2022-11-06 网工进阶（三十五）---PIM-SM工作原理（组播分发树的形成、ASM、SSM）

PIM-DM的局限性

中大型组播网络中由于网络较大，如果依然使用PIM-DM会遇到诸多问题：

1 使用“扩散-剪枝”方式需要全网扩散组播报文，对于网络有一定冲击。

2 所有组播路由器均需要维护组播路由表，即使该组播路由器无需转发组播数据。

3 对于组成员较为稀疏的组播网络，使用“扩散-剪枝”形成组播分发树的效率不高。

PIM-SM(ASM)

通过PIM-SM（ASM）模式形成组播分发树的特点

1 只有组播转发路径上的组播路由器需要维护组播路由表。

2 通过RP可以让所有组播路由器获知组成员的位置。

3 避免“扩散-剪枝”机制，提高组播分发树的形成效率。

PIM-SM（ASM）组播分发树的形成步骤

1 将组成员的位置事先告知某台组播路由器（Rendezvous Point，RP），形成RPT（RP Tree）。

2 组播源在发送组播数据时，组播网络先将组播数据发送至RP，然后由RP再将组播数据转发给组成员。

3 对于部分次优的组播转发路径，PIM-SM（ASM）能自动优化为最优路径（SPT）。
 

PIM-SM(ASM)协议报文

RP概述

汇聚点RP（Rendezvous Point）为网络中一台重要的PIM路由器，用于处理源端DR注册信息及组成员加入请求，网络中的所有PIM路由器都必须知道RP的地址，类似于一个供求信息的汇聚中心。

