组播地址详解：IPv4与IPv6的差异与映射关系
组播地址详解：IPv4与IPv6的差异与映射关系
组播通信是一种重要的网络通信方式，它允许一个或多个发送者将数据包发送到一组接收者。为了实现这种通信方式，需要使用专门的组播地址。本文将详细介绍IPv4和IPv6的组播地址格式、范围及其映射到MAC地址的规则。
为了使组播源和组播组成员进行通信，需要提供网络层组播，使用IP组播地址。同时，为了在本地物理网络上实现组播信息的正确传输，需要提供链路层组播，使用组播MAC地址。组播数据传输时，其目的地不是一个具体的接收者，而是一个成员不确定的组，所以需要一种技术将IP组播地址映射为组播MAC地址。
IPv4组播地址
IANA（Internet Assigned Numbers Authority，互联网编号分配委员会）将D类地址空间分配给IPv4组播使用。IPv4地址一共32位，D类地址最高4位为1110，因此地址范围从224.0.0.0到239.255.255.255，具体分类及含义见表1。
表1 IPv4组播地址的范围及含义
地址范围 | 含义 |
|---|---|
224.0.0.0～224.0.0.255 | 永久组地址。IANA为路由协议预留的IP地址（也称为保留组地址），用于标识一组特定的网络设备，供路由协议、拓扑查找等使用，不用于组播转发。常见的永久组地址如表2所示。 |
224.0.1.0～231.255.255.255 233.0.0.0～238.255.255.255 | ASM组播地址，全网范围内有效。 |
232.0.0.0～232.255.255.255 | 缺省情况下的SSM组播地址，全网范围内有效。 |
239.0.0.0～239.255.255.255 | 本地管理组地址，仅在本地管理域内有效。在不同的管理域内重复使用相同的本地管理组地址不会导致冲突。 |
表2 常见的永久组地址列表
永久组地址 | 含义 |
|---|---|
224.0.0.0 | 不分配 |
224.0.0.1 | 网段内所有主机和路由器（等效于广播地址） |
224.0.0.2 | 所有组播路由器 |
224.0.0.3 | 不分配 |
224.0.0.4 | DVMRP（Distance Vector Multicast Routing Protocol，距离矢量组播路由协议）路由器 |
224.0.0.5 | OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）路由器 |
224.0.0.6 | OSPF DR（Designated Router，指定路由器） |
224.0.0.7 | ST（Shared Tree，共享树）路由器 |
224.0.0.8 | ST主机 |
224.0.0.9 | RIP-2（Routing Information Protocol version 2，路由信息协议版本2）路由器 |
224.0.0.11 | 移动代理（Mobile-Agents） |
224.0.0.12 | DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）服务器/中继代理 |
224.0.0.13 | 所有PIM（Protocol Independent Multicast，协议无关组播）路由器 |
224.0.0.14 | RSVP（Resource Reservation Protocol，资源预留协议）封装 |
224.0.0.15 | 所有CBT（Core-Based Tree，有核树）路由器 |
224.0.0.16 | 指定SBM（Subnetwork Bandwidth Management，子网带宽管理） |
224.0.0.17 | 所有SBM |
224.0.0.18 | VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由器冗余协议） |
224.0.0.22 | 所有使能IGMPv3（Internet Group Management Protocol, Version 3，因特网组管理协议）的路由器 |
224.0.0.19～224.0.0.21 224.0.0.23～224.0.0.255 | 未指定 |
IPv6组播地址
IPv6地址长度是128位，在RFC4291中对组播地址的定义如图1所示。
和IPv4组播地址相比，IPv6组播地址有了明确的Group ID字段用于标识组播组。
- FF：最高8位为11111111，标识此地址为组播地址。即IPv6组播地址总是以FF开头。
- Flags字段（4位）：用来标识组播地址的状态。格式如下：
表3 Flags字段各位取值及含义
位 | 取值说明 |
|---|---|
0位 | 最高位为保留位，必须为0。 |
R位 | 取0表示非内嵌RP的组播地址。取1表示内嵌RP的组播地址，此时P、T位也必须置1。 |
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。 |
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。 |
- Scope字段（4位）：用来标识组播组的应用范围，例如是只包含同一本地网络、同一站点、同一机构中的节点，还是包含全球地址空间内的任何节点。其含义如下：
表4 Scope字段的取值及含义
取值 | 含义 |
|---|---|
0、3、F | 保留 |
1 | 节点（或接口）本地范围（node/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） |
8 | 机构本地范围（organization-local scope） |
E | 全球范围（global scope） |
其他 | 未分配 |
- Group ID（112位）：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。
固定的IPv6组播地址的范围及含义如表5。
表5 IPv6组播地址的范围及含义
范围 | 含义 |
|---|---|
FF0x::/32 | 保留组地址，具体请参见表6。 |
FF1x::/32（x不能是1或者2） FF2x::/32（x不能是1或者2） | ASM组播地址，全网范围内有效。 |
FF3x::/32（x不能是1或者2） | 缺省的SSM组地址范围，全网范围内有效。 |
表6 IPv6常用组播地址范围及含义
范围 | IPv6组播地址 | 含义 |
|---|---|---|
节点（或接口）本地范围 | FF01::1 | 所有节点（接口）地址 |
FF01::2 | 所有路由器地址 | |
链路本地范围 | FF02::1 | 所有节点地址 |
FF02::2 | 所有路由器地址 | |
FF02::3 | 未定义的地址 | |
FF02::4 | DVMRP路由器 | |
FF02::5 | OSPF IGP Routers | |
FF02::6 | OSPF IGP DR | |
FF02::7 | ST路由器 | |
FF02::8 | ST主机 | |
FF02::9 | RIP路由器 | |
FF02::A | EIGRP路由器 | |
FF02::B | 移动代理 | |
FF02::D | 所有PIM路由器 | |
FF02::E | RSVP封装 | |
FF02::1:1 | Link Name | |
FF02::1:2 | 所有DHCP代理 | |
FF02::1:FFXX:XXXX | Solicited-Node地址，XX:XXXX表示节点IPv6地址的后24位 | |
站点本地范围 | FF05::2 | 所有路由器地址 |
FF05::1:3 | 所有DHCP服务器 | |
FF05::1:4 | 所有DHCP中继 | |
FF05::1:1000～FF05::1:13FF | 服务位置 |
IPv4组播MAC地址
以太网传输IPv4单播报文的时候，目的MAC地址使用的是接收者的MAC地址。但是在传输组播数据时，其目的地不再是一个具体的接收者，而是一个成员不确定的组，所以要使用IPv4组播MAC地址，即IPv4组播地址映射到链路层中的地址。
IANA规定，IPv4组播MAC地址的高24位为0x01005e，第25位为0，低23位为IPv4组播地址的低23位，映射关系如图3所示。例如组播组地址224.0.1.1对应的组播MAC地址为01-00-5e-00-01-01。
IPv4组播地址的前4位是固定的1110，对应组播MAC地址的高25位，后28位中只有23位被映射到MAC地址，因此丢失了5位的地址信息，直接结果是有32个IPv4组播地址映射到同一MAC地址上。例如IP地址为224.0.1.1、224.128.1.1、225.0.1.1、239.128.1.1等组播组的组播MAC地址都为01-00-5e-00-01-01。网络管理员在分配地址时必须考虑这种情况。
IPv6组播MAC地址
IPv6组播MAC地址的高16位为0x3333，低32位为IPv6组播地址的低32位。如图4所示，是IPv6组播地址FF01::1111:1的MAC地址映射举例。
可见IPv6中会有更多的组地址使用同一个MAC地址。