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IP Multicast 1999 - [email protected]

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Servicios de transmisión• Transmisión punto a punto (unicast):

– Un emisor, un receptor.– Tipo de transmisión tradicional en la Internet.

• Transmisión punto a multipunto:– Un emisor, varios receptores.– Los receptores pertenecen a un grupo.– Aún no provista, en el futuro join específico de IGMPv3.– Ej. aplicación: emisión de radio broadcast, distribución de software.

• Multipunto a punto:– Varios emisores, un receptor.– No provista por la Internet.– Soportado por varias punto a punto.– Ej. aplicación: telemetría, monitoreo remoto de la red.

• Multipunto a multipunto (multicast):– Varios emisores, varios receptores.– Los receptores pertenecen a un grupo.– Los emisores pueden o no pertenecer al grupo.– Multicast provisto en la Internet.– Ej. aplicación: Conferencias multimedia, Whiteboard.

• Anycast:– Uno a cualquiera de un grupo.– Ej. Aplicación: servicios independientes de su ubicación.

• Transmisión punto a punto (unicast):– Un emisor, un receptor.– Tipo de transmisión tradicional en la Internet.

• Transmisión punto a multipunto:– Un emisor, varios receptores.– Los receptores pertenecen a un grupo.– Aún no provista, en el futuro join específico de IGMPv3.– Ej. aplicación: emisión de radio broadcast, distribución de software.

• Multipunto a punto:– Varios emisores, un receptor.– No provista por la Internet.– Soportado por varias punto a punto.– Ej. aplicación: telemetría, monitoreo remoto de la red.

• Multipunto a multipunto (multicast):– Varios emisores, varios receptores.– Los receptores pertenecen a un grupo.– Los emisores pueden o no pertenecer al grupo.– Multicast provisto en la Internet.– Ej. aplicación: Conferencias multimedia, Whiteboard.

• Anycast:– Uno a cualquiera de un grupo.– Ej. Aplicación: servicios independientes de su ubicación.


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Alternativas para proveer un servicio multicast

R

E

R

R

Varias transmisiones punto a punto•Datagrams enviados por E: 3.•Cantidad de paquetes transmitidos: 8.•Memoria en E: 3 direcciones individuales.•Carga por cambio en grupo: sí.

Transmisión broadcast•Datagrams enviados por E: 1.•Cantidad de paquetes transmitidos: >13.•Memoria en E: ninguna dirección.•Carga por cambio en grupo: no.

Soporte multicast en la red:•Datagrams enviados por E: 1.•Cantidad de paquetes transmitidos: 6.•Memoria en E: 1 dirección de grupo.•Carga por cambio en grupo: no.


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Direcciones multicast

• Identifican a un grupo de 0, 1 ó más interfaces a la red (direcciones individuales).

• Los integrates de un grupo no tienen necesariamente relación topológica entre sí.

• Los integrantes de un grupo pueden variar dinámicamente.

• Una interfaz puede estar asociada a un número variable de grupos multicast.

• Extensión del modelo de ruteo IP:

– Unicast: en base a dirección de destino, enviar hacia él.

– Multicast: en base a las direcciones origen y destino, alejarse del origen.

• Información de estado en los routers:

– Unicast: tablas de ruteo.

– Multicast: árboles de distribución (MFC).

• Identifican a un grupo de 0, 1 ó más interfaces a la red (direcciones individuales).

• Los integrates de un grupo no tienen necesariamente relación topológica entre sí.

• Los integrantes de un grupo pueden variar dinámicamente.

• Una interfaz puede estar asociada a un número variable de grupos multicast.

• Extensión del modelo de ruteo IP:

– Unicast: en base a dirección de destino, enviar hacia él.

– Multicast: en base a las direcciones origen y destino, alejarse del origen.

• Información de estado en los routers:

– Unicast: tablas de ruteo.

– Multicast: árboles de distribución (MFC).


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Direcciones multicast en IP

• IPv4 prevé 2 ** 28 direcciones de grupo.

• IPv6 prevé 2 ** 112 direcciones de grupo

• IPv4 prevé 2 ** 28 direcciones de grupo.

