在Internet上，多媒體業(yè)務(wù)諸如：流媒體，視頻會議和視頻點(diǎn)播等，正在成為信息傳送的重要組成部分。點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)膯尾シ绞讲荒苓m應(yīng)這一類業(yè)務(wù)傳輸特性--單點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收，因?yàn)榉?wù)器必須為每一個接收者提供一個相同內(nèi)容的IP報文拷貝，同時網(wǎng)絡(luò)上也重復(fù)地傳輸相同內(nèi)容的報文，占用了大量資源。如圖1.1所示。雖然IP廣播允許一個主機(jī)把一個IP報文發(fā)送給同一個網(wǎng)絡(luò)的所有主機(jī)，但是由于不是所有的主機(jī)都需要這些報文，因而浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)資源。在這種情況下組播（multicast）應(yīng)運(yùn)而生，它的出現(xiàn)解決了一個主機(jī)向特定的多個接收者發(fā)送消息的方法。1989年，IETF通過RFC1112，定義了Internet上的組播方式。
圖1.1
1. IP組播
IP組播是指一個IP報文向一個“主機(jī)組”的傳送，這個包含零個或多個主機(jī)的主機(jī)組由一個單獨(dú)的IP地址標(biāo)識。主機(jī)組地址也稱為“組播地址”，或者D類地址。除了目的地址部分，組播報文與普通報文沒有區(qū)別，網(wǎng)絡(luò)盡力傳送組播報文但是并不保證一定送達(dá)。
主機(jī)組的成員可以動態(tài)變化，主機(jī)有權(quán)選擇加入或者退出某個主機(jī)組。主機(jī)可以加入多個主機(jī)組，也可以向自己沒有加入的主機(jī)組發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)組有兩種：永久組和臨時組。永久組的IP地址是周知的，由Internet管理機(jī)構(gòu)分配，是保留地址。臨時組的地址則使用除永久組地址外的非保留D類地址。
IP組播分組在互聯(lián)網(wǎng)上的轉(zhuǎn)發(fā)由支持組播的路由器來處理。主機(jī)發(fā)出的IP組播分組在本子網(wǎng)內(nèi)被所有主機(jī)組成員接收，同時與該子網(wǎng)直接相連的組播路由器會把組播報文轉(zhuǎn)發(fā)到所有包含該主機(jī)組成員的網(wǎng)絡(luò)上。組播報文傳遞的范圍由報文的生存期值(TTL, Time-to-Live)決定，如果TTL值等于或者小于設(shè)置的路由器端口TTL門限值（TTL Threshold），路由器將不再轉(zhuǎn)發(fā)該報文。
2. 組播地址
IP組播地址，或稱為主機(jī)組地址，由D類IP地址標(biāo)記。D類IP地址的最高四位為“1110”，起范圍從224.0.0.0到239.255.255.255。如前所述，部分D類地址被保留，用作永久組的地址，這段地址從224.0.0.0-224.0.0.255。比較重要的地址有：
224.0.0.1 － 網(wǎng)段中所有支持組播的主機(jī)
224.0.0.2 － 網(wǎng)段中所有支持組播的路由器
224.0.0.4 － 網(wǎng)段中所有的DVMRP路由器
224.0.0.5 － 所有的OSPF路由器
224.0.0.6 － 所有的OSPF指派路由器
224.0.0.9 － 所有RIPv2路由器
224.0.0.13 －所有PIM路由器
臨時主機(jī)組的組播地址由網(wǎng)絡(luò)管理員選擇，他需要保證這個地址在一定的范圍內(nèi)沒有其他的主機(jī)組在使用這個組播地址。
第2層的組播地址（組播MAC地址）可以從IP組播地址中衍生。計算方法是把IP地址的最后23位拷貝到MAC地址的最后23位，然后把這23位前面的那一位置為0。MAC地址的前24位必須為0x01-00-5E。例如：組播IP地址224.0.1.128，16進(jìn)制表示為0xE0-00-01-10，最低的23位為0x00-01-10，計算得出的MAC地址為：0x01-00-5E-00-01-10。
