Arquitetura TCP/IP. Parte IX Multicast (IGMP e roteamento) Fabrízzio Alphonsus A. M. N. Soares

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1 Arquitetura TCP/IP Parte IX Multicast (IGMP e roteamento) Fabrízzio Alphonsus A. M. N. Soares

2 Tópicos Hardware multicast Ethernet multicast IP multicast Endereçamento e mapeamento para Ethernet multicast IGMP (Internet Group Management Protocol) Estados e formato da mensagem Roteamento Paradigmas de roteamento multicast Inunda-e-poda e árvore multicast Protocolos de roteamento multicast na Internet Exemplos: DVMRP, CBT e PIM

3 Hardware multicast Apenas uma cópia de pacote atravessa a rede Inicialmente, a interface de comunicação aceita pacotes destinados a Endereço unicast (de destino único) da interface Endereço de broadcast (de difusão) de hardware Usuário pode dinamicamente adicionar ou remover um ou mais endereços de multicast (múltiplos destinos) à interface

4 Ethernet multicast Faixa de endereços reservados Determinado pelo bit de menor ordem do byte de maior ordem 01.xx.xx.xx.xx.xx 16 Os bits xx.xx.xx.xx.xx especificam grupo multicast

5 IP multicast Endereço de grupo: a cada grupo multicast é atribuído um único endereço de classe D É possível ter 2 28 grupos multicast simultâneos Participação em grupo é dinâmica: host podem se juntar ou deixar um grupo a qualquer momento Usa hardware multicast quando disponível Transmissor arbitrário: não precisa ser membro do grupo multicast Semântica de entrega: utiliza o serviço best-effort, ou seja, pacotes podem ser perdidos, duplicados ou entregues fora de ordem

6 Recursos necessários para IP multicast Esquema de endereçamento Mecanismos para Notificação (da participação em um grupo) IGMP Entrega (dos pacotes a quem pertence ao grupo) Mapeamento do IP multicast para hardware (multicast se possível) Encaminhamento eficiente Protocolos de roteamento multicast

7 Endereçamento IP multicast Endereços de classe D são reservados para multicast Formato: 1110 Endereço Multicast Dois tipos: Bem conhecidos (well-known): reservados para protocolos específicos Transiente: alocados sob demanda

8 Endereçamento IP multicast (cont.) Faixa de endereços até Reservas é reservado (nunca usado) significa todos sistemas (em uma rede no IP multicast) significa todos roteadores (em uma rede no IP multicast) Endereços até usado para protocolos de roteamento multicast

9 Exemplos de endereços multicast Base Address (Reserved) All Systems on this Subnet All Routers on this Subnet Unassigned DVMRP Routers OSPFIGP OSPFIGP All Routers OSPFIGP OSPFIGP Designated Routers ST Routers ST Hosts RIP2 Routers IGRP Routers Mobile-Agents DHCP Server / Relay Agent All PIM Routers RSVP-ENCAPSULATION... *** De acordo com: (última atualização: 17 março de 2009)

10 Mapeamento de endereço IP multicast para Ethernet 23 bits de mais baixa ordem do endereço IP multicast são colocados nos 23 bits de mais baixa ordem do seguinte endereço Ethernet: E.(0bbb 2 )x.xx.xx 16 Exemplos: IP= => Ethernet= E IP= => Ethernet= E.0F.02.7F IP= => Ethernet= E.00.FF.FF IP= => Ethernet= E.7F.00.00

11 Transmissão de pacotes multicast Host não instala rota para roteador multicast Caso esteja disponível, host usa hardware multicast para transmitir pacote IP multicast Se roteador multicast está presente na rede Roteador multicast recebe o pacote Usa endereço IP (multicast) de destino para determinar roteamento

12 Escopo multicast Se refere a área de alcance dos membros em um grupo É definido pelo conjunto de redes sobre o qual os pacotes multicast viajam para alcançar os membros do grupo Técnicas para controlar escopo Campo TTL do cabeçalho IP Escopo administrativo Endereços especiais e tratamento nos roteadores

