Průzkum a ověření možností použití a směrování multicastů ve Windows Vista František Šimoňák, Tomáš Vystavěl Abstrakt: Multicast je věcí poměrně novou. Objevil se v disertační práci, kterou v roce 1991 na Stanfordově univerzitě obhájil Steve Deering, později také jeden z hlavních architektů IPv6. Základní idea: Data vysílaná zdrojem se replikují podle potřeby ve směrovačích a posílají dále na ta síťová rozhraní, za nimiž se nacházejí zaregistrovaní příjemci dané relace. Klíčová slova: IGMP paket, MBone, Wireshark, UDP Multicast Test 1 Úvod...2 2 Unicast versus multicast versus broadcast...2 3 Lokální sítě a multicast...2 4 Sítě Mbone...3 5 Ostrovy vysílání Multicast a tunelové propojení...3 6 Multicast a IP...3 7 Vysílání multicast v síti...4 8 Oznamování vysílání multicast...4 9 Připojování ke skupinám...4 10 Směrování při vysílání multicast...5 11 Vlastní měření...5 11.1 Nastavení programu pro první měření...6 11.2 Zachycení komunikace paketovým analyzátorem...7 1.1.1 Nastavení pro druhé měření...8 12 Závěr...9 květen 2008 1/9
1 Úvod Multicast pakety se poznají snadno podle cílové adresy. Ta totiž v tomto případě neidentifikuje, alespoň ne přímo, příjemce dat, ale označuje skupinu, v jejímž rámci probíhá určitá datová relace, například videokonference nebo vysílání internetového rádia. V IPv4 se pro tento účel používá blok adres 224.0.0.0/4, zatímco v IPv6 je to blok FF::/8. Těmto adresám se říká multicastové, resp. skupinové. Pro odlišení od multicastu se standardní internetová spojení mezi dvěma účastníky označují jako unicast. Dnešní sítě jsou navrženy pro spolehlivý přenos dat, například souborů, z jednoho počítače do jiného. Práce s multimédii klade na síť další požadavky. Pro data, jako je zvuk, především nelze tolerovat zpoždění doručení. Síť, jejímž základním úkolem je přesun souborů z jednoho místa do jiného, může přenášet datové pakety nerovnoměrnou rychlostí. Jestliže části souboru přicházejí pomalu nebo v nesprávném pořadí, nebude to zdrojem potíží. Multimédia vyžadují, aby datové pakety přicházely do klientského počítače včas a ve správném pořadí. Tyto potíže řeší v síti protokoly pro přenos v reálném čase a služba QoS (Quality of Service). Zadruhé práce s multimédii vyžaduje přenos velkých objemů dat po síti a využívá tím větší šířku pásma sítě než základní síťové operace typu přenosu souborů. Tyto potíže řeší vysílání Multicast, které je předmětem tohoto projektu. 2 Unicast versus multicast versus broadcast Velký objem provozu v dnešních sítích zaujímá vysílání Unicast. Odesílá se samostatná kopie dat ze zdroje každému klientovi, který si to vyžádá. Sítě podporují také všesměrové vysílání. V případě všesměrového vysílání je odesílána jediná kopie dat všem klientům v síti. V případě, že je třeba odesílat stejná data jen části klientů v síti, využívají obě tyto metody zbytečně rozsáhlou šířku pásma. Vysílání Unicast nadměrně využívá šířku pásma odesíláním více kopií dat. Všesměrové vysílání plýtvá šířkou pásma odesíláním dat do celé sítě bez ohledu na to, zda jsou tato data požadována. Všesměrové vysílání může také zbytečně snížit výkon klientských počítačů. Každý klient musí vysílaná data zpracovat bez ohledu na to, zda má o vysílání zájem. Vysílání Multicast přebírá klady obou těchto přístupů a eliminuje jejich slabé stránky. Při vysílání Multicast je odeslána jediná kopie dat klientům, kteří si je vyžádali. Po síti není zasíláno více kopií dat a data nejsou také odesílána klientům, kteří je nechtějí. Vysílání Multicast umožňuje zavedení multimediálních aplikací v síti při minimalizaci jejich nároků na šířku pásma. Následující graf porovnává zatížení sítě na klienta při vysílání datového proudu zvuku ve formátu PCM o parametrech 8 kb/s metodou Unicast a vysílání Multicast datového proudu a dokládá rozsah, ve kterém vysílání Multicast šetří šířku pásma. 