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IP 组播地址

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今天定位一个 IP 组播问题，在抓到该组播报文并分析其以太头时，发现其目的 MAC 地址比较有趣，才学习到原来 IPv4 组播地址与 MAC 组播地址有一定的对应关系，这篇文章将介绍这一知识。

我们知道，D 类 IP 地址被用于 IPv4 组播，其地址范围为 224.0.0.0 — 239.255.255.255。D 类 IP 第一个字节的最高 4 位固定为 1110，后 28 位可以自由使用。而二层组播地址，其也有 24 位固定前缀 01-00-5E，而剩余的 24 位中也只有一半能自由使用，也就是说只有最后 23 位可用于区别不同的组播组。

Octet 0 Octet 1 Octet 2 Octet 3 Octet 4 Octet 5
01 00 5E ?XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX

组播 MAC 地址为什么只有 23 位能使用呢？据说是有一个很有趣的故事：Steve Deering 在研究 IP 组播时想向 IEEE 申请 16 个 OUIs（Organizational Unique Identifiers），每个 OUI 占有 24 位地址空间，这样总共就有 16 * 2^24 个 MAC 组播地址，这样正好就能够和 IPv4 组播地址一一对应。但是每个 OUI 需要花费 $1000，Steve 的经理觉得很贵，因此只买了一个 OUI（24位），并且只给 Steve 一半的地址空间（23 位）用于组播研究。

因此，每一个 IPv4 组播地址有 28 个有效位可以使用，而 MAC 组播地址中只有 23 个有效位可以使用，那么如何完成这两者之间的映射呢？方法就是：将 IPv4 IP 地址中的最后 23 位映射到 MAC 组播地址的后 23 位，这样得到的 MAC 组播地址也就是该 IPv4 组播地址对应的 MAC 地址。这样也造成每 32 个组播 IPv4 地址会映射到同一个 MAC 组播地址。

举一个例子，对于 IPv4 组播地址 224.11.1.2 而言，其对应的 MAC 组播地址即为 01:00:5E:0B:01:02：

地址 可读表示 二进制表示
IP 地址 224.11.1.2 1110 0000 0000 1011 0000 0001 0000 0010
MAC 地址 01:00:5E:0B:01:02 0000 0001 0000 0000 0101 1110 0000 1011 0000 0001 0000 0010

而对于 MAC 组播地址 01:00:5E:0B:01:02，其可以对应 32 个组播 IPv4 地址， XXXXX 表示可从 00000 到 11111 ：

地址 可读表示 二进制表示
MAC 地址 01:00:5E:0B:01:02 0000 0001 0000 0000 0101 1110 0000 1011 0000 0001 0000 0010
IP 地址 可对应 32 个 IP 地址 1110 XXXX X000 1011 0000 0001 0000 0010

以上就是 IPv4 组播地址与 MAC 组播地址之间的映射关系。当然每次手工计算还挺麻烦的，因此我编写了一个 shell 脚本来完成这一工作：

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#!/bin/bash

# Copyright (C) fuchencong.com
# Convert IPv4 multicast address to Mac multicast address, and verse.


check_ip_valid()
{
    ip_addr=$1

    check_addr=$(echo $ip_addr | sed 's/[0-9.]//g')
    if [ ! -z "$check_addr" ]; then
        return 1
    fi

    count=0
    OLDIFS=$IFS
    IFS="."
    for value in $ip_addr
    do
        if [ $value -gt 255 ];
        then
            return 1;
        fi

        count=$((count + 1))
    done

    # total for digits for IPv4 address
    if [ $count != 4 ]; then
        return 1
    fi

    IFS=$OLDIFS
    return 0
}

check_mac_valid()
{
    mac_addr=$1

    check_mac=$(echo $mac_addr | sed 's/[A-F0-9:]//g')
    if [ ! -z $check_mac ]; then
        return 1;
    fi

    count=0
    OLDIFS=$IFS
    IFS=":"
    for value in $ip_addr
    do
        value=$(echo "ibase=16; $value" | bc)
        if [ $value -gt 255 ];
        then
            return 1;
        fi

        count=$((count + 1))
    done

    # total six bytes for MAC address
    if [ $count != 6 ]; then
        return 1
    fi

    IFS=$OLDIFS
    return 0
}

ip_to_mac()
{
    ip_addr=$1
    ip_mask=(0 127 255 255)
    mac_addr="01:00:5E"

