目錄

9.1 引言

9.2 廣播

9.2.1 使用廣播地址

9.2.2 發送廣播數據報

9.3 組播

9.3.1 將組播IP地址轉換為組播MAC地址

9.3.2 例子

9.3.3 發送組播數據報

9.3.4 接收組播數據報

9.3.5 主機地址過濾

9.4 IGMP協議和MLD協議

9.4.1 組成員的IGMP和MLD處理

9.4.2 組播路由器的IGMP和MLD處理

9.4.3 例子

9.4.4 輕量級 IGMPv3 和 MLDv2

9.4.5 IGMP和MLD健壯性

9.4.6 IGMP和MLD計數器和變量

9.4.7 IGMP和MLD Snooping

9.5 與IGMP和MLD相關的攻擊

9.6 總結

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多播組成員管理協議

????????IPv4：IGMP：Internet Group Management Protocol，互聯網組管理協議。

????????IPv6：MLD：Multicast Listener Discovery，組播偵聽發現協議。

9.1 引言

IP地址分類：

????????unicast：單播。

????????multicast：多播=組播。

????????broadcast：廣播，IPv6沒有廣播。

????????anycast：任播。

任播：

????????路由器將目的IP是任播地址的數據包發送到多個接收者中最近一個。

????????使用場景：

????????????????服務發現： 如IPv6主機通過發送HTTP的任播報文。來發現局域網可用Web服務器。

????????????????負載均衡：一組相同功能的服務器共享同一個任播地址。客戶端請求路由到最近服務器。

????????????????路由器冗余：多個路由器共享同一個任播地址，實現冗余和容錯性。

IPv6鏈路本地地址：

????????前綴：fe80::，用于局域網內通信。

廣播和組播為應用程序提供兩種服務：

????????交付數據至多個目的地

????????請求/發現服務器。

一般只有UDP才利用廣播和組播。

IPv4組播是可選的。

IPv6組播是強制性，因為鄰居發現ND需使用。

9.2 廣播

9.2.1 使用廣播地址

組播MAC地址：

????????第一個字節的最低位二進制為0代表單播地址，為1代表組播地址。

????????如01:00:00:00:00:00，03:00:00:00:00:00

本地網絡(有限廣播)廣播：255.255.255.255，用于向局域網所有設備發送數據。

子網定向廣播地址：如192.168.1.255：用于向特定子網中所有設備發送通知、服務發現和配置信息等。

ping 廣播IP地址+廣播MAC地址作用：

????????觸發所有接收設備回包，獲得所有設備的MAC地址。無需源主機單獨向每個設備發送ARP。

????????但是某些操作系統可能禁止ping廣播IP地址。

組播地址只能作為目的IP，不能作為源IP。

9.2.2 發送廣播數據報

socket選項：

????????SO_BROADCAST：設置套接字允許發送廣播數據包。

ping -b會設置SO_BROADCAST

9.3 組播

即多播，multicast。

1. 當主機希望加入一個多播組時，它向路由器發送IGMP Membership Report報文，其中包含感興趣的組播地址，并可能包含可選的源列表。用于指定從哪些源接收組播數據。

2. 路由器收到IGMP報文后，更新其多播組成員表，并根據多播組成員表轉發組播數據到感興趣的主機。

多播組成員表和可選源列表都會定期更新或超時刪除。

IGMP報文中的源列表分為：

????????特定源組播（SSM）：明確接收或不接收特定發送方的組播流量。

????????任源組播（ASM）：不考慮發送方身份。

9.3.1 將組播IP地址轉換為組播MAC地址

組播數據應使用組播MAC地址作為目的MAC。

組播MAC地址結構：

????????前24位： 前24位固定為01-00-5E。

????????后23位： 等于IPv4組播IP地址的低23位。

IPv4組播的以太網地址范圍：01:00:5E:00:00:00到01:00:5E:7F-FF-FF

組播IP地址轉換為組播MAC地址：

IPv4組播地址范圍：224.0.0.0到239.255.255.255，D類地址。

根據上圖所示轉換方法：

????????組播地址 224.128.64.32（十六進制為 E0.80.40.20 ）和 224.0.64.32（十六進制為 E0.00.40.20 ）都被映射到01:00:5E:00:40:20

