Introduction à la problématique des Réseaux avec QoS - Internet Multicast -

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1 Introduction à la problématique des Réseaux avec QoS - Internet Multicast - Ingénierie des Réseaux d'entreprise (Cycle C), Compléments Réseaux de Transport et Application (Cycle B) Mars 2004 Eric Gressier-Soudan

2 Multicast vs Unicast Les LANs supportent nativement la diffusion (ils constituent généralement le chemin terminal d'une diffusion) tandis que les réseaux de cœur "recopient" les messages sur plusieurs liens (ATM aurait pu faire, mais ça ne lui est pas naturel) Efficacité multicast p/r au broadcast : 1 message au lieu de n les routeurs ne traitent les messages du flot qu une seule fois, seuls les membres du groupe sont atteints par les messages multicast -> économie de bande passante et de ressources NB : Pour limiter la portée des datagrammes multicast, on joue sur le TTL, par exemple un TTL de 1 ne fait pas dépasser le premier routeur d'un réseau. Mars Réseaux et QoS

3 Profils d'interactions Applications :. visio/vidéo-conférence sur l'internet. distribution audio. mode "push" sur le Web. gestion du routage. synchronisation d'horloge (avec NTP). annonce de services/découverte de ressources sur un réseau. mise à jour de données (gestion de stock) "one-to-many" : diffusion Mises a jour BD, ERP, net-news, audio et video broadcast, TV sur ADSL "many-to-one" architecture de mediation, applications industrielles "many-to-many" : interaction Conférence, Simulation Distribuée Interactive, jeux multi-joueurs en réseau, e-learning, chat Mars Réseaux et QoS

4 Multicast et Adresses Classe D adresses unicast -> adresses un seul site (classes A,B,C) adresses broadcast -> tous les sites d'un réseau (adresse unicast avec le champ station tout à 1) adresses multicast -> un groupe de stations, adresses de classe D, transverse au réseau et à une localisation donnée dans la classe D:. les adresses x et x (w=0 à 255) sont réservées pour des protocoles de routage ou autres protocoles de service : : les routeurs multicast du sous-réseau (IGMP) : tous les routeurs du sous-réseaux : tous les routeurs DVRMP. les adresses à servent pour des adresses multicast privées, elles sont non routables à l'extérieur des entreprises, en particulier /16 est limité à un site Mars Réseaux et QoS

5 Adresses Multicast LAN et Multicast IP IPmc multicast avec adresses MAC des LANs 802.x: on utilise les adresses multicast des LANs. On extrait 23 bits de l'adresse IP classe D (sur les 32-4, soit 28 disponibles) qui correspondent à la fin de l'adresse Les deux 1 ère lignes donnent le rang de la colonne du bit (dizaines) [^^^^ ^][^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^] < 5b > < 23b > On ajoute ces 23 bits à la fin d'une adresse MAC préfixée par 0x E, l'adresse (OUI pour Organization Unit Identifier) attribuée par l'ieee avec le bit multicast à 1, le bit adresse universelle à 0, suivi d'un bit à 0 : [ E] 0[^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^] < 48b > Cette approche est adoptée pour Ethernet et FDDI, alors que le Token-Ring utilise l adresse c0:00:40:00:00:00 ou ff:ff:ff:ff:ff:ff:ff:ff (source CISCO SYSTEMS, Networkers99, Introduction to IP Multicast) Mars Réseaux et QoS

6 Adresses Ethernet et leur représentation- Rappels représentation dans le standard 802 suivant l ordre des bits tels qu'ils sont émis sur le support: ML[OUI 22b][24b alloués par constructeur] M = 1 addresse de diffusion L = 0 adresse universelle (OUI est attribuée par l IEEE) OUI = partie telle que 2 constructeurs ont des id différents reste = identification d'un coupleur telle que 2 coupleurs d'un même constructeur n'ont pas le même identificateur représentation dans les documents de l'internet : octet 1 O L M octet 2 U octet 3 I octet 4 octet 5 octet 6 Entête des trames Multicast IETF (OUI 0x E) E octet octet octet octet 4 0 octet 5 octet 6 Mars Réseaux et QoS

7 : , 0xE Le deuxième octet : 0x80 s'écrit en binaire, on ne prend que les 7 bits les plus à droite de cet octet pour l'adresse multicast Ethernet ce qui donne : #Eth : 01:00:5E:00:40:20 Attention, plusieurs adresses IP peuvent donner la même adresse MAC (5bits de l'adresse IP ne sont pas : , soit 0xE donne aussi 01:00:5E:00:40:20 Le passage d'une adresse IP multicast à une adresse MAC multicast n'est pas bijectif. Mars Réseaux et QoS