3 Lokální sítě a multicast Obrázek 1: Porovnání chování multicast a unicast Šíření multicastu v lokální síti (bez směrovačů) obvykle nevyžaduje žádná speciální opatření. Ve standardu Ethernetu je multicast definován a je pro něj vyhrazen blok MAC adres. Stačí tedy, aby se multicastové IP adresy vhodným způsobem zobrazily na MAC adresy a zbytek už obstará Ethernet. Reprezentantem IP multicastu v lokálních sítích je Internet Group Membership Protocol (IGMP), který byl, zřejmě kvůli zpestření nudných internetových standardů, pro použití v IPv6 přejmenován na Multicast Listener Discovery květen 2008 2/9
(MLD). Hlavní úlohou IGMP i MLD je informovat směrovače v lokální síti o přítomnosti koncového počítače, který má zájem o příjem určité multicastové skupiny. Od multicastových odesílatelů se naproti tomu žádná explicitní registrace nežádá: ti se totiž prozradí přímo svými daty, jakmile je začnou vysílat. 4 Sítě Mbone Dnes nejznámější a nejvíce používanou sítí s možností vysílání Multicast je Internet Multicast Backbone, MBone. MBone je virtuální síť sestávající z těch částí sítě Internet, někdy také nazývaných ostrovy vysílání Multicast, ve kterých je povoleno vysílání Multicast. Pokud vysílání Multicast musí procházet oblastmi sítě Internet, které dosud vysílání Multicast neumožňují, je odesíláno jako vysílání Unicast, dokud nedospěje do dalšího ostrova s možností vysílání Multicast. Tento proces se označuje jako tunelové propojení. Obrázek 2: Architektura sítě MBone 5 Ostrovy vysílání Multicast a tunelové propojení Síť MBone existuje od roku 1992 a rozrostla se na více než 2000 podsítí. Používala se k vysílání Multicast živého zvuku a videa a jejím prostřednictvím bylo možné sledovat konference sdružení Internet Engineering Task Force, kosmonauty NASA pracující ve vesmíru i koncert skupiny Rolling Stones. Síť MBone úspěšně prokázala praktičnost a užitečnost využití vysílání Multicast pro odesílání multimédií prostřednictvím sítě. Hardware pro vysílání Multicast, zejména směrovače s možností vysílání Multicast a jejich software, dosáhl bodu, kdy mohou podniky využívat výhod vysílání Multicast ve vlastních sítích LAN a WAN. Technologie je přínosná pro každý scénář, kdy několik (nebo stovky či tisíce) jednotlivců potřebuje stejné informace. Vzhledem k tomu, že tyto informace lze odesílat v živém vysílání Multicast, je vysílání Multicast ideální metodou předávání nejnovějších informací široké cílové skupině. Pomocí vysílání Multicast lze například předložit prodejní trendy za týden všem oblastním manažerům prodeje. Události typu uvedení nového produktu na trh nebo důležitá tisková konference lze také šířit pomocí vysílání Multicast. Vysílání Multicast může podporovat i dvoustrannou komunikaci a umožnit například jednotlivcům rozptýleným ve vzdálených místech uspořádat živou konferenci zahrnující zvuk, video a tabuli. 6 Multicast a IP Vysílání Multicast využívá model komunikace nabízením. To znamená, že podobně jako u rozhlasového nebo televizního vysílání si zájemci o příjem vysílání Multicast vyladí přístroje na stanici, kterou chtějí přijímat. V případě vysílání Multicast uživatel jednoduše vydá pokyn síťové kartě počítače k naslouchání vysílání Multicast z určité adresy IP. Počítač odesílající vysílání Multicast nepotřebuje informaci o tom, kdo se rozhodl pro příjem. květen 2008 3/9
