概述

       网络信息传输主要有4种方式：单播（unicast）、任播（anycast）、组播（multicast）和广播（broadcast）。广播和组播为应用程序提供了两种服务：数据分组交付至多个目的地，通过客户端请求/发现服务器。

       ·交付至多个目的地。有许多应用程序将信息交付至多个收件方，例如，互动式会议、邮件或新闻分发至多个收件方。没有广播或组播，这些类型的服务只能将一个单独的副本交付至每一个目的地，这是非常低效的。

       ·通过客户端请求/发现服务器。使用广播或组播，应用程序可以向一个服务器发送一个请求，而不用知道任何特定服务器的IP地址。当本地网络环境的信息了解得很少时，这种功能在网络配置过程中非常有用。例如嵌入式系统通过DHCP获取其初始IP地址、ARP、IPv6 ND等。

       虽然广播和组播都可以提供上述功能，但组播相对于广播来说更为高效。因为组播只涉及那些支持或使用特定服务或协议的系统，而广播不是。因此，一个广播请求会影响在广播域内所有可以到达的主机，而组播只影响那些可能对该请求“有兴趣”的主机。在广播的更高开销和简单性以及组播的效率改善和更复杂性之间存在一种平衡。

广播

       广播是指将报文发送到网络中的所有可能的接收者。从原理上这很容易实现：路由器简单地将它接收到的任何广播报文副本转发到除该报文到达的接口以外的每个接口。当多台主机连接到同一个局域网时，广播还能结合链路层特点提供相对更高效的转发策略。

广播地址

       在IPv4中，每个子网都有一个本地定向子网广播地址，它是通过将地址中的主机部分全部置1形成的，特殊地质255.255.255.255对应于本地网络广播（也叫有限广播）。

       如上图所示，设备eth0的IP地址为172.16.0.15，子网掩码为255.255.240.0，所以网络前缀为172.16.0.0/20。因此广播地址即为该地址的主机部分的32-20=12位的1相结合（或运算）得到的：172.16.0.0 | 0.0.15.255 = 172.16.15.255

组播

       为了减少在广播中涉及的不必要的开销，可以只向特定的一部分接收方（可以是域内也可以是域间）发送流量，这被称为组播。从根本上说，通过发送方指明接收方，或是通过接收方独立地指明它们的“兴趣”，就可以完成这项工作。然后网络只负责向预期的或感兴趣的收件方发送流量。实现组播比广播要复杂，因为组播状态（multicast state）（信息）必须由主机和路由器来保持，以说明哪些接收方对哪类流量感兴趣。这个信息作为主机和路由器中的软状态来维持，这意味着它必须定期更新（当这种情况发生时，组播流量的交付要目停止要目恢复为广播）。如果正确地使用组播，只有那些在通信中参与或感兴趣的主机需要处理相关的分组，流量只会被承载于它将被使用的链路上，并且只有任意组播数据报的一个副本被承载于这样的链路上。

       为了使组播工作，希望参与通信的应用程序需要一种机制来发布其意愿的协议实现。然后主机软件可以安排接收与应用程序的条件相匹配的分组。

ASM和SSM

       IP组播在诸如以太网的链路层网络中，起初使用一种基于组寻址工作方式的设计。在这种方法中，每个站点选择它愿意接收流量的组地址，而不考虑发送方。因为对于发送方的身份是不敏感的，所以这种方法有时也被称为任源组播（Any Source Multicast，ASM）。而对于发送方身份敏感的组播类型被称为特定源组播（Source Specific Multicast，SSM），它允许终端站点明确地包含或排除从一组特定发送方发送到一个组播组的流量。SSM服务模型比ASM更容易实现，这主要是因为在广播组域中，确定单个源的位置比确定多个源的位置更容易。

IP组播地址转换为IEEE 802地址

       在类似以太网的网络中，使用单播地址时，ARP通常根据目的地的IPv4地址确定其MAC地址，而在IPv6中则是由邻居发现协议（ND）来承担类似工作。在广播中，一个MAC地址可以用于达到一个LAN或VLAN上的所有站点。那么组播中应该如何确定何种MAC地址应该放置于链路层帧中呢？理想的情况下，我们不必使用协议报文来确定适当的MAC地址，而是简单地将一个IP组播地址直接映射到一些对应的MAC地址。这些网络代表了使用IP组播的最常见的网络类型，具体映射方法在IPv4和IPv6中略有不同。

IPv4组播映射

       为了在链路层网络中有效承载IP组播，在IP层和链路层帧的数据分组和地址之间应该有一个一对一的映射。IANA拥有组播地址空间（具体为224.0.0.0~239.255.255.255），且IANA还拥有IEEE组织唯一标识符（OUI，或称以太网地址前缀）01:00:5e。有了它，IANA就被赋予权限去使用以01:00:5e开始的组（组播）MAC地址以及以00:00:5e开始的单播MAC地址。因此单播地址范围为00:00:5e:00:00:00~00:00:5e:ff:ff:ff，组播地址范围为01:00:5e:00:00:00~01:00:5e:ff:ff:ff。

       在组播地址中最高的4位固定为1110，因此有32-4=28位可用来编码整个地址空间。对于IPv4，IANA分配一半的组地址用于支持IPv4组播，这以为这2^27=268435456个组播组ID需要被映射到只有2^23=8388608个用于组播的链路层地址空间，因此映射是非唯一的，即有多个IPv4组播地址呗映射到相同的组播MAC地址中。IPv4组地址到组MAC地址的映射例子如下图所示：

IPv6组播映射

       对于IPv6，16位的OUI十六进制前缀是33:33。这意味着，IPv6地址的最后32位可以用来形成链路层地址。映射的例子如下图所示：

       由于只使用了112个组播地址位中的32位，所有有2^80个IPv6组播地址映射到相同的MAC地址。

组播地址过滤

       在一个典型的交换式以太网环境中，广播和组播帧沿着在交换机之间形成的一颗生成树在VLAN中的所有段被复制。这样的帧被交付到每台主机上的网络接口卡（NIC），它将会检查帧的正确性。若是单播/任播帧，NIC值接收目的地址是接口的硬件地址或广播地址的那些帧。然而当设计组播帧时情况要更复杂。

       NIC往往有两类。一类执行基于组播硬件地址的散列值的过滤，主机的应用软件可以表达对该硬件地址的兴趣。但正如前面组播映射特点所述，映射是多对一的，这意味着散列冲突，一些不需要的帧总是可以通过。另一类侦听组播地址的一张有限表，这意味着，如果主机需要接收超过表中能够容纳的更多的组播地址的帧，NIC将进入一种“组播混杂”模式。在这种模式下，所有的组播流量将会交给上层软件。因此，两种类型的接口需要设备驱动程序或高层软件执行检查，以确定接收到的帧是否真的需要，因此NIC的只是初步过滤。尽管存在不完美的地址映射和硬件过滤，组播地址仍然比广播更高效。

       NIC进行初步过滤后，设备驱动程序将帧传递到下一层。例如，如果帧类型指定一个IP数据报，则为IP层。基于源IP地址和目的IP地址，IP层进行更多的过滤。并将过滤出来的帧传递到下一层（传输层，如TCP或UDP）进行下一步过滤。

 

                                                                                           本文摘自《TCP/IP详解 卷1：协议（中文版）第2版》，有改动