配置RP的方式

静态RP：在网络中的所有PIM路由器上配置相同的RP地址，静态指定RP的位置。

动态RP：通过选举机制在多个C-RP（Candidate-RP，候选RP）之间选举出RP。

PS：静态RP或者是动态RP在设置时均可以指定该RP为哪些组播组提供服务。

动态选举RP

动态选举RP涉及的角色有C-BSR（Candidate-Bootstrap Router）和C-RP（Candidate-RP）

选举RP的流程

1 首先，C-BSR通过竞选能选举出一个唯一的BSR。

2 然后，BSR的是用于收集C-RP的信息并形成RP-Set信息的路由器（类似选举RP的裁判）。BSR通过PIM报文将RP-Set信息扩散给所有PIM路由器。

3 最后，PIM路由器收到RP-Set消息后，根据RP选举规则选举出合适的RP。

BSR竞选规则

1 优先级较高者获胜（优先级数值越大优先级越高）。

2 如果优先级相同，IP地址较大者获胜。

RP竞选规则

1 与用户加入的组地址匹配的C-RP服务的组范围掩码最长者获胜。

2 如果以上比较结果相同，则C-RP优先级较高者获胜（优先级数值越小优先级越高）。

3 如果以上比较结果都相同，则执行Hash函数，计算结果较大者获胜。

4 如果以上比较结果都相同，则C-RP的IP地址较大者获胜。
 

组播分发树的形成

PIM-SM（ASM）模式首次形成组播分发树主要依赖RPT构建机制，组播源注册机制与DR选举机制。

RPT构建机制

组播叶子路由器主动建立到RP的组播分发树（RPT）

RPT（RP Tree）是一棵以RP为根，以存在组成员关系的PIM路由器为叶子的组播分发树。

当网络中出现组成员（形成IGMP表项）时，组成员端DR向RP发送Join报文，在通向RP的路径上逐跳创建（*，G）表项，生成一棵以RP为根的RPT。

组播源注册机制

通过该机制形成组播源到RP的组播分发树（SPT）

SPT建立后，RP使用Register-Stop报文通知源端DR后续报文可以以组播报文形式发送。

DR选举机制

在源端网络或者成员端网络中，有可能有多台组播路由器转发组播流量，从而造成重复组播报文的问题。

PIM DR（Designated Router）是源端网络或者成员端网络的唯一组播转发者，由于不存在别的组播转发路由器就避免了重复组播报文的问题。

DR负责源端或组成员端组播报文的收发，避免重复组播报文，同时成员端DR还负责发送Join加组消息。

PIM DR选举规则

在PIM-SM（ASM）中各路由器通过比较Hello消息上携带的优先级和IP地址，为多路访问网络选举指定路由器DR。

接口DR优先级高的路由器将成为该MA网络的DR，在优先级相同的情况下，接口IP地址大的路由器将成为DR。

当DR出现故障后，邻居路由器之间会重新选举DR。

PS：DR优先级默认为1，数值越大越优；对于成员端网络，如果有多台组播路由器，则组播路由器的下行接口需要同时开启IGMP与PIM； DR还可充当IGMPv1的查询器。

SPT切换机制

在PIM-SM网络中，一个组播组只对应一个RP。因此组播数据最初都会发往RP，由RP进行转发，这会导致两个问题：1  过大的组播流量会对RP形成巨大的负担。2 组播转发路径有可能是次优路径。

为了解决RPT潜在的次优路径问题，成员端DR会基于组播数据包中的源IP，反向建立从成员端DR到源的SPT。

设备沿最短路径发送Join消息，该最短路径基于RPF选举规则决定。设备将Join消息从RPF选举得出的上行接口发出。

多路访问网络在SPT切换的过程中可能会存在重复报文，需要利用断言机制快速选定下行接口。

SPT切换的触发条件：缺省情况下，当RP或者组成员端DR收到第一个组播数据包之后，就会向源发起SPT切换。

当组播分发树（SPT或RPT）稳定后，成员端DR会周期性发送Join/Prune报文，用于维护组播分发树。

如果组播在一段时间后（默认210s）没有流量则SPT树会消失，成员端DR恢复到RP的RPT树。

相关命令

在接口下开启PIM-SM模式

[R1-GigabitEthernet0/0/0]pim sm

进入PIM视图

[R1]pim

配置静态RP（通常使用RP路由器的环回接口）

[R1-pim]static-rp 1.1.1.1

查看RP信息

<R1>display pim rp-info 

配置BSR（可指定接口类型和编号、哈希掩码长度（缺省值30）、优先级（缺省值0，越大越优））

[R1-pim]c-bsr LoopBack 0 32 255

配置RP（可指定接口类型和编号和优先级（缺省值0，越小越优）等）

[R1-pim]c-rp LoopBack 0 priority 255

查看BSR信息

<R1>display pim bsr-info 

配置PIM-SM域的BSR边界（禁止BSR发送的自举报文向PIM-SM域外发送，域内的其他组播报文可以通过该边界）

[R1-GigabitEthernet0/0/0]pim bsr-boundary 

永不发起SPT切换机制（在成员端DR上配置，缺省情况下会自动切换）

[R1-pim]spt-switch-threshold infinity

配置举例---PIM-SM（ASM）

静态RP配置

配置R2的环回接口2.2.2.2为静态RP。

组播源配置

路由器R1配置

#
 sysname R1
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 192.168.0.254 255.255.255.0 
 pim sm                                   //配置为SM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 sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/2
 ip address 10.1.1.1 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 1.1.1.1 
 area 0.0.0.0 
#
pim
 static-rp 2.2.2.2             //配置静态RP，指定RP的地址
#

路由器R2配置

#
 sysname R2
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 10.1.0.2 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 ip address 10.1.2.2 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface LoopBack0      //配置了环回接口用于指定RP
 ip address 2.2.2.2 255.255.255.255  
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 2.2.2.2 
 area 0.0.0.0 
#
pim
 static-rp 2.2.2.2
#

路由器R3配置没有特别之处

路由器R4配置

#
 sysname R4
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 10.1.2.4 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 ip address 10.1.3.4 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/2
 ip address 192.168.1.254 255.255.255.0 
 igmp enable                            //连接成员端网络的接口开启IGMP
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 4.4.4.4 
 area 0.0.0.0 
#
pim
 static-rp 2.2.2.2
#