• IPv6 prevé 2 ** 112 direcciones de grupo

Clase

A

B

C

D

E

8 16 240 32

0 RED HOST HOST HOST

HOST HOST

HOSTRED RED

RED 10

110

1110

11110

RED

RED

ID GRUPO MULTICAST

E X P E R I M E N T A L

0.0.0.0 a 127.255.255.255

128.0.0.0 a 191.255.255.255

192.0.0.0 a 223.255.255.255

224.0.0.0 a 239.255.255.255

240.0.0.0 a 247.255.255.255

Formato Rango

11111111 flags scope Grupo (112 bits)IPv6


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Multicast: mapeo a la subred

• Mapeo dependiente de la capacidad de la subred:

– varios frames punto a punto

– un frame broadcast

– un frame multicast

• Correspondencia multicast IP- multicast Ethernet

– Reserva (IANA) de direcciones Ethernet para direcciones multicast IP:

• 01-00-5E-00-00-00 a 01-00-5E-FF-FF-FF (23 últimos bits)

– Conversión sencilla (sin ARP o similar)

– 32 direcciones multicast IP asignadas a una única dirección multicast Ethernet

– Filtrado no completo en el nivel Ethernet (placa)

• Mapeo dependiente de la capacidad de la subred:

– varios frames punto a punto

– un frame broadcast

– un frame multicast

• Correspondencia multicast IP- multicast Ethernet

– Reserva (IANA) de direcciones Ethernet para direcciones multicast IP:

• 01-00-5E-00-00-00 a 01-00-5E-FF-FF-FF (23 últimos bits)

– Conversión sencilla (sin ARP o similar)

– 32 direcciones multicast IP asignadas a una única dirección multicast Ethernet

– Filtrado no completo en el nivel Ethernet (placa)


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Características de los grupos multicast• Tiempo de vida de un grupo

– Grupos permanentes

• Direcciones asignadas (IANA), fijas, conocidas (“well-known”) en toda la red.

• Existen aunque no tengan hosts miembros.

• Un router NO reenvía un datagram con dirección permanente, independientemente de su TTL.

• Ejemplo (IPv4): 224.0.0.1 Todos los hosts en la red local que participan en multicast.

– Grupos transitorios

• No tienen direcciones fijas asignadas.

• Requieren mecanismos de asignación de grupos a las aplicaciones.

• Existen mientras tengan hosts miembros.

• Reconocimiento de direcciones permanentes y temporarias:

– IPv4:

• reserva direcciones de 224.0.0.0 a 224.0.0.255.

• grupos 239.0.0.0 a 239.255.255.255: aplicaciones administrativas en redes privadas

– IPv6:

• bit T (1) de campo de flags de la dirección.

• Tiempo de vida de un grupo

– Grupos permanentes

• Direcciones asignadas (IANA), fijas, conocidas (“well-known”) en toda la red.

• Existen aunque no tengan hosts miembros.

• Un router NO reenvía un datagram con dirección permanente, independientemente de su TTL.

• Ejemplo (IPv4): 224.0.0.1 Todos los hosts en la red local que participan en multicast.

– Grupos transitorios

• No tienen direcciones fijas asignadas.

• Requieren mecanismos de asignación de grupos a las aplicaciones.

• Existen mientras tengan hosts miembros.

• Reconocimiento de direcciones permanentes y temporarias:

– IPv4:

• reserva direcciones de 224.0.0.0 a 224.0.0.255.

• grupos 239.0.0.0 a 239.255.255.255: aplicaciones administrativas en redes privadas

– IPv6:

• bit T (1) de campo de flags de la dirección. 000T


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Características de los grupos multicast

• Alcance de un grupo

– Los datagrams para un grupo deben ser difundidos en el ámbito del grupo.

– IPV6

• Campo scope de la dirección

– IPv4

• Valor de TTL

• Thresholds en interfaces de los routers

• Un datagram con TTL < threshold de la interfaz NO es reenviado

• Problema (en MBONE):

– Mecanismo usado para limitar alcance

– Mecanismo usado para limitar alcance de tipo de aplicación

– Tráfico para el site: enviado con TTL = 16

– Tráfico global: enviado con TTL = 127

• Alcance de un grupo

– Los datagrams para un grupo deben ser difundidos en el ámbito del grupo.

