣如果路由器不采取某種措施來掌握網(wǎng)絡上組播組接收端的數(shù)目情況，就會產(chǎn)生問題，假設網(wǎng)絡上所有的主機都不想接收組播數(shù)據(jù)了，根據(jù)IGMP協(xié)議***版，這些主機不會通知路由器，而是不做任何處理。這樣路由器不知道這些原來接收組播數(shù)據(jù)的主機現(xiàn)在已經(jīng)不接收數(shù)據(jù)了，而且還以為網(wǎng)絡上有一大批的接收端，于是仍源源不斷的發(fā)送組播數(shù)據(jù)，這樣必然浪費帶寬。而引入了組成員查詢消息后，路由器可以每隔一段時間發(fā)出該消息，用來查詢網(wǎng)絡上還有沒有主機在接收組播數(shù)據(jù)。注意的是，該查詢消息跟成員加入消息一樣，采用的目的IP地址也是查詢的組的組播IP地址。假設路由器想查詢245.2.2.1這樣一個組播組是否還有成員，發(fā)出的查詢消息的目的IP地址就是245.2.2.1。當網(wǎng)絡上接收該組播組數(shù)據(jù)的成員接收到這個查詢消息后，就發(fā)出一個響應，該響應還是一個組播組成員加入消息。這樣只要路由器接收到一個這樣的響應，它就知道網(wǎng)絡上必然還有終端在接收數(shù)據(jù)，于是不能停止轉(zhuǎn)發(fā)。但路由器發(fā)出查詢消息后，一段時間內(nèi)沒有接收到任何響應，它就判斷網(wǎng)絡上沒有了數(shù)據(jù)接收端，于是停止轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)。
到此為止，IGMP協(xié)議的一些細節(jié)已經(jīng)介紹完畢，接下來介紹IGMP窺探。需要注意的是，IGMP協(xié)議是三層協(xié)議，而IGMP窺探則是二層組播協(xié)議，但它利用了IGMP的三層特性。注意，IGMP協(xié)議是運行在交換機上的一種協(xié)議，它使用該協(xié)議來形成轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)的組播轉(zhuǎn)發(fā)表。
下面是啟動了IGMP窺探的交換機工作過程：
(1) 交換機從每個端口上監(jiān)聽接收到的數(shù)據(jù)幀，如果是單播數(shù)據(jù)幀就按照通常的轉(zhuǎn)發(fā)方式進行轉(zhuǎn)發(fā)，是組播數(shù)據(jù)幀則進行下一步處理；
(2) 如果接收到的數(shù)據(jù)幀是組播數(shù)據(jù)幀，則分析該組播數(shù)據(jù)幀的協(xié)議類型字段，看是否是IP協(xié)議，如果不是，則按照通常的方式轉(zhuǎn)發(fā)（這時候可能查詢組播轉(zhuǎn)發(fā)表轉(zhuǎn)發(fā)，如果沒有查到結果，則向所有端口上轉(zhuǎn)發(fā)）；(3) 如果是IP協(xié)議數(shù)據(jù)，則進一步判斷該數(shù)據(jù)是不是一個IGMP加入消息或IGMP查詢消息。如果不是，則進行通常的組播數(shù)據(jù)發(fā)送，否則轉(zhuǎn)下一步；
(4) 如果是一個IGMP加入或查詢消息，則該交換機就可以判斷，在接收到該數(shù)據(jù)幀的端口上一定連接一個組播數(shù)據(jù)接收端，該接收端想接收IGMP加入消息中目的地址所在的組播組數(shù)據(jù)。于是，交換機就檢查組播轉(zhuǎn)發(fā)項，看對應的組播MAC地址有沒有在組播轉(zhuǎn)發(fā)項中出現(xiàn)。如果出現(xiàn)了，則把接收到該數(shù)據(jù)幀的接口加入組播轉(zhuǎn)發(fā)項對應的接口集合，如果沒有出現(xiàn)，說明該組播轉(zhuǎn)發(fā)項還沒有創(chuàng)建，于是創(chuàng)建一個組播轉(zhuǎn)發(fā)項，該轉(zhuǎn)發(fā)項的組播地址是IGMP消息的目的IP地址的影射MAC地址，接口列表初始化為接收到該數(shù)據(jù)幀的接口，接下來繼續(xù)按照通常的過程轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀。
到此為止，IGMP窺探的具體工作過程已經(jīng)明了，可以看出，這種協(xié)議***的一個缺點就是效率較低，交換機需要分析每個組播數(shù)據(jù)幀，看該數(shù)據(jù)幀是否是組播數(shù)據(jù)幀，如果是，繼續(xù)看是否是IP數(shù)據(jù)幀，如果是，繼續(xù)看是否是IGMP加入消息等等。
GMRP協(xié)議
當主機不支持IGMP協(xié)議的時候就無法實現(xiàn)窺探。我們考慮能不能開發(fā)一種專門的針對組播的協(xié)議，該協(xié)議可以高效的完成其他組播協(xié)議完成的任務。
這就是GMRP協(xié)議。該協(xié)議需要計算機網(wǎng)卡和交換機一起工作，因此需要計算機網(wǎng)卡的支持。由于該協(xié)議是一個較新的協(xié)議，故大多數(shù)網(wǎng)卡都沒有支持，但作為一種標準的協(xié)議，將來的網(wǎng)絡設備都會支持。
該協(xié)議的運行過程很簡單，想接收組播數(shù)據(jù)的計算機只要告訴連接的交換機，它想接收哪個組的組播數(shù)據(jù)即可。交換機接收到通知后，就創(chuàng)建相應的組播轉(zhuǎn)發(fā)項，把接收到組播請求的端口加入組播轉(zhuǎn)發(fā)項中。當計算機不再想接收組播數(shù)據(jù)了，只簡單的告訴交換機就可以了，交換機接收到通知后，就從組播轉(zhuǎn)發(fā)項中把相應的端口刪除掉。
總結
二層組播的一些基礎概念就講解完了，在這些內(nèi)容中，組播MAC地址，組播和單播數(shù)據(jù)的接收過程以及三種組播協(xié)議是重點。這些內(nèi)容也是學習后續(xù)內(nèi)容（比如三層組播路由協(xié)議）的基礎，在實際中，這些組播概念也是應用得最多的。
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