Rok 2006 Číslo Oblast: MD-MCAST-01 počítačové sítě M. Dvořák Obsah Technologie multicast...2 Co to je multicast...2 Adresy pro multicast...2 Multicast a 2. vrstva ISO/OSI...3 Mapování MAC adres na multicastové skupiny...3 Multicast a síťové adaptéry...3 Multicast routing...3 IGMP...4 IGMPv1...4 IGMPv2...4 Multicast a globalita...5 Multicast a IPv6...5 Multicast shrnutí...5 Multicast v síti Ostravské univerzity...6 VLC program pro získávání multicastového vysílání z Internetu...6 VLC nastavení, využití...6 Závěr...7
Technologie multicast Co to je multicast Multicast je mechanismus routování IP paketů, který zajistí, že paket vyslaný odesílatelem bude doručen každému zařízení z dané cílové skupiny. Této skupině se říká multicastová skupina (pro zkrácení se občas používá MCAST). V rámci jedné multicastové skupiny lze např. přijímat video vysílané do této skupiny streaming serverem. Aby mohl uzel přijímat data poslaná do multicastové skupiny, musí být jejím členem. Multicast je integrální součástí protokolu IP (Internet Protocol). Internet Protocol Multicast je technologie, která slouží k efektivnímu využití šířky pásma pro situace, kdy jeden vysílač distribuuje informaci (v praxi např. videokonference, software, burzovní zprávy atd.) tisícům příjemců. Adresy pro multicast Pro multicastové vysílání jsou vyhrazeny adresy z třídy D: 224.0.0.0-239.255.255.255. První čtyři bity (1110) identifikují multicastový paket, zbytek (28 bitů) říká, pro kterou multicastovou skupinu je daný uzel určen. Tyto adresy jsou určené pouze pro cílovou adresu datagramu, nesoucího data pro členy multicastové skupiny. Zdrojová adresa je běžná unicastová routovatelná IP adresa.
Organizace IANA rozdělila adresní prostor pro multicast následovně: 224.0.0.0-224.0.0.255 jsou určené pro lokální použití, např. 224.0.0.5 je adresa všech lokálních OSPF routerů. 224.0.1.0 až 238.255.255.255 jsou určené pro globální použití. Existují ještě další rozsahy z třídy D, které mají pro multicast zvláštní sémantiku, více o nich lze najít v příslušných dokumentech RFC. Multicast a 2. vrstva ISO/OSI Za normálních okolností přijímá síťový adaptér (NIC - Network Interface Card) pouze rámce určené pro jeho MAC adresu nebo pro broadcast adresu. (broadcast adresa je vyplněná samými jedničkovými bity - 0xFFFF.FFFF.FFFF) Standard IEEE 802.3 umožňuje rozlišovat rámce, které jsou určeny určité multicast skupině. Tyto rámce se poznají podle broadcast/multicast bitu. IP multicast používá tento bit k přenosu IP paketů pro skupinu uzlů v jednom LAN segmentu. Mapování MAC adres na multicastové skupiny MAC adresy jsou alokovány jednotlivým výrobcům síťových adaptérů tak, aby v prostoru adres nevznikala překrytí. IANA má alokován blok MAC adres počínaje 01:00:5E. Polovina tohoto bloku je určena pro multicastové adresy. To vytváří prostor MAC adres od 0100.5e00.0000 do 0100.5e7f.ffff. 23 bitů v ethernetové adrese pak koresponduje s adresou multicastové skupiny. Dolních 23 bitů IP adresy multicastové skupiny je právě těchto 23 bitů v ethernetové adrese. Protože se 5 bitů v procesu mapování ztratí, nejsou výsledné adresy jednoznačné. 2^5 = 32 IP multicast adres se namapuje na jednu multicast adresu. Multicast a síťové adaptéry Síťová rozhraní, která podporují multicast se poznají ve výpisu příkazu ifconfig pod operačními systémy jako UNIX, Linux, OS X, Darwin atd. podle značky MULTICAST na daném síťovém rozhraní. Multicast routing Běžné routery v Internetu nejsou zkonfigurovány tak, aby předávaly zprávy pro multicastové skupiny. Routery, které jsou schopny přenášet multicastové pakety tvoří distribuční síť ve tvaru stromu. Existují dva typy distribučních stromů - zdrojové (source) a sdílené (shared) stromy. Jednodušší je zdrojový strom, kde kořen stromu je reprezentován vysílajícím uzlem a jeho větve tvoří (minimální) kostru skrz síť. Sdílené stromy používají společný kořen, který je umístěn ve zvoleném místě sítě. Tento sdílený kořen je nazýván rendezvous point (RP). Když se používá sdílený strom, všechny zdroje musí přeposílat síťový provoz na kořenový uzel, odkud je dále distribuován do sítě.
