《TCP/IP详解卷2：实现》笔记--IP多播选路

mrouted程序计算多播路由表，以及在网络之前转发多播数据报的内核函数。

下图是mrouted的几个版本及它们和BSD版本的对应关系。mrouted版本包含用户级守护程序和内核级多播程序。

本文讨论包含在Net/3中多播软件2.0版，但被认为已经过时了。

因为还没有广泛安装商用多播路由器，所以常用多播隧道连接标准IP单播互联网上的两个多播路由器，构造多播网络。Net/3

支持多播隧道，并采用宽松源站记录路由选项构造多播隧道。一种更好的隧道技术是把IP多播数据报封装在一个单播数据报里，

但Net/3不支持。

1.多播输出处理

在ip_moptions结构中ip_output被传给一个明确的结构，或者ip_output在路由表中查找目的地组，并使用在路由路口中返回

的接口。

如果在选择了输出接口后，ip_output回送该数据报，就把它放在所选输出接口等待输入处理，当ipintr处理它时，把它当作是

要转发的数据报，如下图所示：

上图中，虚线箭头代表原始输出的数据报，ip_mloopback创建的备份由带箭头的细线表示，并作为输入被传给运输层协议。

当ip_mforward决定通过系统上的另一个接口转发该数据报时，就产生了第三个备份。最粗的箭头代表第三个备份，在多播

隧道上发送。

如果数据报不是回送的，则ip_output把它直接传给ip_mforward，ip_mforward复制并处理该数据报，就像它是从ip_output

选定的接口上收到的一样。如下图所示：

2.mrouted守护程序

用户级进程mrouted守护进程允许和管理多播路由选择。mrouted实现IGMP协议的路由部分，并于其他多播路由器通信，

实现网络间的多播路由选择。路由算法在mrouted上实现，但内核维护多播路由选择表，并转发数据报。

本文主要讨论支持mrouted的内核数据结构和函数，不讨论mrouted本身。我们讨论用于数据报选择路由的截断逆向路径

广播TRPB（truncated reverse path broadcast）算法以及用于在多播路由器之间传递信息的距离向量多播选路协议

DVMRP。

mrouted守护程序通过在一个IGMP插口上设置选项与内核通信，这些选项如下图所示：

插口选项被setsockopt系统调用传给rip_ctloutput函数，rip_ctloutput调用ip_mrouter_cmd函数，该函数通过一个switch

