Вариант сокета IP_MULTICAST_IF со статическим переключением многоадресного маршрута с многоадресной на одноадресную MAC-адресацию

Я хотел бы получить совет экспертов по использованию параметра сокета IP_MULTICAST_IF (установить многоадресный интерфейс) в сочетании со статическими многоадресными маршрутами.

В локальной сети многоадресная IP-дейтаграмма обычно отправляется в многоадресном кадре Ethernet (сопоставление адреса назначения многоадресной рассылки IP/MAC). В многосетевой системе Linux (ядро 5.11) я заметил, что параметр сокета IP_MULTICAST_IF изменяет поведение следующим образом:

• Без статического маршрута многоадресная IP-дейтаграмма всегда отправляется в многоадресном кадре Ethernet с IP_MULTICAST_IF или без него.
• При использовании статического маршрута без IP_MULTICAST_IF многоадресная IP-дейтаграмма отправляется в многоадресном кадре Ethernet.
• При использовании статического маршрута с IP_MULTICAST_IF многоадресная IP-дейтаграмма отправляется шлюзу в одноадресном кадре Ethernet.

Первый вопрос: при статическом маршруте для многоадресного пакета следует ли отправлять многоадресную IP-дейтаграмму в многоадресном кадре Ethernet или в одноадресном кадре Ethernet на шлюз?

Второй вопрос: каким бы ни был ответ на первый вопрос, почему параметр сокета IP_MULTICAST_IF переключается с многоадресной на одноадресную MAC-адресацию?

Справочная страница Linux (man 7 ip) не очень ясна:

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.

Вот пример конфигурации для воспроизведения этого между двумя виртуальными машинами Linux.

Первая система, vmubuntu, приемник с Wireshark на интерфейсе ens38:

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

Вторая система, vmfedora, система отправителя:

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

Мы объявляем статический маршрут на vmfedora для многоадресного трафика, используя vmubuntu в качестве шлюза. Обратите внимание, что маршрут по умолчанию для общего IP-трафика находится на другом интерфейсе.

$ 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

Отправим многоадресные пакеты с vmfedora на 239.230.2.44:3044, в пределах маршрута. Привязываем сокет к локальному адресу 192.168.233.10, который также является исходящим интерфейсом для статического маршрута. Мы не используем параметр сокета IP_MULTICAST_IF (пример кода ниже).

На vmubuntu Wireshark сообщает следующее:

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)

Мы видим, что дейтаграмма IP с адресом назначения многоадресной рассылки отправляется в кадре Ethernet с соответствующим адресом назначения многоадресной рассылки.

Теперь давайте добавим параметр сокета IP_MULTICAST_IF после bind(). Wireshark сообщает об этом:

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)

Теперь мы видим, что дейтаграмма IP с многоадресным адресом назначения отправляется в кадре Ethernet с одноадресным MAC-адресом шлюза в качестве адреса назначения.

И единственная разница — это опция сокета IP_MULTICAST_IF.

Если вы хотите воспроизвести это, см. код ниже. Он принимает один обязательный параметр командной строки: IP-адрес локального интерфейса, к которому привязан сокет. Вторым необязательным параметром командной строки является -f, чтобы принудительно использовать параметр сокета IP_MULTICAST_IF (по умолчанию не установлен).

Спасибо за разъяснения по этому варианту.

#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;
}