TCP/IP详解读书笔记（第12章 广播和多播）

我们曾提到有三种IP地址：单播地址、广播地址和多播地址。本章将更详细地介绍广播和多播。说明：

单播地址：目的为单个主机

广播地址：目的端为给定网络上的所有主机

多播地址：目的端为同一组内的所有主机

广播和多播仅应用于UDP，因为它们需将报文同时传往多个接收者。而TCP是一个面向连接的协议，它意味着分别运行于两主机（由IP地址确定）内的两进程（由端口号确定）间存在一条连接。

为了弄清广播和多播，需要了解主机对由信道传送过来帧的过滤过程。图1说明了这一过程。

图1：协议栈各层对收到帧的过滤过程

首先，网卡查看由信道传送过来的帧，确定是否接收该帧，若接收后就将它传往设备驱动程序。通常网卡仅接收那些目的地址为网卡物理地址或广播地址的帧。然而，多数接口均有被设置为混合模式的选项，这种模式能接收每个帧的一个复制。

设备驱动程序将进行另外的帧过滤。首先，帧类型中必须指定要使用的协议（ IP、ARP等等）。其次，进行多播过滤来检测该主机是否属于多播地址说明的多播组。

设备驱动程序随后将数据帧传送给下一层，比如，当帧类型指定为I P数据报时，就传往IP层。IP根据IP地址中的源地址和目的地址进行更多的过滤检测。如果正常，就将数据报传送给下一层（如TCP或UDP）。

每次UDP收到由IP传送来的数据报，就根据目的端口号，有时还有源端口号进行数据报过滤。如果当前没有进程使用该目的端口号，就丢弃该数据报并产生一个ICMP不可达报文（TCP根据它的端口号作相似的过滤）。如果UDP数据报存在检验和错，将被丢弃。

使用广播的问题在于它增加了对广播数据不感兴趣主机的处理负荷。拿一个使用UDP广播应用作为例子。如果网内有50个主机，但仅有20个参与该应用，每次这20个主机中的一个发送UDP广播数据时，其余30个主机不得不处理这些广播数据报。一直到UDP层，收到的UDP广播数据报才会被丢弃。这30个主机丢弃UDP广播数据报是因为这些主机没有使用这个目的端口。

多播的出现减少了对应用不感兴趣主机的处理负荷。使用多播，主机可加入一个或多个多播组。这样，网卡将获悉该主机属于哪个多播组，然后仅接收主机所在多播组的那些多播帧。

广播

四种IP广播地址：

受限的广播

受限的广播地址是255.255.255.255。该地址用于主机配置过程中IP数据报的目的地址，此时，主机可能还不知道它所在网络的网络掩码，甚至连它的IP地址也不知道。在任何情况下，路由器都不转发目的地址为受限的广播地址的数据报，这样的数据报仅出现在本地网络中。

指向网络的广播

指向网络的广播地址是主机号为全1的地址。A类网络广播地址为netid.255.255.255，其中netid为A类网络的网络号。一个路由器必须转发指向网络的广播，但它也必须有一个不进行转发的选择。

指向子网的广播

指向子网的广播地址为主机号为全1且有特定子网号的地址。作为子网直接广播地址的IP地址需要了解子网的掩码。例如，如果路由器收到发往128.1.2.255的数据报，当B类网络128.1的子网掩码为255.255.255.0时，该地址就是指向子网的广播地址；但如果该子网的掩码为255.255.254.0，该地址就不是指向子网的广播地址。

指向所有子网的广播

指向所有子网的广播也需要了解目的网络的子网掩码，以便与指向网络的广播地址区分开。指向所有子网的广播地址的子网号及主机号为全1。例如，如果目的子网掩码为255.255.255.0，那么IP地址128.1.255.255是一个指向所有子网的广播地址。然而，如果网络没有划分子网，这就是一个指向网络的广播。