分别调用上表中第三列的函数。

3.虚拟接口

当作为多播路由器运行时，Net/3接收到达的多播数据报，复制它们，并在一个或多个接口上转发备份。通过这种方式，数据报

被转发给互联网上的其他多播路由器。

输出的接口可以是一个物理接口，也可以使一个多播隧道。多播隧道的两端都与一个多播路由器上的某个物理接口相关。多播

隧道使两个多播路由器，即使被不能转发多播数据报的路由器分隔，也能够交换多播数据报。下图是一个多播隧道连接的两个

多播路由器。

网络A上的源主机HS正在向组G多播数据报，组G的唯一成员在网络B上，并通过一个多播隧道连接到网络A。路由器A接收

多播，查询它的多播路由选择表，并通过多播隧道转发该数据报。下图显示了IP LSRR选项如何实现多播隧道。

第一行，HS在网络A上发送的多播数据报，路由器A全部接收，因为多播路由器接收本地连接网络上的所有数据报。

第二行，是在隧道上离开A时的数据报，LSRR的选项第一个地址是隧道的源地址，第二个是目的地多播地址。数据报

的目的地址是Te。

第三行，是被路由器B上的ip_dooptions处理之后的数据报。

第四行，是调用ip_mforward之后的数据报。在哪里，LSRR选项被识别，并从数据报首部中移走。得到的数据就像原始

多播数据报，由ip_mforward处理它，把它作为多播数据报在网络B上转发，并被HG收到。

使用LSRR构造多播隧道已经过时。新的程序通过在IP多播数据报的首部前面加上另一个IP首部来构造隧道，新IP首部协议

设置为4，表示分组内容是另一个IP分组。

3.1.虚拟接口表

无论物理接口还是隧道接口，内核都为其在虚拟接口表中维护一个入口，其中包含了只有多播使用的信息。每个虚拟接口

都用一个vif结构表示，如下图所示。全局变量viftable是一个这种结构的数组。数组的下标保存在无符号短整数vifi_t变量中。

v_flags定义的唯一标志位是VIFF_TUNNEL，被置位时，该接口是一个到远程多播路由器的隧道。没有置位时，接口是在本地

系统上的一个物理地址。

v_threahold是一个多播ttl阈值。

v_lcl_addr是与这个虚拟接口相关的本地接口的IP地址。

v_rmt_addr是一个IP多播隧道远端的单播IP地址。

v_lcl_addr和v_rmt_addr为非零，但是不会两者都为非零。

v_ifp，对于物理接口，该变量非空，并指向本地接口的ifnet结构，对隧道，v_ifp是空的。

v_lcl_grps指向一个IP多播地址数组，这个数组记录了在连到的接口上的成员组列表。对隧道而言，v_lcl——grps总是空的。

数组的大小保存在v_lcl_grps_max中，被使用的入口数保存在v_lcl_grps_n中。数组随着成员关系表的增大而增大。

v_cached_group和v_cached_result实现一个入口高速缓存，其中记录的都是最近一次查找得到的组。

下图时一个viftable结构：

setsockopt通过DVMRP_ADD_VIF和DVMRP_DEL_VIF对viftable进行操作。

4.IGMP

mrouted实现了IGMP协议的路由部分，mrouted必须为每个物理接口记录哪个多播组有成员连接到网络上，mrouted每120

秒多播一个IGMP_HOST_MEMBERSHIP_QUERY数据报，并把结果汇编到与每个网络相关的成员关系数组中。

mrouted根据收集到的信息构造多播路由选择表，多播组表也提供信息，用来抑制向没有目的组成员的多播互联网区进行多播。

置位物理接口维护这样的成员关系数组。对其他多播路由器来说，隧道是点到点接口，所以无需组成员关系信息。

mrouted用DVMRP_ADD_LGRP和DVMRP_DEL_LGRP命令维护v_lcl_grps指向的IP多播组数组。

当收到一个IGMP_HOST_MEMBERSHIP_REPORT时，调用下图所示的函数。

5.多播选路

上图中，方框代表路由器，椭圆代表连接到路由器的多播网络，最简单的路由选择方法是，从互联网拓扑中选出一个子网，

形成一个生成树。如果每个路由器都沿着生成树转发多播，则各路由器最终会收到数据报。下图显示了示例网络的一个生成

树。其中网络A的主机S是多播数据报的源。

这个生成树是根据从各网络回到网络A上的源站的最短逆向路径构成的。如果用同一生成树转发来自网络C的数据报，为了

在网络B上收到，数据报经过的转发路径将大于需要的长度。RFC1075提出的算法为每个潜在的源站计算了一个单独的生

成树，以避免这种情况。因为构造生成树是为了给源站的数据报提供最短逆向路径，而每个网络都接收所有多播数据报，

所以这个过程称为逆向路径广播（reverse path broadcast），即RPB。

RPB没有任何多播组成员信息，使许多数据报被不必要地转发到没有目的组成员的网络上，如果，除了计算生成树外，该

路由选择算法还能记录哪些网络是叶子，注意到每个网络上的组成员关系，那么连到叶子网络的路由器就可以避免把数据

转发到没有目的组成员的网络上去。这称为截断逆向路径广播（TRPB）。

下图显示了TRPB算法的应用，多播来自网络C上的源站，并在网络B上有一个目的组成员。

