TCP/IP詳解讀書(shū)筆記（第12章 廣播和多播）

我們?cè)岬接腥NIP地址：?jiǎn)尾サ刂贰V播地址和多播地址。本章將更詳細(xì)地介紹廣播和多播。說(shuō)明：

單播地址：目的為單個(gè)主機(jī)

廣播地址：目的端為給定網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)

多播地址：目的端為同一組內(nèi)的所有主機(jī)

廣播和多播僅應(yīng)用于UDP，因?yàn)樗鼈冃鑼?bào)文同時(shí)傳往多個(gè)接收者。而TCP是一個(gè)面向連接的協(xié)議，它意味著分別運(yùn)行于兩主機(jī)（由IP地址確定）內(nèi)的兩進(jìn)程（由端口號(hào)確定）間存在一條連接。

為了弄清廣播和多播，需要了解主機(jī)對(duì)由信道傳送過(guò)來(lái)幀的過(guò)濾過(guò)程。圖1說(shuō)明了這一過(guò)程。

圖1：協(xié)議棧各層對(duì)收到幀的過(guò)濾過(guò)程

首先，網(wǎng)卡查看由信道傳送過(guò)來(lái)的幀，確定是否接收該幀，若接收后就將它傳往設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。通常網(wǎng)卡僅接收那些目的地址為網(wǎng)卡物理地址或廣播地址的幀。然而，多數(shù)接口均有被設(shè)置為混合模式的選項(xiàng)，這種模式能接收每個(gè)幀的一個(gè)復(fù)制。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑦M(jìn)行另外的幀過(guò)濾。首先，幀類(lèi)型中必須指定要使用的協(xié)議（ IP、ARP等等）。其次，進(jìn)行多播過(guò)濾來(lái)檢測(cè)該主機(jī)是否屬于多播地址說(shuō)明的多播組。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序隨后將數(shù)據(jù)幀傳送給下一層，比如，當(dāng)幀類(lèi)型指定為I P數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，就傳往IP層。IP根據(jù)IP地址中的源地址和目的地址進(jìn)行更多的過(guò)濾檢測(cè)。如果正常，就將數(shù)據(jù)報(bào)傳送給下一層（如TCP或UDP）。

每次UDP收到由IP傳送來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)，就根據(jù)目的端口號(hào)，有時(shí)還有源端口號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)過(guò)濾。如果當(dāng)前沒(méi)有進(jìn)程使用該目的端口號(hào)，就丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)并產(chǎn)生一個(gè)ICMP不可達(dá)報(bào)文（TCP根據(jù)它的端口號(hào)作相似的過(guò)濾）。如果UDP數(shù)據(jù)報(bào)存在檢驗(yàn)和錯(cuò)，將被丟棄。

使用廣播的問(wèn)題在于它增加了對(duì)廣播數(shù)據(jù)不感興趣主機(jī)的處理負(fù)荷。拿一個(gè)使用UDP廣播應(yīng)用作為例子。如果網(wǎng)內(nèi)有50個(gè)主機(jī)，但僅有20個(gè)參與該應(yīng)用，每次這20個(gè)主機(jī)中的一個(gè)發(fā)送UDP廣播數(shù)據(jù)時(shí)，其余30個(gè)主機(jī)不得不處理這些廣播數(shù)據(jù)報(bào)。一直到UDP層，收到的UDP廣播數(shù)據(jù)報(bào)才會(huì)被丟棄。這30個(gè)主機(jī)丟棄UDP廣播數(shù)據(jù)報(bào)是因?yàn)檫@些主機(jī)沒(méi)有使用這個(gè)目的端口。

多播的出現(xiàn)減少了對(duì)應(yīng)用不感興趣主機(jī)的處理負(fù)荷。使用多播，主機(jī)可加入一個(gè)或多個(gè)多播組。這樣，網(wǎng)卡將獲悉該主機(jī)屬于哪個(gè)多播組，然后僅接收主機(jī)所在多播組的那些多播幀。