– IPV6

• Campo scope de la dirección

– IPv4

• Valor de TTL

• Thresholds en interfaces de los routers

• Un datagram con TTL < threshold de la interfaz NO es reenviado

• Problema (en MBONE):

– Mecanismo usado para limitar alcance

– Mecanismo usado para limitar alcance de tipo de aplicación

– Tráfico para el site: enviado con TTL = 16

– Tráfico global: enviado con TTL = 127


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Multicast: envío de datagrams

• Envío de datagrams multicast:

– No confiable, best effort

– Los errores no generan mensajes ICMP

• Envío multicast en la red local

– un host envía (local), los demás reciben

• Envío multicast más allá de la red local

– un host envía (local)

– un router multicast, reenvía el dg en las demás redes dependiendo de:

• la red debe tener miembros del grupo

• el TTL del dg debe ser mayor que cero (threshold)

• Envío de datagrams multicast:

– No confiable, best effort

– Los errores no generan mensajes ICMP

• Envío multicast en la red local

– un host envía (local), los demás reciben

• Envío multicast más allá de la red local

– un host envía (local)

– un router multicast, reenvía el dg en las demás redes dependiendo de:

• la red debe tener miembros del grupo

• el TTL del dg debe ser mayor que cero (threshold)


9

Transmisión multicast Características

+ Mejor utilización del ancho de banda

+ Menor procesamiento en routers y hosts

+ No es necesario conocer las direcciones de los receptores

+ Posibilita la escalabilidad de las aplicaciones multipunto

Utiliza UDP

+ Control de la aplicación sobre los datos enviados

+ Mecanismos propios para recuperación

- Carece de mecanismos para control de congestión

- Envío best effort

Características

+ Mejor utilización del ancho de banda

+ Menor procesamiento en routers y hosts

+ No es necesario conocer las direcciones de los receptores

+ Posibilita la escalabilidad de las aplicaciones multipunto

Utiliza UDP

+ Control de la aplicación sobre los datos enviados

+ Mecanismos propios para recuperación

- Carece de mecanismos para control de congestión

- Envío best effort


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Multicast: requerimientos

• Modificaciones en los hosts para soporte de multicast.

• Routers con capacidad multicast.

• Protocolo para comunicar host c/routers y routers entre sí: IGMP (Internet Group Managment Protocol).

• Soporte para protocolos de ruteo multicast.

• Modificaciones en los hosts para soporte de multicast.

• Routers con capacidad multicast.

• Protocolo para comunicar host c/routers y routers entre sí: IGMP (Internet Group Managment Protocol).

• Soporte para protocolos de ruteo multicast.


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Soporte multicast

•En la red local (hosts - routers)

•Mecanismos para anunciar vinculación/desvinculación de hosts a los grupos:

•IGMPv1, v2, v3

•Entre los routers

•Mecanismos para la propagación de información de ruteo y mantenimiento de árboles

de distribución:

•Protocolos de ruteo multicast (DVMRP, PIM-DM, PIM-SM, MOSPF, CBT, . . .)

IGMP

Router

Host Host

Router

Host HostIGMP

CBT

Router

CBT


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Grupos densos y dispersos

• Grupo denso– Ambito restringido (intranet)– Gran porcentaje de los hosts es miembro– Vínculos homogéneos con considerable ancho de banda– Estrategia para construir el árbol de distribución:

• asumir que todos los hosts desean ser miembros• los hosts que no lo desean lo comunican explícitamente

• Grupo disperso– Ambito: interredes (p.ej. Internet)– Un pequeño porcentaje de los hosts es miembro– Vínculos heterogéneos– Estrategia para construir el árbol de distribución:

• los hosts que desean ser miembros lo comunican explícitamente

• Grupo denso– Ambito restringido (intranet)– Gran porcentaje de los hosts es miembro– Vínculos homogéneos con considerable ancho de banda– Estrategia para construir el árbol de distribución:

• asumir que todos los hosts desean ser miembros• los hosts que no lo desean lo comunican explícitamente

