什么是IGMP？

IGMP是TCP/IP協(xié)議族中一個(gè)關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，全稱是 Internet Group Management Protocol，即互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議。它是TCP/IP協(xié)議族中負(fù)責(zé)組播組成員管理的核心協(xié)議。

在網(wǎng)絡(luò)中，有三種主要的通信方式：

• 單播：一對(duì)一。服務(wù)器為每個(gè)接收者單獨(dú)發(fā)送一份數(shù)據(jù)流。效率低，占用大量帶寬和服務(wù)器資源。
• 廣播：一對(duì)所有。數(shù)據(jù)發(fā)送到整個(gè)子網(wǎng)，無(wú)論你是否需要，所有設(shè)備都必須接收并處理，造成干擾和浪費(fèi)。
• 組播：一對(duì)一組。服務(wù)器只發(fā)送一份數(shù)據(jù)流，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機(jī)）根據(jù)組成員情況，智能地將數(shù)據(jù)復(fù)制并轉(zhuǎn)發(fā)到有需要的成員所在的網(wǎng)段。

IGMP就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)“組播”的關(guān)鍵。它運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)層（OSI第三層），介于主機(jī)（接收者）和與其直接相連的組播路由器之間。在沒(méi)有IGMP的網(wǎng)絡(luò)中，組播數(shù)據(jù)會(huì)被重復(fù)發(fā)送到所有設(shè)備，無(wú)論它們是否需要。這會(huì)占用大量寶貴的網(wǎng)絡(luò)帶寬，尤其是在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中。大量不必要的組播數(shù)據(jù)充斥網(wǎng)絡(luò)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，增加延遲和丟包率，嚴(yán)重影響其他網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

IGMP工作原理三部曲

路由器查詢（定期發(fā)送IGMP查詢報(bào)文）

IGMP的核心在于其“查詢-報(bào)告”機(jī)制。組播路由器定期（默認(rèn)每60秒）向本地網(wǎng)絡(luò)發(fā)送IGMP查詢報(bào)文（Query Message）。所有主機(jī)在收到查詢報(bào)文后，若屬于某個(gè)組播組，會(huì)以IGMP報(bào)告報(bào)文（Report Message）的形式進(jìn)行響應(yīng)，聲明自己是該組播組的成員。這種機(jī)制讓路由器能夠動(dòng)態(tài)地維護(hù)一個(gè)精確的組播成員列表。

主機(jī)報(bào)告（加入/響應(yīng)組播組）

當(dāng)主機(jī)需要接收特定組播數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)主動(dòng)發(fā)送IGMP報(bào)告報(bào)文，聲明加入該組播組。這個(gè)過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，無(wú)需人工配置，主機(jī)可以隨時(shí)加入新的組播組。路由器收到報(bào)告后，會(huì)更新其組播轉(zhuǎn)發(fā)表，確保該組播數(shù)據(jù)能夠被轉(zhuǎn)發(fā)到該主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)段。

在數(shù)據(jù)中心，IGMP Snooping技術(shù)讓二層交換機(jī)也能理解IGMP報(bào)文，從而在數(shù)據(jù)鏈路層（二層）進(jìn)行組播流量的過(guò)濾和轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)一步減少不必要的數(shù)據(jù)復(fù)制。

當(dāng)主機(jī)不再需要接收組播數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)發(fā)送IGMP離開(kāi)報(bào)文（Leave Message）。路由器收到離開(kāi)報(bào)文后，會(huì)發(fā)送特定組查詢報(bào)文（Specific Group Query）來(lái)確認(rèn)該主機(jī)是否真的離開(kāi)。如果在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到該主機(jī)的響應(yīng)，路由器會(huì)從組播轉(zhuǎn)發(fā)表中移除該主機(jī)，停止向其轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)。

