PIM-SM

相关概念

如图4-6所示，介绍PIM-SM协议的基本概念：

图4-6 PIM组网图

• PIM设备

  支持PIM协议的组播路由器称为PIM设备。PIM设备上使能了PIM协议的接口称为PIM接口。

• PIM域

  由PIM设备所组成的网络称为PIM网络。

  通过在组播设备接口上设置BSR边界，可以限制BSR消息的传播，从而划分PIM-SM域。将一个大的PIM网络划分成多个PIM域，可以实现组播业务之间的隔离，便于管理网络。

• DR

  DR（Designated Router）称为指定路由器，在PIM网络中，存在两种DR：

  • 组播源DR：在PIM-SM中，组播源DR是与组播源直接相连且负责向RP发送注册报文的PIM设备。

  • 接收者DR：与组播组成员（通常为接收者主机）直接相连且负责向该组成员转发组播数据的PIM设备。

• RP

  RP（Rendezvous Point）称为汇聚点，它是PIM-SM网络的转发核心。接收者DR向RP发起加入，构建以RP为根的RPT；组播源DR向RP发送注册报文，在RP上创建（S，G）表项，通过RP向组成员传输组播报文。网络中的设备必须知道RP的地址，RP分类如下：

  表4-2 RP分类

  RP类型	实现机制	使用场景	注意事项
  静态RP	用户可在网络中的所有PIM设备上手工配置相同的地址为静态RP地址，网络中的所有PIM设备都以此地址作为RP地址。	对于中小型网络，建议选择静态RP方式，对设备要求低，也比较稳定。 说明： 如果网络中只有一个组播源，建议选择直连组播源的设备做为静态RP，这样可以省略组播源DR向RP注册的过程。	采用静态RP方式要确保域内所有路由器（包括RP本身）的RP信息以及服务的组播组范围全网一致。
  动态RP	在PIM域内将几台PIM设备配置为C-RP（Candidate-RP），即候选RP。在这些C-RP中，通过竞选产生RP，BSR通过Bootstrap消息将当前网络中的所有C-RP信息汇总为RP-Set，发布给所有的PIM设备。网络中的所有PIM设备根据RP-Set，使用相同的规则进行计算和比较，从多个C-RP中竞选出RP。由于所有PIM设备使用相同的RP-Set和相同的竞选规则，即：它们具有相同的RP信息。一旦竞选出的RP出现故障，剩余C-RP会重新进行选举，产生新的RP。	对于大型网络，可以采用动态RP，可靠性高，可维护性强。 如果网络中存在多个组播源，且分布密集，建议选择与组播源比较近的核心设备作为C-RP。 如果网络中存在多个用户，且分布密集，建议选择与用户比较近的核心设备作为C-RP。	如果使用动态RP，则必须同时配置BSR。通过BSR，组播网络中的路由器可以动态地掌握组播组到RP的映射。
  Embedded-RP（嵌入式RP）	Embedded-RP是ASM模式下路由器获取RP地址的一种方式，可应用于IPv6 PIM-SM域内和域间。RP地址嵌入在IPv6组地址中，路由器获取IPv6组地址的同时获取该IPv6组播组地址对应的RP地址。	可解决由于MSDP不支持IPv6网络导致IPv6 PIM-SM域间无法互相获取RP信息，组播业务不通的问题。	-

• BSR

  BSR（Bootstrap Router）称为自举路由器，负责在PIM-SM网络启动后，收集网络内的RP信息，然后将RP集（即组-RP映射数据库）发布到整个PIM-SM网络。

  一个网络内部只能有一个BSR，但是可以配置多个候选BSR，即C-BSR（Candidate-Bootstrap Router）。一旦BSR出现故障，剩余C-BSR中会重新选举出BSR。

