车载以太网测试-13【网络层-IGMP协议】
目录
- 1 摘要
- 2 IGMP协议概述
-
- 2.1 IGMP 在 TCP/IP 协议栈中的位置
- 2.2 IGMP 与以太网的关系
- 2.3 为什么需要IGMP协议？
- 2.4 IGMP报文结构
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- 2.4.1 IGMPv1 报文结构
- 2.4.2 IGMPv2 报文结构
- 2.4.3 IGMPv3 报文结构
- 3 IGMP通信原理
-
- 3.1 GMP 的通信流程
- 3.2 IGMP协议完整流程示例
- 4 总结
1 摘要
IGMP 是 网络层协议，位于 TCP/IP 协议栈的网络层，它依赖于以太网作为底层传输介质，IGMP 报文封装在 IP 数据包中，而 IP 数据包又封装在以太网帧中传输。IGMP 主要用于在 IPv4 网络 中管理组播组成员关系，确保组播数据仅发送给加入组播组的设备。它的主要功能包括：
- 组成员管理：主机通过 IGMP 加入或离开组播组。
- 组播数据转发：路由器通过 IGMP 了解哪些设备属于哪个组播组，从而优化组播数据的转发。
总之，对于从事汽车行业的工程师来说，掌握IGMP协议也是必不可少的。
2 IGMP协议概述
2.1 IGMP 在 TCP/IP 协议栈中的位置
IGMP（Internet Group Management Protocol） 属于 网络层（Network Layer） 的协议，具体位于 TCP/IP协议栈 的网络层。
| OSI 模型层 | TCP/IP 协议栈层 | 协议示例 |
|---|---|---|
| 应用层（Application） | 应用层 | HTTP、FTP、DNS |
| 表示层（Presentation） | 应用层 | SSL/TLS |
| 会话层（Session） | 应用层 | SIP、RPC |
| 传输层（Transport） | 传输层 | TCP、UDP |
| 网络层（Network） | 网络层 | IGMP、IP、ICMP、ARP |
| 数据链路层（Data Link） | 网络接口层 | Ethernet、PPP |
| 物理层（Physical） | 网络接口层 | 光纤、电缆 |
2.2 IGMP 与以太网的关系
虽然 IGMP 是网络层协议，但它依赖于 以太网（Ethernet） 作为其底层传输介质。IGMP 报文封装在 IP 数据包 中，而 IP 数据包又封装在 以太网帧 中。因此，IGMP 报文在以太网中的传输过程如下：
- IGMP 报文：网络层协议，封装在 IP 数据包中。
- IP 数据包：封装在以太网帧中。
- 以太网帧：通过物理介质（如网线、光纤）传输。
IGMP 报文封装示例：
| 层级 | 协议/数据单元 | 描述 |
|---|---|---|
| 网络层 | IGMP 报文 | 包含组播组成员管理信息 |
| 网络层 | IP 数据包 | 封装 IGMP 报文，指定源和目的 IP 地址 |
| 数据链路层 | 以太网帧 | 封装 IP 数据包，指定源和目的 MAC 地址 |
| 物理层 | 比特流 | 通过物理介质传输 |
2.3 为什么需要IGMP协议？
IGMP（Internet Group Management Protocol）协议在组播通信中至关重要，主要原因如下：
1. 管理组播组成员
IGMP允许主机加入或离开组播组，确保只有感兴趣的设备接收组播数据，避免不必要的网络流量。
2. 优化网络资源
通过IGMP，网络设备（如交换机、路由器）能了解哪些设备属于哪个组播组，从而只将组播数据转发给相关设备，减少带宽浪费。
3. 动态组成员管理
IGMP支持动态加入和离开组播组，适应网络环境变化，如设备移动或新设备加入。
4. 支持多种组播应用
IGMP适用于多种组播应用场景，如视频会议、IPTV、在线游戏等，确保数据仅发送给需要的设备。
5. 减少网络拥塞
通过限制组播数据仅发送给加入组的设备，IGMP有效减少网络拥塞，提升整体性能。
6. 提高网络效率
IGMP帮助网络设备维护组播组信息，确保数据高效传输，避免不必要的复制和转发。
7. 支持大规模网络
在大规模网络中，IGMP帮助管理大量组播组和成员，确保数据准确传输到每个成员。
8. 与路由协议协同工作
IGMP与PIM等组播路由协议协同，确保组播数据在网络中正确路由和转发。
IGMP协议通过管理组播组成员、优化网络资源、支持动态成员管理等功能，确保组播通信的高效性和可靠性，是组播通信不可或缺的组成部分。
