《TCP/IP详解卷2：实现》笔记--IP多播

D类IP地址（224.0.0.0到239.255.255.255）不识别互联网内的单个接口，但识别接口组，被称为多播组。

单个网络上的组成员利用IGMP协议在系统之间通信。多播路由器用多播选录协议，如DVMRP（distance vector multicast 

routing protocol，距离向量多播路由选择协议）传播成员信息。

在Net/3中，如果某个接口支持多播，那么在接口ifnet结构中的if_flags的标识IFF_MULTICAST比特就被打开。

RFC 1112描述了多播对主机的要求，分三个级别：

0级：主机不能发送或接受IP。

折中主机应该自动丢弃它收到的具有D类目的地址的分组。

1级：主机能发送但不能接受IP多播。

在向某个IP多播组发送数据报之前，并不要求主机加入该组。多播数据报的发送方式与单播一样，除了多播数据报的目的地址

是IP多播组之外。网络驱动器必须能够识别出这个地址。

2级：主机能发送和接收IP多播

为了接收IP多播，主机必须能够加入或离开多播组，而且必须支持IGMP，能够在至少一个接口上交换组成员信息。多接口主机

必须支持在它的接口的一个子网上的多播，Net/3符合2级主机要求。可以完成多播路由器的工作。

和UDP、TCP的端口号一样，互联网授权机构IANA(Internet Assigned Numbers Authority）维护着一个注册的IP多播组表。下图

只给出了一些知名的多播组。

全256个组（224.0.0.0到224.0.0.255）是为实现IP单播和多播选路机制的协议预留的。不管发给其中任意一个组的数据报内IP

首部的TTL值如何变化，多播路由器都不会把它转发出本地网络。

对于符合2级的系统，要求其在系统初始化时，在所有的多播接口上加入224.0.0.1组，并且保持该组成员，直到系统关闭。

单播和多播路由可能会加入224.0.0.2组进行互相通信。ICMP路由器请求报文和路由器通告可能会被分别发往224.0.0.2（所有

路由器）和224.0.0.1（所有主机），而不是受限的广播地址（255.255.255.255）.