廣播

四種IP廣播地址：

受限的廣播

受限的廣播地址是255.255.255.255。該地址用于主機(jī)配置過(guò)程中IP數(shù)據(jù)報(bào)的目的地址，此時(shí)，主機(jī)可能還不知道它所在網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)掩碼，甚至連它的IP地址也不知道。在任何情況下，路由器都不轉(zhuǎn)發(fā)目的地址為受限的廣播地址的數(shù)據(jù)報(bào)，這樣的數(shù)據(jù)報(bào)僅出現(xiàn)在本地網(wǎng)絡(luò)中。

指向網(wǎng)絡(luò)的廣播

指向網(wǎng)絡(luò)的廣播地址是主機(jī)號(hào)為全1的地址。A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)廣播地址為netid.255.255.255，其中netid為A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)。一個(gè)路由器必須轉(zhuǎn)發(fā)指向網(wǎng)絡(luò)的廣播，但它也必須有一個(gè)不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的選擇。

指向子網(wǎng)的廣播

指向子網(wǎng)的廣播地址為主機(jī)號(hào)為全1且有特定子網(wǎng)號(hào)的地址。作為子網(wǎng)直接廣播地址的IP地址需要了解子網(wǎng)的掩碼。例如，如果路由器收到發(fā)往128.1.2.255的數(shù)據(jù)報(bào)，當(dāng)B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)128.1的子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0時(shí)，該地址就是指向子網(wǎng)的廣播地址；但如果該子網(wǎng)的掩碼為255.255.254.0，該地址就不是指向子網(wǎng)的廣播地址。

指向所有子網(wǎng)的廣播

指向所有子網(wǎng)的廣播也需要了解目的網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼，以便與指向網(wǎng)絡(luò)的廣播地址區(qū)分開(kāi)。指向所有子網(wǎng)的廣播地址的子網(wǎng)號(hào)及主機(jī)號(hào)為全1。例如，如果目的子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，那么IP地址128.1.255.255是一個(gè)指向所有子網(wǎng)的廣播地址。然而，如果網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有劃分子網(wǎng)，這就是一個(gè)指向網(wǎng)絡(luò)的廣播。

多播

IP多播提供兩類(lèi)服務(wù)：

1) 向多個(gè)目的地址傳送數(shù)據(jù)。有許多向多個(gè)接收者傳送信息的應(yīng)用：例如交互式會(huì)議系統(tǒng)和向多個(gè)接收者分發(fā)郵件或新聞。如果不采用多播，目前這些應(yīng)用大多采用TCP來(lái)完成（向每個(gè)目的地址傳送一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)復(fù)制）。然而，即使使用多播，某些應(yīng)用可能繼續(xù)采用TCP來(lái)保證它的可靠性。

2) 客戶(hù)對(duì)服務(wù)器的請(qǐng)求。例如，無(wú)盤(pán)工作站需要確定啟動(dòng)引導(dǎo)服務(wù)器。目前，這項(xiàng)服務(wù)是通過(guò)廣播來(lái)提供的（正如BOOTP），但是使用多播可降低不提供這項(xiàng)服務(wù)主機(jī)的負(fù)擔(dān)。

多播組地址

圖2顯示了D類(lèi)IP地址的格式。

圖2：D類(lèi)IP地址格式

多播組地址包括為1110的最高4 bit和多播組號(hào)。它們通常可表示為點(diǎn)分十進(jìn)制數(shù)，范圍

從224.0.0.0到239.255.255.255。

能夠接收發(fā)往一個(gè)特定多播組地址數(shù)據(jù)的主機(jī)集合稱(chēng)為主機(jī)組(host group)。一個(gè)主機(jī)組可跨越多個(gè)網(wǎng)絡(luò)。主機(jī)組中成員可隨時(shí)加入或離開(kāi)主機(jī)組。主機(jī)組中對(duì)主機(jī)的數(shù)量沒(méi)有限制，同時(shí)不屬于某一主機(jī)組的主機(jī)可以向該組發(fā)送信息。

