HCNP Routing&Switching之组播技术-组播路由协议PIM

  前文我们了解了组播技术中组播分发树相关话题,回顾请参考https://www.cnblogs.com/qiuhom-1874/p/16019334.html;今天我们来聊一聊组播路由协议PIM相关话题;组播路由协议和我们前边学习的单播路由协议本质上没有什么不同,不同的是组播路由协议主要生成描述组播数据转发路径,而单播路由协议是用来生成描述单播数据转发路径;

  组播路由协议PIM

  PIM(Protocol Independent Multicast,翻译成中文就是协议无关组播);所谓协议无关是指给组播提供路由信息的可以是静态路由、RIP、OSPF、IS-IS、BGP等任何一种单播路由协议;这里的无关是指组播路由与是何种单播路由协议无关;只要通过单播路由能够产生对应组播路由表项即可;之所以PIM高度依赖单播来生成组播路由表项,是因为组播路由是利用单播路由表的路由信息进行组播报文RPF检查,从而来创建组播路由表项,转发组播报文;

  组播路由协议概述

  组播路由协议PIM主要运行在组播路由器之间,负责建立和维护组播路由,建立从组播源到多个接收端的无环转发路径,即分发树;并正确、高效地转发组播数据包;

  PIM的模式

《HCNP Routing&Switching之组播技术-组播路由协议PIM》

  提示:PIM有两种模式, 密集模式和稀疏模式;这两种模式分别对应组播的两种类型的分发树,密集模式对应源树,稀疏模式对应共享树;密集模式主要用户规模不大的组播网络环境中,而稀疏模式主要用户大规模组播网络环境中;对于不同模式的PIM,其工作流程各不相同,但最终的目的都是生成传播组播数据的无环路径;

  PIM-DM工作流程

  PIM-DM(pim Dense Mode ,协议无关组播-密集模式),该模式使用“推(push)”方式来传送数据,适用于小型网络,组播组成员相对比较密集;

  PIM-DM的工作流程主要经过邻居发现、扩散、剪枝、状态刷新、嫁接、Assert断言机制;

  1、邻居发现

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  提示:PIM路由器之间会周期性的发送hello包,用于发现邻居、建立并维护邻居关系,这个和单播中的ospf协议很类似,只有建立起邻居以后,才会有后续的信息交换生成路由表项;当共享网段路由器运行的IGMP版本是V1时,此时pim会选举DR来充当igmp里的查询器;因为IGMPv1本身不具有查询器选举的功能;v2,v3IGMP自身有查询器选举功能,不依赖pim;pim邻居发现过程,双方都把hello包发往224.0.0.13这个组播地址,这个组播地址就是用于pim hello地址;即运行pim的路由器,都会监听224.0.0.13这个地址;

  邻居发现-DR选举

  选举DR,充当IGMPv1的查询器,其选举规则如下

  1、对比优先级,优先级高者成为DR;

  2、如果优先级一样,则对比ip地址,ip地址大者成为DR

  注意:igmp v2 查询器选举规则是ip地址越小越优先和v1依赖pim选举dr充当查询器的规则相反;

  2、组播报文扩散过程(Flooding)

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  提示:所谓扩散是将组播报文扩散到每一个运行PIM-DM的网段,沿途每一台路由器都建立(s,g)表项;不管对应路由器下是否有接收者,对应组播数据都会先扩散过去;当然这种扩散会带来资源的消耗(带宽和路由器内存等),因为沿途路由器都会建立(s,g)表项;这里需要注意只有通过RPF检查后的接口才会创建路由表项;

  3、剪枝加入过程(Prune/Join)

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  提示:为了减少资源的消耗,对没有组播数据转发到分枝进行剪枝(Prune)操作,只保留包含接收者的分支;剪枝操作就是对应没有接收者的分枝向上游接口发送Prune消息,用来告诉上游路由器对应接口不需要发送组播数据;即对应上游路由器相关接口就不需建立(s,g)表项;如果共享网段上有路由器连接接收者,则该路由器需向上游发送join消息覆盖其他路由器发送到prune消息;如上图RTD发送prune消息以后,对应RTC对应接口就不会建立(s,g)表项,但是RTE和RTD是共享网段,RTD发送Prune消息,对应RTE也会收到,但是RTE下有接收者,所以RTE会发送join消息来覆盖RTD发送到prune消息;所以对应RTC来说,它对应接口还是会建立表项;剪枝是有剪枝超时计时器,这个时间是210秒;也就是说210秒过后如果没有人发送prune消息,对应接口又会恢复成转发数据的状态;