13 Participação de um host no IP multicast Host pode participar de três formas: Nível 0: host não é capaz de enviar, nem de receber IP multicast Nível 1: host pode enviar, mas não pode receber IP multicast Nível 2: host pode tanto enviar quanto receber IP multicast Nível 2 exige software adicional

14 Participação no multicast As aplicações indicam o desejo de se juntar a um grupo multicast para receber pacotes direcionados ao mesmo Participação em um grupo está associada com uma rede específica Um host se junta a um grupo multicast específico em uma rede específica Host usa o IGMP (Internet Group Management Protocol) para anunciar sua participação no multicast

15 IGMP (Internet Group Management protocol) Permite um host registrar a participação em um grupo Duas fases conceituais Ao se juntar a um grupo, o host envia uma mensagem declarando sua participação Roteador multicast periodicamente realiza consultas na rede para saber se ainda há pelo menos um membro de algum grupo

16 Implementação IGMP Todas comunicações entre host e roteador multicast usam hardware multicast (se disponível) Uma única consulta sonda a participação em todos os grupos ativos Intervalo de consulta é de 125 segundos Se há múltiplos roteadores conectados a uma rede física, um é escolhido para fazer as consultas Hosts usam um tempo aleatório antes de responder a uma consulta (para evitar respostas simultâneas) Hosts ouvem as outras respostas e suprimem respostas duplicadas desnecessárias

17 Máquina de estados finitos do IGMP É mantida uma máquina de estado para cada grupo multicast (RFC 2236)

18 Formato da mensagem IGMP Possíveis valores para o campo TYPE:

19 Modelo do serviço multicast da Internet Qualquer host pode ser incluído no grupo multicast na camada de rede O host simplesmente envia uma mensagem IGMP de relato de participação para o roteador ao qual está conectado Em pouco tempo, o roteador agindo em conjunto com os demais roteadores começará a entregar pacotes multicast para este host Portanto, a adesão a um grupo é uma iniciativa do receptor

20 Modelo do serviço multicast da Internet (cont.) O transmissor não precisa se preocupar em adicionar receptores e nem controla quem é incluído no grupo Também não há nenhum controle de coordenação a respeito de quem e quando pode transmitir para o grupo multicast Não há nem mesmo uma coordenação na camada de rede sobre a escolha de endereços multicast: dois grupos podem escolher o mesmo endereço! Todos estes controles podem ser implementados na camada de aplicação. Alguns deles podem vir a ser incluídos na camada de rede

21 Complexidades do multicast Rotas multicast podem mudar simplesmente porque uma aplicação se junta ou deixa um grupo multicast Rotas unicast mudam apenas quando a topologia muda ou quando algum equipamento falha Encaminhamento multicast exige que um roteador examine mais que o endereço de destino Na maioria dos casos, o encaminhamento depende também do endereço de origem Um pacote multicast pode originar de um computador que não faz parte do grupo multicast e pode ser roteado por redes (intermediárias) que não possuem nenhum membro de grupo anexado

22 Exemplo de encaminhamento multicast Encaminhamento depende da participação do grupo e da origem do pacote Alterações mais frequentes nas tabelas para refletir a participação em grupos multicast Regras de encaminhamento envolvem descarte e transmissão de uma ou mais cópias de um pacote

23 Paradigmas de roteamento multicast Duas abordagens básicas: Inunda-e-poda (flood-and-prune) Envia uma cópia para todas as redes Para de enviar apenas quando é informado (explicitamente) que não existe nenhum participante de grupo multicast a partir de um determinado ponto Árvores multicast Roteadores interagem para formar uma árvore que alcança todas as redes de um dado grupo Uma cópia de cada pacote é enviada para todos os galhos da árvore

