IP多播的约定俗成

引言：为什么需要IP多播？

在计算机网络的世界里，我们有三种主要的通信方式：

1. 单播 (Unicast)：一对一的通信，就像打电话，信息只发给一个特定的接收者。这是最常见的通信方式。

2. 广播 (Broadcast)：一对所有的通信，就像在小区里用大喇叭喊话，局域网内的所有设备都会收到信息，不管它们想不想听。

3. 多播 (Multicast)：一对多的通信，就像一个微信群聊，信息只发给加入了这个“群”的特定成员。

显而易见，如果一个服务器要向1000个用户同时直播一场球赛，用单播需要发送1000次数据，极其浪费带宽；用广播又会骚扰到网络内所有不想看球赛的设备。此时，IP多播 应运而生，它以最高效的方式实现了“将数据精确地发送给一个感兴趣的用户群体”。

一、多播的基石：地址体系

要实现多播，首先需要一套专门的地址来标识“多播组”。

1. D类IP地址

• 范围：IANA将224.0.0.0到239.255.255.255这个范围的IP地址保留给了多播。这就是我们常说的D类地址。

• 特征：它的二进制表示前4位固定为1110。

• 注意：D类地址只能作为数据报的目的地址，不能作为源地址。

2. 多播MAC地址（考点核心！）

当一个IP多播数据包要在以太网中传输时，它需要一个目标MAC地址。这个MAC地址是通过IP多播地址映射得来的。

• 映射规则：

  1. 多播MAC地址的前24位（3字节）是固定的：01-00-5E。

  2. MAC地址的第25位是0。

  3. MAC地址的后23位，直接从IP多播地址的后23位复制而来。

• 重要陷阱：32:1的地址歧义

  • 一个IP地址有32位，D类地址的前4位1110是固定的，剩下28位用来标识多播组。

  • 但映射到MAC地址时，只用了IP地址的后23位。这意味着IP地址的第5到第9位（共5位）在映射过程中被忽略了。

  • 因为2^5 = 32，所以理论上，最多会有32个不同的IP多播地址映射到同一个MAC地址上。

  • 考点：当主机网卡收到一个多播MAC地址的帧时，它需要将帧上交到网络层。网络层再根据IP地址判断这个包是不是自己真正想要的那个组的，如果不是，则丢弃。

【例题回顾】

IP地址 226.0.9.26 和 226.128.9.26，它们的后23位完全相同，因此都映射到MAC地址 01-00-5E-00-09-1A。

二、多播的“法律法规”：必须牢记的标准化约定

1. 本地网络控制块 (224.0.0.0/24)

• 地址范围：224.0.0.0 ~ 224.0.0.255。

• 核心规则：发往这个地址段的数据包，路由器永远不会转发，其TTL值会被视为1，确保通信被限制在本地局域网内。

• 两个最重要的熟知地址（必记！）：

  • 224.0.0.1：代表“本子网上的所有主机和路由器”（All-hosts group）。所有支持多播的设备在启动时都会自动加入此组。

  • 224.0.0.2：代表“本子网上的所有路由器”（All-routers group）。只有多播路由器会加入此组。

2. TTL的作用域控制

在多播中，IP头部的TTL（Time-To-Live）字段被巧妙地用作作用域控制器。

• 考点陷阱：不要误认为所有多播包的TTL都设置为1。TTL的初始值由应用程序根据其希望的传播范围来决定。例如，一个本地服务发现协议会用TTL=1，而一个全球视频会议应用可能会用TTL=128。

三、多播的两大核心机制

IP多播的完整运作分为两个阶段：组员关系管理和数据分发。

1. 组员关系管理：IGMP协议

• 作用：IGMP (Internet Group Management Protocol)，因特网组管理协议，运行在主机和其本地多播路由器之间。

• 目的：让主机可以告诉路由器“我想加入/离开某个多播组”，也让路由器可以查询本地有哪些活跃的多播组。

• 工作方式（简化版）：

  • 查询 (Query)：路由器定期向224.0.0.1（所有主机）发送“成员查询”报文，问：“局域网里都有谁还在哪些组里？”

  • 报告 (Report)：主机收到查询后，会回复一个“成员报告”报文，指明自己所在的组。为了避免网络风暴，通常一个组里只要有一台主机回复了，其他主机就会抑制自己的回复。

• 考点：要明确IGMP是解决局域网内“谁想听”的问题，它本身不负责把多播数据从源头传过来。

2. 多播数据分发：多播路由协议

• 作用：运行在路由器之间，负责在整个互联网范围内构建一个从多播源到所有接收者的“分发树”。

• 目的：确保多播数据能够沿着最优路径被转发，并且只被转发到那些有“订阅者”的网络，避免了不必要的流量。

• 常见协议：DVMRP、MOSPF、PIM（协议无关多播，是目前的主流）。

• 考点：对于408考研，通常不需要深入这些协议的复杂算法细节。关键是记住：多播路由协议是解决广域网上“数据怎么传”的问题，它与IGMP各司其职，共同构成了IP多播的完整体系。

四、408考研核心考点与陷阱总结

1. 计算题：IP多播地址到MAC地址的映射是必考点，务必掌握其规则和32:1的歧义性。

2. 概念辨析：

   • IGMP vs. 多播路由：IGMP是“内务管理”（主机与本地路由器），多播路由是“对外物流”（路由器之间）。

   • 多播 vs. 广播：多播是逻辑上的一组，广播是物理上的一整个局域网。划分VLAN可以隔离广播域，但不能隔离同一个多播组的成员。

3. 精确记忆：

   • 224.0.0.1 = 所有主机和路由器。

   • 224.0.0.2 = 所有路由器。

   • 01-00-5E = 多播MAC地址的固定前缀。

4. 原理理解：

   • TTL在多播中是作用域控制器，其初始值由应用层设定。

   • 由于IP到MAC的映射不唯一，网络层需要对收到的多播数据进行二次过滤。