8 IGMP- Internet Group Management Protocol plutôt que "Management", on aurait préféré "Membership" IGMPv1 : RFC1112, protocole de gestion de groupe basé sur un polling périodique, deux types de requête : Interrogation (Query)-Rapport (Report) IGMPv2 : RFC2236 plus efficace que v1 pour la gestion d'appartenance à un groupe, ajoute l'indication de désabonnement d'un membre, remplace de fait IGMPv1 (mais compatibilité conservée) IGMPv3 : sélection de la source d une diffusion par un récepteur, definit une API socket à ce propos. Les opérations IGMP ne font intervenir aucun routage multicast. Protocole entièrement repris et intégré dans IPv6. Mars Réseaux et QoS

9 Eléments de protocole IGMPv2 (1) Un message IGMP est encapsulé dans un datagramme IP avec pour champ protocole de niveau supérieur valant version type inutilisé (v1) Max Resp Time (v2) adresse degroupe CRC sur les 8 octets du message IGMP Types: Interrogation sur l'appartenance au groupe/host Membership Query (valeur 1) par un routeur, message à tous les hôtes pour tous les groupes ou à un groupe. En IGMPv2, les interrogations peuvent adresser un groupe multicast (Group-Specific Query). Hôte indique son appartenance au groupe/host Membership Report (valeur 2 pour v1 ou 6 pour v2), un hôte fait une réponse en multicast sur chacun des groupes auquel il appartient, les réponses sont étalées par utilisation d'une temporisation comprise entre 0 et MaxRespTime Hôte indique quand il quitte le groupe/leave Group propagé sur l adresse (extension IGMP V2), permet l élagage d une branche de l arbre de routage multicast plus rapidement Les Messages IGMP ont un TTL de 1, ils ne dépassent pas le réseau/sous réseau et donc leur routeur de rattachement. Mars Réseaux et QoS

10 Eléments de protocole IGMPv2 (2). Election du gestionnaire de groupes local : Quand plusieurs routeurs sur un LAN, le routeur multicast qui a la plus petite adresse IP d'un LAN, Election par écoute et auto-élimination, l élu maintient la liste des groupes actifs sur le réseau (ou sous-reseau), le routeur élu s'appelle le DR (Designated Router) 1. L'entrée dans un groupe est signalée par un multicast de type Report sur l'adresse de groupe. La latence d'entrée représente le temps entre le premier Report effectué concernant un groupe et le temps d'attachement du sous-réseau à l'arbre de routage associé au groupe définit par l'adresse de classe D. Dès que le routeur du sous-réseau a enregistré l'arrivée, le demandeur reçoit le trafic associé.. Validation abonnements : Périodiquement (60s), le gestionnaire de groupe local interroge les sites (ou plutôt le réseau/sous-réseau classe D avec TTL de 1) par un multicast de type Query, les stations répondent par Report, une seule station du groupe suffit à maintenir l'abonnement (multicast de la réponse qui est donc entendue par les autres membres du LAN), si pas de réponse, le routeur ne propage plus les informations sur ce groupe. Chaque hôte écoute les messages Report, si un des autres membres se signale dans son groupe, il ne génère pas de Report. Des Reports d appartenance sont envoyés périodiquement pour chaque groupe auquel un hôte appartient. 1 Attention, le routeur désigné gère le groupe mais ne participe pas nécessairement au routage multicast, cela peut être un autre routeur! Mars Réseaux et QoS

11 Ajouts IGMPv3 Extension d'igmp v2 Ajout d un mécanisme de filtrage pour sélectionner les sources des multicast qu un hôte veut recevoir. Deux formats : Tout excepté {liste d'adresses IP unicast}, mode EXCLUDE Seulement {liste d'adresses IP unicast}, mode INCLUDE Exemples : Join en IGMPv2 est équivalent à IPMulticastListen (socket, interface, multicast-address, EXCLUDE, { }) Leave en IGMPv2 est équivalent à IPMulticastListen (socket, interface, multicast-address, INCLUDE, { }) Pour des informations précises voir : url valide en Mars Mars Réseaux et QoS

12 Problème du Multicast en Niveau 2 Inondation des trames en niveau Liaison Le Multicast est : Pas géré ou géré comme du broadcast par les commutateurs (inondation sur tous les ports) On a un donc un routage peu consommateur de ressource en couche 3 mais qui ne l'est pas en couche 2! Solutions : IGMP snooping, pour IGMP, les commutateurs peuvent identifier les ports qui nécessitent ce trafic par espionnage de trafic. C'est lourd car le commutateur examine le contenu de toutes les trames. CGMP, Cisco Group Multicast Protocol, permet d'envoyer des requêtes de configuration au commutateur indiquant de supprimer ou d'ajouter une adresse MAC multicast Mars Réseaux et QoS