所以發往組播224.128.64.32的報文應使用源MAC 01:00:5E:80:40:20來封裝。

IPv6組播IP地址轉換為組播MAC：

????????MAC前16位： 前綴固定是33-33

????????MAC后32位： IPv6組播地址的最后32位。

????????如組播地址ff02::1:2。轉換為組播MAC地址：33-33-00-01-00-02。

9.3.2 例子

mDNS：組播DNS。

????????一般工作在局域網內部。

????????作用：

????????????????共享DNS響應：多個主機共享DNS響應，減輕DNS服務器負擔，避免太多主機DNS查詢。

????????????????設備互相發現：新設備發送mDNS查詢來通告自己的存在。

????????????????服務發現：通過mDNS查詢來尋找局域網特定服務（打印機）。

224.0.0.251：mDNS組播組IP。

使用ICMP報文回復了ping 224.0.0.251的主機，表明加入了mDNS組。

9.3.3 發送組播數據報

多網口的主機須決定使用哪個IP地址和接口。

9.3.4 接收組播數據報

組播組的成員資格是動態的，它隨進程加入或離開組而改變。

查看組播組成員方法：

????????ip maddr show

????????netstat -gn

# ip maddr show

1: ????????lo ????????????????接口索引號和接口名稱。

????????inet 224.0.0.1 ????????該接口加入的IPv4組播地址。

????????inet6 ff02::1 ????????????????該接口加入的IPv6組播地址

????????inet6 ff01::1

加入組播組方法：

????????ip maddr add 224.0.0.1 dev eth0 eth0接口加入224.0.0.1組

????????ip maddr add ff02::1 dev eth0

9.3.5 主機地址過濾

mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr("組播組地址");

mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

加入組播組：

????????setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq)) ；

離開組播組：

????????setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_DROP_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq))；