2.4 IGMP报文结构
IGMP 的报文类型主要包括以下几种：
| 报文类型 | 描述 |
|---|---|
| 成员查询（Membership Query） | 路由器发送，询问主机是否属于某个组播组。 |
| 成员报告（Membership Report） | 主机发送，告知路由器其组成员身份。 |
| 离开组（Leave Group） | 主机发送，通知路由器其离开组播组的意图（仅 IGMPv2 和 IGMPv3 支持）。 |
以下是 IGMP报文结构 的表格示例，分别展示了 IGMPv1、IGMPv2 和 IGMPv3 的报文字段及其含义。
2.4.1 IGMPv1 报文结构
| 字段名 | 长度（字节） | 描述 |
|---|---|---|
| 类型（Type） | 1 | 0x11：成员查询（Membership Query）0x12：成员报告（Membership Report） |
| 未使用（Unused） | 1 | 全0，保留字段 |
| 校验和（Checksum） | 2 | 用于检测报文传输中的错误 |
| 组播组地址（Group Address） | 4 | 组播组的IP地址（查询报文中为 0.0.0.0） |
2.4.2 IGMPv2 报文结构
| 字段名 | 长度（字节） | 描述 |
|---|---|---|
| 类型（Type） | 1 | 0x11：成员查询（Membership Query）0x16：成员报告（Membership Report）0x17：离开组（Leave Group） |
| 最大响应时间（Max Response Time） | 1 | 主机响应查询报文的最大时间（单位：0.1秒） |
| 校验和（Checksum） | 2 | 用于检测报文传输中的错误 |
| 组播组地址（Group Address） | 4 | 组播组的IP地址（查询报文中为 0.0.0.0） |
2.4.3 IGMPv3 报文结构
IGMPv3 支持源特定组播（SSM），报文结构更复杂，分为 查询报文 和 报告报文。
- IGMPv3 查询报文
| 字段名 | 长度（字节） | 描述 |
|---|---|---|
| 类型（Type） | 1 | 0x11：成员查询（Membership Query） |
| 最大响应时间（Max Response Time） | 1 | 主机响应查询报文的最大时间（单位：0.1秒） |
| 校验和（Checksum） | 2 | 用于检测报文传输中的错误 |
| 组播组地址（Group Address） | 4 | 组播组的IP地址（一般查询为 0.0.0.0，特定组查询为组播组地址） |
| S标志（S Flag） | 1位 | 指示是否抑制路由器处理 |
| QRV（Querier’s Robustness Variable） | 3位 | 查询者的健壮性变量 |
| QQIC（Querier’s Query Interval Code） | 1字节 | 查询间隔代码 |
| 源地址数量（Number of Sources） | 2字节 | 指定源地址的数量（仅特定组查询有效） |
| 源地址（Source Addresses） | 4字节 × N | 源地址列表（仅特定组查询有效） |
- IGMPv3 报告报文
| 字段名 | 长度（字节） | 描述 |
|---|---|---|
| 类型（Type） | 1 | 0x22：成员报告（Membership Report） |
| 保留（Reserved） | 1 | 全0，保留字段 |
| 校验和（Checksum） | 2 | 用于检测报文传输中的错误 |
| 保留（Reserved） | 2 | 全0，保留字段 |
| 组记录数量（Number of Group Records） | 2字节 | 组记录的数量 |
| 组记录（Group Records） | 可变长度 | 每个组记录包含组播组地址、源地址列表和记录类型等信息 |
- 组记录（Group Record）结构
| 字段名 | 长度（字节） | 描述 |
|---|---|---|
| 记录类型（Record Type） | 1 | 组记录类型（如 MODE_IS_INCLUDE、MODE_IS_EXCLUDE 等） |
| 辅助数据长度（Aux Data Len） | 1 | 辅助数据的长度（通常为0） |
| 源地址数量（Number of Sources） | 2字节 | 源地址的数量 |
