2022-11-01 网工进阶（三十四） IP组播协议（PIM）-模式概述、组播分发树的分类、PIM路由表项、PIM-DM工作原理（组播分发树的形成、配置举例）

PIM协议介绍

PIM（Protocol Independent Multicast）协议无关组播。协议无关指的是与单播路由协议无关，即PIM不需要维护专门的单播路由信息。目前常用版本是PIMv2，PIM报文直接封装在IP报文中，协议号为103，PIMv2组播地址为224.0.0.13。作为组播路由解决方案，它直接利用单播路由表的路由信息，对组播报文执行RPF检查，检查通过后创建组播路由表项，从而转发组播报文。

PIM模式

PIM-DM（PIM-Dense Mode，PIM密集模式）

主要用在组成员较少且相对密集的组播网络中，该模式建立组播分发树的基本思路是“扩散-剪枝”，即将组播流量全网扩散，然后剪枝没有组成员的路径，最终形成组播分发树。

PIM-SM（PIM-Sparse Mode，PIM稀疏模式）

主要用在组成员较多且相对稀疏的组播网络中，该模式建立组播分发树的基本思路是先收集组成员信息，然后再形成组播分发树。使用PIM-SM模式不需要全网泛洪组播，对现网的影响较小，因此现网多使用PIM-SM模式。

PIM-SM模式根据组播服务模型又可以分为ASM与SSM

PIM-SM（ASM）：为任意源组播建立组播分发树。

PIM-SM（SSM）：为指定源组播建立组播分发树。

组播分发树的分类

通过PIM形成的组播分发树主要分为SPT与RPT两种

SPT

以组播源为根，组播组成员为叶子的组播分发树称为SPT（Shortest Path Tree），在PIM-DM与PIM-SM中均有使用。

SPT又被称为源树，SPT在PIM-DM模式与PIM-SM模式的组播网络中均有使用。

RPT

以RP（Rendezvous Point）为根，组播组成员为叶子的组播分发树称为RPT（RP Tree），在PIM-SM中使用。

RPT又被称为共享树，RPT主要在PIM-SM模式的组播网络中被使用。

PIM路由表项

PIM路由表项即通过PIM协议建立的组播协议路由表项。

路由表项种类

（S，G）路由表项

主要用于在PIM网络中建立SPT。对于PIM-DM网络和PIM-SM网络适用。S表示组播源，G表示组播组。

（*，G）路由表项

主要用于在PIM网络中建立RPT。对于PIM-SM网络适用。*表示任意

FLAG字段描述

项目	描述
2msdp	RP最近收到注册消息并学习到（S，G）信息，准备通知MSDP，在下一个SA消息中包含该（S，G）表项。
act	已经有实际数据到达的组播路由表项。
del	准备删除的组播路由表项。
exprune	RPT上的表项被剪枝且RPT上没有接收者对源感兴趣。
ext	包含了由其他组播路由协议提供的出接口的路由表项。
loc	在与组播源网段直连的设备上的组播路由表项。
msdp	RP最近从收到的MSDP SA消息中学习到的路由表项。
niif	未确定入接口的路由表项。
nonbr	找不到朝向RP或源的上游邻居地址（link-local地址）的路由表项。
none	无任何标志的路由表项。
rpt	处于共享树上但不使用共享树数据的路由表项。
sg_rcvr	表示路由器有源S的本地（S，G）接收者，且PIM是下游接口Owner。
sgjoin	表示路由器有源S的本地（S，G）接收者，但PIM不是下游接口Owner。
spt	最短路径树上的路由表项。
swt	处在向SPT切换过程中的路由表项。
upchg	路由变化的标志，表示当前的表项在使用原来的上游转发数据，正在等待数据从新的接口到来。
wc	表示（*，G）表项。

转发规则

如果存在（S，G）路由表项，则由（S，G）路由表项指导报文转发。如果不存在（S，G）路由表项，只存在（*，G）路由表项，则先依照（*，G）路由表项创建（S，G）路由表项，再由（S，G）路由表项指导报文转发。

