爱好思考的粉丝们，是否和文档君一样，曾经有过这些困惑：
参加多方视频会议时，为什么我们能够流畅地接收会议画面？
观看晚会直播时，数以万计的观众为什么能同时看到节目画面？
和好朋友联机游戏时，是什么保证所有玩家能够实时接收游戏信息？
……
这些其实都离不开一种神奇的网络协议——组播协议。
图片
今天，文档君带大家一起揭开组播协议的神秘面纱，探索互联网的秘密武器。
一、什么是组播协议
组播协议是一种网络通信协议，用于点到多点或多点到多点的组播通信方式。
我们可以通过一张图来区分单播、广播和组播。
图片
IP单播（Unicast），简称为单播
单播是一种点到点的通信方式，要求在发送者和每一接收者之间实现点对点网络连接。
IP广播（Broadcast），简称为广播
广播是一种点到所有点的通信，如果在IP子网内广播数据包，不论子网内部主机是否愿意接收该数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。
IP组播（Multicast），简称为组播
组播介于单播和广播之间，属于点到多点或多点到多点的通信方式。当一台主机向一组主机发送信息，存在于某个组的所有主机都可以接收到信息。
二、组播协议是如何工作的
在了解组播协议的工作原理之前，我们先认识一下组播中的基本概念。
- 组播组：使用一个IP组播地址（即组播组地址）标识，任何用户主机（或其他接收设备）加入这个组播组，就成为了该组成员，该组成员可以识别和接收发送到该组播地址的报文。
- 组播源：以组播组地址为目的地址，发送IP组播报文的信息源。一个组播源可以同时向多个组播组发送数据。多个组播源可以同时向一个组播组发送数据。
- 组播组成员：可能广泛分布在网络中的任何地方，组成员是动态的，网络中的用户主机可以在任何时刻加入和离开组播组。组播源通常不是数据的接收者，不属于组播组成员。
- 组播路由器：网络中支持组播功能的路由器，能够提供组播路由功能和组播组成员的管理功能。
- 组播分发树：组播分发树是由一系列路由器的入接口和出接口组成的集合，在组播源所在的子网和所有包含组成员的子网之间确定了唯一的一条转发路径。
图片
为了更通俗的理解这些概念，我们将组播源类比成老师，组播组类比成通信兴趣小组，那么这个小组内的学生就是通信组成员。
组播路由器可以是班委，如班长、学习委员等可以帮助老师传递消息的人，负责将老师的信息更广泛地传递给通信兴趣小组中的每个学生。
在班级中，信息的传递往往是复杂的。老师可能会先向班委传递信息，然后这些信息再由他们传递给通信兴趣小组的学生。同时，班长和学习委员之间也可能相互传递信息。这个由老师和学生共同构成的信息传递网络就类似于组播分发树。在这个树状结构中，信息沿着最短的路径从老师（组播源）传递到每个学生（组播组成员），确保了信息的有效传播。
图片
在网络中，组播协议帮助路由器和交换机知道哪些设备对某个特定的“组”（也就是组播组地址）感兴趣。当一个设备加入或离开一个组播组时，这个设备会通知网络，网络就会相应地调整数据的传输路径，确保信息只传送给需要的设备。
简单来说，组播协议就是让数据发送者能够高效地将信息传递给多个感兴趣的接收者，而不会打扰到其他不关心该信息的网络用户。
组播协议工作过程可以分为以下几个部分：
- 加入组播组当一个主机（接收者）想要接收来自特定组播组的信息时，它会通过某种机制发送一个加入请求给其本地的路由器。
图片
- 发送组播数据当组播源（发送者）想要向一个组播组发送数据时，它将数据包的目的IP地址设置为对应的组播组地址。这个数据包会被发送到网络上，但只有加入这个组播组的成员才会接收到这些数据。
- 传输组播数据组播路由器根据接收者的加入请求，通过组播路由协议构建组播分发树，将数据包复制并转发到所有属于该组播组的接收者。
- 接收组播数据接收者从组播组地址中接收数据包，不需要知道其他接收者的存在。
图片
- 离开组播组当一个主机不再需要接收某个组播组的数据，它会通过相应的机制通知组播路由器，组播路由器将更新组播分发树并停止向该主机发送数据。
图片
三、组播协议有哪些
在组播协议的工作过程中，我们说到了一些机制和路由协议，这些构成了组播协议的体系。
图片
组成员管理协议
组成员管理协议是组播组成员加入/离开组播组时使用的机制，主要用来管理和维护组播组的成员关系，确保组播报文只被发送给对该报文感兴趣的接收者。
以上文的通信兴趣小组为例，如果你是一个想加入该兴趣小组的学生，你会通过组成员管理协议告诉学习委员你想要加入通信兴趣小组，学习委员会记录下你的信息，并通知老师。老师收到“登记信息”后，更新通信兴趣小组成员名单，当通信兴趣小组有新的活动通知时，老师就只会将通知发送给包括你在内的兴趣小组成员。
常用的组成员管理协议包括IGMP（Internet Group Management Protocol，因特网组播管理协议）和MLD（Multicast Listener Discovery，组播侦听发现）。