| 组播组地址（Multicast Address） | 4字节 | 组播组的IP地址 |
| 源地址（Source Addresses） | 4字节 × N | 源地址列表 |
| 辅助数据（Auxiliary Data） | 可变长度 | 辅助数据（通常为空） |
以上表格展示了 IGMPv1、IGMPv2 和 IGMPv3 的报文结构。IGMPv3 的报文结构更为复杂，支持源特定组播（SSM），适用于更灵活的组播场景。
3 IGMP通信原理
IGMP（Internet Group Management Protocol） 是一种用于管理组播组成员的协议，主要应用于 IPv4 网络 中。它的工作原理是通过路由器/交换机与主机之间的交互，动态维护组播组成员关系，确保组播数据仅发送给加入组播组的设备。以下是 IGMP 协议的工作原理详解：
3.1 GMP 的通信流程
IGMP 协议通过路由器/交换机与主机之间的交互，动态维护组播组成员关系，确保组播数据仅发送给需要的设备。它的工作原理包括成员查询、成员报告和离开组报文，支持动态组成员管理和高效数据转发。IGMP 的不同版本（v1、v2、v3）在功能和报文结构上有所改进，适用于不同的组播场景。IGMP 的工作流程主要包括以下步骤：
（1）路由器发送成员查询（Membership Query）
- 路由器定期向局域网发送 IGMP 成员查询报文，询问网络中的主机是否属于某个组播组。
- 查询报文分为两种：
- 一般查询（General Query）：询问所有组播组。
- 特定组查询（Group-Specific Query）：询问特定组播组。
（2）主机响应成员报告（Membership Report）
- 主机收到查询报文后，如果属于某个组播组，会发送 IGMP 成员报告报文，告知路由器其组成员身份。
- 主机也可以在加入新组播组时主动发送成员报告报文，无需等待查询。
（3）主机离开组播组（Leave Group）
- 当主机不再需要接收某个组播组的数据时，会发送 IGMP 离开组报文（IGMPv2 和 IGMPv3 支持），通知路由器其离开意图。
- 路由器收到离开组报文后，会发送特定组查询，确认是否还有其他主机属于该组播组。
（4）路由器维护组播组信息
- 路由器根据主机的成员报告和离开组报文，动态维护组播组成员信息。
- 如果某个组播组没有成员，路由器会停止向该组播组转发数据。
3.2 IGMP协议完整流程示例
以下是一个车载以太网通过 IGMP协议 实现组播数据交互的完整流程示例，包含详细的报文数据。
假设场景如下：
- 网络设备：
- 车载网关（路由器）：IP地址
192.168.1.1，MAC地址00:1A:2B:3C:4D:5E - 车载设备 Host A：IP地址
192.168.1.2，MAC地址00:1B:2C:3D:4E:5F - 车载设备 Host B：IP地址
192.168.1.3，MAC地址00:1C:2D:3E:4F:5A
- 车载网关（路由器）：IP地址
- 组播组地址：
239.255.10.1 - IGMP版本：IGMPv2
- 组播数据：车载传感器数据（例如车速、温度等）
1. 车载网关发送IGMP一般查询（General Query）
车载网关定期发送IGMP一般查询报文，询问网络中的设备是否属于任何组播组。
-
报文数据：
- 目的MAC地址：
01:00:5E:00:00:01（组播MAC地址，对应IP地址224.0.0.1） - 目的IP地址：
224.0.0.1（所有主机的组播地址） - 源IP地址：
192.168.1.1（车载网关的IP地址） - IGMP字段：
- 类型：
0x11（成员查询） - 最大响应时间：
10（单位：0.1秒，即1秒） - 校验和：
0xABCD（示例值） - 组播组地址：
0.0.0.0（一般查询，组播组地址为0）
- 类型：
- 目的MAC地址：
-
报文示例：
Ethernet Header: Destination MAC: 01:00:5E:00:00:01 Source MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E IP Header: Destination IP: 224.0.0.1 Source IP: 192.168.1.1 IGMP Payload: Type: 0x11 Max Response Time: 10 Checksum: 0xABCD Group Address: 0.0.0.0
2. Host A响应IGMP成员报告（Membership Report）