成员端配置（PC1与PC2类似）

配置完成后，点击组播源的运行和成员端的启动VLC可进行测试。

动态RP配置

配置R2、R3为c-bsr和c-rp，R2采用优先级100，R3采用优先级200，根据bsr和rp的选举规则可知，这样配置后bsr为R3，rp为R2。

组播源和成员端配置同静态。

路由器R1配置

#
 sysname R1
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 192.168.0.254 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 ip address 10.1.0.1 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/2
 ip address 10.1.1.1 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 1.1.1.1 
 area 0.0.0.0 
#

路由器R2配置

#
 sysname R2
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 10.1.0.2 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 ip address 10.1.2.2 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface LoopBack0
 ip address 2.2.2.2 255.255.255.255 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 2.2.2.2 
 area 0.0.0.0 
#
pim
 c-bsr hash-length 32           //配置c-bsr的哈希掩码长度
 c-bsr priority 100             //配置c-bsr优先级
 c-bsr LoopBack0                //配置c-bsr的接口类型和编号
 c-rp LoopBack0 priority 100    //配置c-rp的接口类型、编号、优先级
#

路由器R3配置

#
 sysname R3
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 10.1.0.3 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 ip address 10.1.3.3 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface LoopBack0
 ip address 3.3.3.3 255.255.255.255 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 3.3.3.3 
 area 0.0.0.0 
#
pim
 c-bsr hash-length 32
 c-bsr priority 200
 c-bsr LoopBack0
 c-rp LoopBack0 priority 200
#

路由器R4配置

#
 sysname R4
#
multicast routing-enable
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 10.1.2.4 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 ip address 10.1.3.4 255.255.255.0 
 pim sm
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
interface GigabitEthernet0/0/2
 ip address 192.168.1.254 255.255.255.0 
 igmp enable
 ospf enable 1 area 0.0.0.0
#
ospf 1 router-id 4.4.4.4 
 area 0.0.0.0 
#

查看bsr信息

<R2>display pim bsr-info 
 VPN-Instance: public net
 Elected AdminScoped BSR Count: 0
 Elected BSR Address: 3.3.3.3
     Priority: 200
     Hash mask length: 32
     State: Accept Preferred
     Scope: Not scoped
     Uptime: 00:25:56
     Expires: 00:01:29
     C-RP Count: 2
 Candidate AdminScoped BSR Count: 0
 Candidate BSR Address: 2.2.2.2
     Priority: 100
     Hash mask length: 32
     State: Candidate
     Scope: Not scoped
     Wait to be BSR: 0

分析：可以看出路由器R3为挡墙BSR

查看rp信息

<R2>display pim rp-info
 VPN-Instance: public net
 PIM-SM BSR RP Number:2
 Group/MaskLen: 224.0.0.0/4
     RP: 2.2.2.2 (local)
     Priority: 100
     Uptime: 00:38:16
     Expires: 00:02:16
 Group/MaskLen: 224.0.0.0/4
     RP: 3.3.3.3
     Priority: 200
     Uptime: 00:27:15
     Expires: 00:02:16

分析：可以看出路由器R2为当前RP

PIM-SM(SSM)

PIM-SM(SSM)基本概述

由于SSM提前定义了组播的源地址，所以PIM-SM（SSM）可以在成员端DR上基于组播源地址直接反向建立SPT。 PIM-SM（SSM）无需维护RP、无需构建RPT、无需注册组播源，可以直接在组播源与组成员之间建立SPT。 在PIM-SM（SSM）模型中，关键机制包括邻居发现、DR竞选、构建SPT。

组播分发树形成与维护

PIM-SM（SSM）模型构建组播分发树的形成主要依赖IGMPv3报文与Join报文。

PIM-SM（SSM）模型形成的组播分发树会一直存在，不会因为没有组播流量而消失。

PIM模型比较