76672182_p0.jpg

1. Internet Group Management Protocol（互联网组管理协议）特征

  • IGMP 基于链路
  • 接收者可能位于互联网的任意位置，所以需要 IGMP 确认这些末节网络需要的组播流量
  • IGMP 在 TCP/IP 协议簇主要负责管理组成员之间的关系
    • 接收者向叶路由器报告自身所需要的组播流
    • 叶路由器向接收者查询哪些成员需要组播流量
  • IGMP 运行在接收者和叶路由器之间的协议，由接收者和叶路由器共同建立、维护组播成员关系
  • IGMP 可以实现接收者自行决定是否需要组播流量或何时需要组播流量（需要组播流才进行转发，否则不转发任何组播流量）
  • IGMP 的工作原理
    • 接收者向所在的网络报告成员关系「Report」
    • 查询器周期性地向接收者所在的网络发送成员查询消息「Report」
    • 接收者收到查询消息后，通过报告消息「Report」来响应成员关系
    • 网络中的组播路由器依据收到的报告消息来刷新成员的存在信息「oiflist」
  • IGMP 查询器是为了在共享网络上进行避免重复 Query 消息（有多台叶路由器时）
  • IGMPv1 没有专门定义离开组的报文
  • IGMPv1 当有多台查询器时，需要依靠其他组播路由协议完成 “主查询器” 的选举

    2. IGMPv1 Message

支持 ASM，不支持 SSM，定义了基本的组成员查询和报告过程

image.png
IGMPv1 Message 格式解析

  • version：IGMP 版本（只有 IGMPv1 有该字段）
  • Type：IGMP 报文类型
    • 0x11（Query）：普遍组查询
    • 0x12（Report）：成员报告，可以主动或被动发送
  • Checksum：校验值

  • Group Address：组播组地址

    • 普遍组查询消息中：地址是 0.0.0.0
    • 成员报告消息中：地址是主机想加入的组播组地址

      1）Query（查询）

      查询主要是为了确认有哪些组播成员和主机是否还需要组播流（谁需要组播流）

  • 查询器周期性地每「60s（默认）」向目标 IP 地址为「224.0.0.1」发送一次普遍组查询消息

    2）Report（报告）

    报告主要是为了向查询器告知自身需要的组播流（赶紧拿到组播流量）

  • 工作方式

    • 主动发送：主机有明确期望加入某个组播组，主动向查询器发送 Report 消息
    • 被动发送：主机没有明确期望加入哪个组播组，在收到查询器发送的 Query 消息后，如果对该组播组感兴趣并想加入时，才发送 Report 消息

      3）查询器的选举

      查询器是为了在共享网络上进行避免发送重复 Query 消息

  • IGMPv1 自身不支持选举查询器

  • IGMPv1 的查询器由组播路由协议决定，比如 PIM DR 就是 IGMPv1 的查询器

    4）查询和响应的工作流程

  • 主机抑制定时器（几乎无效）：1~10s

  • 普遍组查询目标地址：224.0.0.1
  • 查询器普遍组查询周期时间：60s
  • 因为只支持 ASM 模型，所以转发表项为（*,G）

image.png

  1. 查询器周期性向目标 IP 地址「224.0.0.1」发送普遍组查询消息
  2. 所有主机收到消息后，都启动「1~10s」的随机定时器，当某个主机定时器超时后，向查询器发送加入某个组播组地址的报告消息。如果其他主机收到该报告消息时发现自身也是加入改组，就会抑制掉自身的定时器（谁先超时谁发，后超时的不发，但 IGMPv1 中抑制机制几乎无效）
  3. 查询器收到报告消息后，就知道该网络中存在组播成员，并生成组播转发表项（*,G）
  4. 当有组播流量到达查询器时，将转发到组播成员的链路

    5）成员离组（Leave）机制

    悄悄离组（默默离开），没有组成员离开机制

  • 成员离组后不会再响应普遍组查询
  • 当共享网络中只有一台主机，并且已经离组。查询器就不会再收到 “报告消息”，此时查询器需要［2个查询周期 + 1个最大报告消息时间（默认 130s）］才能感知到组内已经没有了成员，才不再向该组转发组播报文