IGMP和MLD分别服务于IPv4和IPv6网络，功能相似，在应用场景、协议细节和所处的网络环境上存在差异。
- IGMP：用于IPv4网络的组播组成员关系管理协议。IGMP包含三个版本，分别是IGMPv1、IGMPv2和IGMPv3，新版本完全兼容旧版本，目前应用最广泛的是IGMPv2。
- MLD：用于IPv6网络的组播组成员关系管理协议。MLD包含两个版本，分别是MLDv1和MLDv2。MLDv1的功能与IGMPv2相似，MLDv2的功能与IGMPv3相似。
组播路由协议
组播路由协议是运行在组播路由器之间的协议，主要用来控制组播数据流在组播路由器之间的传输路径，确保组播报文只被发送到那些提出请求并能够处理这个特定组播流量的网络节点，从而优化网络资源的使用和减少不必要的带宽消耗。
组播路由协议分为域内组播路由协议和域间组播路由协议。
图片
还是以兴趣小组为例，同一个班级内不同兴趣小组之间的信息传递使用域内组播路由协议，不同班级内的不同兴趣小组之间的信息传递使用域间组播路由协议。
- 域内组播协议用来在AS（Autonomous System，自治系统）内发现组播源并构建组播分发树，将信息传递到接收者。根据网络中组播用户的分布情况，域内组播路由协议又分为稀疏与密集模式两种。密集模式密集模式组播路由协议的前提是网络中组播用户分布比较密集，带宽比较富余。密集模式组播路由协议通过阶段性的将组播数据包洪泛至整个网络来建立和维护组播树。运行组播路由协议的路由器，将收到的组播数据包在所有其他的接口上扩散。DVMRP（Distance Vector Multicast Routing Protocol，距离向量组播路由选择协议）、MOSPF（Multicast Open Shortest Path First，组播开放最短路径优先）和PIM-DM（Protocol Independent Multicast - Dense Mode，协议无关组播－密集模式）都属于密集模式组播路由协议。
图片
- 稀疏模式稀疏模式组播路由协议适用于网络中组播接收者分布比较稀疏的情况，此时如果使用与密集模式相同的洪泛法来构建组播路由树，对带宽是极大的浪费。稀疏模式下，一个网络设备想要接收组播数据包，必须申请加入到组播路由树中。CBT（Core-Based Trees，核心树）和PIM-SM（Protocol Independent Multicast - Sparse Mode，协议无关组播－稀疏模式）属于稀疏模式组播路由协议。由于协议自身的原因，CBT不适于用在全网性的组播应用中，所以域内组播路由协议主要使用PIM-SM、PIM-DM、DVMRP协议。
- 域间组播路由协议用来在AS之间传递组播源信息，从而跨域建立组播路由，实现域间组播资源共享。由于不同AS可能属于不同的运营商，因此需要一种机制能发现其他域内的组播源，这就需要域间路由协议MSDP（Multicast Source Discovery Protocol，组播源发现协议）和组播扩展MBGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol，BGP的多协议扩展） 。MSDP是典型的域间组播路由协议，通常与MBGP协同工作。MSDP适用于各域内运行PIM-SM的情况。
四、组播协议的优势&挑战
组播协议在实际应用中具有诸多优势：
- 节省带宽：组播协议避免了为每个接收者发送单独数据包的需求，从而节省了网络带宽，特别是在视频会议和在线直播这样需要同时传输大量数据的场景中。
- 减轻网络负载：由于数据包的复制和分发在网络中进行，源节点的负载大大减轻，提高了整体网络的效率和稳定性。
- 提升传输效率：组播协议使得数据可以更快速地到达多个接收者，减少了延迟和传输时间。
尽管组播协议具有诸多优势，但在实际部署中仍面临一些挑战：
- 组播路由的复杂性：组播路由协议（如PIM-SM和DVMRP）需要在网络中维护复杂的组播树结构，以确保数据包能够高效地到达所有接收者。
- 安全性问题：组播通信中的数据包可能会被非授权的接收者截获，因此需要采取加密和认证等措施来确保数据的安全性。
- 网络基础设施的限制：并非所有网络设备和服务提供商都支持组播协议，这可能会限制组播技术的应用范围。
图片
组播协议作为一种提升网络通信效率的关键技术，已经在多个领域展现出了独特的优势。随着互联网技术的不断发展和应用需求的不断增加，组播协议将继续发挥重要作用，推动网络通信的高效和稳定发展。未来，随着技术的进一步成熟和基础设施的不断完善，组播协议有望在更多场景中得到广泛应用，带来更加优质的网络体验。
通过本次学习，想必大家已经对组播协议有所了解，你认为组播协议还有哪些潜在的应用场景？或者你想更深入得了解哪个组播协议？