组播路由表项

最后一跳路由器的组播路由表项主要基于PIM（S，G）路由表项，IGMP组表项和IGMP路由表项汇总形成。

其余组播路由器的组播路由表项主要基于PIM（S，G）路由表项形成。

PIM-DM工作原理

基本概念

PIM-DM主要用在组成员较少且相对密集的网络中，通过“扩散-剪枝”的方式形成组播转发树（SPT）。

PIM-DM在形成SPT的过程中，除了扩散（Flooding），剪枝（Prune）机制外，还会涉及邻居发现（Neighbor Discovery），嫁接（Graft），断言（Assert）和状态刷新（State Refresh）机制。

PIM-DM协议报文

PIM协议报文直接采用IP封装，目的地址224.0.0.13，IP协议号103。

PIM-DM与PIM-SM使用的协议报文类型有所不同。

PIM-DM使用报文

报文类型	报文功能
Hello	用于PIM邻居发现，协议参数协商，PIM邻居关系维护等
Join/Prune（加入/剪枝）	加入报文用于加入组播分发树，剪枝报文则用于修剪组播分发树。加入及剪枝报文在PIM中使用相同的报文格式，只不过报文载荷中的字段内容有所不同
Graft（嫁接）	用于将设备所在的分支嫁接到组播分发树
Graft-ACK（嫁接确认）	用于对邻居发送的Graft报文进行确认
Assert（断言）	用于断言机制

邻居发现

组播转发路径只能在PIM邻居之间建立，因此邻居发现是形成组播分发树的先决条件。邻居发现主要通过PIM Hello包完成。PIM Hello数据包的默认发送间隔为30秒。

邻居发现与维持

当路由器的接口激活PIM后，接口便周期性发送PIM Hello数据包，目的地址224.0.0.13。交互Hello报文后，组播路由器之间就能知道邻居信息，建立PIM邻居关系。

维持邻居关系

PIM邻居关系依靠Hello包维持，邻居超时时间默认105s，如果超时时间内收不到邻居发来的Hello包，则删除邻居关系。

Hello报文中携带多项PIM协议报文参数，主要用于PIM邻居之间PIM协议报文的控制。

DR_Priority：表示各路由器接口竞选DR的优先级，优先级越高越容易获胜。

Holdtime：表示保持邻居为可达状态的超时时间。如果在超时时间内没有收到PIM邻居发送的Hello报文，路由器则认为邻居不可达。

LAN_Delay：表示共享网段内传输Prune报文的延迟时间。

Neighbor-Tracking：表示邻居跟踪功能。

Override-Interval：表示Hello报文中携带的否决剪枝的时间间隔。

抓包观察---PIM-DM Hello报文

1 PIM版本，值为2。

2 消息类型，值为0。

3 保留字段，发送时设置为0，接收时忽略此值。

4 校验和。

5 PIM的选项，采用Type-Length-Value（TLV）格式。

6 表示保持邻居为可达状态的超时时间：105秒

7 竞选DR的优先级：1

8 Hello消息中携带的随机数，表示当前邻居状态。如果状态发生更新则随机数也会更新。当路由器发现接收到的来自上游的Hello消息中包含不同Generation ID值，则认为上游邻居已经丢失或上游邻居状态已经改变。

9 Join消息抑制能力位：0

传递Prune消息的延迟时间：500毫秒

执行剪枝前的否决时间：2500毫秒

10 邻居状态刷新时间间隔：60秒

组播分发树的形成

PIM-DM模式首次形成组播分发树主要依赖扩散机制、剪枝机制、断言机制与DR选举机制。

扩散机制：组播数据包向所有的PIM邻居泛洪，同时组播路由器产生组播路由表项。

断言机制：当组播转发过程中存在多路访问网络，则需要选举出一个组播转发路由器，避免重复组播报文。

剪枝机制：如果组播路由器下没有组成员，则将源到该组播路由器的组播转发路径剪枝。

扩散机制

组播源发送的组播报文会在全网内扩散。当PIM路由器接收到组播报文，先进行RPF检查，通过后会在该路由器上创建（S，G）表项，之后会向所有PIM邻居发送。

PIM-DM形成的（S，G）表项有老化时间（默认210s），如果老化时间超时前没有收到新的组播报文，则删除（S，G）表项。

扩散机制会周期性（默认180s）全网扩散组播数据，周期性扩散的主要目的是探测是否有新成员加组，但是由于全网扩散组播数据会浪费大量带宽，所以现在的组播网络一般使用“状态刷新机制”加上“嫁接机制”来实现周期性全网扩散感知新成员加组的目的。

