Мультикаст что это такое

Мультикаст. Мультикаст маршрутизация

Muticast (от англ. Мультивещание) — метод передачи данных в компьютерных сетях, при котором адресатом сетевого пакета является группа заинтересованных получателей.

Содержание

Применение [ править ]

Потоковое мультимедиа, видеоконференцсвязь, радио, рассылка почты и котировок акций.

Описание [ править ]

В multicast рассылке источник посылает единственный экземпляр пакета. Маршрутизаторы копируют пакеты заинтересованным пользователям. Преимущество этого подхода: добавление новых пользователей не приводит к допольнительной нагрузке на сеть. Пользователи получают только те пакеты, в которых они заинтересованы (в отличие от broadcast, где неинтересные пакеты необходимо фильтровать).

Как работает [ править ]

При запуске на сервере приложения с поддержкой мультивещания, оно посылает в сеть уведомление, что соответствующая группа доступна для присоединения. Клиент, который хочет присоединиться к рассылке, посылает уведомление об этом устройству сети. Все промежуточные маршрутизаторы записывают, что за соответствующим маршрутом находится клиент соответствующей мультикастной группы. Поскольку состав группы со временем может меняться, вновь появившиеся и выбывшие члены группы динамически учитываются в построении путей маршрутизации (этим занимается протокол IGMP).

Мультикаст не привязан к какому-то конкретному протоколу. По сути, всё, что его определяет — адреса. Однако, в абсолютном большинстве случаев используется протокол UDP. Это легко объясняется тем, что обычно с помощью многоадресной рассылки передаются данные, небольшая потеря которых некритична.

IP адреса [ править ]

В IPv4 был заложен блок адресов класса D: 224.0.0.0/4 (224.0.0.0-239.255.255.255). Адреса этого диапазона определяют мультикастовую группу. Один адрес — это одна группа, обычно она обозначается буквой «G».

То есть, говоря, что клиент подключен к группе 224.2.2.4, мы имеем ввиду, что он получает мультикастовый трафик с адресом назначения 224.2.2.4.

IGMP [ править ]

IGMP используется клиентским компьютером и соседними коммутаторами для соединения клиента и локального маршрутизатора, осуществляющего групповую передачу.

Сеть, предоставляющая услуги групповой передачи данных (например, видео) с использованием IGMP, может иметь следующую базовую архитектуру:

Источник

Приручаем multicast

Остановимся на анализе мультикаст-трафика через IGMP-протокол. Рассмотрим реализацию работы протокола IGMP, работы протокола PIM, отправки JOIN-запросов. После анализа проблемы была разработана оптимальная конфигурация сетевого оборудования, эффективная настройка QOS. Данная задача появилась после обнаружения проблемы в сети, такой как прерывание сигнала у клиентов, наличие фризов и прерывание звука.

IGMP — Internet Group Management Protocol — это сетевой протокол взаимодействия абонентов мультикаст-трафика и ближайшего к ним сетевого оборудования.

Пользователь имеет подписку на следующую группу IP-адресов: 224.0.0.0 до 239.255.255.255. PIM Protocol реализован в режиме Sparse mode. Это означает, что трафик льется только на ту ветку, в которой есть клиенты, желающие войти в мультикаст-группу. Они отправляют сообщения PIM Join. Если клиенты не отправляют Join, то трафик им отправляться не будет. PIM Sparse Mode включен на двух интерфейсах. В сторону источника мультикаст-трафика и в сторону клиента. На стороне клиента имеет цифровой ресивер или абонентское устройство —IPTV-приставка.

Для справки: dense mode предполагает, что мультикаст-трафик идет до абонента, и неважно, подписывается ли он на определенный канал. Мультикаст идет во все порты, потом, если он не нужен по месту назначения, то отправляется служебный пакет PIM Prune, и трафик перестает идти по этой ветке.

IGMP-протокол реализуется в сторону клиента. PIM-протокол устанавливает соседство с другими маршрутизаторами. Для этого применяются служебные сообщения PIM Hello.

В нашей сети применялась вторая версия протокола IGMP.

Абонентское устройство, которое решает получить multicast-трафик, отправляет запрос в сообщении IGMP Membership Report (так называемый репорт).

