带有 static 的套接字选项 IP_MULTICAST_IF 多播路由从多播切换到单播 MAC 寻址

Question

我希望专家对套接字选项 IP_MULTICAST_IF（“设置多播接口”）与 static 多播路由的使用的建议。

在 LAN 上，多播 IP 数据报通常在多播以太网帧（IP/MAC 多播目标地址映射）中发送。 在多宿主 Linux 系统（内核 5.11）上，我注意到套接字选项IP_MULTICAST_IF将行为修改如下：

• 如果没有 static 路由，多播 IP 数据报始终在多播以太网帧中发送，无论是否带有IP_MULTICAST_IF 。
• 使用 static 路由，没有IP_MULTICAST_IF ，多播 IP 数据报在多播以太网帧中发送。
• 使用 static 路由和IP_MULTICAST_IF ，多播 IP 数据报在单播以太网帧中发送到网关。

第一个问题：对于多播数据包的 static 路由，多播 IP 数据报应该以多播以太网帧还是单播以太网帧发送到网关？

第二个问题：不管第一个问题的答案是什么，为什么套接字选项 IP_MULTICAST_IF 会从多播切换到单播 MAC 寻址？

Linux 手册页（“man 7 ip”）不是很明确：

IP_MULTICAST_IF (since Linux 1.2)
    Set  the  local device for a multicast socket.  The argument for setsockopt(2) is an ip_mreqn or (since Linux 3.5)
    ip_mreq structure similar to IP_ADD_MEMBERSHIP, or an in_addr structure.  (The kernel determines  which  structure
    is being passed based on the size passed in optlen.)  For getsockopt(2), the argument is an in_addr structure.

这是在两个 Linux 虚拟机之间重现此问题的示例配置。

第一个系统“vmubuntu”，在接口 ens38 上运行 Wireshark 的接收器：

ens33: 00:0C:29:46:B7:CE  192.168.98.3   / 24  -> NAT, default route
ens38: 00:50:56:39:F0:03  192.168.233.11 / 24  -> host local vmware

第二个系统，“vmfedora”，发件人系统：

ens33: 00:0C:29:B6:33:8D  192.168.98.2   / 24  -> NAT, default route
ens37: 00:50:56:29:34:37  192.168.233.10 / 24  -> host local vmware

我们在“vmfedora”上声明一个 static 路由用于多播流量，使用“vmubuntu”作为网关。 请注意，一般 IP 流量的默认路由在另一个接口上。

$ uname -a
Linux vmfedora 5.11.15-200.fc33.x86_64 #1 SMP Fri Apr 16 13:41:20 UTC 2021 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
$
$ sudo route add -net 224.0.0.0 netmask 240.0.0.0 gw 192.168.233.11 dev ens37
$
$ route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.98.1    0.0.0.0         UG    20100  0        0 ens33
192.168.98.0    0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 ens33
192.168.233.0   0.0.0.0         255.255.255.0   U     101    0        0 ens37
224.0.0.0       192.168.233.11  240.0.0.0       UG    0      0        0 ens37

让我们将多播数据包从“vmfedora”发送到路由范围内的 239.230.2.44:3044。 我们将套接字绑定到本地地址 192.168.233.10，这也是 static 路由的出接口。 我们不使用套接字选项IP_MULTICAST_IF （下面的示例代码）。

在“vmubuntu”上，Wireshark 报告了这一点：

Internet Protocol Version 4, Src: 192.168.233.10, Dst: 239.230.2.44
Ethernet II, Src: VMware_29:34:37 (00:50:56:29:34:37), Dst: IPv4mcast_66:02:2c (01:00:5e:66:02:2c)
    Destination: IPv4mcast_66:02:2c (01:00:5e:66:02:2c)
        Address: IPv4mcast_66:02:2c (01:00:5e:66:02:2c)
        .... ..0. .... .... .... .... = LG bit: Globally unique address (factory default)
        .... ...1 .... .... .... .... = IG bit: Group address (multicast/broadcast)
    Source: VMware_29:34:37 (00:50:56:29:34:37)
        Address: VMware_29:34:37 (00:50:56:29:34:37)
        .... ..0. .... .... .... .... = LG bit: Globally unique address (factory default)
        .... ...0 .... .... .... .... = IG bit: Individual address (unicast)
    Type: IPv4 (0x0800)