路由器C接收多播，并通过连接到路由器ABE的接口将其转发， 尽管把它发给AE都是浪费的。因为网络ADE是叶子网络，并

且没有目的组成员，所以它们没有阴影。在路由器处截断生成树，也不把数据报转发到这些网络上去。路由器B把数据报转发

到网络B上，因为B上有一个目的成员。

对多播路由选择算法的最后一个改进叫做逆向路径多播（reverse path multicasting，RPM）。RPM的目的是修剪各生成

树，避免在没有目的组成员的分支上发送数据报。在上图中，RPM可以避免路由器C向A和E发送数据报，因为在这两个分支

上没有目的多播组的成员。如下图所示：

为了生成树对应的路由表，多播路由器和邻近的多播路由器通信，发现多播互联网拓扑和多播组成员的位置，在Net/3中，用

DVMRP进行这种通信。DVMRP作为IGMP数据报传送，发给224.0.0.4组，该组是给DVMRP通信保留的。

5.1.多播选路表

现在我们描述Net/3中实现的多播路由选择。内核的多播路由选择表示作为一个有64个入口的散列表实现的（MRTHASHIZ）。

该表保存在全局数组mrttable中，每个入口指向一个mrt结构的链表。如下图所示：

mrt_origin和mrt_originmask标识表中的一个入口，mrt_parent是虚拟接口的下标，该虚拟接口上预期有来自起点的所有

多播数据报。

mrt_children是一个位图，标识外出的接口。mrt_leaves也是一个位图，里面标识多播路由选择树中也是叶子的外出接口，当

多条路由散列到同一个数组入口时，最后一个成员mrt_next实现该入口的一个链表。

下图是多播选路表的整体结构，各mrt结构都放在一个散列链上。

mrouted守护程序通过DVMRP_ADD_MRT和DVMRP_DEL_MRT命令在内核的多播选路表中增加和删除mrt表项。

6.多播转发：ip_mforward函数

内核实现了整个多播转发，mrouted运行时，ipintr把到达数据报传给ip_mforward。ip_output可以把本地主机产生的多播

数据报传给ip_mforward，由ip_mforward为这些数据报选路到除ip_output选定的接口以外的其他接口上去。

与单播不同，每当多播数据报被转发到某个接口上时，就为该数据报产生一个备份。下图显示了一个到达某个物理接口的

多播数据报。

数据报到达的接口是目的多播组的一个成员，所以数据报被传给传输层协议等待输入处理。该数据报也被传给了ip_mforward，

在这里它被复制和转发到一个物理接口和一个隧道，这两个必须都不和接收接口相同。

下图显示了一个到达某隧道的多播数据报。

图中，用带虚线的箭头表示与该隧道的本地端有关的物理接口，数据报就在这一接口上到达，数据报被传给ip_mforward，

因为分组到达一个隧道，所以ip_mforword返回一个非零值，这导致ipintr不再把该分组传给运输层协议。

ip_mforward从分组中取出隧道选项，查询多播选路表，并且，还把分组转发到另一个隧道以及到达的物理接口上去，用

带细线的箭头表示。这是可行的，因为多播选路表是根据虚拟接口，而不是物理接口。

我们假定物理接口是目的多播组的成员，所以ip_output把该数据报传给ip_mloopback，ip_mloopback把它送到队列中

等待ipintr的处理（粗线箭头），然后，分组又被传给ip_mforward，并被这个函数丢弃。ip_mforword返回0，所以ipintr

接收该数据报，并进行输入处理。

多播转发函数的大概处理如下：

1.判断到达本地物理接口还是隧道，通过检查IP头部的LSRR选项。

2.如果隧道选项正确，在调整IP头部，删除隧道选项。

3.如果ip_ttl是0或者1，那么数据报已经到了生存期的最后，不再转发它。如果目的组小于或者等于几个224.0.0.x组，则不允许

数据报离开本地网络，也不转发它。

4.如果无法根据数据报中的源地址找到一条路由，则函数返回，没有路由，多播路由器无法确定把数据报转发到哪个接口上去。

5.如果数据报到达某个物理接口，但系统本来预想它应该到达某个隧道或者其他物理接口，则函数返回。.如果数据报到达某个

隧道，但系统本来预想它应该到达某个物理接口或者其他隧道，则函数也返回。

6.把数据从指定接口发送出去。对于每个虚拟接口，如果以下条件满足，则在该接口上发送数据报。

• 数据报的TTL大于接口的多播阈值
• 接口是该路由的子接口
• 接口没有和其他叶子网络相连

对于隧道接口，发送调用tunnel_send函数，对于物理接口，发送调用phyint_send函数。

tunnel_send函数直接调用ip_output函数发送，phyint_send函数需要重新构建ip隧道选项，调用ip_output函数发送。

7.清理：ip_mrouter_done函数

当mrouted结束时，它发布DVMRP_DONE命令，ip_mrouter_done函数处理这个命令。

这个函数对每个物理多播接口，释放本地组表，发布SIOCDELMULTI命令，阻止接收多播数据报。清零整个viftable数组，

并把numvifs设置为0。

释放多播选路表mrttable中的所有活动入口。