Если абонентское устройство больше не желает получать мультикаст-трафик, то оно отправляет сообщение IGMP Leave. Эта функция реализована коммутаторах уровня доступа. IGMP Membership Group-Specific Query — повторное сообщение коммутатором в сеть о том, есть ли клиентские устройства, которые будут запрашивать мультикаст-трафик. Если их нет, то передача трафика прекращается.

IGMP snooping реализуется на сетевом оборудовании, отдельного включения функции недостаточно, необходима дополнительная настройка. После включения данной функции управляемые коммутаторы могут анализировать трафик — мультикаст-поток.

Если коммутатор обнаруживает IGMP-пакет, то он вносит порт в список мультикаст-групп. Если от абонента идет сообщение IGMP Leave, то коммутатор удаляет порт из подписчиков групп.
IGMP snooping позволяет предотвращать мультикаст шторм. Если функция IGMP snooping не включена, то оборудование ретранслирует multicast-трафик во все порты, которые находятся в одном VLAN. Это не эффективно, а также способно вызвать проблемы на сетевых устройствах, вынужденных обрабатывать высокий поток данных. Это может загружать CPU-оборудования. IGMP snooping улучшает работу сети.

Однако для того, чтобы получить мультикаст-трафик, нужно реализовать эту функции на стороне клиента. К примеру, если клиент подключен через роутер, то необходимо позаботиться о включении этой функции на роутере.

Проверить корректность работы мультикаст-вещания можно путем анализа трафика через Wireshark, после включения телевидения через VLC-медиаплеер. В настройках VLC указываем, к примеру, udp:@239.255.0.A:5500. Для передачи потока используется UDP протокол, далее идет мультикаст адрес, далее порт.

При разработке QOS учитывалось, что «красить» трафик желательно ближе к ядру сети. Его необходимо красить ближе к Randezvous Point. (Ну это для нашего случая)

На коммутаторах уровня доступа у нас применялись следующие настройки:

Глубокий анализ проблемы, применение средств диагностики и понимание работы протокола IGMP позволяет выработать эффективную и оптимальную конфигурацию мультикаст-трафика в вашей сети.

Источник

Технология Multicast: рациональная передача мегапиксельного видеотрафика

Для более рационального использования пропускной способности и снижения требований к выделяемым каналам связи необходимо использовать технологии экономичного расходования ресурсов вычислительной сети. Рассмотрим всем известные технологии передачи потоков данных от источника к заинтересованным получателям – Multicast и Unicast.

Multicast и Unicast: ключевые различия

Между технологиями Multicast и Unicast есть принципиальная разница в способе передачи данных.

На рисунке приведено сравнение Unicast-технологии (сверху) копирования потоков данных в соответствии с числом получателей и Multicast-технологии (снизу) с возможностью передавать одну копию большому числу получателей.

Unicast – классическая технология, позволяющая передавать поток данных строго заинтересованному получателю. Используемые протоколы и методы обработки хорошо известны, поэтому не будем на этом подробно останавливаться.

Технология Multicast позволяет передавать потоки данных по IP-сетям, без излишнего дублирования, широкому кругу заинтересованных получателей (рабочие места видеонаблюдения, мобильные устройства, абоненты IPTV, терминалы видеоконференцсвязи), экономя пропускную способность канала. Unicast для вышеописанных целей крайне неэффективен, так как единый источник данных вынужден отправлять столько копий одних и тех же данных, сколько было запрошено. Это приводит к чрезмерной нагрузке на источник данных и локальную сеть (при большом количестве приемников).

Тонкости IP Multicast IP

Multicast использует UDP-пакеты (User Datagram Protocol), что позволяет передавать данные с меньшими задержками, но не отслеживает потери пакетов. Есть возможность компенсировать этот недостаток классификацией трафика (технология QoS).

IP Multicast оперирует группами подписчиков – для получения данных от каждого источника. Каждый подписчик определяет свою принадлежность к той или иной группе, отправляя IGMP-ответ (Internet Group Management Protocol) устройству (часто маршрутизатору), которое опрашивает сеть о существующих группах рассылки с использованием IGMP-сообщений. В результате формируются группы получателей. Для каждой группы источник генерирует один поток данных, а сетевые устройства (маршрутизаторы и коммутаторы) обеспечивают получение этого потока каждым подписчиком конкретной группы.

