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关键词：IPv6，组播，MLD，PIM，Embedded RP，SSM
摘 要：本文介绍了IPv6组播地址和IPv6组播协议等技术要点。
缩略语：
缩略语 | 英文全名 | 中文解释 |
DM | Dense Mode | 密集模式 |
ICMP | Internet Control Message Protocol | 互联网控制报文协议 |
IGMP | Internet Group Management Protocol | 互联网组管理协议 |
MBGP | Multicast Border Gateway Protocol | 组播边界网关协议 |
MLD | Multicast Listener Discovery | 组播侦听者发现协议 |
MLD Snooping | Multicast Listener Discovery Snooping | 组播侦听者发现协议窥探 |
MSDP | Multicast Source Discovery Protocol | 组播源发现协议 |
PIM | Protocol Independent Multicast | 协议无关组播 |
RP | Rendezvous Point | 汇集点 |
SM | Sparse Mode | 稀疏模式 |
SSM | Source-Specific Multicast | 指定信源组播 |
目 录
作为IPv4协议的替代，IPv6协议使用128位的地址结构解决了IP地址不足的问题，同时对一些特性进行了优化处理。出现于IPv4时代的组播技术，由于其有效解决了单点发送、多点接收的问题，实现了网络中点到多点的高效数据传送，能够大量节约网络带宽、降低网络负载，因此在IPv6中的应用得到了进一步的丰富和加强。
IPv6组播与IPv4组播的最大不同在于IPv6组播地址机制的极大丰富，而其它诸如组成员管理、组播报文转发以及组播路由建立等与IPv4组播基本相同。因此，本文将重点介绍组播地址对IPv6的支持情况；对于IPv6组播协议，只对其与IPv4组播协议的异同进行大致的介绍。
在介绍IPv6组播地址之前，先简单回顾一下IPv6的地址结构：IPv6地址的长度为128比特，由使用冒号分隔的八节16比特的十六进制数表示，例如：FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210。
IPv6组播地址用来标识一组接口，一般这些接口属于不同的节点。一个节点可能属于0到多个组播组。发往组播地址的报文被组播地址标识的所有接口接收。
图1 IPv6组播地址格式
IPv6组播地址的格式如图1所示，其中各字段的含义如下：
(1) 0xFF：最高8比特为11111111，标识此地址为组播地址。
(2) Flags：4比特。如图2所示，Flags字段中各位的取值如下：
图2 Flags字段格式
l 最高位为保留位，必须为0。
l R位取0表示非内嵌RP的组播地址；取1则表示内嵌RP的组播地址，此时P、T位也必须置1。
l P位取0表示非基于单播前缀的组播地址；取1则表示基于单播前缀的组播地址，此时T位也必须置1。
l T位取0表示永久分配组播地址；取1则表示非永久分配的组播地址。
(3) Scope：4比特。用来标识此组播组的应用范围，其取值及含义如表1所示。
表1 Scope字段的取值及其含义
含义 | |
0、3、F | 保留（reserved） |
1 | 接口本地范围（interface-local scope） |
2 | 链路本地范围（link-local scope） |
4 | 管理本地范围（admin-local scope） |
5 | 站点本地范围（site-local scope） |
6、7、9～D | 未分配（unassigned） |
8 | 机构本地范围（organization-local scope） |
E | 全球范围（global scope） |
(4) Group ID：112比特，组播组标识号。用来在由Scope字段所指定的范围内唯一标识组播组，该标识可能是永久分配的或临时的，这由Flags字段的T位决定。
根据RFC 4291，目前已被永久分配的IPv6组播地址如表2所示。
表2 永久分配的IPv6组播地址
名称 | 地址 | 说明 |
保留组播地址 | l FF0x:: | 不能分配给任何组播组 |
所有节点组播地址 | l FF01::1（节点本地） l FF02::1（链路本地） | - |
所有路由器组播地址 | l FF01::2（节点本地） l FF02::2（链路本地） l FF05::2（站点本地） | - |
被请求节点组播地址 | l FF02::1:FFxx:xxxx | 由在被请求节点单播或任播地址的低24位前增加地址前缀FF02::1:FF00::/104而得，如4037::01:800:200E:8C6C对应于FF02::1:FF0E:8C6C |
& 说明：
表2中的x代表0～F的任意一个十六进制数。
RFC 3306中规定了一种动态分配IPv6组播地址的方式——基于单播前缀的IPv6组播地址。这种IPv6组播地址中包含了其组播源网络的单播地址前缀，通过这种方式分配全局唯一的组播地址。
图3 基于单播前缀的IPv6组播地址格式
基于单播前缀的IPv6组播地址的格式如图3所示，其中各字段的含义如下：
(1) Flags字段的R位置0，P、T位则分别置1，表示基于单播前缀的组播地址。
(2) Reserved：8比特。保留字段，必须为0。
(3) Plen：8比特。表示网络前缀的有效长度（单位为比特）。
(4) Network prefix：64比特。表示该组播地址所属子网的单播前缀，有效长度由Plen字段指定。