Oba typy stromů - zdrojové a sdílené neobsahují kružnice. Zprávy se replikují pouze tam, kde se strom větví. Členové multicastové skupiny se mohou kdykoliv připojit nebo odhlásit, takže distribuční strom musí být dynamicky updatován. Pokud všichni aktivní členové v určité větvi přestanou vyžadovat síťový provoz pro danou multicast skupinu, je tato větev odříznuta routery z distribučního stromu. Pokud se nějaký člen z této větve znovu přihlásí k odběru zpráv pro danou multicastovou skupinu, routery dynamicky modifikují distribuční strom a začnou znovu přeposílat síťový provoz pro tuto skupinu po této větvi. Minimální stromy (kostry) jsou výhodné, protože dávají minimální latenci pro forwardování multicastového síťového provozu. To s sebou nese samozřejmě cenu v podobě zátěže multicastového routeru, který si musí pamatovat informaci pro každý zdroj vysílaní. V síti s tisíci zdroji a tisíci skupinami to může představovat pro multicastové routery nezanedbatelnou zátěž. Sdílené stromy jsou v tomto ohledu výhodnější - nevyžadují, aby multicast routery udržovaly tolik informací. IGMP IGMP (Internet Group Management Protocol) slouží k dynamické registraci uzlů do multicastové skupiny. Uzly se přihlašují do skupiny posláním IGMP zpráv na lokální multicastový router. Další typ zprávy se používá k odhlášení z multicastové skupiny. IGMPv1 V IGMP verze 1 jsou k dispozici pouze dva typy zpráv: Membership query Membership report Uzly vysílají IGMP zprávy typu report aby se přihlásily do multicastové skupiny a ohlásily tím svoji příslušnost k určité multicastové skupině. Multicast routery pomocí zpráv typu query zjišťují, jestli má daný uzel ještě zájem přijímat zprávy pro danou skupinu. Pokud uzel neodpoví na tři po sobě jdou zprávy typu query, router ho přestane považovat za člena multicastové skupiny. IGMPv2 IGMPv2 je definována v RFC 2236 a oproti IGMPv1 se liší počtem a typem IGMP zpráv. Zavádí následující typy zpráv: Membership query Version 1 membership report Version 2 membership report Leave group Hlavní rozdíl oproti IGMPv1 je v tom, že zde existuje zpráva typu Leave group. Uzly nyní mohou aktivně vyjádřit úmysl odhlásit se z multicastové skupiny. To sníží latenci při odhlašování ze skupiny. Uzly se odhlašují ze skupiny pomocí zprávy typu Leave group poslané na lokální multicast router. Router se poté zeptá pomocí zprávy typu Membership
query, zda se vyskytují ještě nějaké uzly, náležící do této skupiny. Pokud nedostane odpověď, přestane přeposílat síťový provoz pro tuto skupinu. Multicast a globalita Pokud je vytvořena multicastová skupina, měla by teoreticky pokrývat část Internetu schopnou přijímat a doručovat multicastový síťový provoz. Pokud chceme vytvořit zdání lokality, použijeme k tomu hodnotu TTL (TTL je zkratka za Time To Live, je to jedna z položek hlavičky IP protokolu). TTL není dekrementováno na každém hopu, ale porovnáváno s "treshold" hodnotou na každém routeru. Např. MCAST pakety s TTL menším než 128 budou přeposílány pouze v rámci jednoho kontinentu. Toto samozřejmě závisí na tom, jak jsou nakonfigurovány jednotlivé routery. Multicast a IPv6 Multicast funguje v IPv6 prakticky jako v IPv4, alespoň co se principu týče. Podobně jako v IPv4 jsou realizovány implicitní multicastové skupiny ALL-ROUTERS apod. V IPv6 se multicast navíc používá jako náhrada broadcastu. Zjišťování příjemců se děje pomocí protokolu MLD (Multicast Listener Discovery), který vychází z IGMPv2 pro IPv4. Multicast shrnutí V oblasti produkce videa došlo v posledních letech k nárůstu používání vysokého rozlišení (HD). Nárůst je tažen především významným nárůstem kvality zážitku