    3. IGMPv2 Message

支持 ASM，不支持 SSM，增加了组成员快速离开的机制

image.png
IGMPv2 Message 格式解析

  • Type：IGMP 报文类型
    • 0x11：普遍组查询、特定组查询
    • 0x12：IGMPv1 成员报告，用于兼容 IGMPv1
    • 0x16：IGMPv2 成员报告
    • 0x17：成员离开
  • Max Response Time：最大响应时间（只在 IGMP 查询消息中有效）
    • 以 0.1s 为单位，默认为 10s
    • 主机收到查询器发送的普遍查询后，需要再最大响应时间内做出回应
  • Checksum：校验值
  • Group Address：组播组地址
    • 普遍组查询消息中：地址是 0.0.0.0
    • 特定组查询报文中：是查询器向查询的组播组地址（一般用于成员离开）
    • 成员报告/离开消息（Leave）中：地址是主机想加入或离开的组播组地址

      1）查询器的选举

      查询器是为了在共享网络上进行避免发送重复 Query 消息

image.png

  1. 所有运行 IGMPv2 的组播路由器都认为自身是查询器，都向共享网络中发送普遍查询消息。组播路由器收到对端的普遍查询消息后，将消息中的 “源 IP 地址与自身的出接口 IP 地址” 做比较，IP 地址小的作为组播路由器的查询器［只有成为查询器的设备才会发送 Query 消息］
  2. 没有成为查询器的组播路由器，会启动一个定时器（125s），如果定时器超时前收到了 Query 消息，就重置该定时器；如果定时器超时没有收到 Query 消息，则发起新的选举［喧宾夺主］

    2）查询和响应与 IGMPv1 的区别

  • 主机抑制定时器：1~10s（最大响应时间）
    • 当某个主机定时器超时后，向查询器发送加入某个组播组地址的报告消息，查询器会记录下第一个发送报告消息的组播成员（last reporter）。如果其他主机收到该报告消息时发现自身也是加入该组，就会抑制掉自身的定时器（谁先超时谁发，后超时的不发）

  • 特定组查询目标地址（一般用于成员离开）：组播组地址

    • 只有加入了该特定组的成员，才会回复特定组查询，避免了属于其他组成员的主机发送响应报文

      3）成员离组（Leave）机制

      last reporter 成员离开，才会告知查询器，并触发特定组查询；其他组成员只需要静默离开。如果 Last reporter 离开，该组内还有其他成员，那么其他成员会在最大响应时间内以特定组地址作为目的，发送报告消息

  • last reporter 会向目的地址 224.0.0.2 发送成员离开消息（华为设备抓包发现目的地址是向特定组地址）

  • 查询器收到后离开消息后，连续发送两个特定组查询，默认间隔时间 1s（目的是为了确定共享网络中还有没有成员）
  • 如果共享网络中还有成员，那么成员会以特定组地址作为目标 IP 地址回应查询器报告消息

  • 如果没有，查询器会断开该共享网络的组播流

    4）IGMPv2 对 IGMPv1 的兼容

    如果网络中存在 IGMPv1 的组播路由器，则需要把运行 IGMPv2 的路由器配置为 IGMPv1；或把运行 IGMPv1 的路由器配置为 IGMPv2，整个组播网络才能正常工作（因为 IGMPv1 和 IGMPv2 的查询器选举规则不一样，会导致有多个查询器）

  • 当网络中存在 IGMPv1/v2 的主机时

    • IGMPv2 的抑制机制有效，IGMPv1 的抑制几乎无效（与 IGMPv1 相同）
    • IGMPv2 主机仍然会发送 Leave 消息，但查询器不会进行特定组查询响应，因为网络中有 IGMPv1 主机导致的离组机制失效
  • 如何判断是一个 Query 是 IGMPv1/v2
    • 通过 Message Version
    • 通过 Message Max Response Time

      4. IGMPv3 Message

增加了对 SSM 的支持。指定接收或指定不接受默写组播源的报文

  • IGMPv3 中成员报告的目的地址是「224.0.0.22」
  • 查询消息中增加了特定源组查询，用来询问特定源组成员是否接收一个或多个特定源发送的组播流
  • IGMPv3 没有离组报文，都通过组成员报告实现
  • 成员报告消息中可以携带多个组播组信息，并且增加了组播流过滤（能够明确要求接收或不接受某个特定源的组播流）

    1）工作机制

    image.png
  1. 叶路由器向主机发送特定源查询（包含多个组）
  2. 主机通过报告消息回复需要哪个组的组播流
  3. 叶路由器向主机发送所需组播源的组播流