224.0.0.4组支持在实现DVMRP的多播路由器之间的通信。

1.以太网多播地址

IP多播的高效实现要求IP充分利用硬件级多播，因为没有硬件级多播，就不得不在网络上广播每个多播IP数据报，而每台主机

也不得不检查每个数据报，把哪些不是给它的丢掉。硬件在数据报到达IP层之前，就把没有用的过滤掉了。

为了保证硬件过滤器能正常工作，网络接口必须把IP多播目的地址转换成网络硬件识别的链路级多播地址。在以太网，需要有

一个明确地完成映射地址的函数，以太网的标准映射适用于任何使用802.3寻址方式的网络。

因为以太网支持多种协议，所以要采取措施分配多播地址，避免冲突。IEEE管理以太网多播地址分配。IEEE把一块以太网多播

地址分给IANA以支持IP多播。块的地址都是以01：00：5e开头。以00：00：5e开头的以太网单播也被分配给IANA，但为将来

使用预留。下图显示了从一个D类IP地址构造出一个以太网多播地址。

2.ether_multi结构

Net/3为每个以太网接口维护一个该硬件接收的以太网多播地址范围表。这个表定义了该设备要实现的多播过滤。因为大多数

以太网设备能选择地接收的地址是有限的，所以IP层要准备丢弃那些通过了硬件过滤的数据报，地址范围保存在ether_multi

结构中。

enm_addrlo和enm_addrhi指定需要被接收的以太网多播地址的范围。当enm_addrlo和enm_addrhi相同时，就指定一个以太网

地址。ether_multi的完整列表附在每个以太网接口的arpcom结构中，下图表示有三个ether_multi结构的LANCE接口。

接口已经加入了三个组，可能是224.0.0.1（所有主机）、224.0.0.2（所有路由器）和224.0.1.2（SGI-dogfight）。因为以太网

到IP地址的映射是一对多的，所以无法确定确定的IP地址，接口也可能加入了225.0.0.1，225.0.0.2和225.0.1.2组。

3.以太网多播接收

在Net/3中，也有可能把系统配置成接收所有以太网分组，虽然对IP协议族没有用，但内核的其他协议族可能准备接收这些多播

分组。可以发出下图的ioctl命令，就可以明确地进行多播配置。

这两个命令直接被传给了接口的设备驱动程序（ifp->if_ioctl）

4.in_multi结构

以太网多播数据结构并不专用于IP，它们必须支持所有内核的任意协议族的多播活动。在网络级，IP维护者一个与接口相关

的IP多播组表。

为了实现方便，把这个IP多播表附在与该接口有关的in_ifaddr结构中。这个结构中包含了该接口的单播地址。除了它们都与

同一个接口相关以外，这个单播地址与所附的多播组表之间没有任何关系。

下图的in_multi结构描述了每个IP多播{接口，组}对。

下图用接口实例le_softc[0]显示了接口，即它的单播地址和它的IP多播表之前的关系。

图中省略了ether_multi结构。

5.ip_moptions结构

传输层通过ip_moptions结构包含的多播选项控制多播输出处理。对每个输出的数据报，都可以给ip_output传一个ip_moptions

结构。ip_moptions结构如下图所示：

imo_multicast_ifp指向的接口对输出的多播数据报进行选路，如果imo_multicast_ifp为空，就通过目的站多播组的默认接口。

imo_multicast_ttl为外出的多播数据报指定初始的IP TTL。默认为1.

如果imo_multicast_loop为0，就不回送数据报，也不把数据报提交给正在发送的接口，即使该接口是多播组的成员，如果

为1，并且如果正在发送的接口是多播组的成员，就把多播数据报回送给该接口。

最后，整数imo_num_memberships和数组imo_membership维护与该结构相关的{接口，组}对。所有对该表的改变都转告

给IP，由IP在所连到的本地网络上宣布成员的变化。imo_membership数组的每个入口都是指向一个in_multi结构的指针，

该in_multi结构附在适当接口的in_ifaddr结构上。

6.多播的插口选项

下图显示了几个IP级的插口选项，提供对ip_moptions结构的进程及访问。

所有的多播选项都由ip_setmoptions和ip_getmoptions函数处理，ip_setmoption主体是一个switch case，对每个选项

分别调用函数进行处理。

7.多播的TTL值

多播的TTL有两个作用，基本功能是如IP分组一样，限制分组在互联网内的生存期，避免在网络内部无线地循环。第二个

作用是，把分组限制在管理边界所指定的互联网的区域内。

多播路由器还给每个接口关联一个TTL阈值，限制在该接口上的多播传输。一个要在该接口上传输的分组必须具有大于或

等于该接口阈值的TTL。所以多播分组可能会在它的TTL到0之前就被丢弃了。

阈值时管理员在配置多播路由器时分配的，这些值确定了多播分组的辖域。下图显示了多种应用程序的推荐TTL值和推荐

的阈值。

8.加入一个IP多播组

除了内核自动加入的IP所有主机外，其他组成员是由进程明确发出请求产生的。加入（或离开）多播组选项比其他选项更多

使用。必须修改接口的in_multi表以及其他链路层多播结构，如ether_multi。

当optname是IP_ADDMEMBERSHIP时，mbuf中的数据如下图所示的ip_mreq：

ip_mreq结构指定{接口，组}对表示成员的变化。

下图显示了加入与离开我们的以太网接口例子相关的多播组时，所调用的函数。

对于IP_ADD_MEMBERSHIP选项，ip_setmoptions的大致处理流程如下：

1.验证。对传入的参数进行检查。

          ↓

2.找到接口。如果mreq中的imr_interface是INADDR_ANY，则必须找到指定组的默认接口，由rtalloc函数为多播组找到一个

路由器；如果imr_interface不是INADDR_ANY，则请求一个明确的接口，根据提供的地址搜索接口。

          ↓

3.已经是成员了？检查imo_membership数组，看看所选接口是否已经是请求组的成员。如果找到一个匹配，或者成员已满，

则终止对这个选项的处理。

          ↓

4.加入多播组。调用in_addrmulti函数加入多播组。

8.1.in_addrmulti函数

in_addrmulti和in_delmulti函数维护接口已加入多播组的表。加入请求或者在接口表中增加一个新的in_multi结构，或者增加

对某个已有结构的引用次数。（该函数是在协议层面上进行加入多播组的操作）

函数的大概处理流程如下：

1.如果已经是一个成员，则查找到该成员对应的in_multi结构，更新引用计数后返回。

          ↓

2.如果接口还不是成员，则in_addrmulti分配并初始化一个新的in_multi结构，并将该结构插到接口的in_ifaddr结构中ia_multiaddrs

