組播協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)界的“群聊達(dá)人”

愛好思考的粉絲們，是否和文檔君一樣，曾經(jīng)有過這些困惑：參加多方視頻會議時，為什么我們能夠流暢地接收會議畫面？

觀看晚會直播時，數(shù)以萬計的觀眾為什么能同時看到節(jié)目畫面？和好朋友聯(lián)機(jī)游戲時，是什么保證所有玩家能夠?qū)崟r接收游戲信息？……

這些其實都離不開一種神奇的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——組播協(xié)議。

今天，文檔君帶大家一起揭開組播協(xié)議的神秘面紗，探索互聯(lián)網(wǎng)的秘密武器。

1、什么是組播協(xié)議

組播協(xié)議是一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，用于點到多點或多點到多點的組播通信方式。

我們可以通過一張圖來區(qū)分單播、廣播和組播。

IP單播（Unicast），簡稱為單播

單播是一種點到點的通信方式，要求在發(fā)送者和每一接收者之間實現(xiàn)點對點網(wǎng)絡(luò)連接。

IP廣播（Broadcast），簡稱為廣播。

廣播是一種點到所有點的通信，如果在IP子網(wǎng)內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包，不論子網(wǎng)內(nèi)部主機(jī)是否愿意接收該數(shù)據(jù)包，所有在子網(wǎng)內(nèi)部的主機(jī)都將收到這些數(shù)據(jù)包。

IP組播（Multicast），簡稱為組播。

組播介于單播和廣播之間，屬于點到多點或多點到多點的通信方式。當(dāng)一臺主機(jī)向一組主機(jī)發(fā)送信息，存在于某個組的所有主機(jī)都可以接收到信息。

2、組播協(xié)議是如何工作的

在了解組播協(xié)議的工作原理之前，我們先認(rèn)識一下組播中的基本概念。

組播組：使用一個IP組播地址（即組播組地址）標(biāo)識，任何用戶主機(jī)（或其他接收設(shè)備）加入這個組播組，就成為了該組成員，該組成員可以識別和接收發(fā)送到該組播地址的報文。

組播源：以組播組地址為目的地址，發(fā)送IP組播報文的信息源。一個組播源可以同時向多個組播組發(fā)送數(shù)據(jù)。多個組播源可以同時向一個組播組發(fā)送數(shù)據(jù)。

組播組成員：可能廣泛分布在網(wǎng)絡(luò)中的任何地方，組成員是動態(tài)的，網(wǎng)絡(luò)中的用戶主機(jī)可以在任何時刻加入和離開組播組。組播源通常不是數(shù)據(jù)的接收者，不屬于組播組成員。

組播路由器：網(wǎng)絡(luò)中支持組播功能的路由器，能夠提供組播路由功能和組播組成員的管理功能。

組播分發(fā)樹：組播分發(fā)樹是由一系列路由器的入接口和出接口組成的集合，在組播源所在的子網(wǎng)和所有包含組成員的子網(wǎng)之間確定了唯一的一條轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

為了更通俗的理解這些概念，我們將組播源類比成老師，組播組類比成通信興趣小組，那么這個小組內(nèi)的學(xué)生就是通信組成員。

組播路由器可以是班委，如班長、學(xué)習(xí)委員等可以幫助老師傳遞消息的人，負(fù)責(zé)將老師的信息更廣泛地傳遞給通信興趣小組中的每個學(xué)生。

在班級中，信息的傳遞往往是復(fù)雜的。老師可能會先向班委傳遞信息，然后這些信息再由他們傳遞給通信興趣小組的學(xué)生。同時，班長和學(xué)習(xí)委員之間也可能相互傳遞信息。這個由老師和學(xué)生共同構(gòu)成的信息傳遞網(wǎng)絡(luò)就類似于組播分發(fā)樹。在這個樹狀結(jié)構(gòu)中，信息沿著最短的路徑從老師（組播源）傳遞到每個學(xué)生（組播組成員），確保了信息的有效傳播。

在網(wǎng)絡(luò)中，組播協(xié)議幫助路由器和交換機(jī)知道哪些設(shè)備對某個特定的“組”（也就是組播組地址）感興趣。當(dāng)一個設(shè)備加入或離開一個組播組時，這個設(shè)備會通知網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)就會相應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)的傳輸路徑，確保信息只傳送給需要的設(shè)備。