Прогрессивное применение Multicast

Технологию Multicast крайне целесообразно применять в случаях, когда источники видеосигнала (будь то видеокамера или видеосервер) находятся на значительном удалении от приемников данного сигнала. Это могут быть разные терминалы аэропорта, разные здания промышленного назначения с единым постом видеонаблюдения. Или обратная ситуация, когда приемники видеосигнала (например, АРМ видеонаблюдения) размещаются на значительном удалении от источников и не имеют широкополосного канала связи.

Бесспорная выгода использования технологии обусловлена тем, что у источника сигнала (видеокамеры или видеосервера) отсутствует необходимость генерировать количество одинаковых потоков в соответствии с числом приемников, которые одновременно желают получать видеоданные. Технология позволяет экономить не только пропускную способность интерфейсов источников, но и их вычислительные возможности. Экономия вычислительных возможностей – крайне актуальная тема для видеосерверов, поскольку на эти устройства возложен ряд серьезных задач, таких как прием, дешифрование, шифрование, распределение, дополнительное сжатие и преобразование, запись потоков видеоданных, реализация алгоритмов видеоаналитики.

Технология Multicast часто находит применение для рассылки видеосерверами потоков видеоданных рабочим местам и иным приемникам. Однако более прогрессивное применение технологии – использование Multicast-потоков видеокамеры (многие камеры имеют поддержку этой функциональности) для получения видеосигнала приемниками. Это позволяет экономить вычислительные мощности серверов, так как видеопотоки транслируются на приемники непосредственно в обход сервера, а сервер осуществляет запись (со всеми смежными функциями).

Памятка инсталляторам

Ретрансляция потоков данных
Технология Multicast относится к функциональности 3-го уровня и потому полноценно поддерживается маршрутизаторами. При этом возможно обойтись без маршрутизаторов, применяя коммутаторы 2-го уровня, но с функцией IGMP snooping.

Многие коммутаторы 2-го уровня могут прослушивать IGMP-сообщения, относящиеся к 3-му уровню, и добавлять соответствующих получателей в таблицу входящих в группу Multicast-хостов – этот механизм и называется IGMP snooping.

С использованием IGMP snooping коммутатор 2-го уровня ретранслирует потоки данных только тем адресатам, которые подписывались на получение Multicast-трафика в конкретную Multicast-группу. В некоторых коммутаторах прослушиванием и анализом IGMP-сообщений занимается отдельная интегральная плата. Она освобождает центральный процессор коммутатора от трудоемкой задачи анализа каждого Multicast-пакета и поиска в нем сообщений о присоединении или оставлении группы.

Реализация сети
При реализации сети с использованием Multicast важно обращать внимание не только на поддержку Multicast конечным и сетевым оборудованием, но и на скорость работы сетевых интерфейсов установленного в сети оборудования.

Тонкость в том, что в большинстве случаев инсталляций коммутаторы, несмотря на их широкие возможности по настройке и управлению, не конфигурируют, а ставят «как есть». Почему это происходит, мы обсуждать не будем. Важно следствие – любой ненастроенный коммутатор по умолчанию ведет себя с Multicast-трафиком одинаково – ретранслирует этот трафик на все свои порты, а не на порты, к которым подключены подписчики. Последствие этого явления довольно неприятное – сеть, рассчитанная на определенное значение пропускной способности, перестает справляться с ней, поскольку не предполагалось такого развития событий. В результате активное оборудование сети работает в перегруженном режиме.

Еще один неприятный момент заключается в том, что устройства с сетевыми интерфейсами небольшой пропускной способности (в том числе и Fast Ethernet) при интенсивном Multicast-трафике перестают успевать отбрасывать ненужные им пакеты и принимать нужные пакеты в связи с переполнением буфера интерфейса. В итоге часть пакетов, предназначенных такому устройству, теряется. Для пользователей это будет выглядеть как рассыпание изображений (для видеоданных), прерывание и неразборчивость речи (для аудио). Чтобы локальная сеть выполняла предполагаемые задачи, крайне важно сконфигурировать механизм IGMP snooping на всех коммутаторах 2-го уровня. Эта настройка является важной частью инсталляции и должна быть выполнена грамотным специалистом.

