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組播協(xié)議:網(wǎng)絡(luò)界的“群聊達(dá)人”發(fā)布日期:2024-07-18 14:30:16閱讀量:422
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(huì)議時(shí),為什么我們能夠流暢地接收會(huì)議畫面?
觀看晚會(huì)直播時(shí),數(shù)以萬計(jì)的觀眾為什么能同時(shí)看到節(jié)目畫面?
和好朋友聯(lián)機(jī)游戲時(shí),是什么保證所有玩家能夠?qū)崟r(shí)接收游戲信息?
……
這些其實(shí)都離不開一種神奇的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——組播協(xié)議。
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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。
一、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(diǎn)到多點(diǎn)或多點(diǎn)到多點(diǎn)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。
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IP單播(Unicast),簡(jiǎn)稱為單播
單播是一種點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式,要求在發(fā)送者和每一接收者之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接。
IP廣播(Broadcast),簡(jiǎn)稱為廣播
廣播是一種點(diǎn)到所有點(diǎn)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(jiǎn)稱為組播
組播介于單播和廣播之間,屬于點(diǎn)到多點(diǎn)或多點(diǎn)到多點(diǎn)的通信方式。當(dāng)一臺(tái)主機(jī)向一組主機(jī)發(fā)送信息,存在于某個(gè)組的所有主機(jī)都可以接收到信息。
二、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(shí)一下組播中的基本概念。
組播組:使用一個(gè)IP組播地址(即組播組地址)標(biāo)識(shí),任何用戶主機(jī)(或其他接收設(shè)備)加入這個(gè)組播組,就成為了該組成員,該組成員可以識(shí)別和接收發(fā)送到該組播地址的報(bào)文。
組播源:以組播組地址為目的地址,發(fā)送IP組播報(bào)文的信息源。一個(gè)組播源可以同時(shí)向多個(gè)組播組發(fā)送數(shù)據(jù)。多個(gè)組播源可以同時(shí)向一個(gè)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(dòng)態(tài)的,網(wǎng)絡(luò)中的用戶主機(jī)可以在任何時(shí)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。
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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(gè)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(zhǎng)、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(gè)學(xué)生。
在班級(jí)中,信息的傳遞往往是復(fù)雜的。老師可能會(huì)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(shí),班長(zhǎng)和學(xué)習(xí)委員之間也可能相互傳遞信息。這個(gè)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(gè)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(gè)學(xué)生(組播組成員),確保了信息的有效傳播。
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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(duì)某個(gè)特定的“組”(也就是組播組地址)感興趣。當(dāng)一個(gè)設(shè)備加入或離開一個(gè)組播組時(shí),這個(gè)設(shè)備會(huì)通知網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)就會(huì)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(jiǎn)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(gè)感興趣的接收者,而不會(huì)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(gè)部分:
加入組播組當(dāng)一個(gè)主機(jī)(接收者)想要接收來自特定組播組的信息時(shí),它會(huì)通過某種機(jī)制發(fā)送一個(gè)加入請(qǐng)求給其本地的路由器。
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發(fā)送組播數(shù)據(jù)當(dāng)組播源(發(fā)送者)想要向一個(gè)組播組發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),它將數(shù)據(jù)包的目的IP地址設(shè)置為對(duì)應(yīng)的組播組地址。這個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上,但只有加入這個(gè)組播組的成員才會(huì)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(qǐng)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。
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離開組播組當(dāng)一個(gè)主機(jī)不再需要接收某個(gè)組播組的數(shù)據(jù),它會(huì)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)。
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三、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。
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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(shí)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(bào)文只被發(fā)送給對(duì)該報(bào)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(gè)想加入該興趣小組的學(xué)生,你會(huì)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(huì)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(dòng)通知時(shí),老師就只會(huì)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(chǎng)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(gè)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(gè)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(bào)文只被發(fā)送到那些提出請(qǐng)求并能夠處理這個(gè)特定組播流量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),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。
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還是以興趣小組為例,同一個(gè)班級(jí)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(jí)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(gè)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。
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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(shí)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(duì)帶寬是極大的浪費(fèi)。稀疏模式下,一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備想要接收組播數(shù)據(jù)包,必須申請(qǐng)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(shí)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(yíng)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。
四、組播協(xié)議的優(yōu)勢(shì)&挑戰(zhàn)
組播協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢(shì):
節(jié)省帶寬:組播協(xié)議避免了為每個(gè)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(huì)議和在線直播這樣需要同時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)的場(chǎng)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(diǎn)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(gè)接收者,減少了延遲和傳輸時(shí)間。
盡管組播協(xié)議具有諸多優(yōu)勢(shì),但在實(shí)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(huì)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(huì)限制組播技術(shù)的應(yīng)用范圍。
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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(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(dòng)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(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用,帶來更加優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。
通過本次學(xué)習(xí),想必大家已經(jīng)對(duì)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(chǎng)景?或者你想更深入得了解哪個(gè)組播協(xié)議?