diváka, neboť obrazová plocha je dvakrát respektive pětkrát větší než v případě rozlišení běžné televize (PAL). Pro akademické účely není divácký zážitek relevantní, nicméně na větší ploše je možné zobrazit více informací, což umožňuje lepší komunikaci mezi vysílatelem a divákem. Také příjem digitálního vysílání šířeného satelity a v současké době i prostřednictvím digitálního terestriálního vysílání se stává běžnou součástí vybavení nejen mnohých domácností, ale též řady pracovišť (např. škol, informačních center, knihoven atd.). Digitální signál můžeme přijímat buď samostatným přijímačem nebo prostřednictvím příslušenství běžného PC. Právě toto druhé řešení nabízí další zajímavé aplikace a to archivace, video na vyžádání (VOD) a obecně distribuci televizního vysílání v počítačové síti. Z hlediska pedagogiky je možné využít multicastové vysílání nejen pro výuku cizích jazyků, ale i v jiných oborech (společenské vědy, geografie, historie atd.). Základním problémem distribuce digitálního vysílání v počítačové síti není ani tak získávání digitálních dat, ale vzhledem k jejich objemu především jejich efektivní distribuce v počítačové síti. Multicast proto často bývá černou můrou správců sítě, kdy bez jeho podpory snadno může dojít k zahlcení počítačové sítě.
Multicast v síti Ostravské univerzity Multicastové vysílání je směrem na Ostravskou univerzitu přenášeno ze sítě CESNET2 po samostatné VLANě, samotné směrování ve vnitřní síti pak zajišťuje L3 přepínač CISCO Catalyst 3750. Jak již bylo popsáno výše, multicastové vysílání je náročné na síťové prvky, přes které je přenášeno, proto není prozatím příjem multicastového vysílání možný ve většině univerzitních podsítí. Na odstranění tohoto nedostatku Technické oddělení Centra informačních technologií usilovně pracuje. V současné době je možný příjem multicastového vysílání na podsítích Centra informačních technologií, na budově PřF A a na rektorátě Ostravské univerzity. VLC program pro získávání multicastového vysílání z Internetu Program VLC (VideoLan Client) je volně dostupný pod licencí GNU/GPL v 3 z internetové adresy: http://www.videolan.org VLC nastavení, využití Pro příjem oznámeného multicastového vysílání je nutné zapnout ve VLC SAP (Session Announce Protocol) následujícím postupem: Spustit VLC, stisknout CTRL+S a postupovat podle obrázku č. 1
Obrázek 1 Nyní je program VLC připraven na příjem oznámeného multicastového vysílání. V experimentálním vysílání je možné sledovat např. zpravodajský program TA3 Závěr Na poli multicastových přenosů v IP sítích probíhá neustále intenzivní výzkum. Velká řada návrhů vycházejících z RFC doporučení je v IP sítích aktivně testována a nasazována do testovacích provozů, příkladem může být implementace multicastu šířeného protokolem PIM-SM v síti Ostravské univerzity a v národní akademické síti CESNET2. Rozšíření multicastových přenosů v rámci světové sítě Internet brání nevyhovující síťová architektura Internetu a stále ještě také nevyspělost multicastových algoritmů. Problém leží především na směrovačích, které musí umět zpracovávat a dále šířit multicastová data a rovněž nedostatek multicastových klientských aplikací. Síť Ostravské univerzity je na příjem (ale i na vysílání) multicastu plně připravena a jak ukazuje testovací provoz nejsou s tímto žádné problémy vyjma spojení pomocí externích tunelů a samozřejmě wi-fi spojů, kde prozatím provoz multicastového vysílání nedoporučujeme. S rozvojem multicastu a jeho implementací na Ostravské univerzitě se nabízí značné množství témat pro diplomové a bakalářské práce, které je možné studentům Ostravské univerzity nabízet.