Технология Multicast дает неоспоримые преимущества, но – как и любая задача – ее применение требует комплексного подхода для получения высокоэффективного решения

Практические рекомендации

Резюмируя, хочу еще раз перечислить преимущества, которые дает технология Multicast при построении сети, предназначенной для передачи видео (в особенности мегапиксельного), и ключевых моментах, на которые следует обратить внимание.

Источник

Multicast routing для IPTV

Один очень близкий мне человек, поклонник Хабра, захотел внести вклад в развитие блога Cisco. Являясь яростным поклонником того, что создает эта корпорация, он захотел поделиться опытом. =) Надеемся росчерк пера удался.

Относительно недавно мне посчастливилось познакомить и даже поконфигурять multicast routing для IPTV. Изначально, я с этой темой была совершенно не знакома, и это заставило меня вылакать горлышко от цистерны водки перекопать огромное количество документации, чтобы войти в курс дела.

И вот незадача. Обычно в документации выкладывают все и сразу и для человека, впервые столкнувшегося с этой темой, не понятно с чего начать. Во время чтения pdf’ок я ловила себя на мысли, что было бы неплохо наткнуться где-нибудь на статью, которая могла бы коротким путем провести от теории к практике, чтобы понять с чего стоит начать и где заострить внимание.

Мне не удалось обнаружить такую статью. Это побудило меня написать эту статейку для тех, кто также как и я столкнется с вопросом, что это за зверь IPTV и как с ним бороться.

Введение

Это моя самая первая статья (но не последняя! есть еще много зверей), постараюсь изложить все как можно доступнее.

Какой вид трафика использовать для IPTV?

Очевидно, что для вещания каналов наибольшее предпочтение отдается multicast.
Любой TV-канал, который мы хотим вещать в сеть, характеризуется адресом группы, который выбирается из диапазона, зарезервированного для этих целей: 224.0.0.0 – 239.255.255.255.

Для работы IPTV необходим роутер, поддерживающий multicast (далее MR). Он будет отслеживать членство того или иного клиента в определенной группе, т.е. постоянно следить какому клиенту какой отправлять TV-канал.

Для того чтобы клиент смог зарегистрироваться в одной из этих групп и смотреть TV-канал используется протокол IGMP (Internet Group Management Protocol).

Немного о том, как работает IGMP.

Есть сервер, который включен в роутер MR. Этот сервер вещает несколько TV-мультиков, например:

Клиент включает канал News, тем самым, сам не подозревая, он отправляет запрос на MR для подключения к группе 224.12.0.1. С точки зрения протокола IGMP это запрос “JOIN 224.12.0.1”.

Если пользователь переключается на другой канал, то он сначала отправляет уведомление MR, что он отключает канал News или покидает эту группу. Для IGMP это “LEAVE 224.12.0.1”. А затем повторяет аналогичный запрос JOIN для нужного канала.

MR иногда спрашивает всех: “а какой группе кто подключен?”, чтобы отключать тех клиентов, с которыми оборвалась связь и они не успели отправить уведомление LEAVE. Для этого MR использует запрос QUERY.

Ответ абонента на этот запрос это MEMBERSHIP REPORT, который содержит список всех групп, в которых состоит клиент.

Настройка multicast routing.

Предположим, что клиенты одной группы смотрят один и тот же мультик, но находятся они в разных сегментах сети (network A и network B). Для того, чтобы они получили свой мультик и придуман multicast routing.

Пример настройки роутеров MR1 и MR2.

Команда «ip multicast-routing» включает соответствующий routing, если же он выключен, то роутер не пересылает multicast пакеты, т.е. они не дойдут до недоумевающего зрителя мультиков.

Остановимся чуть поподробнее на команде «ip pim sparse-mode«.

Про режимы протокола PIM и сам протокол.

PIM (Protocol Independent Multicast) — протокол маршрутизации multicast рассылки. Он заполняет свою таблицу multicast маршрутизации на основе обычной таблицы маршрутизации. Эти таблицы можно просмотреть с помощью команд “sh ip mroute” и “sh ip route” соответственно. Целью протокола PIM является построение дерева маршрутов для рассылки multicast сообщений.