精準(zhǔn)轉(zhuǎn)發(fā)（僅向活躍成員發(fā)送數(shù)據(jù)）

基于維護(hù)的組播成員列表，路由器能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。它只會(huì)將組播數(shù)據(jù)發(fā)送到有活躍接收者的網(wǎng)絡(luò)段，而不是進(jìn)行全網(wǎng)廣播。這種機(jī)制在數(shù)據(jù)中心尤為重要，因?yàn)榭梢燥@著減少網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗，提高網(wǎng)絡(luò)效率。

如果說(shuō)IGMP是為數(shù)據(jù)流導(dǎo)航至目標(biāo)樓宇（子網(wǎng)）的尋址系統(tǒng)，那么IGMP Snooping就是確保數(shù)據(jù)在樓宇內(nèi)精準(zhǔn)投遞到每一個(gè)房間（端口）的派送邏輯。

什么是IGMP Snooping？

IGMP Snooping（IGMP窺探）是一種二層組播約束機(jī)制，主要部署在以太網(wǎng)交換機(jī)上。它本身不主動(dòng)發(fā)送IGMP報(bào)文，而是像一個(gè)“旁聽(tīng)者”一樣，監(jiān)聽(tīng)主機(jī)與三層路由器之間交換的IGMP報(bào)文。通過(guò)分析這些報(bào)文，IGMP Snooping能夠建立并維護(hù)一張“二層組播轉(zhuǎn)發(fā)表”，這張表記錄了每個(gè)組播組的成員所在的具體交換機(jī)端口。

當(dāng)交換機(jī)收到組播數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)根據(jù)這張表將數(shù)據(jù)只轉(zhuǎn)發(fā)給有接收者（即已加入該組播組）的端口，而不是進(jìn)行廣播。這極大地減少了二層網(wǎng)絡(luò)中的冗余流量，節(jié)約了寶貴的帶寬資源，并提升了組播信息的安全性。

IGMP與IGMP Snooping的區(qū)別

IGMP和IGMP Snooping雖然緊密相關(guān)，但它們?cè)诓煌木W(wǎng)絡(luò)層級(jí)發(fā)揮作用，解決的問(wèn)題也不同。

IGMP在數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵應(yīng)用

IGMP及其相關(guān)技術(shù)（如IGMP Snooping）在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

• 流媒體與直播 ：在大規(guī)模直播場(chǎng)景中，IGMP組播技術(shù)可以將4K視頻流一次性推送到所有訂閱的CDN節(jié)點(diǎn)，單鏈路負(fù)載可下降95%。
• 分布式存儲(chǔ)同步 ：Ceph、HDFS等分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)在進(jìn)行副本恢復(fù)或元數(shù)據(jù)廣播時(shí)，利用IGMP技術(shù)只向持有對(duì)應(yīng)分片的節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新，避免了全網(wǎng)洪泛。
• 虛擬機(jī)批量啟動(dòng) ：在OpenStack等云平臺(tái)大規(guī)模啟動(dòng)虛擬機(jī)時(shí)，控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)組播下發(fā)鏡像，配合IGMP Snooping保證只有計(jì)算節(jié)點(diǎn)接收，極大地提高了效率。
• 網(wǎng)絡(luò)虛擬化 ：在VXLAN等網(wǎng)絡(luò)虛擬化場(chǎng)景下，IGMP Snooping確保組播流量?jī)H在需要的VTEP（VXLAN Tunnel End Point）間復(fù)制，避免了不必要的跨網(wǎng)絡(luò)傳輸。

IGMP和IGMP Snooping是組播技術(shù)中不同層級(jí)的協(xié)作機(jī)制，共同作用于網(wǎng)絡(luò)的不同層級(jí)，以實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分發(fā)。

• IGMP作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，運(yùn)行在主機(jī)與直接相連的組播路由器之間。
• IGMP Snooping是交換機(jī)上的二層功能，它通過(guò)監(jiān)聽(tīng)I(yíng)GMP報(bào)文來(lái)學(xué)習(xí)組播組成員分布。