IP Multicast Routing

IP Multicast Routing
Silvano GAI
Fulvio RISSO
http://staff.polito.it/fulvio.risso/
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Cos’è il Multicast
Possibilità di trasmettere la medesima informazione a
più utenti finali senza essere costretti ad indirizzare
questi ultimi singolarmente e senza avere, quindi, la
necessità
di
duplicare
per
ciascuno
di
essi
l'informazione da diffondere
Multicast e la multimedialità non sono la stessa cosa, ma sono
due concetti estremamente correlati quando si entra nell'ambito
delle comunicazioni
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Es. servizi di videoconferenza
IP e il multicasting
Trasmissione di pacchetti IP multicast
Non c’è alcuna differenza rispetto a pacchetti unicast
Gli host non hanno quindi alcun problema a trasmettere dati
multicast
Recapito a destinazione dei pacchetti IP Multicast
Il recapito di pacchetti multicast a destinazione è un
problema decisamente diverso da quello dei pacchetti unicast
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Il multicast è visto semplicemente come un indirizzo IP un
po’ diverso
Unicast: il routing è fisso, i protocolli devono semplicemente
riportare che un certo host H è localizzato in una certa zona
della rete Internet
Multicast: il protocollo deve individuare dove sono localizzati
tutti gli hosts che vogliono ricevere quella trasmissione e
trasmettere il flusso solo sulle reti interessate
Host Group
Concetto nuovo, alla base del multicasting
Ogni singolo host può aderire ad un host group e
poi abbandonarlo
Ogni host group è contraddistinto da un indirizzo IP
di classe D
La trasmissione dei dati avviene inviando dei pacchetti con
questo IPdest
Ogni rete deve capire se, al suo interno, esistono degli host
che hanno intenzione di ricevere i pacchetti destinati a
questo host group
Sono strutture dinamiche
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Host Extensions for IP Multicasting, RFC1112
La composizione di un host group non è nè fissa nè limitata e
varia nel tempo
Tipi di Host Group
Permanente
Ha un indirizzo ben noto e assegnato a priori
Esiste sempre, anche se non esistono membri al suo interno
Ad esempio gli indirizzi di multicast utilizzati da alcuni
protocolli di routing (es. RIP o OSPF) per il loro
funzionamento
Temporaneo
Esiste solo finché qualcuno ne fa parte
Non esistono limitazioni di sorta
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Si può entrare e uscire dai gruppi a propri piacimento
Non ci sono limiti sul numero di gruppi a cui è possibile
appartenere contemporaneamente
Viene “rilasciato” nel momento in cui il gruppo non ha più
alcun membro, ed è disponibile alla creazione di un nuovo
host-group
IP e il multicasting
I Multicast Router (mrouter) instradano i pacchetti
multicast
La funzionalità di multicast router è integrata su un normale
router IP
Un mrouter ha un algoritmo di forwarding diverso per i
pacchetti multicast rispetto a quelli unicast
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Spesso è necessario abilitarla con un comando apposito
Un datagram inviato in multicast verrà consegnato a tutti i
membri dell'host group di destinazione con il "miglior sforzo
possibile", esattamente come accade per i pacchetti unicast.