• Grupo disperso– Ambito: interredes (p.ej. Internet)– Un pequeño porcentaje de los hosts es miembro– Vínculos heterogéneos– Estrategia para construir el árbol de distribución:

• los hosts que desean ser miembros lo comunican explícitamente


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Protocolos de ruteo multicast Requerimientos

• Relativos a las aplicaciones: Calidades de servicio variadas– Demora máxima punta a punta– Tiempo de establecimiento

• Relativos a la red: Utilización de recursos– Memoria en los routers– Overhead en los vínculos debido a intercambio de información de control– Concentración de táfico (datos)

• Escalabilidad

Factores que afectan el comportamiento de los protocolos

• Grupos densos o dispersos• Porcentaje de emisores en el grupo (uno, varios, todos)• Grado de simultaneidad de las emisiones

Requerimientos

• Relativos a las aplicaciones: Calidades de servicio variadas– Demora máxima punta a punta– Tiempo de establecimiento

• Relativos a la red: Utilización de recursos– Memoria en los routers– Overhead en los vínculos debido a intercambio de información de control– Concentración de táfico (datos)

• Escalabilidad

Factores que afectan el comportamiento de los protocolos

• Grupos densos o dispersos• Porcentaje de emisores en el grupo (uno, varios, todos)• Grado de simultaneidad de las emisiones


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Arboles de distribución

• Conjunto de vínculos y nodos que cubre a todos los receptores de un grupo

• Construidos y mantenidos por el protocolo de ruteo multicast

• Información distribuida en los nodos

• Tipos de árboles– Por emisor (source based tree)– Por grupo (shared tree) unidireccional– Por grupo, bidireccional

• Pertenencia– Implícita

• Difusión periódica de datos multicast en toda la red • No escalable

– Explícita: • Mecanismos explícitos de agregado de los routers al grupo• Escalabilidad

• Conjunto de vínculos y nodos que cubre a todos los receptores de un grupo

• Construidos y mantenidos por el protocolo de ruteo multicast

• Información distribuida en los nodos

• Tipos de árboles– Por emisor (source based tree)– Por grupo (shared tree) unidireccional– Por grupo, bidireccional

• Pertenencia– Implícita

• Difusión periódica de datos multicast en toda la red • No escalable

– Explícita: • Mecanismos explícitos de agregado de los routers al grupo• Escalabilidad


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Arboles por emisor

• Arboles por emisor (Source based trees)– Caminos de longitud mínima– Buenas demoras – Balanceo de carga en los vínculos– Significativo consumo de memoria y overhead en los routers (O (SxG) )

• Arboles por emisor (Source based trees)– Caminos de longitud mínima– Buenas demoras – Balanceo de carga en los vínculos– Significativo consumo de memoria y overhead en los routers (O (SxG) )

R1E1

E2

R2R3

E1 y E2 emitiendo a grupo G (R1, R2 y R3)

a

bcd

Emisor Grupo iif oifsE1 G a b c E2 G d a b

Entradas en el router y reenvío

DemorasE1 a R1:2 (2)E1 a R2:4 (4)E1 a R3:2 (2)E2 a R1:4 (4)E2 a R2:4 (4)E2 a R3:1 (1)Vínculos utilizados: 9


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Arboles compartidos unidireccionalesArboles compartidos (Shared trees) unidireccionales

– Caminos no óptimos– Considerable carga en los vínculos, dependiendo de la simultaneidad de las

emisiones (varios emisores)– No aptos para aplicaciones de búsqueda de recursos (expanding ring search)– Buena escalabilidad fundamentalmente en el caso de grupos con varios

emisores (memoria en routers)– Sensibles a fallas – Performance dependiente de la ubicación del core o centro– Carga del core (desencapsulación)

Arboles compartidos (Shared trees) unidireccionales– Caminos no óptimos– Considerable carga en los vínculos, dependiendo de la simultaneidad de las

emisiones (varios emisores)– No aptos para aplicaciones de búsqueda de recursos (expanding ring search)– Buena escalabilidad fundamentalmente en el caso de grupos con varios

emisores (memoria en routers)– Sensibles a fallas – Performance dependiente de la ubicación del core o centro– Carga del core (desencapsulación)