一些多播組地址被IANA確定為知名地址。它們也被當(dāng)作永久主機(jī)組，這和TCP及UDP中的熟知端口相似。例如，224.0.0.1代表“該子網(wǎng)內(nèi)的所有系統(tǒng)組”， 224.0.0.2代表“該子網(wǎng)內(nèi)的所有路由器組”。多播地址224.0.1.1用作網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP，224.0.0.9用作RIP-2，224.0.1.2用作SGI公司的dogfight應(yīng)用。

多播組地址到以太網(wǎng)地址的轉(zhuǎn)換

IANA擁有一個(gè)以太網(wǎng)地址塊，即高位24 bit為00:0 0:5e，這意味著該地址塊所擁有的地址范圍從00:0 0:5e: 00:0 0:00到00:0 0:5e:ff:ff:ff。IANA將其中的一半分配為多播地址。為了指明一個(gè)多播地址，任何一個(gè)以太網(wǎng)地址的首字節(jié)必須是01，這意味著與IP多播相對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)地址范圍從01:0 0:5e: 00:0 0:00到01:0 0:5e:7f:ff:ff。

這種地址分配將使以太網(wǎng)多播地址中的23 bit與IP多播組號(hào)對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)將多播組號(hào)中的低位23 bit映射到以太網(wǎng)地址中的低位23 bit實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程如圖3所示。

圖3 D類(lèi)IP地址到以太網(wǎng)多播地址的映射

由于多播組號(hào)中的最高5 bit在映射過(guò)程中被忽略，因此每個(gè)以太網(wǎng)多播地址對(duì)應(yīng)的多播組是不唯一的。32個(gè)不同的多播組號(hào)被映射為一個(gè)以太網(wǎng)地址。例如，多播地址224.128.64.32（十六進(jìn)制e0.80.40.20）和224,0.64.32（十六進(jìn)制e0.00.40.20）都映射為同一以太網(wǎng)地址01.00.53.00.40.20。

既然地址映射是不唯一的，那么設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或IP層（見(jiàn)圖1）就必須對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行過(guò)濾。因?yàn)榫W(wǎng)卡可能接收到主機(jī)不想接收的多播數(shù)據(jù)幀。另外，如果網(wǎng)卡不提供足夠的多播數(shù)據(jù)幀過(guò)濾功能，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就必須接收所有多播數(shù)據(jù)幀，然后對(duì)它們進(jìn)行過(guò)濾。

單個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)的多播是簡(jiǎn)單的。多播進(jìn)程將目的IP地址指明為多播地址，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑺D(zhuǎn)換為相應(yīng)的以太網(wǎng)地址，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。這些接收進(jìn)程必須通知它們的IP層，它們想接收的發(fā)往給定多播地址的數(shù)據(jù)報(bào)，并且設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須能夠接收這些多播幀。這個(gè)過(guò)程就是“加入一個(gè)多播組”（在同一主機(jī)或多個(gè)主機(jī)上存在多個(gè)接收者，這也是為什么要首先使用多播的原因）。當(dāng)一個(gè)主機(jī)收到多播數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，它必須向?qū)儆谀莻€(gè)多播組的每個(gè)進(jìn)程均傳送一個(gè)復(fù)制。這和單個(gè)進(jìn)程收到單播UDP數(shù)據(jù)報(bào)的UDP不同。使用多播，一個(gè)主機(jī)上可能存在多個(gè)屬于同一多播組的進(jìn)程。

當(dāng)把多播擴(kuò)展到單個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)以外需要通過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)多播數(shù)據(jù)時(shí)，復(fù)雜性就增加了。需要有一個(gè)協(xié)議讓多播路由器了解確定網(wǎng)絡(luò)中屬于確定多播組的任何一個(gè)主機(jī)。這個(gè)協(xié)議就是Internet組管理協(xié)議（IGMP）

FDDI和令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的多播

FDDI網(wǎng)絡(luò)使用相同的D類(lèi)IP地址到48 bit FDDI地址的映射過(guò)程。令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)通常使用不同的地址映射方法，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)令牌控制中的限制。