表的前端。

          ↓

3.更新接口，通告变化。如果接口驱动程序已经定义了一个if_ioctl函数，则调用该函数。最后，in_addrmulti调用igmp_joingroup，

把成员变化信息传播给其他主机和路由器。

8.2.leioctl函数：SIOCADDMULTI和SIOCDELMULTI

对于LANCE以太网接口，if_ioctl函数指针指向leioctl函数。在leioctl函数中，对于SIOCADDMULTI和SIOCDELMULTI选项，

分别调用ether_addmulti函数和ether_delmulti函数。

8.3.ether_addmulti函数

ether_addmulti函数是在接口层对加入多播组进行操作。这个函数把IP D类地址映射到合适的以太网地址上，并更新ether_multi

表。函数的大概处理流程如下：

1.初始化地址范围。ether_addmulti初始化addrlo和addrhi中的多播地址范围。如果所请求的地址来自AF_UNSPEC族，

ether_addmulti假定该地址时一个明确的以太网多播地址，并把它复制到addrlo和addrhi中。如果地址属于AF_INET族，并且

是INADDR_ANY，ether_addmulti把addrlo初始化成ehter_ipmulticast_min，把addrhi初始化成ether_ipmulticast_max。

这两个以太地址常量定义为：

          ↓

2.已经在接收。ether_addmulti检查高地址和低地址的多播比特位，保证它们是真正的以太网多播地址。然后确定硬件是否已经

对指定的地址开始监听。如果是，则增加匹配ether_multi结构中的引用计数（enm_refcount）。

         ↓

3.更新ether_multi表。如果是一个新的地址范围，则分配并初始化一个新的ether_multi结构，把它链到接口arpcom结构中的

ac_multiaddrs表上，最后函数返回，根据返回值，设备驱动程序知道多播表被改变了，必须更新硬件接收过滤器。

下图显示了LANCE以太网接口加入主机组后，ip_moptions、in_multi和ether_multi结构之间的关系。

9.离开一个IP多播组

通常情况下，离开一个多播组的步骤时加入一个多播组的步骤的反序。更新ip_moptions结构中的成员表、IP接口的in_multi表

和设备的ether_multi表。

我们回到ip_setmoptions中的IP_DROP_MEMBERSHIP情况语句。语句中用请求的{接口，组}对组成员表中寻找一个in_multi

结构。如果找到，则调用in_delmulti更新in_multi表，然后调用igmp_leavegroup(不做任何操作)，最后，调用if_ioctl函数指针指向

的ether_delmulti函数，删除找到的ether_multi结构。

10.多播输入处理：ipintr函数

ether_input检测到达的以太网多播分组，在把一个IP分组放到IP输入队列之前（ipintrq），把mbuf首部的M_MCAST标志位置位。

ipintr函数按顺序处理每个分组。

在ipintr函数内，用来确定分组是寻址到本地网络还是应该被转发。

如果目的地址是一个多播组，并且系统被配置成IP多播路由器，就把分组传给ip_mforward。

11.多播输出处理：ip_output函数

ip_output对多播的大概处理流程如下：

1.建议默认值。把mbuf中的M_MCAST置位，并把目的地址设置为最终目的地址。如果传递了一个ip_moptions结构，则相应地

改变ip_ttl和ifp。否则ip_ttl设置为1，避免多播分组达到某个远程网络。

2.选择源地址。如果没有指定源地址，则找到与输出接口相关的单播地址，作为src ip。与单播分组不同，如果系统被配置成一个

多播路由器，则必须在一个以上的接口上输出多播分组。即使系统不是一个多播路由器，输出的接口也可能是目的多播组的一个

成员，也会需要接收该分组。最后，我们需要考虑一下多播环回策略和环回接口本身。共有三个问题：

3.是否环回？如果输出接口是目的多播组成员，则分组被ip_mloopback放到输出接口上排队，等待输入。

4.是否转发？如果分组不是环回的，但系统被配置成一个多播路由器，并且分组符合转发的条件，则ip_mforward向其他多播接口

分发该分组的备份。

5.是否发送？如果TTL为0或者输出接口是环回接口，则丢弃该分组。

6.发送分组。分组从物理上在输出接口上被发送。