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)部主機是否愿意接收該數(shù)據(jù)包,所有在子網(wǎng)內(nèi)部的主機都將收到這些數(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。當一臺主機向一組主機發(fā)送信息,存在于某個組的所有主機都可以接收到信息。
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)標識,任何用戶主機(或其他接收設備)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)絡中的任何地方,組成員是動態(tài)的,網(wǎng)絡中的用戶主機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)的學生就是通信組成員。
組播路由器可以是班委,如班長、學習委員等可以幫助老師傳遞消息的人,負責將老師的信息更廣泛地傳遞給通信興趣小組中的每個學生。
在班級中,信息的傳遞往往是復雜的。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生。同時,班長和學習委員之間也可能相互傳遞信息。這個由老師和學生共同構成的信息傳遞網(wǎng)絡就類似于組播分發(fā)樹。在這個樹狀結(jié)構中,信息沿著最短的路徑從老師(組播源)傳遞到每個學生(組播組成員),確保了信息的有效傳播。
在網(wǎng)絡中,組播協(xié)議幫助路由器和交換機知道哪些設備對某個特定的“組”(也就是組播組地址)感興趣。當一個設備加入或離開一個組播組時,這個設備會通知網(wǎng)絡,網(wǎng)絡就會相應地調(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心該信息的網(wǎng)絡用戶。組播協(xié)議工作過程可以分為以下幾個部分:
加入組播組
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- 當一個主機(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地址設置為對應的組播組地址。這個數(shù)據(jù)包會被發(fā)送到網(wǎng)絡上,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)議構建組播分發(fā)樹,將數(shù)據(jù)包復制并轉(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
當一個主機不再需要接收某個組播組的數(shù)據(jù),它會通過相應的機制通知組播路由器,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,我們說到了一些機制和路由協(xié)議,這些構成了組播協(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制,主要用來管理和維護組播組的成員關系,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生,你會通過組成員管理協(xié)議告訴學習委員你想要加入通信興趣小組,學習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分別服務于IPv4和IPv6網(wǎng)絡,功能相似,在應用場景、協(xié)議細節(jié)和所處的網(wǎng)絡環(huán)境上存在差異。
- IGMP:用于IPv4網(wǎng)絡的組播組成員關系管理協(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,目前應用最廣泛的是IGMPv2。
- MLD:用于IPv6網(wǎng)絡的組播組成員關系管理協(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)絡節(jié)點,從而優(yōu)化網(wǎng)絡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
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- 用來在AS(Autonomous System,自治系統(tǒng))內(nèi)發(fā)現(xiàn)組播源并構建組播分發(fā)樹,將信息傳遞到接收者。根據(jù)網(wǎng)絡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
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- 密集模式組播路由協(xié)議的前提是網(wǎng)絡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)絡來建立和維護組播樹。運行組播路由協(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)議無關組播-密集模式)都屬于密集模式組播路由協(xié)議。
稀疏模式
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- 稀疏模式組播路由協(xié)議適用于網(wǎng)絡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建組播路由樹,對帶寬是極大的浪費。稀疏模式下,一個網(wǎng)絡設備想要接收組播數(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可能屬于不同的運營商,因此需要一種機制能發(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)和組播擴展MBGP(Multiprotocol Border Gateway Protocol,BGP的多協(xié)議擴展) 。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)送單獨數(shù)據(jù)包的需求,從而節(jié)省了網(wǎng)絡帶寬,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)絡負載:由于數(shù)據(jù)包的復制和分發(fā)在網(wǎng)絡中進行,源節(jié)點的負載大大減輕,提高了整體網(wǎng)絡的效率和穩(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):
組播路由的復雜性:組播路由協(xié)議(如PIM-SM和DVMRP)需要在網(wǎng)絡中維護復雜的組播樹結(jié)構,以確保數(shù)據(jù)包能夠高效地到達所有接收者。
安全性問題:組播通信中的數(shù)據(jù)包可能會被非授權的接收者截獲,因此需要采取加密和認證等措施來確保數(shù)據(jù)的安全性。
網(wǎng)絡基礎設施的限制:并非所有網(wǎng)絡設備和服務提供商都支持組播協(xié)議,這可能會限制組播技術的應用范圍。
組播協(xié)議作為一種提升網(wǎng)絡通信效率的關鍵技術,已經(jīng)在多個領域展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展和應用需求的不斷增加,組播協(xié)議將繼續(xù)發(fā)揮重要作用,推動網(wǎng)絡通信的高效和穩(wěn)定發(fā)展。未來,隨著技術的進一步成熟和基礎設施的不斷完善,組播協(xié)議有望在更多場景中得到廣泛應用,帶來更加優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡體驗。
通過本次學習,想必大家已經(jīng)對組播協(xié)議有所了解,你認為組播協(xié)議還有哪些潛在的應用場景?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。