    OLDIFS=$IFS
    IFS="."
    count=0

    for value in $ip_addr
    do
        # ignore first byte in ip address (25-32bit)
        if [ $count -eq 0 ]; then
            count=$((count + 1))
            continue;
        fi

        byte=$(($value & ${ip_mask[$count]}))
        hex_byte=$(printf "%02X" $byte)
        mac_addr="${mac_addr}"":$hex_byte"
        count=$((count + 1))
    done

    IFS=$OLDIFS
    echo $mac_addr
}

mac_to_ip()
{
    mac_addr=$1
    ip_mask=(0 0 0 127 255 255)

    ipaddr_4_bit="1110"
    ipaddr_23_bit=""

    OLDIFS=$IFS
    IFS=":"
    count=0

    # get common 23 bit of mac and ip address
    for value in $mac_addr
    do
        # ignore first 24 bit in mac addr
        if [ $count -lt 3 ]; then
            count=$((count + 1))
            continue;
        fi

        value=$(echo "ibase=16; $value" | bc)
        byte=$(($value & ${ip_mask[$count]}))
        # get binary format
        binary_byte=$(echo "obase=2; $byte" | bc)
        # padding leading zero
        binary_byte=$(printf "%08s" $binary_byte | tr ' ' '0')
        ipaddr_23_bit=${ipaddr_23_bit}${binary_byte}
        count=$((count + 1))
    done

    IFS=$OLDIFS
    # always skip first bit of ipaddr_23_bit
    ipaddr_23_bit=${ipaddr_23_bit:1}

    # generate 32 multicast ip address
    for value in `seq 0 31`
    do
        ipaddr_5_bit=$(echo "obase=2; $value" | bc)
        # padding leading zero
        ipaddr_5_bit=$(printf "%05s" $ipaddr_5_bit | tr ' ' '0')

        ipaddr_bit=${ipaddr_4_bit}${ipaddr_5_bit}${ipaddr_23_bit}
        byte1=$(echo "ibase=2; ${ipaddr_bit:0:8}" | bc)
        byte2=$(echo "ibase=2; ${ipaddr_bit:8:8}" | bc)
        byte3=$(echo "ibase=2; ${ipaddr_bit:16:8}" | bc)
        byte4=$(echo "ibase=2; ${ipaddr_bit:24:8}" | bc)

        echo "${byte1}.${byte2}.${byte3}.${byte4}"
    done
}

if check_ip_valid $1 ; then
    ip_to_mac $1
elif check_mac_valid $1 ; then
    mac_to_ip $1
else
    echo "Usage: $0 ip address(224.0.0.0) or mac address(01:00:5E:00:00:00)"
    exit 1
fi

exit 0

该脚本的运行结果如下：

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$ ./mcaddr.sh 224.11.1.2
01:00:5E:0B:01:02
$ ./mcaddr.sh 01:00:5E:0B:01:02
224.11.1.2
224.139.1.2
225.11.1.2
225.139.1.2
226.11.1.2
226.139.1.2
227.11.1.2
227.139.1.2
228.11.1.2
228.139.1.2
229.11.1.2
229.139.1.2
230.11.1.2
230.139.1.2
231.11.1.2
231.139.1.2
232.11.1.2
232.139.1.2
233.11.1.2
233.139.1.2
234.11.1.2
234.139.1.2
235.11.1.2
235.139.1.2
236.11.1.2
236.139.1.2
237.11.1.2
237.139.1.2
238.11.1.2
238.139.1.2
239.11.1.2
239.139.1.2

搞定，收工！