3.Internet組管理協(xié)議（IGMP）
IGMP協(xié)議由主機(jī)成員關(guān)系協(xié)議發(fā)展而來，目前有兩個版本：IGMPv1（RFC1112），IGMPv2 (RFC2326)。主機(jī)使用IGMP消息通告本地的組播路由器它想接收組播流量的主機(jī)組地址。如果主機(jī)支持IGMPv2，它還可以通告組播路由器它退出某主機(jī)組。組播路由器通過IGMP協(xié)議為其每個端口都維護(hù)一張主機(jī)組成員表，并定期的探詢表中的主機(jī)組的成員，以確定該主機(jī)組是否存活。
IGMP消息被置于IP報文中傳送。IGMPv1的報文如圖1.2所示。IGMPv1中定義了兩種消息類型：主機(jī)成員詢問和主機(jī)成員報告。當(dāng)某主機(jī)想要介紹某個組播流量時，它向本地的組播路由器發(fā)送"主機(jī)成員報告"消息，告知欲接收的組播地址。組播路由器收到"主機(jī)成員報告"消息后把該主機(jī)加入指定的主機(jī)組，并在設(shè)定的周期內(nèi)向組播地址224.0.0.1(代表所有支持組播的主機(jī)) 發(fā)送"主機(jī)成員詢問"消息。主機(jī)如果還想繼續(xù)接收組播流量，必須發(fā)送"主機(jī)成員報告"消息。
圖1.2
IGMPv2的報文如圖1.3所示。與IGMPv1不同的是它將版本字段和消息類型字段融合，把未使用字段作了"最大響應(yīng)時間"字段。IGMPv2報文的消息類型字段定義了四種消息類型：
圖1.3
0x11 - 成員詢問
0x12 - IGMPv1 成員報告
0x16 - IGMPv2 成員報告
0x17 - 退出主機(jī)組
IGMPv2向前兼容IGMPv1協(xié)議， IGMPv1的設(shè)備可以接收處理IGMPv2的消息報文。 IGMPv2中允許路由器對指定的主機(jī)組地址做"成員詢問"，非該組的主機(jī)不必響應(yīng)。如果某主機(jī)想退出，它可以主動向路由器發(fā)送"推出主機(jī)組"消息，而不必像IGMPv1中那樣只能被動退出。
4. CGMP協(xié)議
在交換網(wǎng)絡(luò)中，2層交換機(jī)可能即不了解哪個端口有哪些組播組，也不能在其源MAC地址表中找到組播MAC地址的表項(xiàng)。從而，交換機(jī)只能簡單地把組播報文向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)，組播的優(yōu)勢將大大削弱。因此，Cisco提出CGMP協(xié)議，讓組播路由器來配置交換機(jī)的組播轉(zhuǎn)發(fā)表，從而徹底解決交換網(wǎng)絡(luò)中的組播問題。
CGMP ( Cisco Group management protocol)全稱Cisco組管理協(xié)議，采用CGMP的路由器將主機(jī)加入或者退出組播組的IGMP消息通知交換機(jī)，交換機(jī)則根據(jù)該消息將該主機(jī)所在端口從組播轉(zhuǎn)發(fā)表中加入或者刪除。通過CGMP協(xié)議的使用，2層交換機(jī)可以掌握接收組播的主機(jī)的情況，從而提高整個網(wǎng)絡(luò)的性能和利用率。
5. 分布樹（Distribution Tree）
在傳送組播分組時，指派路由器需要構(gòu)造一個連接所有組播組成員的樹。根據(jù)這個樹，路由器得出轉(zhuǎn)發(fā)分組的一條唯一路徑。這個樹就稱為分布樹。由于成員可以動態(tài)的加入和退出，分布樹也必須動態(tài)更新。