  SPT的形成

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  提示:经过上述的扩散-剪枝过程以后,形成组播源到组播接收者之间的SPT;扩散-剪枝过程是周期进行,由定时器控制,这个定时器是180s;也就是说每180s就会扩散一次;所以上述的剪枝超时210秒正常情况下都不会超时,即对应没有接收者的路由对应接口不会变为转发状态;

  4、状态刷新机制

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  提示:状态刷新主要用来降低组播报文扩散到频率,节省网络带宽;状态刷新是离组播源最近的路由器发送state refresh消息,该消息会沿SPT的路径向每个路由器扩散,收到该消息的路由器,对应路由器上接口的扩散、剪枝定时器都会刷新,从而降低扩散-剪枝所带来的网络资源消耗;状态刷新的发送周期是60秒;

  5、嫁接(Graft)机制

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  提示:当被剪枝分支的节点上出现了组播组成员时,为了减少该节点恢复成转发状态所需的时间,使用嫁接(graft)机制主动恢复其对应组播数据的转发;当路由器需要上游发送组播报文时,向上游发送Graft消息,上游路由器收到Graft消息后恢复Graft ACK消息进行确认,对应路由器的接口就会转变为转发状态;如上图所示,RTF上如果有新的接收者出现,首先接收者通过IGMP发送成员报告,当RTF收到成员报告以后,它会立即向其上游RTC发送Graft消息,RTC收到graft消息以后,向RTF恢复graft ACK确认,此时,RTC和RTF上对应接口就会建立表项,对应接口也会恢复成转发状态,进行数据转发;

  6、Assert断言机制

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  提示:断言机制主要针对在一个网段内如果存在多台组播路由器,则相同的组播报文会被重复发送到该网段,通过断言机制可以选定网段上唯一的组播数据转发者;如上图所示,RTA和RTB到达组播源是等价路由,那么对于RTC来说,如果没有断言机制,它可能从RTA和RTC都收到组播数据,这样一来RTC就会收到两份一模一样的数据;为了解决RTC收到重复的组播报文,此时RTA和RTB会发送Assert消息,对应A和B收到对方的Assert消息以后,根据规则,其中一方路由器会停止转发数据;

  Assert选举网段上唯一的组播数据转发者规则

  1、比较到组播源的优先级,优先级高者胜出成为组播数据转发者;

  2、如果优先级一样,则比较到组播源的度量值,度量值小者成为组播数据转发者;

  3、如果优先级、度量值都一样,则比较本地接口ip地址,ip地址大者成为组播数据转发者;

  实验:如下拓扑配置pim 密集模式

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  配置PC1

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  配置PC2

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  配置组播源

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  配置R1

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sys
sys R1 
int g0/0/0
ip add 11.0.0.254 24
int g0/0/1
ip add 13.0.0.1 24

ospf 123 router-id 1.1.1.1
area 0
net 11.0.0.254 0.0.0.0
net 13.0.0.1 0.0.0.0
q
q

multicast routing-enable

int g0/0/0
pim dm
igmp en
int g0/0/1
pim dm 

View Code

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  提示:因为R1是靠近接收者的路由器,所以对应接口下需要开启igmp;跑ospf是让三个路由器的网络互通;当然你也可以使用静态、RIP等都可以,只要网络互通即可;

  配置R2

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sys
sys R2 
int g0/0/0
ip add 22.0.0.254 24
int g0/0/1
ip add 23.0.0.2 24

ospf 123 router-id 2.2.2.2
area 0
net 22.0.0.254 0.0.0.0
net 23.0.0.2 0.0.0.0
q
q

multicast routing-enable

int g0/0/0
pim dm
igmp en
int g0/0/1
pim dm 

View Code

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  配置R3

《HCNP Routing&Switching之组播技术-组播路由协议PIM》
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sys
sys R3
int g0/0/0
ip add 13.0.0.3 24
int g0/0/1
ip add 23.0.0.3 24
int g0/0/2
ip add 31.0.0.3 24

ospf 123 router-id 3.3.3.3
area 0
net 13.0.0.3 0.0.0.0
net 23.0.0.3 0.0.0.0
net 31.0.0.3 0.0.0.0
q
q

multicast routing-enable

int g0/0/0
pim dm
int g0/0/1
pim dm
int g0/0/2
pim dm

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  验证R1ospf邻居和路由情况

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  提示:可以看到R1和R3建立起邻居,其状态为full;

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  提示:可以看到R1已经学习到R2和R3上的路由;

  验证R2ospf邻居和路由情况

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  提示:可以看到R2已经和R3建立起ospf邻居,且状态为full;对应R2已经学习到R1和R3上宣告的路由;