У протокола PIM существует два основных режима: разряженный (sparse mode) и плотный (dense mode). Таблица multicast маршрутизации для них выглядит немного по-разному. Иногда эти режимы рассматривают как отдельные протоколы — PIM-SM и PIM-DM.

В нашей конфигурации на интерфейсах мы указали режим «ip pim sparse-mode«.

dense-mode Enable PIM dense-mode operation
sparse-dense-mode Enable PIM sparse-dense-mode operation
sparse-mode Enable PIM sparse-mode operation
………

В чем же разница?

PIM-DM использует механизм лавинной рассылки и отсечения (flood and prune). Другими словами. Роутер MR отправляет всем все multicast потоки, которые на нем зарегистрированы. Если клиенту не нужен какой-то из этих каналов, то он от него отказывается. Если все клиенты, висящие на роутере, отказались от канала, то роутер пересылает “спасибо, не надо” вышестоящему роутеру.

PIM-SM изначально не рассылает зарегистрированные на нем TV-каналы. Рассылка начнется только тогда, когда от клиента придет на нее запрос.

Т.е. в PIM-DM MR отправляет всем, а потом убирает ненужное, а в PIM-SM MR начинает вещание только по запросу.

Если члены группы разбросаны по множеству сегментов сети, что характерно для IPTV, PIM-DM будет использовать большую часть полосы пропускания. А это может привести к снижению производительности. В этом случае лучше использовать PIM-SM.

Между PIM-DM и PIM-SM существуют еще отличия.
PIM-DM строит дерево отдельно для каждого источника определенной multicast группы, т.е. multicast маршрут будет характеризоваться адресом источника и адресом группы. В multicast таблице маршрутизации будут записи вида (S,G), где S — source, G — group.

У PIM-SM есть некоторая особенность. Этому режиму необходима точка рандеву (RP — rendezvous point) на которой будут регистрироваться источники multicast потоков и создавать маршрут от источника S (себя) до группы G: (S,G).

Таким образом, трафик идет с источника до RP по маршруту (S,G), а далее до клиентов уже по общему для источников определенной группы дереву, которое характеризуется маршрутом (*,G) — «*» символизирует «любой источник». Т.е. источники зарегистрировались на RP, и далее клиенты уже получают поток с RP и для них не имеет значения, кто был первоначальным источником. Корнем этого общего дерева будет RP.

Точкой рандеву является один из multicast роутеров, но все остальные роутеры должны знать “кто здесь точка RP”, и иметь возможность до нее достучаться.

Пример статического определения RP (MR1). Объявим всем multicast роутерам, что точкой рандеву является 10.0.0.1 (MR1):

Все остальные роутеры должны знать маршрут до RP:
ip route 10.0.0.0 255.255.255.0 10.10.10.1

Существуют так же и другие способы определения RP, это auto-RP и bootstarp router, но это уже тема для отдельной статьи (если кому-нибудь будет интересно – пожалуйста)?

Посмотрим, что будет происходить после настройки роутеров.

Мы по-прежнему рассматриваем схему с роутерами MR1 (RP) и MR2. Как только включаем линк между роутерами MR1 и MR2, то должны увидеть в логах сообщения

Для MR1:
%PIM-5-NBRCHG: neighbor 10.10.10.2 UP on interface Ethernet3

Для MR2:
%PIM-5-NBRCHG: neighbor 10.10.10.1 UP on interface Ethernet0

Это говорит о том, что роутеры установили отношение соседства по протоколу PIM друг с другом. Проверить это также можно с помощью команды:

MR1#sh ip pim neighbor

PIM Neighbor Table
Mode: B — Bidir Capable, DR — Designated Router, N — Default DR Priority, S — State Refresh Capable

Не забываем про TTL.

В качестве тестового сервера мне было удобно использовать плеер VLC. Однако, как позже обнаружилось, даже если выставить через GUI достаточный TTL, он все равно (надеюсь только в использованной мной версией) упорно отправлял multicast пакеты с TTL=1. Запускать упрямого пришлось с опцией «vlc.exe –ttl 3» т.к. у нас на пути будет два роутера, каждый из которых уменьшает TTL пакета на единицу.

