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PIM原理与案例配置

1.PIM（Protocol Independent Multicast，协议无关组播）
协议的主要作用就是构建组播分发树,主要作用是生成AS域内的组播分发树

2.PIM协议介绍
PIM称为协议无关组播。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。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主要有两种模式：
PIM-DM（PIM-Dense Mode，PIM密集模式）。
PIM-SM（PIM-Sparse Mode，PIM稀疏模式），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
PIM-DM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。

3.组播分发树的分类
通过PIM形成的组播分发树主要分为以下两种：
A.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。
B.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

4.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
PIM网络中存在两种路由表项：
（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。
（*，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
在不同的组播路由器上，组播路由表项会基于不同的表项汇总形成。
最后一跳路由器的组播路由表项主要基于PIM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路由表项形成

5.PIM-DM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使用报文主要是以下几类：
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，剪枝报文则用于修建组播分发树。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
A.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
B.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
C.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放往该设备。通过剪枝机制，组播网络可以将此类路径剪枝
D.维护组播分发树
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：
持续发送组播报文，保证组播路由表项能一直存在。
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
E.状态刷新机制
在PIM-DM网络中，为了避免被裁剪的接口因为“剪枝定时器”超时而恢复转发，离组播源最近的第一跳路由器会周期性地触发State Refresh报文在全网内扩散
收到State Refresh报文的PIM路由器会刷新剪枝定时器的状态。被裁剪接口的下游叶子路由器如果一直没有组成员加入，该接口将一直处于抑制转发状态
F.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

6.PIM-DM基础实验

[R1]multicast routing-enable
[R1]interface g0/0/2
[R1-GigabitEthernet0/0/2]pim dm
[R1-GigabitEthernet0/0/2]interface g0/0/0
[R1-GigabitEthernet0/0/0]pim dm
[R1-GigabitEthernet0/0/0]interface g0/0/1
[R1-GigabitEthernet0/0/1]pim dm
[R2]multicast routing-enable
[R2]interface g0/0/0
[R2-GigabitEthernet0/0/0]pim dm
[R2-GigabitEthernet0/0/0]interface g0/0/1
[R2-GigabitEthernet0/0/1]igmp enable
[R3]multicast routing-enable
[R3]interface g0/0/0
[R3-GigabitEthernet0/0/0]pim dm
[R3-GigabitEthernet0/0/0]interface g0/0/1
[R3-GigabitEthernet0/0/1]igmp enable

7.PIM-SM(ASM)介绍
7.1 PIM-DM的局限
中大型组播网络中由于网络较大，如果依然使用PIM-DM会遇到组多问题：
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

7.2 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-SM使用报文主要是以下几类：
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
7.3 RP介绍：
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。
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
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
7.4 RP选举：
RP是PIM-SM域中的核心设备。每个组播组在任意时刻，只能由唯一的一个RP为其转发数据，而不能由多个RP转发数据。RP可以通过手工方式静态配置，也可以通过BSR机制动态选举，缓解RP的负担并优化RPT的拓扑结构。
动态选举机制涉及到的角色：
C-RP（Candidate-RP，候选RP）：设备通过自举机制从C-RP中动态选出RP，使不同的RP服务于不同的组播组。
BSR（Bootstrap Router，自举路由器）：PIM-SM域的管理核心，负责在PIM-SM域中收集并发布RP信息。BSR是通过C-BSR选举出来的。一个PIM-SM域内只能有一个BSR，但可以配置多个C-BSR。
C-BSR（Candidate-BSR，候选BSR）：任意一台设备都可以被配置为C-BSR，从中选举出BSR。一旦BSR发生故障，其余C-BSR能够通过自动选举产生新的BSR，从而确保业务免受中断。

7.5 DR选举：
无论是与组播源相连的网络，还是与接收者相连的网络，都需要选举DR（Designated Router，指定路由器）。接收者侧的DR负责向RP发送加入报文（Join Message）；组播源侧的DR负责向RP发送注册报文（Register Message）。

8.PIM-SM(SSM)工作原理
8.1 SSM概念
SSM模型针对特定源和组的绑定数据流提供服务，接收者主机在加入组播组时，可以指定只接收哪些源的数据或指定拒绝接收来自哪些源的数据。加入组播组以后，主机只会收到指定源发送到该组的数据
8.2 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

9.PIM模型比较