PIM-SM(ASM)基础

## 一、PIM-SM(稀疏模式)
前面我们学习了PIM-DM模式并且完成了简单的组播实验，我们知道了PIM-DM是通过泛洪和剪枝实现组播组成员的管理和组播分发树的建立的。但是在现实环境中大型组播网络中由于网络较大，如果依然使用PIM-DM会遇到许多问题：
- 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。
- 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。
- 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-DM的不足](/media/202408/2024-08-02_132426_2143630.6315517135052304.png)

简单说就是PIM-DM模式**效率不高**，全网泛洪和维护PIM路由表占用了无关**路由器的性能**，存在其缺陷，因此一般用于较为密集的组播网络中。因此也出现了PIM-SM模式，PIM-SM模式根据组播服务模型又可以分为：
- 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。

## 二、PIM-SM(ASM)介绍
PIM-SM（ASM）模型形成组播分发树的方法是：
- 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）。
- 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。
- 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)](/media/202408/2024-08-02_132441_7373750.2613533552597277.png)

PIM-SM(ASM)优点，通过PIM-SM（ASM）模式形成组播分发树有如下好处：
- 只有组播转发路劲上的组播路由器需要维护组播路由表。
- 通过RP可以让所有组播路由器获知组成员的位置。
- 避免“扩散-剪枝”机制，提高组播分发树的形成效率。

## 三、PIM-SM(ASM)协议报文

### 3.1 协议报文类型
| **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             |
| Register（注册）                         | 用于事先源的注册过程。这是一种单播报文，在源的注册过程中，组播数据被第一跳路由器封装在单播注册报文中发往RP |
| Register-Stop（注册停止）                | RP使用该报文通知第一跳路由器停止通过注册报文发送组播流量     |
| Join/Prune（加入/剪枝）                  | 加入报文用于加入组播分发树，剪枝则用于修剪组播分发树         |
| Assert（断言）                           | 用于断言机制                                                 |
| Bootstrap（自举）                        | 用于BSR选举。另外BSR也使用该报文向网络中扩散C-RP（Candidate-RP，候选RP）的汇总信息 |
| Candidate-RP-Advertisement（候选RP通告） | C-RP使用该报文向BSR发送通告，报文中包含该C-RP的IP地址及优先级等信息 |

### 3.2 RP的选举
**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。RP相当于中介，组播源需要注册到SPT，组播组成员到需要构建RPT到达RP。

目前可以通过以下方式配置RP：
- 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。

![RP选举](/media/202408/2024-08-02_132500_6856550.5891900709947321.png)

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RP选举：动态选举RP会涉及两类角色**C-BSR（Candidate-Bootstrap Router）** 与**C-RP（Candidate-RP）**：
- C-BSR通过竞选能选举出一个唯一的BSR。
- BSR的作用是收集C-RP的信息并形成RP-Set信息，BSR通过PIM报文将RP-Set信息扩散给所有PIM路由器。
- 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选举](/media/202408/2024-08-02_132515_9728020.13663185471391648.png)

动态选举时先选举出BSR，BSR收集RP的信息发送给所有PIM路由器进而选举出RP。

BSR竞选规则如下：
- 优先级较高者获胜（优先级数值越大优先级越高）。
- 如果优先级相同，IP地址较大者获胜。

RP竞选规则如下：
- 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。
- 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）。
- 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。
- 如果以上比较结果都相同，则C-RP的IP地址较大者获胜。

### 3.3 首次形成组播分发树
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）
- 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）
- DR选举机制：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。

![首次形成组播分发树](/media/202408/2024-08-02_132533_8517930.4139114039460269.png)

### 3.4 RPT构建

RPT:组播成员DR到RP的路径，也就是连接组播组成员的路由器到达RP的路径。

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。

![RPT构建](/media/202408/2024-08-02_132551_6754000.43694967271688945.png)

### 3.5 组播源SPT构建

SPT:组播源到RP的路径，由于没有IGMP，不能生成Join报文，只能使用register与RP交互形成SPT树。

PIM-SM（ASM）模型中，源端DR到RP的组播分发树无法使用Join报文创建，因此需要组播源注册机制帮助形成源端DR到RP的组播分发树（SPT）。

形成SPT需要基于Register报文与Join报文，具体过程如下：

![SPT](/media/202408/2024-08-02_132611_0278180.5145212314475126.png)

组播源信息注册到RP后，就形成了组播源到RP的SPT，但源端DR此时仍然会将组播数据包封装入Register报文，该方式会造成一些问题：

源端DR最初发送的是单播Register报文，但是该方式会加重源端DR与RP的工作量。

源端DR形成到RP的SPT后，会同时发送单播Register报文和组播报文，造成重复组播包的问题。

![转发数据报文](/media/202408/2024-08-02_132626_5470500.570308687312206.png)

组播源DR与RP形成SPT后，RP发送停止注册报文通知采用组播报文发送数据。

组播数据转发流程：**组播源到RP形成SPT**，**组播成员到RP形成RPT**，**数据从SPT转发到RPT**，由RP进行维护。

### 3.6 PIM DR选举
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。就是直连组播源或者组播组成员可能存在多个路由器的情况，选举一台最优的进行转发数据，另外的路由器不转发组播流量。

![重复报文](/media/202408/2024-08-02_132641_1408870.34830300210219367.png)

PIM DR的选举：
- 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。
- 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。

![PIM DR选举](/media/202408/2024-08-02_132657_2730350.467179444845111.png)

### 3.7 RPT次优路径问题
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：
- 过大的组播流量会对RP形成巨大的负担。
- 组播转发路径有可能是次优路径。

![次优路径](/media/202408/2024-08-02_132721_8799590.5058291090224919.png)

简单说就是所有流量到RP可能走的路径不是最优。

### 3.8 SPT切换
当数据发送至RP后，RP会沿RPT将数据发送给成员端DR。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](/media/202408/2024-08-02_132738_5500310.5173793380387792.png)

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。

![维护组播分发树](/media/202408/2024-08-02_132812_0066830.8959507057538406.png)

总结：PIM-SM(ASM)依据RP为核心，建立组播源到RP的SPT组播分发树，RP作为核心建立到达组播组成员DR的RPT组播分发树，组播数据从**组播源经过SPT-RP-RPT-组播组成员**转发。动态RP的大致工作步骤：
1. 选举BSR，BSR再发送RP-set选举出RP
2. 基于组播源注册机制，源端DR发送Register（注册）报文到RP建立SPT，完成后RP发送Register-Stop（注册停止）完成SPT建立
3. 成员端DR向RP发送Join报文，沿途路由器生成(*,G)表项，构建RPT
4. 组播源通过SPT转发组播数据，当数据发送至RP后，RP会沿RPT将数据发送给成员端DR。

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