Host A属于组播组 239.255.10.1，发送IGMP成员报告报文，告知车载网关其组成员身份。
-
报文数据：
- 目的MAC地址：
01:00:5E:7F:0A:01（组播MAC地址，对应IP地址239.255.10.1） - 目的IP地址：
239.255.10.1（组播组地址） - 源IP地址：
192.168.1.2（Host A的IP地址） - IGMP字段：
- 类型：
0x16（IGMPv2成员报告） - 最大响应时间：
0（成员报告中该字段为0） - 校验和：
0x1234（示例值） - 组播组地址：
239.255.10.1
- 类型：
- 目的MAC地址：
-
报文示例：
Ethernet Header: Destination MAC: 01:00:5E:7F:0A:01 Source MAC: 00:1B:2C:3D:4E:5F IP Header: Destination IP: 239.255.10.1 Source IP: 192.168.1.2 IGMP Payload: Type: 0x16 Max Response Time: 0 Checksum: 0x1234 Group Address: 239.255.10.1
3. Host B主动加入组播组
Host B决定加入组播组 239.255.10.1，主动发送IGMP成员报告报文。
-
报文数据：
- 目的MAC地址：
01:00:5E:7F:0A:01（组播MAC地址，对应IP地址239.255.10.1） - 目的IP地址：
239.255.10.1（组播组地址） - 源IP地址：
192.168.1.3（Host B的IP地址） - IGMP字段：
- 类型：
0x16（IGMPv2成员报告） - 最大响应时间：
0 - 校验和：
0x5678（示例值） - 组播组地址：
239.255.10.1
- 类型：
- 目的MAC地址：
-
报文示例：
Ethernet Header: Destination MAC: 01:00:5E:7F:0A:01 Source MAC: 00:1C:2D:3E:4F:5A IP Header: Destination IP: 239.255.10.1 Source IP: 192.168.1.3 IGMP Payload: Type: 0x16 Max Response Time: 0 Checksum: 0x5678 Group Address: 239.255.10.1
4. 车载网关转发组播数据
车载网关开始向组播组 239.255.10.1 转发车载传感器数据（例如车速、温度等）。
-
报文数据：
- 目的MAC地址：
01:00:5E:7F:0A:01（组播MAC地址，对应IP地址239.255.10.1） - 目的IP地址：
239.255.10.1（组播组地址） - 源IP地址：
192.168.1.1（车载网关的IP地址） - 数据内容：
车速：60 km/h，温度：25°C
- 目的MAC地址：
-
报文示例：
Ethernet Header: Destination MAC: 01:00:5E:7F:0A:01 Source MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E IP Header: Destination IP: 239.255.10.1 Source IP: 192.168.1.1 Data Payload: 车速：60 km/h，温度：25°C
5. Host A和Host B接收组播数据
Host A和Host B作为组播组 239.255.10.1 的成员，接收并处理组播数据。
-
Host A接收的报文：
Ethernet Header: Destination MAC: 01:00:5E:7F:0A:01 Source MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E IP Header: Destination IP: 239.255.10.1 Source IP: 192.168.1.1 Data Payload: 车速：60 km/h，温度：25°C -
Host B接收的报文：
Ethernet Header: Destination MAC: 01:00:5E:7F:0A:01 Source MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E IP Header: Destination IP: 239.255.10.1 Source IP: 192.168.1.1 Data Payload: 车速：60 km/h，温度：25°C