7 Vysílání multicast v síti Obrázek 3: Ukázka šíření multicastu Vysílání Multicast vyžaduje následující mechanismy: Musí existovat způsob, jak se klienti dozvědí, že je k dispozici vysílání Multicast, které je zajímá. Klienti musí mít k dispozici možnost signalizovat, že chtějí vysílání Multicast přijmout. Síť musí umožňovat efektivní směrování dat ke klientům, kteří je chtějí přijímat. 8 Oznamování vysílání multicast Vysílání Multicast se oznamuje v předstihu, aby klienti věděli, kdy bude vysílání Multicast k dispozici. V síti MBone se vysílání Multicast zpravidla oznamuje pomocí protokolu SDP (Session Description Protocol). Tento protokol poskytuje klientům všechny informace potřebné k příjmu vysílání Multicast včetně jeho názvu a popisu, času, kdy bude aktivní, typu použitého média (zvuk, video, text atd.) a použitých adres IP, portů a protokolu. Oznamované informace jsou odesílány vysíláním Multicast na dobře známou adresu IP a port, kde klienti se spuštěným nástrojem adresáře relací tyto informace obdrží. Kromě protokolu SDP existují i jiné metody oznamování vysílání Multicast. Například u podnikové sítě intranet lze vysílání Multicast inzerovat pomocí webových stránek. Data vysílání Multicast lze přijímat pomocí ovládacích prvků vložených do webové stránky. 9 Připojování ke skupinám Klienti signalizují svůj zájem o příjem vysílání Multicast připojením ke skupině, na kterou je vysílání směrováno. Tuto úlohu zpracovává protokol IGMP (Internet Group Management Protocol). Skupiny vysílání Multicast nabízejí několik výhod. Skupiny jsou dynamické a klienti se k nim mohou kdykoli připojit nebo je opustit. Pro vytvoření nebo rozpuštění skupiny není třeba žádný složitý plán. Jestliže skupina nemá členy, přestane v síti existovat. Skupiny se také snadno rozšiřují, protože čím více klientů se chce připojit k vysílání Multicast, tím je pravděpodobnější, že vysílání Multicast již bylo směrováno blízko k nim. Jestliže se klient připojí ke skupině, spustí se dva procesy. Nejprve je místnímu směrovači klienta odeslána zpráva IGMP s informací pro směrovač, že klient chce přijímat data odesílaná skupině. Poté klient nastaví svůj proces IP a síťovou kartu pro příjem vysílání Multicast na adrese a portu skupiny. Adresy pro vysílání Multicast jsou adresy IP třídy D v rozsahu od 224.0.0.0 do 239.255.255.255. Adresy IP třídy D jsou automaticky mapovány na adresy vysílání Multicast sítě Ethernet IEEE-802, což zjednodušuje zavedení vysílání Multicast IP v síti Ethernet. Jestliže klient odejde ze skupiny květen 2008 4/9
a je jediný, kdo v příslušné podsíti přijímal vysílání Multicast, přestane směrovač odesílat data do podsítě klienta a uvolní tak šířku pásma v dané části sítě. 10 Směrování při vysílání multicast Většinu činností nutných pro umožnění vysílání Multicast provádějí síťové směrovače a v nich spuštěné protokoly. Před dvěma lety začali významní výrobci směrovačů přidávat do svých produktů funkci vysílání Multicast. Vysílání Multicast lze na těchto směrovačích povolit pouhou aktualizací softwaru a přidáním paměti. V současné době se pro směrování vysílání Multicast používá několik protokolů: DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol), MOSPF (Multicast Open Shortest Path First Protocol) a PIM (Protocol-Independent Multicast). Úlohou těchto protokolů je vytváření efektivních cest pro doručení vysílání Multicast po síti. Protokoly pro směrování vysílání Multicast dosahují efektivity pomocí různých algoritmů. 