断言机制

当一个网段内有多个相连的PIM路由器向该网段转发组播报文时，需要通过断言机制（Assert）来保证只有一个PIM路由器向该网段转发组播报文。

断言机制选举规则

PIM路由器在接收到邻居路由器发送的相同组播报文后，会向该网段发送断言（Assert）报文，进行Assert选举。Assert报文内会携带到组播源的单播路由前缀，路由优先级与开销。

选举规则

1 单播路由协议优先级较高者获胜。

2 如果优先级相同，则到组播源的开销较小者获胜。

3 如果以上都相同，则下游接口IP地址最大者获胜。

选举完成后的行为

获胜一方的下游接口称为Assert Winner，将负责后续对该网段组播报文的转发。

落败一方的下游接口称为Assert Loser，后续不会对该网段转发组播报文，PIM路由器也会将其从（S，G）表项下游接口列表中删除。这种抑制转发的状态保持一段时间，这段时间就被称为Assert保持时间，默认180s。超时后，竞选失败的设备会恢复转发从而触发新一轮竞选。

剪枝机制

对于没有组成员连接的组播路由器，组播网络无需再将组播流量继续发往该设备。通过剪枝机制，组播网络可以将此类路径剪枝。

下游路由器收到组播数据，发现自身无组成员连接，触发剪枝机制，将自身的组播路由表出接口设置为null，发送Prune报文给上游设备，上游路由器将组播路由表出接口列表中的本接口移除。

维护组播分发树

组播分发树形成后不会一直存在，也不会一直不变。在PIM邻居关系稳定，组成员没有变化的情况下，维护组播分发树一般有两种方式： 1 持续发送组播报文，保证组播路由表项能一直存在。 2 发送状态刷新报文，保证组播路由表项的下行接口状态不发生变化。

状态刷新机制

上游路由器为被裁剪的下游接口启动一个剪枝定时器（默认210s），定时器超时后接口恢复转发。组播报文重新在全网范围内扩散，新加入的组成员可以接收到组播报文。随后，下游不存在组成员的叶子路由器将向上发起剪枝操作。通过这种周期性的扩散-剪枝，PIM-DM周期性的刷新SPT。

在剪枝后，如果下游路由器有组成员加入，并且希望在下次“扩散-剪枝”前就恢复组播报文转发，则执行嫁接动作；如果下游路由器一直没有组成员加入，希望该接口保持抑制转发状态，则执行状态刷新动作。

嫁接机制

PIM-DM通过嫁接机制，使有新组成员加入的网段快速得到组播报文。

叶子路由器通过IGMP了解到与其相连的用户网段上，组播组G有新的组成员加入。随后叶子路由器会基于本地的组播路由表向上游发送Graft报文，请求上游路由器恢复相应出接口转发，将其添加在（S，G）表项下游接口列表中。

配置举例---PIM-DM模式

如图所示的组播网络采用了PIM-DM模式，组播源（MCS1）通过组播转发网络（R1、R2、R3、R4、将组播数据通过交换机SW1发往成员端（PC1、PC2）

组播源（MCS1）

组播转发网络

R1配置

#
 sysname R1
#
multicast routing-enable        //开启组播功能
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 192.168.0.254 255.255.255.0 
 pim dm                        //接口下开启PIM-DM模式
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 ip address 10.1.0.1 255.255.255.0 
 pim dm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/2
 ip address 10.1.1.1 255.255.255.0 
 pim dm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 1.1.1.1 
 area 0.0.0.0 
#

R2配置（R3配置类似）

#
 sysname R2
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 10.1.0.2 255.255.255.0 
 pim dm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 ip address 10.1.2.2 255.255.255.0 
 pim dm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 2.2.2.2 
 area 0.0.0.0 
#

R4配置

#
 sysname R4
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 10.1.2.4 255.255.255.0 
 pim dm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 ip address 10.1.3.4 255.255.255.0 
 pim dm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/2
 ip address 192.168.1.254 255.255.255.0 
 igmp enable                   //连接成员端的接口开启IGMP
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 4.4.4.4 
 area 0.0.0.0 
#

成员端PC1配置（PC2配置类似）

配置完后点击组播源的运行和成员端的启动VLC验证结果。