24 Reverse Path Forwarding (RPF) Abordagem inicial do tipo inunda-e-poda Implementada através do algoritmo Truncated Reverse Path Forwarding (TRPF) Inundação: se recebeu pela interface do caminho mais curto, envia para todas as demais interfaces Poda: se o grupo destino está associado à interface, encaminha o pacote; caso contrário, descarta o pacote Não garante uma entrega única por pacote, ou seja, podem haver duplicatas

25 Múltiplas cópias no TRPF Mais de um pacote de A chega em B Mais de um pacote de A chega em B Número de pacotes entregues depende da origem Número de pacotes entregues depende da origem

26 Árvore multicast Conjunto de caminhos através de roteadores multicast a partir de uma origem para todos os membros de um grupo Para um determinado grupo, cada origem determina pode determinar uma árvore diferente Tabela de roteamento multicast: (grupo multicast, origem) Tabela convencional: proporcional ao número de redes Tabela multicast: proporcional ao número de redes X número de grupos multicast

27 Desafio do roteamento multicast Protocolos propostos possuem mecanismos para propagar e utilizar informações sobre participação em grupos multicast Participação em grupos multicast pode mudar muito rapidamente, exigindo um compromisso Propagar instantaneamente qualquer mudança na participação não é escalável Informações desatualizadas levam a encaminhamentos desnecessário e/ou ausência de encaminhamentos necessários Várias propostas com diferentes compromissos: PIM-SM, PIM-DM, BIDIR-PIM, DVMRP, MOSPF, CBT, BGMP, etc.

28 Reverse Path Multicast (RPM) Um dos primeiros protocolos de roteamento Baseado no TRPF Não se tornou um padrão, mas influenciou outros protocolos Princípios de funcionamento: Inicialmente inunda toda a rede Com base em informações sobre participação em grupo, realiza a poda Abordagem orientada aos dados (data-driven)

29 Distance-Vector Multicast Routing RFC 1075 Protocol (DVMRP) Definiu extensões para o IGMP que permitiam aos roteadores trocar informações: participação em grupo, deixar um grupo, interrogar outros roteadores e carregar informações de roteamento Muito utilizado no início Implementado pelo programa mrouted (do Unix) Usado no MBONE (Multicast backbone) Suporte a tunelamento (tunneling) Utiliza a abordagem orientada aos dados Se mostrou não escalável

30 Necessidade de túneis

31 Core-Based Trees (CBT) RFCs 2189 e 2201 Encaminha apenas para quem se juntou ao grupo Abordagem orientada a demanda (demand-driven) Mais adequado para redes esparsas Divide a Internet em regiões, cujo tamanho é determinado pelos administradores de rede Dentro de cada região é escolhido um roteador núcleo (core router), para onde são enviadas as requisições para participação em um grupo Os roteadores dentro de uma região formam uma árvore compartilhada

32 Protocol Independent Multicast Dense Mode (PIM-DM) RFC 3973 (revisão mais recente) O roteador constrói a tabela de encaminhamento multicast a partir de informações da tabela de roteamento convencional (unicast) Assume que há algum protocolo de roteamento unicast, mas funciona independente de qual seja Utiliza a abordagem inunda-e-poda Otimizado para garantir entrega, ao invés de reduzir sobrecarga de controle Voltado para redes com baixo atraso e fartura de banda

33 Protocol Independent Multicast Sparse Mode (PIM-SM) RFC 4601 (revisão mais recente) O roteador constrói a tabela de encaminhamento multicast a partir de informações da tabela de roteamento convencional (unicast) Assume que há algum protocolo de roteamento unicast, mas funciona independente de qual seja Utiliza a abordagem de árvore multicast Uma extensão dos conceitos básicos do CBT Também possui um ponto central que recebe as requisições chamado Rendezvous Point (RP) Adiciona recursos para otimizar a conectividade através de autoconfiguração Mantém um conjunto de potenciais roteadores RP, caso o atual fique indisponível Permite comutar entre árvore compartilhada e árvore baseada na origem

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