5 题型 - IP多播

描述：IP 多播把一个分组交付给一个多播组。常考点是 IPv4 多播地址到以太网多播 MAC 的映射、224.0.0.1 的含义、IGMP 的作用范围与 TTL，以及多播转发树的建立和剪枝。

5.1 IPv4 多播基础

IPv4 多播地址使用 D 类地址空间：

224.0.0.0/4

其 32 位结构为：

高 4 位固定为 1110，低 28 位用于表示多播组

多播通信的接收者以“组”组织：

发送者把目的 IPv4 地址设为多播组地址。
加入该组的主机接收相应多播分组。
多播路由器负责把分组沿多播转发树复制到存在组成员的网络。

224.0.0.1 是本地网络上的“所有主机”多播地址。在该网络中，参加 IP 多播的主机和路由器的网际层都应接收目的地址为 224.0.0.1 的分组。

5.2 IPv4 多播地址映射为以太网 MAC

5.2.1 映射规则

IANA 为 IPv4 多播保留的以太网 MAC 前缀为：

01-00-5E

完整映射方法：

MAC 地址前 25 位固定为 01-00-5E 加一个 0 位。
IPv4 多播地址只取最低 23 位。
把这 23 位填入 MAC 地址最低 23 位。

因此以太网多播目的 MAC 的形式为：

01-00-5E-0xxxxxxx-xxxxxxxx-xxxxxxxx

其中后 23 位来自 IPv4 多播地址的低 23 位。

5.2.2 映射不是一一对应

IPv4 多播地址在固定前缀 1110 后还有 28 个可变位，但 MAC 只能携带其中低 23 位，最高的 5 个可变位没有参与映射。

$$ 28-23=5 $$

所以同一个多播 MAC 最多对应：

$$ 2^5=32 $$

个不同的 IPv4 多播地址。网卡按 MAC 过滤之后，IP 层还需要继续检查真正的目的多播 IP。

5.2.3 示例：`224.0.0.1`

224.0.0.1 的低 23 位为 1，映射结果为：

IPv4 多播地址：224.0.0.1
以太网多播 MAC：01-00-5E-00-00-01

5.3 IGMP

5.3.1 作用

IGMP 用于让连接在本地局域网上的多播路由器获知：

本局域网是否有主机加入某个多播组。
本局域网是否有主机退出某个多播组。

IGMP 管理的是“主机与本地多播路由器之间的组成员关系”，不是路由器之间的全网多播选路协议。

5.3.2 能知道与不能知道的信息

通过 IGMP，多播路由器可以判断本地网络上是否存在某组成员，但不能仅靠 IGMP 得知：

该多播组一共有多少成员。
各成员具体是谁。
这些成员分布在哪些远端网络。

5.3.3 `224.0.0.1` 与 TTL

IGMP 成员查询报文可以封装在目的地址为 224.0.0.1 的 IP 多播数据报中发送。为了把查询限制在本地网络，不让路由器转发到其他网络，IPv4 首部的 TTL 设为：

IGMP 直接封装在 IP 中，其 IPv4 首部协议字段值为 2。

5.4 多播路由与转发树

IGMP 只解决本地组成员关系；要跨网络交付多播数据，还需要多播路由协议在多播路由器之间建立转发结构。

基本过程：

为多播组建立多播转发树。
IP 多播数据报沿树进行复制和转发，到达所有存在该组成员的多播路由器。
可利用反向路径广播建立初始广播转发树。
再通过剪枝去掉下游没有该组成员的分支，避免无效泛洪。

flowchart LR
    S[多播源] --> R1[多播路由器]
    R1 --> R2[有组成员的下游网络]
    R1 --> R3[无组成员的下游网络]
    R3 -.剪枝.-> X[不再转发]
    R2 --> G[多播组成员]

5.5 模拟题：目的地址为 `224.0.0.1`（原题前提不足）

原题只说明“以太网中的某个 IP 多播数据报 P 的目的地址为 224.0.0.1”，随后要求单选判断错误项。按协议的严格语义，这些条件不足以唯一确定一个答案；下面把“由题干必然推出的结论”和“原讲义默认的 IGMP 查询语境”分开。