多播

IP多播提供两类服务：

1) 向多个目的地址传送数据。有许多向多个接收者传送信息的应用：例如交互式会议系统和向多个接收者分发邮件或新闻。如果不采用多播，目前这些应用大多采用TCP来完成（向每个目的地址传送一个单独的数据复制）。然而，即使使用多播，某些应用可能继续采用TCP来保证它的可靠性。

2) 客户对服务器的请求。例如，无盘工作站需要确定启动引导服务器。目前，这项服务是通过广播来提供的（正如BOOTP），但是使用多播可降低不提供这项服务主机的负担。

多播组地址

图2显示了D类IP地址的格式。

图2：D类IP地址格式

多播组地址包括为1110的最高4 bit和多播组号。它们通常可表示为点分十进制数，范围

从224.0.0.0到239.255.255.255。

能够接收发往一个特定多播组地址数据的主机集合称为主机组(host group)。一个主机组可跨越多个网络。主机组中成员可随时加入或离开主机组。主机组中对主机的数量没有限制，同时不属于某一主机组的主机可以向该组发送信息。

一些多播组地址被IANA确定为知名地址。它们也被当作永久主机组，这和TCP及UDP中的熟知端口相似。例如，224.0.0.1代表“该子网内的所有系统组”， 224.0.0.2代表“该子网内的所有路由器组”。多播地址224.0.1.1用作网络时间协议NTP，224.0.0.9用作RIP-2，224.0.1.2用作SGI公司的dogfight应用。

多播组地址到以太网地址的转换

IANA拥有一个以太网地址块，即高位24 bit为00:0 0:5e，这意味着该地址块所拥有的地址范围从00:0 0:5e: 00:0 0:00到00:0 0:5e:ff:ff:ff。IANA将其中的一半分配为多播地址。为了指明一个多播地址，任何一个以太网地址的首字节必须是01，这意味着与IP多播相对应的以太网地址范围从01:0 0:5e: 00:0 0:00到01:0 0:5e:7f:ff:ff。

这种地址分配将使以太网多播地址中的23 bit与IP多播组号对应起来，通过将多播组号中的低位23 bit映射到以太网地址中的低位23 bit实现，这个过程如图3所示。

图3 D类IP地址到以太网多播地址的映射

由于多播组号中的最高5 bit在映射过程中被忽略，因此每个以太网多播地址对应的多播组是不唯一的。32个不同的多播组号被映射为一个以太网地址。例如，多播地址224.128.64.32（十六进制e0.80.40.20）和224,0.64.32（十六进制e0.00.40.20）都映射为同一以太网地址01.00.53.00.40.20。

既然地址映射是不唯一的，那么设备驱动程序或IP层（见图1）就必须对数据报进行过滤。因为网卡可能接收到主机不想接收的多播数据帧。另外，如果网卡不提供足够的多播数据帧过滤功能，设备驱动程序就必须接收所有多播数据帧，然后对它们进行过滤。

单个物理网络的多播是简单的。多播进程将目的IP地址指明为多播地址，设备驱动程序将它转换为相应的以太网地址，然后把数据发送出去。这些接收进程必须通知它们的IP层，它们想接收的发往给定多播地址的数据报，并且设备驱动程序必须能够接收这些多播帧。这个过程就是“加入一个多播组”（在同一主机或多个主机上存在多个接收者，这也是为什么要首先使用多播的原因）。当一个主机收到多播数据报时，它必须向属于那个多播组的每个进程均传送一个复制。这和单个进程收到单播UDP数据报的UDP不同。使用多播，一个主机上可能存在多个属于同一多播组的进程。

当把多播扩展到单个物理网络以外需要通过路由器转发多播数据时，复杂性就增加了。需要有一个协议让多播路由器了解确定网络中属于确定多播组的任何一个主机。这个协议就是Internet组管理协议（IGMP）

FDDI和令牌环网络中的多播

FDDI网络使用相同的D类IP地址到48 bit FDDI地址的映射过程。令牌环网络通常使用不同的地址映射方法，这是因为大多数令牌控制中的限制。