  验证R3ospf邻居和路由情况

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  提示:可以看到R3和R1和R2分别建立起ospf邻居,且状态为full;对应R3也学习到R1和R2上的路由;至此组播的基础环境已经搭建好;

  验证:R1、R2、R3组播邻居

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  提示:可以看到R1、R2分别和R3互相建立起邻居;

  启动组播源,在R2上抓包

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  提示:可以看到我们启动组播源以后,对应在R2发送了prune消息;这是因为R2上没有接收者,所以在把组播数据扩散到全网路由器以后,没有接收者的路由器发送prune消息,进行剪枝;

  验证:查看pim路由

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  提示:可以看到三个路由器通过扩散剪枝这个过程后,对应pim的路由就生成了;这三个路由器上生成的pim表项都有一个特点是自由上游口,没有下游口,这是因为R1和R2都没有出现接收者;

  将pc2加入组播组,抓包查看对应数据包

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  提示:可以看到pc2加入组播组,对应靠近接收者的接口会收到接收者发送的igmp 成员报告,R2收到igmp的成员报告后,立刻向上游R3发送嫁接(graft)消息,R3收到R2的嫁接消息以后,对应恢复graft-ack进行确认;此时R2和R3的pim路由就会有下游接口;

  验证:查看R2和R3的pim路由,看看对应是否有下游接口?

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  提示:可以看到R2和R3的pim路由中都产生了下游接口;

  把pc1加入组播组,看看R3上的路由有什么变化?

《HCNP Routing&Switching之组播技术-组播路由协议PIM》

  提示:可以看到pc1加入组播组以后,对应R3路由中就多了一个下游接口;

  验证:查看R1的pim路由,看看有什么变化?

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  提示:可以看到R1的路由表中对应路由也有了下游接口;同时我们也注意到也多了一条共享树(*,g)的表项;这是因为R1下有了接收者以后,对应就会生成共享树;

  pc1离开组播组,看看R1的路由有什么变化?

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  提示:可以看到PC1离开组播组以后,对应R1的路由中对应下游接口也没有了,随之(*,g)的路由表项也没有了;

  查看R2路由表的详细信息

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  提示:pim都是基于接口的,所以查看详细信息我们需要查看某一个接口下的详细信息;其中我们可以看到详细信息中列出了pim版本信息,模式,DR 的地址,这里我们使用的是默认igmp v2的版本,所以他这里不会充当igmp的查询器,由igmpv2的规则自动选举产生;除此之外还有hello包间隔时间是30秒,死亡时间是105秒,断言assert死亡时间是180秒;剪枝加入的间隔时间是60秒,超时时间是210秒,状态刷新时间是60秒,嫁接延迟时间是3秒;

  实验:如下拓扑图配置pim 抓包查看assert消息

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  R1的配置

《HCNP Routing&Switching之组播技术-组播路由协议PIM》
《HCNP Routing&Switching之组播技术-组播路由协议PIM》

sys
sys R1
int g0/0/0
ip add 11.0.0.1 24
int g0/0/1
ip add 12.0.0.1 24

multicast routing-enable

int g0/0/0
pim dm
int g0/0/1
pim dm 

View Code

  R2的配置

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《HCNP Routing&Switching之组播技术-组播路由协议PIM》

sys
sys R2
int g0/0/0
ip add 11.0.0.2 24
int g0/0/1
ip add 22.0.0.2 24

multicast routing-enable

int g0/0/0
pim dm
int g0/0/1
pim dm 

View Code

  运行组播源,在lsw2上任意接口抓包

《HCNP Routing&Switching之组播技术-组播路由协议PIM》

  提示:可以看到当我们启动组播源以后,对应在lsw2上就能抓到assert包,其中R1R2都会发送的assert包,当assert包都发送以后,会根据各自包中携带的信息进行对比,根据规则在此环境中R2应该要胜出,因为在在优先级和开销都一样的情况下,本地接口ip地址大者胜出;

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  提示:可以看到在assert包没发送之前,R1和R2都在转发组播数据;

《HCNP Routing&Switching之组播技术-组播路由协议PIM》

  提示:可以看到assert包发送以后,后续都是R2在转发数据;

  验证:查看R2的g0/0/1口的mac地址是否是12bd?

《HCNP Routing&Switching之组播技术-组播路由协议PIM》

  提示:可以看到我们抓到组播数据报中对应源mac地址正是R2的g0/0/1的mac地址,说明我们在交换机上抓到包都是由R2转发,R1因为assert没有胜出,所以R1并不转发数据;

    原文作者:Linux-1874
    原文地址: https://www.cnblogs.com/qiuhom-1874/p/16084310.html
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