(5) Group ID：缩短为32比特，含义不变。
& 说明：
其它字段的介绍请参见“2.1.1 IPv6组播地址格式”一节。
例如：单播前缀为3FFE:FFFF:1::/48的网络分配基于单播前缀的组播地址为FF3x:30:3FFE:FFFF:1::/96（x表示任意合法的Scope）。
嵌入式RP（Embedded RP）是IPv6 PIM中特有的RP发现机制，该机制使用内嵌RP地址的IPv6组播地址，使得组播路由器可以直接从该地址中解析出RP的地址。
图4 内嵌RP地址的IPv6组播地址格式
如图4所示，内嵌RP地址的IPv6组播地址使用基于单播前缀的IPv6组播地址格式，其中各字段的含义如下：
(1) Flags字段的R、P和T位均置1，表示内嵌RP地址的组播地址。
(2) Reserved：4比特。保留字段，必须为0。
(3) RIID：4比特。表示RP地址的接口ID。
(4) Plen：8比特。表示RP地址前缀的有效长度（单位为比特）。
(5) Network prefix：64比特。表示RP地址前缀，有效长度由Plen字段指定。
(6) Group ID：缩短为32比特，含义不变。
& 说明：
其它字段的介绍请参见“2.1.1 IPv6组播地址格式”一节。
内嵌于IPv6组播地址中的RP地址的计算规则如下：
(1) 先将IPv6组播地址Network prefix字段的前Plen位作为RP地址的网络前缀；
(2) 再将IPv6组播地址RIID字段填充到RP地址的最低4位；
(3) 最后，将RP地址的所有剩余位补0。
例如：对于IPv6组播地址FF7E:F40:2001:DB8:BEEF:FEED::1234，内嵌于其中的RP地址的前缀为Network prefix字段的前Plen（这里为0x40 = 64 bits）位，最低4位与RIID字段同为0xF，其余位均为0，如图5所示。
图5 嵌入式RP计算举例
假设网络管理员想在2001:DB8:BEEF:FEED::/64网段中设置RP，则内嵌RP地址的IPv6组播地址为FF7x:y40:2001:DB8:BEEF:FEED::/96，可分配32比特的Group ID，内嵌于其中的RP地址为2001:DB8:BEEF:FEED::y/64。
如果网络管理员想在IPv6组播地址中保留更多可分配的Group ID，可以选择更短的RP地址前缀：譬如取Plen = 0x20 = 32 bits，则此时内嵌RP地址的IPv6组播地址为FF7x:y20:2001:DB8::/64，可分配64比特的Group ID，内嵌于其中的RP地址为2001:DB8::y/32。
& 说明：
本节中的x表示任意合法的Scope，y代表1～F的任意一个十六进制数。
IPv6 SSM组播地址也使用基于单播前缀的IPv6组播地址格式，其中的Plen字段和Network prefix字段均取0。按照这个规定，IPv6 SSM组播地址范围为FF3x::/32（x表示任意合法的Scope）。
IPv6组播MAC地址以0x3333开头，低32位为IPv6组播地址的低32位，最终形成48比特的组播MAC地址。如图6所示，IPv6组播地址FF1E::F30E:101所对应的组播MAC地址为33-33-F3-0E-01-01。
图6 IPv6组播地址的MAC地址映射举例
IPv6支持的组播协议包括MLD、MLD Snooping、IPv6 PIM和IPv6 MBGP等。
MLD协议源自IGMP协议——MLDv1对应于IGMPv2，MLDv2对应于IGMPv3。与IGMP协议采用IP协议号为2的报文类型不同，MLD协议采用ICMPv6（IP协议号为58）的报文类型，包括MLD查询报文（类型值130）、MLDv1报告报文（类型值131）、MLDv1离开报文（类型值132）和MLDv2报告报文（类型值143）。MLD协议与IGMP协议除报文格式不同外，协议行为完全相同。
同样地，MLD Snooping与IGMP Snooping协议也基本相同。
IPv6 PIM协议与IPv4 PIM协议除报文中IP地址结构不同外，其它协议行为基本相同，IPv6 PIM也支持SM、DM和SSM这三种模式。
IPv6 PIM发送链路本地范围的协议报文（包括PIM Hello、Join-Prune、Assert、Bootstrap、Graft、Graft-Ack和State-refresh报文）时，报文的源IPv6地址使用发送接口的链路本地地址；IPv6 PIM发送全球范围的协议报文（包括Register、Register-Stop和C-RP Advertisement报文）时，报文的源IPv6地址使用发送接口的全球单播地址。
IPv6组播并不支持MSDP协议，如果需要接收来自其它IPv6 PIM域的组播数据，有以下两种实现方式：
l 通过其它方式（譬如广告等）直接获取其它IPv6 PIM域内的组播源地址，使用IPv6 PIM-SSM发起指定源组的加入；
l 使用嵌入式RP机制，通过嵌入RP地址的IPv6组播地址来获取其它IPv6 PIM域内的RP地址，向其它域内的RP发起组加入。
对于域间IPv6组播路由信息的传递，则可以使用IPv6的MBGP协议，其与IPv4的MBGP协议也基本相同。
l RFC 4291：IP Version 6 Addressing Architecture
l RFC 3306：Unicast-Prefix-based IPv6 Multicast Addresses
l RFC 3956：Embedding the Rendezvous Point (RP) Address in an IPv6 Multicast Address
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