PIM-SM协议初探（一）路由角色选举
PIM是Protocol Independent Multicast（协议无关组播）的简称，表示可以利用静态路由或者任意单播路由协议（包括RIP、OSPF、IS-IS、BGP等）所生成的单播路由表为IP组播提供路由。组播路由与所采用的单播路由协议无关，只要能够通过单播路由协议产生相应的组播路由表项即可。PIM借助RPF（Reverse Path Forwarding，逆向路径转发）机制实现对组播报文的转发。当组播报文到达本地设备时，首先对其进行RPF检查：若RPF检查通过，则创建相应的组播路由表项，从而进行组播报文的转发；若RPF检查失败，则丢弃该报文。
根据实现机制的不同，PIM分为以下两种模式：
1. PIM-DM（Protocol Independent Multicast-Dense Mode，协议无关组播—密集模式）
2. PIM-SM（Protocol Independent Multicast-Sparse Mode，协议无关组播—稀疏模式）
PIM-SM简介
PIM-DM使用以“扩散—剪枝”方式构建的SPT来传送组播数据。尽管SPT的路径最短，但是其建立的过程效率较低，并不适合大中型网络。
PIM-SM属于稀疏模式的组播路由协议，使用“拉（Pull）模式”传送组播数据，通常适用于组播组成员分布相对分散、范围较广的大中型网络。
PIM-SM的基本原理如下：
l PIM-SM假设所有主机都不需要接收组播数据，只向明确提出需要组播数据的主机转发。PIM-SM实现组播转发的核心任务就是构造并维护RPT（Rendezvous Point Tree，共享树或汇集树），RPT选择PIM域中某台路由器作为公用的根节点RP（Rendezvous Point，汇集点），组播数据通过RP沿着RPT转发给接收者；
l 连接接收者的路由器向某组播组对应的RP发送加入报文（Join Message），该报文被逐跳送达RP，所经过的路径就形成了RPT的分支；
l 组播源如果要向某组播组发送组播数据，首先由与组播源侧DR（Designated Router，指定路由器）负责向RP进行注册，把注册报文（Register Message）通过单播方式发送给RP，该报文到达RP后触发建立SPT。之后组播源把组播数据沿着SPT发向RP，当组播数据到达RP后，被复制并沿着RPT发送给接收者。
说明：
复制仅发生在分发树的分支处，这个过程能够自动重复直到数据包最终到达接收者。
工作机制
1. 邻居发现
PIM-SM使用与PIM-DM类似的邻居发现机制，具体请参见“邻居发现”一节。
2. DR选举
借助Hello报文还可以为共享网络（如Ethernet）选举DR，DR将作为该共享网络中组播数据的唯一转发者。
无论是与组播源相连的网络，还是与接收者相连的网络，都需要选举DR。接收者侧的DR负责向RP发送加入报文；组播源侧的DR负责向RP发送注册报文。
& 说明：
l 各路由器之间通过比较Hello报文中所携带的优先级和IP地址，可以为多路由器网段选举DR。选举出的DR对于PIM-SM有实际的意义；而对于PIM-DM来说，其本身其实并不需要DR，但如果PIM-DM域中的共享网络上运行了IGMPv1，则需要选举出DR来充当共享网络上的IGMPv1查询器。
l 在充当DR的设备上必须使能IGMP，否则连接在该DR上的接收者将不能通过该DR加入组播组。
图3 DR选举示意图
如图3所示，DR的选举过程如下：
(1) 共享网络上的各路由器相互之间发送Hello报文（携带有竞选DR优先级的参数），拥有最高优先级的路由器将成为DR；
(2) 如果优先级相同，或者网络中至少有一台路由器不支持在Hello报文中携带竞选DR优先级的参数，则根据各路由器的IP地址大小来竞选DR，IP地址最大的路由器将成为DR。
当DR出现故障时，其余路由器在超时后仍没有收到来自DR的Hello报文，则会触发新的DR选举过程。
3. RP发现
RP是PIM-SM域中的核心设备。在结构简单的小型网络中，组播信息量少，整个网络仅依靠一个RP进行组播信息的转发即可，此时可以在PIM-SM域中的各路由器上静态指定RP的位置；但是在更多的情况下，PIM-SM域的规模都很大，通过RP转发的组播信息量巨大。为了缓解RP的负担并优化RPT的拓扑结构，可以在PIM-SM域中配置多个C-RP（Candidate-RP，候选RP），通过自举机制来动态选举RP，使不同的RP服务于不同的组播组，此时需要配置BSR（BootStrap Router，自举路由器）。BSR是PIM-SM域的管理核心，一个PIM-SM域内只能有一个BSR，但可以配置多个C-BSR（Candidate-BSR，候选BSR）。这样，一旦BSR发生故障，其余C-BSR能够通过自动选举产生新的BSR，从而确保业务免受中断。
& 说明：
1. 一个RP可以同时服务于多个组播组，但一个组播组只能唯一对应一个RP。
2. 一台设备可以同时充当C-RP和C-BSR。
如图4所示，BSR负责收集网络中由C-RP发来的宣告报文（Advertisement Message），该报文中携带有C-RP的地址和优先级以及其服务的组范围，BSR将这些信息汇总为RP-Set（RP集，即组播组与RP的映射关系数据库），封装在自举报文（Bootstrap Message）中并发布到整个PIM-SM域。
图4 RP与BSR信息交互示意图
网络中的各路由器将依据RP-Set提供的信息，使用相同的规则从众多C-RP中为特定组播组选择其对应的RP，具体规则如下：
(1) 首先比较C-RP的优先级，优先级较高者获胜。
(2) 若优先级相同，则使用哈希（Hash）函数计算哈希值，该值较大者获胜。
(3) 若优先级和哈希值都相同，则C-RP地址较大者获胜。
哈希函数的表达式为：Value (G, M, Ci) = (1103515245 * ( (1103515245 * (G & M) + 12345) XOR Ci) + 12345) mod 231，其中各符号的含义如表1所示。
表1 哈希函数中各符号含义
| 符号 |
含义 |
| Value |
哈希值 |
| G |
IP组播组的地址 |
| M |
哈希掩码长度（Hash Mask Length） |
| Ci |
C-RP的IP地址 |
| & |
逻辑运算符，表示与运算 |
| XOR |
逻辑运算符，表示异或运算 |
| mod |
算术运算符，表示整除取余 |