深入理解组播 IGMPv1 协议：原理、机制与实践

阿贾克斯的黎明

已于 2025-01-17 21:05:49 修改

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分类专栏：运维文章标签：智能路由器网络

于 2025-01-16 23:49:42 首次发布

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深入理解组播 IGMPv1 协议：原理、机制与实践

在网络技术的广阔领域中，组播作为一种高效的点到多点通信方式，广泛应用于视频直播、在线教育、网络电视等诸多场景。IGMP（Internet Group Management Protocol）即互联网组管理协议，负责管理主机与路由器之间的组播组成员关系。今天，让我们深入探究 IGMP 的第一个版本 ——IGMPv1。

一、组播基础概念回顾

在传统 IP 通讯中，存在单播、广播和组播三种通讯模型。单播是一对一的通讯，如同两个人之间的私密对话；广播是一对所有，类似在广场上大声呼喊，所有人都能听到。而组播则是按需的一对多通讯，只有感兴趣的接收者会接收数据，就像你订阅了特定的新闻频道，只接收自己关注的内容。组播在多媒体流媒体应用等场景中发挥着重要作用，大大节省了网络资源。

二、IGMPv1 概述

IGMPv1 是 IGMP 协议的第一个版本，主要用于主机与路由器之间交换组播组成员关系信息。路由器需要了解网段下哪些主机想要接收哪些组播组的流量，主机也需要告知路由器自己的需求，IGMPv1 正是为解决这些问题而生，基于 IP 协议进行封装，IP 协议号为 2 。

三、IGMPv1 工作机制

（一）查询与响应机制

路由器会周期性地向子网内的所有节点（组播地址 224.0.1，所有节点组播地址）发送普遍组查询报文，以了解哪些主机要接收哪些组的流量。华为设备中，这个周期默认是 60 秒。当主机接收到查询报文后，如果主机要接收某个组的流量，比如 PC1 加入了组 G1，PC2 加入了组 G2，它们就会分别向路由器发送 Report 报文，告知路由器自己要接收的组播组。这样，路由器就知道该从哪个接口向下发送相应组的流量。

# 模拟路由器查询与主机响应过程
class Router:
    def __init__(self):
        self.group_members = {}

    def send_query(self):
        print("路由器向子网内发送普遍组查询报文")
        # 此处省略实际发送报文的网络操作

    def receive_report(self, host, group):
        if group in self.group_members:
            self.group_members[group].append(host)
        else:
            self.group_members[group] = [host]
        print(f"路由器接收到{host}要加入组{group}的Report报文")

class Host:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.group = None

    def join_group(self, group):
        self.group = group
        print(f"{self.name}加入组{group}")
        router.receive_report(self.name, group)

router = Router()
pc1 = Host("PC1")
pc2 = Host("PC2")
pc1.join_group("G1")
pc2.join_group("G2")
router.send_query()

（二）成员加入机制

当主机想要加入某个组播组时，会主动向路由器发送 Report 报文。例如，一台新的 PC 加入网络并想要接收组 G3 的流量，它会立即发送 Report 报文，路由器收到后就会开始向该主机推送 G3 组的流量。

pc3 = Host("PC3")
pc3.join_group("G3")

（三）响应抑制机制

为避免网络中出现大量重复的 Report 报文，IGMPv1 引入了响应抑制机制。当主机接收到普遍组查询报文后，会在本地随机开启一个 0 到 10 秒的计时器。如果在计时器超时前，主机收到了同组其他主机发送的 Report 报文，那么它就不会再发送自己的 Report 报文。因为对于路由器来说，只要知道接口下有该组的接收者，就会将组播流量发送到该接口。例如，PC1 和 PC3 都加入了组 G1，当路由器发送查询报文后，PC1 和 PC3 会各自开启计时器。假设 PC1 的计时器先超时，它发送了 Report 报文，此时 PC3 还在计时，当 PC3 收到 PC1 的 Report 报文后，就会停止计时，不再发送 Report 报文。

import random
import time

class HostWithTimer(Host):
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)
        self.timer = None

    def handle_query(self):
        print(f"{self.name}接收到普遍组查询报文，开启随机计时器")
        self.timer = random.randint(0, 10)
        time.sleep(self.timer)
        if self.group and not self.is_report_received():
            print(f"{self.name}计时器超时，发送Report报文")
            router.receive_report(self.name, self.group)

    def is_report_received(self):
        # 此处省略实际检查是否收到同组Report报文的逻辑
        return False

pc1_with_timer = HostWithTimer("PC1")
pc3_with_timer = HostWithTimer("PC3")
pc1_with_timer.join_group("G1")
pc3_with_timer.join_group("G1")
router.send_query()
pc1_with_timer.handle_query()
pc3_with_timer.handle_query()

四、IGMPv1 的缺陷

（一）静默离组

IGMPv1 没有定义离组机制。当主机离开某个组播组时，不会主动通知路由器。路由器为了处理这种情况，会为每个组播组开启一个超时定时器，华为设备中默认是 130 秒（两次组查询时间 60 * 2 + 最大响应时间 10）。如果在超时时间内没有收到该组的 Report 报文，路由器才会停止发送该组的组播流量。这就导致主机离组后，组播流量还会持续推送一段时间，造成带宽浪费。

（二）缺乏查询器选取机制

当一个网段中有多个最后一跳路由器都启用了 IGMPv1 时，需要确定一个查询器。IGMPv1 自身没有查询器选取机制，需要依赖 PIM（Protocol Independent Multicast）协议中的 DR（Designated Router）来充当查询器。如果没有合适的查询器选取，可能会导致冗余的组播流量在网络中传输。

五、IGMPv1 的配置与实验

在华为设备上启用 IGMPv1，需要以下步骤：

# 开启组播路由功能
multicast routing-enable
# 进入接口视图
interface GigabitEthernet0/0/0
# 开启IGMP协议，默认版本为IGMPv2，需修改为IGMPv1
igmp enable
igmp version 1

在模拟器中进行实验时，虽然模拟器可能无法完全模拟出响应抑制机制等某些特性，但我们仍可以通过配置主机和路由器，观察它们之间的报文交互，加深对 IGMPv1 工作过程的理解。

IGMPv1 作为组播管理协议的早期版本，为组播技术的发展奠定了基础。尽管它存在一些缺陷，但在理解组播原理和发展演进过程中具有重要意义。随着技术的不断进步，后续的 IGMPv2 和 IGMPv3 对这些问题进行了改进和优化，进一步提升了组播管理的效率和性能。希望通过本文，你对 IGMPv1 有了更深入的认识，能够在网络技术的学习和实践中更好地运用相关知识。