簡單來說，組播協(xié)議就是讓數(shù)據(jù)發(fā)送者能夠高效地將信息傳遞給多個感興趣的接收者，而不會打擾到其他不關(guān)心該信息的網(wǎng)絡(luò)用戶。組播協(xié)議工作過程可以分為以下幾個部分：

加入組播組

1. 當(dāng)一個主機(jī)（接收者）想要接收來自特定組播組的信息時，它會通過某種機(jī)制發(fā)送一個加入請求給其本地的路由器。

發(fā)送組播數(shù)據(jù)

當(dāng)組播源（發(fā)送者）想要向一個組播組發(fā)送數(shù)據(jù)時，它將數(shù)據(jù)包的目的IP地址設(shè)置為對應(yīng)的組播組地址。這個數(shù)據(jù)包會被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，但只有加入這個組播組的成員才會接收到這些數(shù)據(jù)。

傳輸組播數(shù)據(jù)

組播路由器根據(jù)接收者的加入請求，通過組播路由協(xié)議構(gòu)建組播分發(fā)樹，將數(shù)據(jù)包復(fù)制并轉(zhuǎn)發(fā)到所有屬于該組播組的接收者。

接收組播數(shù)據(jù)

接收者從組播組地址中接收數(shù)據(jù)包，不需要知道其他接收者的存在。

離開組播組

當(dāng)一個主機(jī)不再需要接收某個組播組的數(shù)據(jù)，它會通過相應(yīng)的機(jī)制通知組播路由器，組播路由器將更新組播分發(fā)樹并停止向該主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3、組播協(xié)議有哪些

在組播協(xié)議的工作過程中，我們說到了一些機(jī)制和路由協(xié)議，這些構(gòu)成了組播協(xié)議的體系。

組成員管理協(xié)議

組成員管理協(xié)議是組播組成員加入/離開組播組時使用的機(jī)制，主要用來管理和維護(hù)組播組的成員關(guān)系，確保組播報文只被發(fā)送給對該報文感興趣的接收者。

以上文的通信興趣小組為例，如果你是一個想加入該興趣小組的學(xué)生，你會通過組成員管理協(xié)議告訴學(xué)習(xí)委員你想要加入通信興趣小組，學(xué)習(xí)委員會記錄下你的信息，并通知老師。老師收到“登記信息”后，更新通信興趣小組成員名單，當(dāng)通信興趣小組有新的活動通知時，老師就只會將通知發(fā)送給包括你在內(nèi)的興趣小組成員。

常用的組成員管理協(xié)議包括IGMP（Internet Group Management Protocol，因特網(wǎng)組播管理協(xié)議）和MLD（Multicast Listener Discovery，組播偵聽發(fā)現(xiàn)）。

IGMP和MLD分別服務(wù)于IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)，功能相似，在應(yīng)用場景、協(xié)議細(xì)節(jié)和所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上存在差異。

IGMP：用于IPv4網(wǎng)絡(luò)的組播組成員關(guān)系管理協(xié)議。IGMP包含三個版本，分別是IGMPv1、IGMPv2和IGMPv3，新版本完全兼容舊版本，目前應(yīng)用最廣泛的是IGMPv2。

MLD：用于IPv6網(wǎng)絡(luò)的組播組成員關(guān)系管理協(xié)議。MLD包含兩個版本，分別是MLDv1和MLDv2。MLDv1的功能與IGMPv2相似，MLDv2的功能與IGMPv3相似。

組播路由協(xié)議

組播路由協(xié)議是運(yùn)行在組播路由器之間的協(xié)議，主要用來控制組播數(shù)據(jù)流在組播路由器之間的傳輸路徑，確保組播報文只被發(fā)送到那些提出請求并能夠處理這個特定組播流量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的使用和減少不必要的帶寬消耗。

組播路由協(xié)議分為域內(nèi)組播路由協(xié)議和域間組播路由協(xié)議。

還是以興趣小組為例，同一個班級內(nèi)不同興趣小組之間的信息傳遞使用域內(nèi)組播路由協(xié)議，不同班級內(nèi)的不同興趣小組之間的信息傳遞使用域間組播路由協(xié)議。

域內(nèi)組播協(xié)議

• 用來在AS（Autonomous System，自治系統(tǒng)）內(nèi)發(fā)現(xiàn)組播源并構(gòu)建組播分發(fā)樹，將信息傳遞到接收者。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中組播用戶的分布情況，域內(nèi)組播路由協(xié)議又分為稀疏與密集模式兩種。