• RPT

  RPT（Rendezvous Point Tree），称为共享树。以RP（Rendezvous Point）为根，组播组成员为叶子的组播分发树称为RPT。

• SPT

  SPT（Shortest Path Tree），称为最短路径树。以组播源为根，组播组成员为叶子的组播分发树称为SPT。

实现过程

以下详细介绍具体的实现过程：

邻居发现（Neighbor Discovery）

Hello消息的作用：发现邻居、协调各项协议参数、维持邻居关系。

• 发现PIM邻居

  同一网段中的PIM设备都必须接收目的地址为224.0.0.13的组播报文。这样在收到Hello消息以后，直接相连的组播路由器之间，就可以知道自己的邻居信息。

• 协调各项协议参数

  Hello消息中携带多项协议参数，邻居之间通过Hello消息来进行协商，这些参数包括：

  • DR_Priority：表示各路由器接口竞选DR的优先级，优先级越高越容易获胜。

  • Holdtime：表示保持邻居为可达状态的超时时间。

  • LAN_Delay：表示共享网段内传输Prune消息的延迟时间。

  • Override-Interval：表示Hello消息中携带的否决剪枝的时间间隔。

• 维持邻居关系

  PIM设备之间周期性地发送Hello消息。如果Holdtime超时还没有收到该PIM邻居发出的新的Hello消息，则认为该邻居不可达，将其从邻居列表中清除。

  PIM邻居的变化将导致网络中组播拓扑的变化。如果组播分发树上的某上游邻居或下游邻居不可达，将导致组播路由重新收敛，组播分发树迁移。

DR竞选（DR Election）

如图4-7所示，在组播源或组成员所在的网段，通常同时连接着多台PIM设备。这些PIM设备之间通过交互Hello消息成为PIM邻居，Hello消息中携带DR优先级和该网段接口地址。路由器将自身情况与对方报文中携带的信息进行比较，称为DR竞选。规则如下：

• DR优先级较高者获胜（网段中所有路由器都支持DR优先级）。

• 如果DR优先级相同或该网段存在不支持在Hello消息中携带DR优先级的路由器，则IP地址较大者获胜。

图4-7 DR竞选示意图

RP发现（RP Discovery）

• 静态RP

  静态RP通过配置命令在网络中的所有路由器上配置相同的RP地址来指定，无需进行竞选。

• 动态RP

  如果配置动态RP，则需要在PIM设备间竞选产生。

  图4-8 动态RP竞选机制原理图
  
  

  如图4-8所示，动态RP的竞选规则如下：

  1. 使用动态RP，必须同时配置C-BSR（Candidate-Bootstrap Router），由C-BSR竞选产生BSR。

     最初，每个C-BSR都认为自己是BSR，向全网发送Bootstrap消息。Bootstrap消息中携带C-BSR地址、C-BSR的优先级。每一台路由器都收到所有C-BSR发出的Bootstrap消息，通过比较这些C-BSR信息，竞选产生BSR。竞选规则如下：

     1. 优先级较高者获胜（优先级数值越大优先级越高）。

     2. 如果优先级相同，IP地址较大者获胜。

     由于所有路由器使用相同的竞选规则，所以得到的获胜BSR也相同。网络中的所有路由器都知道BSR的地址。

  2. C-RP向BSR发送C-RP Advertisement消息，消息中携带C-RP地址、服务的组范围和C-RP优先级等。

  3. BSR将这些信息汇总为RP-Set，封装在Bootstrap消息中，发布给全网的每一台PIM-SM设备。

  4. 各路由器根据RP-Set，使用相同的规则进行计算和比较，从多个针对特定组的C-RP中竞选出该组RP。规则如下：

     1. 与用户加入的组地址匹配的C-RP服务的组范围掩码最长者获胜。

     2. 如果与用户加入的组地址匹配的C-RP服务的组范围掩码长度相同，则比较C-RP优先级，C-RP优先级较高者获胜（优先级数值越大优先级越低）。

     3. 如果优先级相同，则执行Hash函数，计算结果较大者获胜。

     4. 如果以上都相同，则C-RP地址较大者获胜。

  5. 由于所有路由器使用相同的RP-Set和竞选规则，所以得到的“组播组-RP”对应关系也相同。路由器将“组播组-RP”对应关系保存下来，指导后续的组播操作。

  如果路由器需要与支持Auto-RP的设备互通，可以使能Auto-RP侦听功能。使能后，路由器可以接收Auto-RP宣告和发现报文，并解析报文的源地址，根据源地址进行RPF检查。

  • 如果RPF检查失败，则路由器丢弃该Auto-RP报文。
  • 如果RPF检查通过，则路由器向其他PIM邻居转发Auto-RP报文，此报文中携带RP服务的组地址范围，指导后续的组播操作。

  Auto-RP侦听功能仅IPv4支持。

• Embedded RP

  Embedded-RP是ASM模式下路由器获取RP地址的一种方式，仅应用于IPv6 PIM-SM，为避免RP选举结果不一致，Embedded-RP优先级高于其他RP选举机制。嵌入式RP的地址需要编码在IPv6组播组地址中，可以嵌入RP的组播组地址必须同时满足下面两个条件：

  • 在IPv6组播组地址范围之内。
  • IPv6组播组地址范围不能是SSM范围内的组地址。

  从IPv6组播组地址中计算出此RP地址后，就可以利用此RP地址发现路由并指导组播数据的转发。计算RP地址的步骤为：

  1. 复制IPv6组播组地址的network prefix的前plen位。
  2. 用RIID的内容代替最后4位。

  执行上述步骤之后，产生的地址即为Embedded RP地址。如图4-9所示。

  图4-9 IPv6组地址与RP地址的映射关系
  
  