11 Vlastní měření Pro ověření funkčnosti multicastového provozu ve Windows Vista jsme zvolili program UDP MULTI- CAST TEST, který je schopen multicast jak vysílat, tak i příjmat. Na následujícím obrázku je ovládací okno programu. Jak je vidět, je rozděleno na dvě části, z nichž horní slouží pro vysílání multicastového provozu a spodní pro jeho příjem. Nastavovací prvky má každá část samostatné. Pro měření jsme propojili dva počítače. Obrázek 4: Program Multicast Test Samotný multicastový provoz je tvořen textovou zprávou kterou si může uživatel nadefinovat sám nebo použít její defaultní znění : This is a multicast test message. květen 2008 5/9
11.1 Nastavení programu pro první měření Jak již bylo uvedeno výše, nastavení se provádí zvlášť pro vysílač a pro přijímač. Na obrázku lze vidět nastavení vysílače. Obrázek 5: Zdrojová a cílová adresa na straně odesílatele Do políčka Local interface adress je nutné vyplnit adresu počítače na němž program běží, a v políčku Destination adress ponechat jednu z přednastavených multicastových adres. Ostatní políčka můžeme nechat nevyplněná protože pro vysílání, potažmo příjem, nejsou důležitá už z povahy multicastového provozu. V poli nastavení Time to live udáváme po přes kolik uzlů zpráva projde než bude zahozena. Při průchodu směrovačem je tato hodnota snížena o 1, a pokud dosáhne hodnoty 0 je zpráva zahozena. Obrázek 6: Zdrojová a cílová adresa na straně přijímače Nastavení vysílače je patrné z obrázku 6. Opět stačí jen vyplnit adresu počítače, na kterém je program spuštěn. S tímto nastavením bude přijímač přijímat jakékoliv multicastové vysílání které je k dispozici, protože jsme nedefinovali adresu zdroje. 11.2 Zachycení komunikace paketovým analyzátorem Pro měření jsme použili paketový analyzátor Wireshark, pro měření byl nastaven filtr, který zobrazuje jen pakety IGMP. květen 2008 6/9
Obrázek 7: Zachycená komunikace První 3 pakety, které mají adresu přijímače 158.196.44.126 obsahují zprávu Change to exclude mode, které dávají najevo že tato stanice chce přijímat vysílání. Obrázek 8: Change to exclude mode Polední dvě zprávy od přijímače obsahují zprávu : Change to include mode, která dává najevo, že končíme s příjmem vysílání. Obrázek 9: Change to include mode Můžeme si všimnout, že zde nejsou uvedeny žádné zdrojové adresy. Je-li totiž požadován příjem vysílání odkudkoliv, použije se EXCLUDE mód s prázdným seznamem zdrojových adres. 1.1.1 Nastavení pro druhé měření Při tomto měření jsme definovali v přijímači zdroj multicastového vysílání (viz. obr.) květen 2008 7/9
Obrázek 10: Zdrojová a cílová adresa na straně přijímače Výpis z paketového analyzátoru, kdy byla opět zachycena situace, kdy byl přijímač zapnut a vypnut: Obrázek 11: Zachycená komunikace Situace je zde obdobná, však s tím rozdílem, že IGMP pakety již obsahují adresu zdroje vysílání a zpráva se změnila na : Allow new sources, jde tedy o include mód, při kterém je specifikováno, od kterých zdrojů chceme přijímat vysílání. Obrázek 12: Allow new sources květen 2008 8/9
Obrázek 13: Situace při vypnutí přijímače Příjmač zprávou Block old sources dal najevo, že již nechce od adresy uvedené v poli Sources příjmat vysílání. 12 Závěr Účelem měření bylo osvětlení funkce mulicastů a jejich principů funkce. Porovnání s unicasty zde značí případné rozdíly, které by nemusely být patrné. Typickým použitím multicastu je například šíření televizního či rádiového streamu po internetu. květen 2008 9/9