R1

C

E1

E2

R2R3


a

bcd

Grupo iif oifsG b a c



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Arboles compartidos bidireccionalesArboles compartidos (Shared trees) bidireccionales

– No es necesaria la encapsulación– No hay chequeo de arribo por la interfaz “camino” al core– Aptos para aplicaciones de búsqueda de recursos (expanding ring search) si la

subred del emisor pertenece al grupo– Caminos mejores que los unidireccionales, pero no óptimos

Arboles compartidos (Shared trees) bidireccionales– No es necesaria la encapsulación– No hay chequeo de arribo por la interfaz “camino” al core– Aptos para aplicaciones de búsqueda de recursos (expanding ring search) si la

subred del emisor pertenece al grupo– Caminos mejores que los unidireccionales, pero no óptimos


Grupo interfacesG b a c


R1

C

E1

E2

R2R3


a

bcd


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Técnicas para construcción y reenvío, árboles por emisor

• Reverse path broadcasting (RPB)– Si el paquete arriba por la mejor interfaz al emisor, reenviarlo por las demás

interfaces– Si el paquete arriba por otra interfaz, descartarlo– Mejora:

• Si el paquete arriba por la mejor interfaz al emisor, reenviarlo por las interfaces a los nodos que consideren (a este nodo) como el mejor camino al emisor

– Mejor performance– Más información de control

• Truncated reverse path broadcasting (TRPB)– Los routers leaf no envían a la red local si no tienen miembros

• Reverse Path Multicasting (RPM)– Capacidad de los routers no leaf para enviar podas hacia los emisores

• Reverse path broadcasting (RPB)– Si el paquete arriba por la mejor interfaz al emisor, reenviarlo por las demás

interfaces– Si el paquete arriba por otra interfaz, descartarlo– Mejora:

• Si el paquete arriba por la mejor interfaz al emisor, reenviarlo por las interfaces a los nodos que consideren (a este nodo) como el mejor camino al emisor

– Mejor performance– Más información de control

• Truncated reverse path broadcasting (TRPB)– Los routers leaf no envían a la red local si no tienen miembros

• Reverse Path Multicasting (RPM)– Capacidad de los routers no leaf para enviar podas hacia los emisores


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Protocolos multicast

• DVMRP– Modo denso– Árboles por emisor– Pertenecia implícita– Emplea RPM (con envío selectivo a downstreams) – Ruteo propio – No escalable– Utilizado en el MBONE

• PIM-DM– Modo denso– Árboles por emisor– Pertenencia implícita– Emplea RPM (sin envío selectivo)– Independiente del ruteo unicast– Simple– No escalable– Estado de borrador

• DVMRP– Modo denso– Árboles por emisor– Pertenecia implícita– Emplea RPM (con envío selectivo a downstreams) – Ruteo propio – No escalable– Utilizado en el MBONE

• PIM-DM– Modo denso– Árboles por emisor– Pertenencia implícita– Emplea RPM (sin envío selectivo)– Independiente del ruteo unicast– Simple– No escalable– Estado de borrador


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• MOSPF– Modo denso– Árboles por emisor– Pertenencia explícita– Construcción de árboles en cada nodo (Dijkstra)– No escalable– Ruteo propio (OSPF)

• CBT– Modo sparse– Árboles compartidos, bidireccionales– Pertenencia explícita– Independiente del ruteo unicast– Simple– Escalable– Estado de draft (v3) y RFC (v2)

• MOSPF– Modo denso– Árboles por emisor– Pertenencia explícita– Construcción de árboles en cada nodo (Dijkstra)– No escalable– Ruteo propio (OSPF)

• CBT– Modo sparse– Árboles compartidos, bidireccionales– Pertenencia explícita– Independiente del ruteo unicast– Simple– Escalable– Estado de draft (v3) y RFC (v2)


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• PIM-DM– Modo sparse– Árboles compartidos unidireccionales– Conmutación a árboles por emisor– Pertenencia explícita– Escalable ??– Independiente del ruteo unicast– Estado de RFC– Implementaciones (CISCO)

• PIM-DM– Modo sparse– Árboles compartidos unidireccionales– Conmutación a árboles por emisor– Pertenencia explícita– Escalable ??– Independiente del ruteo unicast– Estado de RFC– Implementaciones (CISCO)