Как же все таки обнаружить проблему с TTL? Один из способов. Пусть сервер вещает канал 224.12.0.3 с TTL=2, тогда на роутере MR1 пакеты проходят нормально, а за роутером MR2 клиенты уже не смогут смотреть свой мультик.

Обнаруживается это с помощью команды «sh ip traffic» на MR2. Смотрим на поле “bad hop count” – это число пакетов, которые “умерли”, как им и отмеряно, по TTL=0.

MR2#sh ip traffic

IP statistics:
Rcvd: 36788 total, 433 local destination
0 format errors, 0 checksum errors, 2363 bad hop count
……………………………………

Если этот счетчик быстро увеличивается, значит — проблема в TTL.

Show ip mroute

После включения вещания трех каналов на сервере в таблице multicast маршрутизации наблюдаем следующее:

MR1# sh ip mroute

(*, 224.12.0.1), 00:03:51/stopped, RP 10.0.0.1, flags: SP
Incoming interface: Null, RPF nbr 0.0.0.0
Outgoing interface list: Null

(10.0.0.2, 224.12.0.1), 00:03:52/00:02:50, flags: PT
Incoming interface: Ethernet0, RPF nbr 0.0.0.0
Outgoing interface list: Null

(*, 224.12.0.2), 00:00:45/stopped, RP 10.0.0.1, flags: SP
Incoming interface: Null, RPF nbr 0.0.0.0
Outgoing interface list: Null

(10.0.0.2, 224.12.0.2), 00:00:45/00:02:50, flags: PT
Incoming interface: Ethernet0, RPF nbr 0.0.0.0
Outgoing interface list: Null

(*, 224.12.0.3), 00:00:09/stopped, RP 10.0.0.1, flags: SP
Incoming interface: Null, RPF nbr 0.0.0.0
Outgoing interface list: Null

(10.0.0.2, 224.12.0.3), 00:00:09/00:02:59, flags: PT
Incoming interface: Ethernet0, RPF nbr 0.0.0.0
Outgoing interface list: Null

Видим, что появились маршруты вида (S,G), например (10.0.0.2, 224.12.0.3), т.е. зарегистрировался источник 10.0.0.2, который вещает для группы 224.12.0.3. А так же маршруты с RP до клиента: (*,G), например (*, 224.12.0.3) – которые они будут использовать, так называемое общее для всех дерево.

Как только на интерфейс MR1 (RP) приходит запрос на получение канала 1, в multicast таблице маршрутизации происходят следующие изменения:

MR1#sh ip mroute

…………………
(*, 224.12.0.1), 00:33:16/00:02:54, RP 10.0.0.1, flags: S
Incoming interface: Null, RPF nbr 0.0.0.0
Outgoing interface list:
Ethernet3, Forward/Sparse, 00:02:37/00:02:53

(10.0.0.2, 224.12.0.1), 00:33:17/00:03:25, flags: T
Incoming interface: Ethernet0, RPF nbr 0.0.0.0
Outgoing interface list:
Ethernet3, Forward/Sparse, 00:02:37/00:02:53

Стало видно, что приходят запросы на эту группу с порта Ethernet3.

RPF проверка

Возможна ситуация, когда роутер получает multicast поток на двух интерфейсах. Кого из этих двух интерфейсов роутер будет считать источником?

Для этого он выполняет проверку RPF (Reverse Path Forwarding) — проверяет по обычной unicast таблице маршрутизации маршрут до источника и выбирает тот интерфейс, через который идет маршрут до этого источника. Эта проверка необходима для того чтобы избежать образования петель.

Отследить, как источник проходит проверку RPF можно с помощью команды:

MR2#sh ip rpf 10.0.0.2

RPF information for? (10.0.0.2)
RPF interface: Ethernet0
RPF neighbor:? (10.10.10.1)
RPF route/mask: 10.0.0.0/24
RPF type: unicast (static)
RPF recursion count: 0
Doing distance-preferred lookups across tables

Ну, вот и появилась та статейка, которую я бы с удовольствием нашла, на начальном этапе изучения multicast routing’а для IPTV. Я не волшебник, я только учусь… Потому, с радостью выслушаю все пожелания, замечания и советы. А так же, очень надеюсь, что для кого-то она окажется полезной. =)

UPD: Разрешите представить ее. Елена Сахно — lena_sakhno

Источник