6. Host A离开组播组
Host A不再需要接收组播组 239.255.10.1 的数据，发送IGMP离开组报文。
-
报文数据：
- 目的MAC地址：
01:00:5E:00:00:02（组播MAC地址，对应IP地址224.0.0.2） - 目的IP地址：
224.0.0.2（所有路由器的组播地址） - 源IP地址：
192.168.1.2（Host A的IP地址） - IGMP字段：
- 类型：
0x17（IGMPv2离开组） - 最大响应时间：
0 - 校验和：
0x9ABC（示例值） - 组播组地址：
239.255.10.1
- 类型：
- 目的MAC地址：
-
报文示例：
Ethernet Header: Destination MAC: 01:00:5E:00:00:02 Source MAC: 00:1B:2C:3D:4E:5F IP Header: Destination IP: 224.0.0.2 Source IP: 192.168.1.2 IGMP Payload: Type: 0x17 Max Response Time: 0 Checksum: 0x9ABC Group Address: 239.255.10.1
7. 车载网关发送特定组查询（Group-Specific Query）
车载网关收到Host A的离开组报文后，发送特定组查询报文，确认是否还有其他设备属于组播组 239.255.10.1。
-
报文数据：
- 目的MAC地址：
01:00:5E:7F:0A:01（组播MAC地址，对应IP地址239.255.10.1） - 目的IP地址：
239.255.10.1（组播组地址） - 源IP地址：
192.168.1.1（车载网关的IP地址） - IGMP字段：
- 类型：
0x11（成员查询） - 最大响应时间：
10（单位：0.1秒，即1秒） - 校验和：
0xDEF0（示例值） - 组播组地址：
239.255.10.1
- 类型：
- 目的MAC地址：
-
报文示例：
Ethernet Header: Destination MAC: 01:00:5E:7F:0A:01 Source MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E IP Header: Destination IP: 239.255.10.1 Source IP: 192.168.1.1 IGMP Payload: Type: 0x11 Max Response Time: 10 Checksum: 0xDEF0 Group Address: 239.255.10.1
8. Host B响应特定组查询
Host B仍然属于组播组 239.255.10.1，发送IGMP成员报告报文。
-
报文数据：
- 目的MAC地址：
01:00:5E:7F:0A:01（组播MAC地址，对应IP地址239.255.10.1） - 目的IP地址：
239.255.10.1（组播组地址） - 源IP地址：
192.168.1.3（Host B的IP地址） - IGMP字段：
- 类型：
0x16（IGMPv2成员报告） - 最大响应时间：
0 - 校验和：
0x5678（示例值） - 组播组地址：
239.255.10.1
- 类型：
- 目的MAC地址：
-
报文示例：
Ethernet Header: Destination MAC: 01:00:5E:7F:0A:01 Source MAC: 00:1C:2D:3E:4F:5A IP Header: Destination IP: 239.255.10.1 Source IP: 192.168.1.3 IGMP Payload: Type: 0x16 Max Response Time: 0 Checksum: 0x5678 Group Address: 239.255.10.1
以上流程展示了车载以太网通过IGMP协议实现组播数据交互的完整过程，包括一般查询、成员报告、组播数据转发、离开组和特定组查询的报文数据。通过IGMP协议，车载网络能够高效管理组播组成员，确保组播数据仅发送给需要的设备。
4 总结
以上是对IGMP协议在以太网协议栈的位置、IGMP协议的作用、IGMP报文结构、通信原理以及示例进行了详细介绍。希望能对大家学习车载以太网有所帮助！