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Resumen protocolos multicast

GruposDensos/Dispersos

Arboles deDistribución

Escalabilidad Independenciadel protocolounicast

Eficiencia Implementaciones

DVMRP Densos Por emisor No No Si SiPIM-DM Densos Por emisor No Si Si SiMOSPF Densos Por emisor No No No SiCBT Dispersos Compartido Mayor escalabilidad Si Mayor eficiencia Experim.PIM-SM Dispersos Por emisor

CompartidoSi Si Si Si


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Tipos de aplicaciones multicast

• 1 a M: Las más simples.– Eventos planificados (conferencias, audio, TV). AB considerable.

Sincronización de streams.– Actualización de info dinámica, no esencial (p.ej. datos meteorológicos). Bajo

AB.– Monitoreo (lectura de sensores, seguridad). AB variado, tráfico en ráfagas o

regular.

• M a 1:Aplicaciones request/reply– Descubrimiento de recursos– Data collection– Polling

• M a M: Problemas complejos de sincronización entre participantes– Conferencias multimedia (audio + video + whiteboard). AB considerable.

Sensibles y no sensibles a errores. Coordinación de streams. Muy sensibles a demoras y variación de demoras.

– DIS: Grandes anchos de banda. Demoras bajas para incorporarse o dejar de pertenecer a un grupo.

• 1 a M: Las más simples.– Eventos planificados (conferencias, audio, TV). AB considerable.

Sincronización de streams.– Actualización de info dinámica, no esencial (p.ej. datos meteorológicos). Bajo

AB.– Monitoreo (lectura de sensores, seguridad). AB variado, tráfico en ráfagas o

regular.

• M a 1:Aplicaciones request/reply– Descubrimiento de recursos– Data collection– Polling

• M a M: Problemas complejos de sincronización entre participantes– Conferencias multimedia (audio + video + whiteboard). AB considerable.

Sensibles y no sensibles a errores. Coordinación de streams. Muy sensibles a demoras y variación de demoras.

– DIS: Grandes anchos de banda. Demoras bajas para incorporarse o dejar de pertenecer a un grupo.


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Requerimientos de las aplicaciones multicast

• Manejo de receptores heterogéneos– Receptores en subredes con diferentes capacidades (AB, demora,

congestión).– Saturación del emisor con información de feedback.– Mecanismos en las aplicaciones para adaptar envío.

• Envío confiable de datos– Grados de confiabilidad dependiendo de la aplicación

• Receptor solicita paquetes erróneos (NACK).• Emisor necesita confirmación de paquetes recibidos (ACK).

– Saturación de la red con feedback (implosión)• Recuperación local• Limite en el alcance del feedback

• Manejo de receptores heterogéneos– Receptores en subredes con diferentes capacidades (AB, demora,

congestión).– Saturación del emisor con información de feedback.– Mecanismos en las aplicaciones para adaptar envío.

• Envío confiable de datos– Grados de confiabilidad dependiendo de la aplicación

• Receptor solicita paquetes erróneos (NACK).• Emisor necesita confirmación de paquetes recibidos (ACK).

– Saturación de la red con feedback (implosión)• Recuperación local• Limite en el alcance del feedback


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Requerimientos de las aplicaciones multicast

• Seguridad– Control de emisores.– Control de receptores.– Autenticación de contenidos.– Protección de identidad de los receptores.– Aspectos de performance ante cambios en la composición de un grupo.

• Administración de sesiones– Mapeo de direcciones y ports multicast a diferentes sesiones (SDP).– Distribución de información relativa a sesiones (SAP).

• Demoras acotadas para integración y salida de un grupo– IGMPv2.

• Seguridad– Control de emisores.– Control de receptores.– Autenticación de contenidos.– Protección de identidad de los receptores.– Aspectos de performance ante cambios en la composición de un grupo.

• Administración de sesiones– Mapeo de direcciones y ports multicast a diferentes sesiones (SDP).– Distribución de información relativa a sesiones (SAP).

• Demoras acotadas para integración y salida de un grupo– IGMPv2.

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