• Anycast RP

  在传统的PIM-SM域中，每个组播组只能映射到一个RP。但当网络负载较大或者流量过于集中时，可能导致RP的压力过大、RP失效后路由收敛较慢、组播转发路径非最优等问题。

  可以通过实现Anycast RP解决上述问题，目前有两种配置Anycast RP的方法：

  • 采用MSDP协议：在同一PIM-SM域内设置多个具有相同地址的RP，并在这些RP之间通过建立MSDP（Multicast Source Discovery Protocol）对等体的方式共享组播数据源信息。

    采用MSDP协议实现Anycast RP支持IPv4网络。具体实现原理详见MSDP实现Anycast RP。

  • 采用PIM协议：在同一个PIM-SM域内设置多个具有相同地址的RP，同时在这些RP所在的设备上配置全网唯一标识该RP的本地地址，用于这些设备之间相互建立无连接的对等体，对等体之间以Register消息的方式共享组播源信息。

    采用PIM协议实现Anycast RP支持IPv4和IPv6网络。

在同一PIM-SM域内，不支持同时使用MSDP和PIM协议两种方式配置同一个Anycast RP；采用PIM协议实现Anycast RP支持通过命令行设置有选择地将从MSDP获得的域外数据源信息通知给域内的其它对等体（可配置）。

通过以上两种方式之一实现Anycast RP，接收者和组播源分别选择距离自己最近的RP进行RPT的创建，当接收者DR接收到组播数据后自行决定是否发起SPT切换。从而实现RP路径最优及负荷分担。下面重点介绍采用PIM协议实现Anycast RP的原理。

图4-10 采用PIM协议实现Anycast RP典型组网图

RPT建立（RPT Setup）

图4-11 RPT建立原理图

建立RPT的过程即建立组播数据转发路径的过程。如图4-11所示，RPT的建立及数据转发过程如下：

• 当网络中出现活跃的组播源（组播源向某组播组G发送第一个组播数据）时，组播源端DR将组播数据封装在Register消息中单播发往RP，在RP上创建（S，G）表项，注册源信息。

• 当网络中出现组成员（用户主机通过IGMP加入某组播组G）时，接收者DR向RP发送Join消息，在通向RP的路径上逐跳创建（*，G）表项，生成以一棵以RP为根的RPT。

• 当网络中同时出现组成员和向该组发送数据的组播源时，以RP为中转站，组播数据先被封装在Register消息中单播发往RP，再沿RPT到达组成员。

RPT实现了组播数据按需转发的目的，减少无需求数据对网络带宽的占用。

为了减轻RPT的转发负担、提高组播数据转发效率，PIM-SM允许进行SPT切换。即建立一条从数据源直接到接收者的转发链路，组播源可以沿SPT将组播数据转发到接收者。

SPT切换（SPT Switchover）

在PIM-SM网络中，一个组播组只对应一个RP，只构建一棵RPT。在未进行SPT切换的情况下，所有发往该组的组播报文都必须先封装在Register消息中发往RP，RP解封装后，再沿RPT分发。

由于所有通过RPT转发的组播数据报文必须经过RP中转，所以当组播数据报文逐渐增多时，会对RP形成巨大的负担。为了解决此问题，PIM-SM允许由RP或接收者DR触发SPT切换，建立一条从数据源直接到接收者的转发链路。

图4-12 接收者DR进行SPT切换的原理图

SPT切换的两种方式:

• RP触发SPT切换

  RP收到源端DR的Register消息后，将封装在Register消息中的组播数据沿RPT转发给组成员，同时RP会向源端DR发送SPT Join消息，建立RP到源的SPT。

  SPT建立成功后，当RP从SPT接收到第一个组播数据报文后，RP停止使用Register消息，使源端DR和RP免除了频繁的封装/解封装。组播数据从与组播源直接相连的路由器，通过SPT树转发到RP，再沿RPT转发给组成员。

• 组成员端DR触发SPT切换。

  1. 如图4-12所示：组播数据由RPT转发，接收者DR（DeviceD）向RP发送(*，G) Join消息，组播数据沿组播源DR(DeviceA)->RP(DeviceB)->接收者DR(DeviceD)到达接收者（Receiver）。

  2. 接收者DR周期性检测组播报文的转发速率。一旦发现（S，G）报文的转发速率超过阈值，则触发SPT切换。

  3. 接收者DR直接向组播源端DR发送(S，G) Join消息，当接收者DR收到沿SPT发来的组播数据后，丢弃沿RPT发来的组播数据，同时向RP发送Prune消息，删除RPT中的此接收者，实现从RPT向SPT的切换。