A. 目的 MAC 为 `01-00-5E-00-00-01`

根据“固定前 25 位 + IP 低 23 位”的规则，映射结果确实是：

01-00-5E-00-00-01

A 正确。

B. 本以太网内参加多播的主机和路由器都会在网际层接收 P

224.0.0.1 表示本地网络上的所有 IP 多播主机，因此相应主机和路由器的网际层都会接收该目的地址的分组。

B 正确。

C. P 的 TTL 初值为 1

仅知道目的地址为 224.0.0.1，不能反推出任意发送方设置的 TTL 初值。224.0.0.0/24 属于链路本地网络控制块，多播路由器不得把这类目的地址的分组转发到其他网络；这个转发范围规则与发送方究竟把 TTL 字段填写为多少是两回事。只有再补充“P 是 IGMP 成员查询等本地链路控制报文”这一前提时，才可依据 IGMP 规则判定其 TTL 为 1。

C 按原题字面不能判为必然正确；若补充 P 是 IGMP 查询报文，则 C 正确。

D. P 的数据载荷不可能是 IGMP 成员查询报文

IGMP 成员查询报文确实可以封装在目的地址为 224.0.0.1、TTL 为 1 的 IP 多播数据报中。因此“载荷不可能是 IGMP 查询”这一绝对说法不成立。

D 错误。原讲义把 D 作为单选答案。

WARNING · 原题严谨性原讲义在解析 C 时静默假定 P 是“封装 IGMP 查询的本地控制报文”，但题干只说 P 是某个发往 224.0.0.1 的 IP 多播数据报。按字面，C 与 D 都不能成立，原单选题不严谨；若要保留答案 D，必须在题干中明确“P 是 IGMP 成员查询报文”，此时 C 才能随之确定为真。

5.6 解题步骤

看到 224.0.0.0/4，先确认它是 IPv4 多播地址。
求 MAC 时写出固定前缀 01-00-5E，只复制 IP 地址低 23 位。
注意有 5 位未映射，因此 IP 多播地址与 MAC 多播地址不是一一对应。
判断 IGMP 题时区分本地成员管理与跨网络多播路由。
看到 224.0.0.1 且题干明确是 IGMP 本地查询场景，联想到“所有多播主机”和 TTL=1；不要只凭目的地址推断任意数据报的发送 TTL。若原题没有这个前提，应指出题目条件不足。
转发树题先反向路径广播，再剪除没有组成员的下游分支。

5.7 易错点

多播不是广播：只有加入相应多播组的主机才是目标接收者。
IPv4 多播的 28 个可变位并没有全部映射到 MAC，只有低 23 位参与。
一个多播 MAC 最多对应 32 个 IPv4 多播地址，不能由 MAC 唯一反推出组地址。
224.0.0.1 映射为 01-00-5E-00-00-01，不能把整个 IP 地址机械拼到 MAC 后面。
IGMP 不能计算全网成员数，也不能建立路由器之间的多播转发树。
IGMP 查询的 TTL=1 是本地链路控制报文的规则；它不是“经过一个路由器后仍继续传播”，也不能推广到所有发往 224.0.0.1 的任意数据报。
反向路径广播用于形成转发结构，剪枝用于删除下游没有成员的分支。

5.8 本节复盘

IPv4 多播地址属于 224.0.0.0/4，高 4 位固定为 1110。
以太网多播 MAC 固定前缀为 01-00-5E，只映射 IPv4 多播地址的低 23 位。
因有 5 位未映射，一个多播 MAC 最多对应 $2^5=32$ 个 IPv4 多播地址。
224.0.0.1 映射为 01-00-5E-00-00-01，表示本地网络上的所有 IP 多播主机。
IGMP 让本地多播路由器知道本网络是否有主机加入或退出某组，但不能得知全网成员数量和分布。
IGMP 成员查询可以使用目的地址 224.0.0.1，TTL 设为 1；原模拟题把 D 作为预期答案，但题干未声明 P 是 IGMP 查询，因此严格说 C 也不能由题干推出。
多播路由协议建立多播转发树，可先反向路径广播，再剪枝删除无成员分支。