第12章 IP多播：IGMP

所属：TCP/IP详解卷2：实现来源：TCP/IP详解卷2：实现

本章描述IP多播和IGMP（Internet组管理协议）的实现，包括IGMP报文格式、组成员管理、多播数据的收发等。

12.1 引言

什么是IP多播

IP多播（IP Multicast）：

一对多的通信
发送一次，多个接收者收到
用D类地址标识组
节省带宽，提高效率

多播是高效的一对多通信方式。

什么是IGMP

IGMP（Internet Group Management Protocol）：

主机向路由器报告组成员关系
路由器知道哪些组在局域网上有成员
用于IP多播的组管理
IGMPv1和IGMPv2

IGMP是多播的组管理协议。

IGMP的位置

IGMP在协议栈中的位置：

在IP层之上，用IP封装
协议号：2
TTL=1，只在本地子网传播
属于网络层协议

IGMP只在本地子网有效。

12.2 IGMP报文格式

IGMP报文结构

IGMPv2报文格式：

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|      类型     |  最大响应时间 |           检验和             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         组地址                              |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

字段说明：

类型：8位，报文类型
最大响应时间：8位，v2才有，v1为0
检验和：16位，IGMP报文的检验和
组地址：32位，IP多播组地址

IGMP报文封装在IP数据报中。

报文类型

IGMP报文类型：

类型	名称	说明
0x11	成员查询（Membership Query）	路由器查询组成员
0x12	成员报告v1（Membership Report v1）	主机报告加入
0x16	成员报告v2（Membership Report v2）	主机报告加入
0x17	离开组（Leave Group）	主机报告离开

v1和v2的区别：

v2增加了离开组报文
v2增加了最大响应时间字段
v2向下兼容v1

IGMPv2比v1功能更丰富。

12.3 组成员状态

多播地址列表

每个接口维护多播地址列表：

ia_multiaddrs链表
每个地址有引用计数
多个进程可以加入同一个组

数据结构：

struct in_multi {
    struct  in_multi *inm_next;  /* 下一个 */
    struct  in_ifaddr *inm_ia;   /* 所属接口地址 */
    struct  in_addr inm_addr;    /* 多播地址 */
    u_int   inm_refcount;        /* 引用计数 */
    /* ... */
};

每个接口的多播地址链表。

加入组

加入多播组的过程：

应用程序调用setsockopt(IP_ADD_MEMBERSHIP)
内核检查是否已在列表中
不在列表中：
- 分配in_multi结构
- 添加到接口的ia_multiaddrs链表
- 引用计数设为1
- 通知网卡加入多播组
- 发送IGMP成员报告
已在列表中：
- 引用计数加1

引用计数支持多个进程加入同一组。

离开组

离开多播组的过程：

应用程序调用setsockopt(IP_DROP_MEMBERSHIP)
引用计数减1
计数为0时：
- 从链表移除
- 通知网卡离开多播组
- 发送IGMP离开组报文（v2）
计数不为0：
- 什么都不做

最后一个进程离开才真正离开组。

12.4 IGMP工作机制

查询-响应机制

IGMP的基本工作机制：

路由器定期查询
- 发送成员查询报文
- 目的地址：224.0.0.1（所有主机）
- 周期：通常60秒
主机响应
- 收到查询后，为每个组成员启动定时器
- 定时器是随机的（0-最大响应时间）
- 定时器超时后，发送成员报告
- 收到其他主机的报告，取消自己的定时器
路由器维护
- 收到报告，知道该组有成员
- 一段时间没收到报告，认为没有成员
- 停止转发该组的数据

随机延迟避免所有主机同时发送。

为什么用随机延迟

随机延迟的作用：

避免所有主机同时发送报告
减少网络上的IGMP报文
一个组只要有一个主机报告就行
其他主机听到报告就不用发了

报告是抑制的，一个组只需要一个报告。

离开组（v2）

IGMPv2的离开机制：

主机发送离开组报文
- 最后一个成员离开时发送
- 目的地址：224.0.0.2（所有路由器）
- 告诉路由器可能要离开
路由器发送特定组查询
- 收到离开后，发送针对该组的查询
- 确认是否还有成员
如果还有成员
- 主机发送报告
- 路由器继续转发
如果没有成员
- 一段时间没收到报告
- 路由器停止转发该组

v2可以快速知道组是否还有成员。

12.5 多播数据的接收

多播数据的接收流程

多播数据的接收过程：

网卡接收
- 网卡收到多播帧
- 检查目的MAC地址
- 如果在多播地址列表中，接收
IP层处理
- 检查IP首部
- 检查目的IP地址
- 验证校验和
分用
- 根据协议号分用
- TCP/UDP/ICMP等
递送
- 递送给所有加入该组的套接字
- 多播可以被多个套接字接收

多播数据可以被多个接收者同时收到。

多播的过滤

多层过滤：

网卡层：MAC地址过滤
IP层：IP地址过滤
传输层：端口过滤
应用层：应用自己过滤

多层过滤提高效率。

12.6 多播数据的发送

多播数据的发送流程

多播数据的发送过程：

应用发送
- 发送到多播地址
- UDP或原始IP
IP层处理
- 确定输出接口
- 设置TTL（默认1）
- 封装IP首部
链路层
- 映射到多播MAC地址
- 发送出去

多播发送和单播类似，只是目的地址是多播地址。

输出接口的选择

多播输出接口的确定：

默认根据路由表
可以用IP_MULTICAST_IF指定
可以指定特定的接口

应用可以控制从哪个接口发多播。

TTL的设置

多播的TTL：

默认TTL=1，只在本地子网
可以用IP_MULTICAST_TTL设置
TTL决定多播的范围
TTL越大，传播越远

TTL限制多播的传播范围。

12.7 小结

IGMP概述

IGMP的作用
- 组管理协议
- 主机报告组成员
- 路由器维护组成员关系
IGMP的位置
- IP协议号2
- TTL=1
- 只在本地子网

IGMP报文

报文格式
- 类型、最大响应时间
- 检验和、组地址
报文类型
- 成员查询
- 成员报告（v1/v2）
- 离开组（v2）
v1和v2的区别
- v2有离开组
- v2有最大响应时间
- v2向下兼容

组成员状态

多播地址列表
- 每个接口一个链表
- in_multi结构
- 引用计数
加入组
- setsockopt(IP_ADD_MEMBERSHIP)
- 添加到链表
- 发送报告
离开组
- setsockopt(IP_DROP_MEMBERSHIP)
- 引用计数减1
- 计数为0才真正离开

IGMP工作机制

查询-响应
- 路由器定期查询
- 主机随机延迟响应
- 报告抑制
随机延迟
- 避免同时发送
- 减少报文数量
离开组（v2）
- 主机发送离开
- 路由器特定查询
- 快速确认

多播数据收发

接收
- 网卡过滤
- IP层处理
- 多个套接字可以同时收到
发送
- 确定输出接口
- 设置TTL
- 映射MAC地址

关键概念

IP多播
- 一对多通信
- D类地址
- 高效
IGMP
- 组管理协议
- 查询-响应机制
- v1和v2
组成员管理
- 链表管理
- 引用计数
- 加入/离开
多播收发
- 接收：多个接收者
- 发送：TTL控制范围

IP多播 IGMP

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