    5. IGMP SSM Mapping

通过组播地址和 IP 地址映射，让 IGMPv1/v2 能够接收特定源组播流

  • IGMP SSM Mapping 不处理 IGMPv3 消息
  • IGMP 收到主机的 IGMPv1/v2 消息后，通过携带的组播组地址进行不同的映射处理
    • 如果组播组地址是 ASM，则只提供 ASM 服务
    • 如果组播组地址是 SSM，并且有对应的 SSM Mapping，则提供 ASM 服务
    • 如果组播组地址是 ASM，如果没有对应的 SSM Mapping，则丢弃报文

      6. IGMP Snooping

  • 一种二层的组播技术，通过侦听主机和叶路由器的 IGMP 报文，建立二层组播转发表，从而避免了组播报文在二层设备上的泛洪（直接发给指定的接收者）
  • 可以配合 IGMP SSM Mapping、IGMP Proxy 使用

  • IGMP Snooping 的缺点：交换机 CPU 需要处理 IGMP 报文来维护二层组播转发表，如果交换机下面组很多，那么二层组播转发表需要占用相当大的内容，且如果不能识别 IGMP 报文，那么二层交换机会监听所有组播报文，并且把组播报文送上 CPU 处理，会加重设备负载

    1）端口类型

  • 成员端口（动态和静态）：转发组播流的接口

  • 路由器端口（动态和静态）：接收组播流的接口

    2）工作机制

    image.png
    普遍组查询：

  • 定期向 VLAN 内的所有主机与路由器（目的地址为224.0.0.1）发送 IGMP 普遍组查询报文，以查询该网段有哪些组播组的成员

    • 如果路由器端口列表中尚未包含该接口，则将其添加进去，并启动老化定时器
    • 如果路由器端口列表中已包含该动态路由器端口，则重置老化定时器

成员报告：

  • 成员收到 IGMP 普遍组查询报文后，回应 IGMP 报告报文；成员主动向 IGMP 查询器发送 IGMP 报告报文以声明加入该组播组
  • IGMP Snooping 向 VLAN 内所有路由器端口转发。从报文中解析出主机要加入的组播组地址
    • 如果不存在该组对应的转发表项，则创建转发表项，将该接口添加到出接口列表中，并启动老化定时器
    • 如果已存在该组对应的转发表项，但出接口列表中未包含该接口，则将该接口添加到出接口列表，并启动老化定时器
    • 如果已存在该组对应的转发表项，且出接口列表中已包含该端口，则重置其老化定时器

成员离组：

  • 运行 IGMPv2 或 IGMPv3 的成员发送 IGMP 离开报文，以通知 IGMP 查询器自己离开了某个组播组
  • IGMP 查询器收到离组报文后，从中解析出组播组地址，并通过接收接口向该组播组发送 IGMP 特定组查询报文 / IGMP 特定源组查询报文
  • IGMP Snooping 判断离开的组是否存在对应的转发表项，以及转发表项出接口列表是否包含报文的接收接口
    • 如果不存在该组对应的转发表项，或者该组对应转发表项的出接口列表中不包含接收接口，则不转发该报文，将其直接丢弃
    • 如果存在该组对应的转发表项，且转发表项的出接口列表中包含该接口，会将报文向 VLAN 内所有路由器端口转发
    • 如果从该接口收到了主机响应 IGMP 特定组/源组查询的报告报文，表示接口下还有该组的成员，于是重置其老化定时器
    • 如果没有从该接口收到主机响应 IGMP 特定组/源组查询的报告报文，则表示接口下已没有该组成员，则在老化时间超时后，将接口从该组的转发表项出接口列表中删除

IGMP Snooping 收到 PIM Hello 报文：

  • 向 VLAN 内除接收接口外的其他所有接口转发
    • 如果路由器端口列表中已包含该动态路由器端口，则重置老化定时器
    • 如果路由器端口列表中尚未包含该接口，则将其添加进去，并启动老化定时器

      7. IGMP Proxy

IGMP Proxy 可以收所有主机的 IGMP 报告/离开消息（统一上报），也可以收 IGMP 查询器的查询消息，在查询器看来 IGMP Proxy 是台主机，在主机看来 IGMP Proxy 是一台查询器

  • 接口类型
    • 上游接口：连接查询器
    • 下游接口：连接主机
  • 通常用在叶路由器和成员主机之间
    • 从上游接口收到查询消息，根据组播路由表的状态进行响应
    • 从下游接口收到报告消息，根据组播路由表查找报告的组播组，有相应的组播组则不转发；没有则进行转发
    • 从下游接口收到离组消息，根据收到的接口发送一个特定组查询，检查是否还存在主机
  • 实现方式
    • 主备模式：故障恢复后可以立即回切或延迟回切
    • 通过 Hash 算法进行负载分担模式