我们可以看到，带有多播目标地址的 IP 数据报是在具有相应多播目标地址的以太网帧中发送的。

现在，让我们在bind()之后添加套接字选项IP_MULTICAST_IF 。 Wireshark 报告了这一点：

Internet Protocol Version 4, Src: 192.168.233.10, Dst: 239.230.2.44
Ethernet II, Src: VMware_29:34:37 (00:50:56:29:34:37), Dst: VMware_39:f0:03 (00:50:56:39:f0:03)
    Destination: VMware_39:f0:03 (00:50:56:39:f0:03)
        Address: VMware_39:f0:03 (00:50:56:39:f0:03)
        .... ..0. .... .... .... .... = LG bit: Globally unique address (factory default)
        .... ...0 .... .... .... .... = IG bit: Individual address (unicast)
    Source: VMware_29:34:37 (00:50:56:29:34:37)
        Address: VMware_29:34:37 (00:50:56:29:34:37)
        .... ..0. .... .... .... .... = LG bit: Globally unique address (factory default)
        .... ...0 .... .... .... .... = IG bit: Individual address (unicast)
    Type: IPv4 (0x0800)

现在，我们看到带有多播目标地址的 IP 数据报在以网关的单播 MAC 地址作为目标地址的以太网帧中发送。

唯一的区别是套接字选项IP_MULTICAST_IF 。

如果您想重现此内容，请参阅下面的代码。 它需要一个强制性的命令行参数：套接字绑定到的本地接口的 IP 地址。 第二个可选的命令行参数是“-f”，用于强制套接字选项IP_MULTICAST_IF （默认情况下未设置）。

感谢您对此选项的解释。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    struct sockaddr_in dest;
    dest.sin_family = AF_INET;
    dest.sin_port = htons(3044);
    inet_pton(AF_INET, "239.230.2.44", &dest.sin_addr);

    struct sockaddr_in local;
    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_port = 0;
    local.sin_addr.s_addr = 0;

    int use_mcast_if = 0;

    for (int arg = 1; arg < argc; ++arg) {
        if (strcmp(argv[arg], "-f") == 0) {
            use_mcast_if = 1;
        }
        else if (inet_pton(AF_INET, argv[arg], &local.sin_addr) != 1) {
            fprintf(stderr, "invalid local address: %s\n", argv[arg]);
            return EXIT_FAILURE;
        }
    }

    const int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    if (sock < 0) {
        perror("socket()");
        return EXIT_FAILURE;
    }
    
    if (bind(sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0) {
        perror("bind()");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    if (use_mcast_if && setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF, &local.sin_addr, sizeof(local.sin_addr)) < 0) {
        perror("setsockopt(IP_MULTICAST_IF)");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    const int data = 0x12345678;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        sendto(sock, &data, sizeof(data), 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));
    }

    close(sock);
    return EXIT_SUCCESS;
}

Answer 1

Linux 通常不会在没有特殊软件（例如 mrouted 或 pimd）的情况下处理多播路由。 我在 CentOS 7 VM（3.10 内核）上尝试了这个，并看到了 static 路由的单播 MAC 地址，无论我是否使用IP_MULTICAST_IF 。

以下有关 ServerFault 的帖子对此进行了更详细的介绍：

https://serverfault.com/questions/814259/use-ip-route-add-to-add-multicast-routes-to-multiple-interfaces

TL；DR -- 不要使用 static 多播路由。 坚持设置IP_MULTICAST_IF 。