密集模式

• 密集模式組播路由協(xié)議的前提是網(wǎng)絡(luò)中組播用戶分布比較密集，帶寬比較富余。密集模式組播路由協(xié)議通過階段性的將組播數(shù)據(jù)包洪泛至整個網(wǎng)絡(luò)來建立和維護(hù)組播樹。運(yùn)行組播路由協(xié)議的路由器，將收到的組播數(shù)據(jù)包在所有其他的接口上擴(kuò)散。DVMRP（Distance Vector Multicast Routing Protocol，距離向量組播路由選擇協(xié)議）、MOSPF（Multicast Open Shortest Path First，組播開放最短路徑優(yōu)先）和PIM-DM（Protocol Independent Multicast - Dense Mode，協(xié)議無關(guān)組播－密集模式）都屬于密集模式組播路由協(xié)議。

稀疏模式

• 稀疏模式組播路由協(xié)議適用于網(wǎng)絡(luò)中組播接收者分布比較稀疏的情況，此時如果使用與密集模式相同的洪泛法來構(gòu)建組播路由樹，對帶寬是極大的浪費(fèi)。稀疏模式下，一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備想要接收組播數(shù)據(jù)包，必須申請加入到組播路由樹中。CBT（Core-Based Trees，核心樹）和PIM-SM（Protocol Independent Multicast - Sparse Mode，協(xié)議無關(guān)組播－稀疏模式）屬于稀疏模式組播路由協(xié)議。由于協(xié)議自身的原因，CBT不適于用在全網(wǎng)性的組播應(yīng)用中，所以域內(nèi)組播路由協(xié)議主要使用PIM-SM、PIM-DM、DVMRP協(xié)議。

域間組播路由協(xié)議

用來在AS之間傳遞組播源信息，從而跨域建立組播路由，實現(xiàn)域間組播資源共享。由于不同AS可能屬于不同的運(yùn)營商，因此需要一種機(jī)制能發(fā)現(xiàn)其他域內(nèi)的組播源，這就需要域間路由協(xié)議MSDP（Multicast Source Discovery Protocol，組播源發(fā)現(xiàn)協(xié)議）和組播擴(kuò)展MBGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol，BGP的多協(xié)議擴(kuò)展） 。MSDP是典型的域間組播路由協(xié)議，通常與MBGP協(xié)同工作。MSDP適用于各域內(nèi)運(yùn)行PIM-SM的情況。

4、組播協(xié)議的優(yōu)勢&挑戰(zhàn)

組播協(xié)議在實際應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢：

節(jié)省帶寬：組播協(xié)議避免了為每個接收者發(fā)送單獨(dú)數(shù)據(jù)包的需求，從而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬，特別是在視頻會議和在線直播這樣需要同時傳輸大量數(shù)據(jù)的場景中。

減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載：由于數(shù)據(jù)包的復(fù)制和分發(fā)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行，源節(jié)點的負(fù)載大大減輕，提高了整體網(wǎng)絡(luò)的效率和穩(wěn)定性。

提升傳輸效率：組播協(xié)議使得數(shù)據(jù)可以更快速地到達(dá)多個接收者，減少了延遲和傳輸時間。

盡管組播協(xié)議具有諸多優(yōu)勢，但在實際部署中仍面臨一些挑戰(zhàn)：

組播路由的復(fù)雜性：組播路由協(xié)議（如PIM-SM和DVMRP）需要在網(wǎng)絡(luò)中維護(hù)復(fù)雜的組播樹結(jié)構(gòu)，以確保數(shù)據(jù)包能夠高效地到達(dá)所有接收者。

安全性問題：組播通信中的數(shù)據(jù)包可能會被非授權(quán)的接收者截獲，因此需要采取加密和認(rèn)證等措施來確保數(shù)據(jù)的安全性。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的限制：并非所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)提供商都支持組播協(xié)議，這可能會限制組播技術(shù)的應(yīng)用范圍。

組播協(xié)議作為一種提升網(wǎng)絡(luò)通信效率的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷增加，組播協(xié)議將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，推動網(wǎng)絡(luò)通信的高效和穩(wěn)定發(fā)展。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，組播協(xié)議有望在更多場景中得到廣泛應(yīng)用，帶來更加優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)體驗。

通過本次學(xué)習(xí)，想必大家已經(jīng)對組播協(xié)議有所了解，你認(rèn)為組播協(xié)議還有哪些潛在的應(yīng)用場景？或者你想更深入得了解哪個組播協(xié)議？歡迎在評論區(qū)分享你的看法。