根據(jù)構(gòu)造方法的不同，分布樹分為源分布樹（Source Distribution Tree）和共享分布樹（Shared Distribution Tree）。源分布樹以組播源為根節(jié)點(diǎn)構(gòu)造到所有組播組成員的生成樹，通常也稱為最短路徑樹（SPT）。共享分布樹，也稱為RP樹或基于核心的樹（CBT, Core_based Tree）。它的構(gòu)造方法是以網(wǎng)絡(luò)中的某一個指定的路由器為根節(jié)點(diǎn)，該路由器稱為集合點(diǎn)或中心點(diǎn)，由此節(jié)點(diǎn)生成包含所有組成員的樹。使用共享分布樹時，組播源需要首先把組播分組發(fā)送給集合點(diǎn)路由器，再由這個路由器轉(zhuǎn)發(fā)給其他的組成員。
6. 組播路由協(xié)議
組播路由協(xié)議的主要任務(wù)就是構(gòu)造組播的分布樹，使組播分組能夠傳送到相應(yīng)的組播組成員。根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)中的組播成員的分布和使用的不同，組播路由協(xié)議分為兩類：密集模式路由協(xié)議（DM）和稀疏模式路由協(xié)議（SM）。
DM路由協(xié)議通常用于組播成員較為集中、數(shù)量較多－網(wǎng)絡(luò)的大部分用戶、并且有足夠帶寬的網(wǎng)路環(huán)境，比如公司或園區(qū)的局域網(wǎng)。因此，DM路由協(xié)議用定期廣播組播報文的方法維護(hù)組播分布樹。DM協(xié)議只使用源分布樹（SPT），組播流量被廣播到網(wǎng)絡(luò)中所有的組播路由器。DM路由協(xié)議有：
- DVMRP：距離向量組播路由協(xié)議。這是一種基于距離向量算法的組播路由協(xié)議。目前已基本上被PIM和MOSPF所取代。
- MOSPF：組播OSPF協(xié)議。
- PIM-DM：協(xié)議無關(guān)組播協(xié)議－密集模式。它不需要單獨(dú)的組播協(xié)議，利用路由器上單播路由協(xié)議的路由表作反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)檢查，由此獲得組播分布樹。相比另兩種協(xié)議，PIM-DM的開銷要小很多，它用于組播源和目的非常靠近、接收者數(shù)量大于發(fā)送者數(shù)量并且組播流量比較大的環(huán)境中效果很好。
在網(wǎng)路中稀疏分布、網(wǎng)絡(luò)也沒有充足帶寬的情況，如廣域網(wǎng)環(huán)境，可以使用SM路由協(xié)議。因此，SM路由協(xié)議采用選擇性的建立和維護(hù)分布樹的方式，由空樹開始，僅當(dāng)成員顯式的請求加入分布樹才做出修改。SM路由協(xié)議有：
- CBT：基于中心的分布樹協(xié)議（RFC 2201）。協(xié)議由以一個中心的路由器為根構(gòu)造一個共享分布樹，所有的組播流量都經(jīng)由這個中心路由器轉(zhuǎn)發(fā)。
- PIM-SM：協(xié)議無關(guān)組播協(xié)議－稀疏模式。工作原理與PIM－DM類似，但專門針對稀疏環(huán)境優(yōu)化。適用于組播組中接收者較少、間歇性組播流量的情況。不同于PIM-DM的廣播方式，PIM-SM定義了一個集合點(diǎn)(RP)，所有的接收者在RP注冊，組播分組由RP轉(zhuǎn)發(fā)給接收者。
7．總結(jié)
單個數(shù)據(jù)流可以發(fā)送到多個客戶端的組播能力已成為大多數(shù)多媒體應(yīng)用的傳輸手段。組播技術(shù)利用一個IP地址使IP數(shù)據(jù)報文發(fā)送到用戶組。IP組播采用了特殊定義的目的IP地址和目的MAC地址。IGMP為客戶端提供加入和離開組播組的方式。CGMP使路由器為交換機(jī)配置組播轉(zhuǎn)發(fā)表，并告訴交換機(jī)當(dāng)前的組播成員。指派路由器根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)中的組播成員的分布和使用的不同采用密集模式DM或稀疏模式SM組播路由協(xié)議來構(gòu)造組播的分布樹，而這個分布樹將在源子網(wǎng)和組播組之間確定一條唯一路徑以提高數(shù)據(jù)傳輸效率。