9.4 IGMP協議和MLD協議

組播成員管理協議：

????????IGMP：Internet Group Management Protocol，互聯網組管理協議，IPv4使用。

????????MLD：Multicast Listener Discovery，組播偵聽發現協議，IPv6使用。

MLD和IGMP功能幾乎相同，都用于管理組播組成員。

IGMP/MLD管理方法：

????????主機向路由器發送組成員報告報文，路由器知道主機感興趣組播組后，以便知道組播數據報轉發到對應接口。

SSM，即源特定多播模式：

????????接收方只能接收來自特定源的多播流量。

????????目前廣泛使用IGMPv3和MLDv2的支持SSM。

????????當主機想要接收特定源的多播流時，會發送IGMPv3/MLDv2報文，其中包含指定源地址和多播組地址。

ASM：即任意源多播模式。

????????接收方可以接收來自任意源的多播流量。

如上圖，組成員管理的兩種方式：

????????路由器定期IGMP/MLD查詢。

????????主機主動IGMP/MLD報告。

IGMPv3報告發送到224.0.0.22，即IGMPv3組播路由器地址。

MLDv2報告發送到ff02::16，即MLDv2組播路由器地址。

和ICMP類似，IGMP報文也封裝在IPv4。

IGMP報文的TTL固定為1，所以報文僅限于本地子網。

報文格式：

組播路由器也和廣域組播協議（PIM-SM，BIDIR-PIM）交互，將流量轉發給感興趣主機，或禁止流量流向不感興趣主機。

廣域組播協議：

????????在廣域網（WAN）中實現組播。

????????如：PIM，BIDIR-PIM。

PIM（Protocol Independent Multicast）：即協議無關組播協議。

兩種模式：

????????PIM-DM（Dense Mode）：適用于組播組成員密集的網絡

????????PIM-SM（Sparse Mode）：適用于組播組成員分布稀疏的網絡。

PIM使用場景：

????????大型企業內部跨子網或分支機構的組播通信。如視頻會議、流媒體。

????????電信運營商廣域網中組播通信，如電視直播、廣播和IPTV等。

9.4.1 組成員的IGMP和MLD處理

作用：允許主機指明自己有興趣的組，還可以指定允許/拒絕特定源發送的流量。

方法：向同子網的組播路由器發送報告。

IGMP報告報文如下：

類型字段：

????????指示報文類型，可能的值有：

????????????????0x11: Membership Query（成員查詢）

????????????????????????路由器發送成員查詢消息

????????????????0x12: Membership Report（成員報告）

????????????????????????主機發送成員報告消息，表示主機加入多播組。

????????????????0x13: Leave Group（離開組）

????????????????????????主機發送，表示主機離開組播組，路由器不在轉發該組播組流量給該主機。

????????????????0x22: IGMPv3 Membership Report（IGMPv3 成員報告）

????????????????????????IGMPv3的成員報告，用于支持源特定多播（SSM）和其他高級功能。

組記錄：

????????其中每個組記錄格式如下：

上圖字段解釋：

????????記錄類型：

????????????????INCLUDE：主機對指定的源地址感興趣。

????????????????EXCLUDE：主機對指定的源地址不感興趣。

????????IPv4組播地址：

????????????????加入或離開的組播組。

????????源地址：主機感興趣、不感興趣的源地址。

9.4.2 組播路由器的IGMP和MLD處理

組播路由器的工作內容：

????????發送組成員查詢。

????????接收組成員報告，維護組播組成員。

????????成員刷新與老化。

組播路由器有三種查詢報文：

????????通用查詢：查詢所有組播組。

????????特定組查詢：查詢特定組播組的成員。

????????特定組和源查詢：用于組播路由器之間查詢與響應。

通用查詢報文目的IP：

????????IPv4 IGMP中為224.0.0.1，代表所有組播節點。

????????IPv6 MLD中為ff02::1，代表鏈路范圍內所有組播節點。

特定組查詢報文的目的IP：

????????為查詢的該特定組的組播IP。

9.4.3 例子

上圖顯示ICMPv6協議報文細節，其實就是MLD協議，MLD屬于ICMPv6。

從上文可知，該報文是IPv6 MLD查詢報文

????????組播目的IP地址：組播地址ff02::1 （表示所有組播節點）

????????組播目的MAC地址：33:33:00:00:00:01 （根據組播IP轉換而來，固定前綴為33:33）

主機發送的IGMP報文TTL為1，不會通過路由器轉發。

很多應用協議都通過發送報文到組播地址，或來查詢服務或散播服務，實現局域網設備和服務發現。如：

????????mDNS

????????UPnP：用于智能家居設備發現。

????????發現局域網是否有打印機。

9.4.4 輕量級 IGMPv3 和 MLDv2

9.4.5 IGMP和MLD健壯性

同一鏈路可運行多個組播路由器，故障備份，最小IP地址路由器被選為查詢器。

查詢器選舉(querier election)

????????比較源IP地址，IP小的路由器為查詢器，非查詢器進入備用模式。

查詢組播路由器需要定期查詢組播成員。

9.4.6 IGMP和MLD計數器和變量

IGMP和MLD需處理組播路由器的失效、協議報文丟失，早期協議版本的兼容性。

????????大多基于狀態改變和計時器來啟用這些功能。

9.4.7 IGMP和MLD Snooping

IGMP ( MLD) snooping：

????????2層交換機查看在第3層的信息，了解它對特定的組播流量流動是否有興趣。

如果沒有IGMP snooping，交換機會廣播鏈路層流量。

而支持IGMP（MLD）snooping的交換機通過查看主機與路由器通信的IGMP信息，記錄哪些端口需要哪些特定的組播流動，從而減少流量轉發。

9.5 與IGMP和MLD相關的攻擊

IGMP Flooding 攻擊：發送大量IGMP或MLD報文，引起帶寬耗盡。

IGMP欺騙：攻擊者偽造IGMP報文，導致路由器維護錯誤組播組成員信息，最終路由器錯誤轉發。

偽裝成組播路由器，在IGMP查詢報文中使用非常小的"最大響應時間"，誘導主機頻繁發送組播成員報告，消耗CPU。

9.6 總結

兩種IPv4廣播地址：

????????受限（255.255.255.255）

????????定向（如192.168.1.255）

IPv4組播MAC：前綴01:00:5e+組播IP地址的低23位。

IPv6組播MAC：16位前綴33:33+組播IP地址的低序32。

IGMP和MLD中魯棒性變量：

????????一個時間值。

????????表示如果路由器在該時間內沒有再收到成員報文，路由器將成員從組播組成員列表中移除。

如果沒有魯棒性變量，當網絡抖動或不穩定性時。不好影響：

????????路由器過早認定主機已離開組播組，過早將主機從成員列表中刪除，導致主機無法接收到組播流量。

????????過多組播成員狀態變化和更新導致網絡擁塞或不必要的流量。特別是大型網絡中。

魯棒性變量使用場景：不穩定網絡。