  4. 组播数据由SPT转发，组播数据沿组播源DR(DeviceA)->接收者DR(DeviceD)到达接收者（Receiver）。

  建立从源到组成员的SPT后，后续报文可能不再流经RP。由于RPT不一定是路径最短的树，进行SPT切换后，减少了组播数据在网络中的传输延迟。

断言（Assert）

在组播网络中，如果出现如下情况，则说明网段上还存在着其他的组播转发者。

• 该组播报文不能通过RPF检查。

• 接收到该组播报文的接口是本路由器上（S，G）表项中的一个下游接口。

此时，路由器会执行Assert机制：

路由器从该下游接口发送Assert消息。同时，该下游接口也接收到了来自该网段上其他组播转发者的Assert消息。Assert消息的目的地址为224.0.0.13，源地址为下游接口地址，TTL为1。Assert消息中携带：该PIM设备到组播源或RP的开销、所采用的单播路由协议的优先级、组播组地址G。

根据Assert竞选结果，路由器将执行不同的操作：

• 如果获胜，则该下游接口保持转发状态，路由器负责后续在该网段上的（S，G）转发，该下游接口称为Assert winner。

• 如果落败，则禁止该下游接口转发组播报文，将其从（S，G）表项下游接口列表中删除。该下游接口称为Assert loser。

Assert竞选结束后，该网段上只存在一个有下游接口的上游路由器，只传输一份组播报文。Assert winner周期性发送Assert消息，维持Assert winner的状态。若Assert loser的定时器超时后，Assert loser仍没有收到Assert winner的Assert消息，则重新添加下游接口转发组播数据。

DR切换延迟（DR Switchover Delay）

如果当前DR出现故障，将导致PIM邻居关系超时，其他PIM邻居之间会触发新一轮的DR竞选过程。

缺省情况下，接口由DR变为非DR时，路由器会立即停止使用此接口转发数据。如果此时新DR的组播数据还未到达，那么将会出现短暂的组播数据断流。

在一个接口配置PIM DR切换延迟后，当某个使能PIM-SM的接口由于收到一个新邻居的Hello消息导致该接口由DR变为非DR时，该接口在延迟时间超时前仍然具有部分DR功能，并继续转发组播数据。

如果在DR延迟期间收到新DR转发过来的数据，处于DR延迟的路由器将会立刻停止转发数据，从而保证不会出现重复数据流的现象。此时在共享网段上若收到新的IGMP Report消息，处于DR切换延迟状态的旧DR将不会为其向上游发送PIM Join消息，而由新DR处理。

在DR切换延迟期间，如果新DR收到原DR发送的组播数据，则会触发Assert竞选。

PIM-SM管理域机制

为了实现网络管理精细化，可以选择将一个PIM-SM网络划分为多个BSR管理域和一个Global域。这样一方面可以有效地分担单一BSR的管理压力，另一方面可以使用私有组地址为特定区域的用户提供专门服务。

每个BSR管理域中维护一个BSR，为某一特定地址范围的组播组服务。Global域中维护一个BSR，为所有剩余的组播组服务。

下文将从地域空间、组地址范围、组播功能三个角度分析BSR管理域和Global域的关系。

• 地域空间

  图4-13 BSR管理域_地域空间
  
  

  如图4-13所示，对于有相同组地址的不同管理域，各BSR管理域所包含的路由器互不相同，同一路由器不能从属于多个BSR管理域。各BSR管理域在地域上相互独立，且相互隔离。BSR管理域是针对特定地址范围的组播组的管理区域，属于此范围的组播报文只能在本管理域内传播，无法通过BSR管理域边界。

  Global域包含PIM-SM网络内的全部路由器。不属于任意BSR管理域的组播报文，可以在整个PIM网络范围内传播。

• 组地址范围

  图4-14 BSR管理域_地址范围
  
  

  每个BSR管理域为特定地址范围的组播组提供服务，不同的BSR管理域服务的组播组范围可以重叠。该组播地址只在本BSR管理域内有效，相当于私有组地址。如图4-14所示，BSR1域和BSR3域对应的组地址范围出现重叠。

  不属于任何BSR管理域的组播组，一律属于Global域的服务范围。即Global域组地址范围是G-G1-G2。

• 组播功能

  如图4-13所示，Global域和每个BSR管理域都包含针对自己域的C-RP和BSR设备，这些设备在行使相应功能时，仅在本域内有效。即BSR机制和RP竞选在各管理域之间是隔离的。

  每个BSR管理域都有自己的边界，该管理域的组播信息（C-RP Advertisement消息、Bootstrap消息等）不能跨越域传播。同时Global域的组播信息可以在整个Global域内传递，可以穿越任意BSR管理域。