Pertanto sul datagram inviato in multicast non sono garantiti
né il tempo né l'ordine di consegna
Indirizzi multicast
Indirizzi di classe D
Gli indirizzi che identificano un host group sono detti indirizzi di
classe D
Nella notazione standard di Internet gli indirizzi multicast sono
compresi nell'intervallo:
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iniziano con 1110
224.0.0.0 - 239.255.255.255
Indirizzi multicast
Alcuni casi particolari
L'indirizzo 224.0.0.0 non viene assegnato a nessun gruppo
224.0.0.1 è il gruppo permanente composto da tutti gli host
Questo indirizzo viene utilizzato dagli mrouter per inviare
messaggi di controllo agli host direttamente connessi su una
data rete locale
I messaggi destinati a questo gruppo non vengono mai
inviati al di fuori della rete locale
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In caso contrario sarebbe una banalità intasare Internet
Non esiste l'indirizzo globale di tutti gli host connessi ad
Internet
224.0.0.4: indirizzo di tutti gli mrouter
Multicast sulle LAN
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Sulle LAN il multicast di livello 3 è realizzato tramite il
multicast di livello MAC
Si ottimizza il processo di ricezione, perché il multicast MAC è
filtrato direttamente dall’hardware della scheda
Il pacchetto multicast IP è passato ai livelli superiori solo se la
scheda lo riconosce come un pacchetto di un gruppo multicast
riconosciuto
Mapping degli indirizzi
Sono disponibili i 23 bit meno significativi dell’indirizzo MAC
Lo spazio di indirizzamento IP dedicato al multicast è invece
esteso su 28 bit (prefisso 1110)
I 23 bit meno significativi dell'indirizzo IP vengono mappati negli
omologhi bit dell'indirizzo multicast MAC corrispondente
Mapping IP – MAC
Ad un indirizzo MAC corrispondono 25 indirizzi IP
Alcuni host riceveranno dei pacchetti IP che non sono destinati a
loro; questi pacchetti vengono scartati a livello IP e non a livello
MAC, aumentando l’overhead sull’host
Per
evitare
il
problema:
fare
all'assegnazione degli indirizzi multicast
attenzione
Bit che possono dare origine a
collisione sull’indirizzo MAC
1110 x27x26x25x24x23x22x21x20x19x18x17x16 . . . x0
Multicast IP address
01-00-5E
...
0x22x21x20x19x18x17x16 . . . x0
Multicast MAC address for IP
Indirizzi MAC riservati dall’IEEE per IP multicast:
01-00-5E-00-00-00 - 01-00-5E-7F-FF-FF (indirizzi Global – Group)
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Configurazione delle NIC card
Bisogna abilitare o disabilitare la ricezione di indirizzi
multicast sulla scheda di rete
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I driver della scheda di rete devono permettere due nuove
funzioni
JoinHostGroup (address, interface)
LeaveHostGroup (address, interface)
Componenti fondamentali del multicast
Trasmissione dati
Determinazione dell’esistenza di ricevitori di un
certo gruppo multicast su un particolare segmento
di LAN
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gli host trasmettono i dati ad un indirizzo particolare
(multicast)
Nel caso non esistano ricevitori, non è il caso di inoltrare
quei pacchetti sulla LAN
Propagazione dell’esistenza e della localizzazione
dei ricevitori
Il routing multicast deve tenere traccia della localizzazione
dei vari ricevitori, creando un “albero coprente” in modo da
minimizzare i costi e recapitare i pacchetti a tutti
Le reti che non hanno ricevitori vengono tagliate (prune)
IGMP
Internet Group Management Protocol
È il protocollo per la gestione e lo scambio delle informazioni di controllo
tra gli host e gli mrouter
In realtà IGMP può essere utilizzato anche per lo scambio delle
informazioni di controllo tra gli mrouter
IGMP deve necessariamente essere abilitato su tutti gli host che vogliono
ricevere, oltre che inviare, pacchetti multicast
La versione attuale dell'IGMP è la numero 2
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Scopo primario: permettere agli mrouter di mantenere sempre aggiornate
al loro interno le tabelle che associano ad ogni rete locale gli host group
presenti sulla rete stessa
esistono installazioni della 1
la numero 0 è obsoleta
I messaggi IGMP vengono spediti in multicast per tutti gli host sulla LAN e
sono incapsulati in un datagram IP con campo protocol type uguale a 2
Il pacchetto IGMP
Version
Type
Unused
Checksum
Group Address
Type
1 = Host Membership Query: inviate dal multicast router verso gli host,
per tenere aggiornata la lista degli host group attivi sulla LAN
2 = Host Membership Report: inviate dall'host in risposta alle query del
router
Group Address
Viene impostato a zero nelle query generali
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per scoprire quali gruppi operano sulla LAN
Nei report contiene l'indirizzo dell'host group a cui appartiene un host
Il protocollo IGMP (1)
I multicast router inviano periodicamente query per
scoprire quali host group sono attivi su una LAN
Le query sono indirizzate (a livello IP) al gruppo di tutti gli
host (224.0.0.1) e hanno TTL=1
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Un pacchetto con TTL = 1 non esce dalla LAN
Un multicast router è abilitato, di default, a ricevere tutti i
gruppi multicast
Il protocollo IGMP (2)
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Gli host rispondono alle query generando dei report, con
cui segnalano al multicast router tutti gli host group a cui
appartengono
La risposta avviene utilizzando il gruppo multicast di appartenenza
In particolare, gli host rispondono inviando un report per ciascun host
group a cui sono iscritti
Il router abilitato invia periodicamente dei messaggi di
query
Se dopo un certo numero di tentativi non riceve alcun report per quel
determinato gruppo, assume che non ci siano più membri
Se un host ha appena aderito ad un gruppo multicast deve inviare
immediatamente un report affinché sia in grado il prima possibile di
ricevere i pacchetti indirizzati a quel gruppo
IGMP: Tecniche di ottimizzazione
I messaggi di report possono intasare la rete. Per
ovviare a ciò:
Quando un host riceve una query avvia un timer per ciascun
gruppo a cui appartiene:
allo scadere del timer si genera il report relativo.
Oltre ad utilizzare i timer, ogni host resta in ascolto e se
sente un report con un indirizzo multicast corrispondente ad
uno dei suoi, non genera un’altra risposta per quel multicast
group
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ogni timer viene fatto partire da un valore casuale scelto tra
0 e D secondi;
È indifferente, per un router, sapere che sulla LAN ci sono 2
piuttosto che N receivers per quel gruppo
IGMP v. 2 (1)
Arricchisce la versione 1, mantentendo la compatibilità
con gli host che hanno tale versione
Aggiunte
Specifica la modalità con cui si elegge il designated router
viene scelto quello con indirizzo IP più basso sull'interfaccia
considerata
In IGMP v.1 questa procedura viene demandata al protocollo di
routing
Messaggio Group-Specific Query
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protocolli differenti potrebbero implementare tecniche di elezione del
designated router differenti ed incompatibili tra loro, provocando la
presenza di più designated router sulla stessa sottorete
Permette ad un router multicast di interrogare un ben specifico
gruppo invece che tutti i gruppi presenti sulla LAN
IGMP v. 2 (2)
Aggiunte
Messaggio Leave-Group
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Accelera le operazioni di eliminazione di un gruppo da una
LAN
Inviato al gruppo All-Routers da un host che intende lasciare
un certo gruppo multicast, specificando l'indirizzo del gruppo
che si vuole abbandonare
Quando il router riceve un messaggio di questo tipo inizia ad
inviare una serie di Group-Specific Query verso quel
particolare gruppo di destinazione e se continua a non
ricevere risposta elimina la entry relativa al gruppo
sull'interfaccia interessata
Velocizza le operazioni di pruning di alberi multicast inutili
IGMP v. 3
Sostanzialmente aggiunge due nuovi comandi
Inclusion Group-Source Report ed Exclusion Group-Source Report
Un host può specificare da quale sorgente vuole o non vuole
ricevere traffico multicast destinato ad un certo gruppo
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Se ci sono più sorgenti attive che inviano pacchetti ad un
determinato gruppo, gli host possono scegliere di ricevere i
pacchetti provenienti solo da una di queste sorgenti
Si tratta di un mezzo per risparmiare banda, in quanto questa
informazione può essere sfruttata dai router per potare ulteriori
ramificazioni degli alberi di distribuzione
Multicast Router
MULTICAST
ROUTER
Host Membership Report
HOST
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Host Membership Query
HOST HOST
HOST
Protocolli di Instradamento (1)
I protocolli di instradamento per pacchetti multicast
gestiscono alberi di distribuzione multicast da una
sorgente verso le destinazioni attive
Originariamente sono stati definiti solo protocolli intradomain
Da qualche tempo c’è maggiore enfasi sui protocolli
inter-domain
Il multicast è ancora un problema insoluto
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Ci si è accorti che un protocollo classico, intra-domain, non scala
su Internet
Ad una distanza di più di 10 anni rispetto alle proposte originarie
(Deering), non esiste ancora il multicast su scala geografica
Protocolli di Instradamento (2)
I protocolli intra-domain utilizzati sono
DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol)
MOSPF (Multicast OSPF)
è un protocollo di tipo link-state
PIM (Protocol Independent Multicast)
Il protocollo inter-domain proposto è
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basato sui distance-vector
BGMP (Border Gateway Multicast Protocol)