13 Concepts Généraux pour le routage multicast Routage Multicast: (Multicast Routing) gestion du routage de datagrammes d'une source vers des destinataires Arbre de Distribution: (Distribution Tree) Ensemble des routeurs et sous-réseaux qui permettent aux membres d'un groupe de recevoir les informations d'une source. Il y a un arbre de distribution par source. Chemin de Montée: (Upstream) Meilleur chemin d'un routeur vers la source d'un arbre de distribution Chemin de Descente: (Downstream) Tout chemin qui n'est pas un chemin de montée, et qui mène aux destinataires accessibles depuis le routeur considéré Feuille: hôte, nœud terminal d'une diffusion Branche: c'est le routeur de raccordement d'une ou plusieurs feuilles, ou, d'un ou plusieurs routeurs Propagation de Multicast: (Multicast Forwarding) Action de recopier un datagramme diffusé d'un chemin de montée (incoming interface, if) vers un chemin de descente (outgoing interface list, oil) Identification d'un flot multicast: Mars Réseaux et QoS

14 Construction de l'arbre couvrant - Protocoles "Flood-and-Prune"(1) "Flood-and-Prune" parfois appelé "Broadcast-and-Prune" Le trafic multicast est la base de la construction de l'arbre. C'est une approche orientée donnée. S Inondation du réseau par le premier datagramme multicast Ce broadcast a pour effet de créer une entrée (@IPS,@IPG) sur chaque routeur. Cette information est conservée même si le routeur n'est plus dans l'arbre de diffusion. Mars Réseaux et QoS

15 Construction de l'arbre couvrant - Protocoles "Flood-and-Prune" (2) S Elagage(prune), trafic non souhaité Aux feuilles, les bases de données IGMP sur les routeurs gestionnaires de groupes donnent les groupes actifs et inactifs. Quand un groupe est devenu inactif, le routeur envoie un message sur le chemin en montée qui demande de le faire disparaître de l'arbre de distribution. S On dit que les protocoles de type inondation-et-élagage sont des protocoles de type appartenance au groupe implicite, ils supposent que les participants d'un groupe veulent recevoir le trafic à priori. Une branche élaguée peut-être à nouveau greffée (Grafted)! Mars Réseaux et QoS

16 Construction de l'arbre couvrant - Protocoles "Flood-and-Prune" (3) Il y a un arbre par trafic multicast. Il faut périodiquement rafraîchir l'arbre. Technique qui consomme de la bande passante puisqu'il faut transmettre pour gérer l'arbre de distribution. Elle est adaptée aux petits réseaux, LAN en particulier, voire MAN. Autre désavantage, les membres du groupe doivent être regroupés de façon relativement compacte pour éviter des élagages de longues branches. Mars Réseaux et QoS

17 Construction de l'arbre couvrant - Protocoles Arbres partagés (1) Un centre/point de RdV (RP, Rendez-Vous Point), qui n'est pas la source du flot de données, distribue le trafic vers les destinataires. L'arbre est construit par ajout explicite de membres. Join S RP Join Join S RP Join Un centre gère plusieurs groupes, et les données de tous ces groupes sont distribuées suivant le même arbre indépendamment des sources. La source ne fait pas nécessairement partie du groupe. Mars Réseaux et QoS

18 Construction de l'arbre couvrant - Protocoles Arbres partagés (2) Les protocoles à arbre partagé sous-entendent une appartenance au groupe explicite, ils supposent que les participants d'un groupe doivent se déclarer pour recevoir le trafic. Cette technique nécessite qu'un destinataire indique explicitement qu'il rejoint un groupe. Technique plus extensible que les arbres de distribution classiques depuis une source. Par contre, le centre reste un goulot d'étranglement. Mars Réseaux et QoS

19 Propagation des datagrammes Multicast La recherche des chemins de sorties fonctionne à l'envers par rapport au routage unicast. Unicast : approche "où va le paquet", recherche du réseau vers le destinataire, on trouve dans la table l'interface pour joindre le prochain routeur Multicast : approche "d'où vient le paquet" recherche de toutes les interfaces différentes de l'interface par où le datagramme multicast est arrivé, on éloigne le datagramme de la source! Mars Réseaux et QoS

20 Technique du Reverse Path Forwarding On cherche dans la table l'entrée correspondant au chemin vers la source. Si on ne la trouve pas, le datagramme est éliminé. Si on la trouve, le datagramme est émis sur toutes les autres interfaces du routeur associées au routage multicast (branches non élaguées). Technique, RPF, est dite du relais sur le chemin inverse. Elle a été spécifiée par Y. Dalal et R. Metcalfe en On trouve aussi le nom de Reverse Path Broadcasting. Si le routage unicast définit un routage par plus court chemin, l'approche RPF fournit un arbre de routage multicast le plus court (SPT, Shortest Path Tree). RPF permet aussi d'éviter les boucles. C'est un mécanisme fondamental pour la construction d'arbre de routage multicast dans IP. Mars Réseaux et QoS

21 Amélioration de RPF :TBT/TRPB Amélioration de RPF, à partir d'un nœud quand plusieurs chemins sont éligibles on adopte un critère supplémentaire par rapport au RPF (plutôt fondé sur le nombre de sauts depuis la source) pour construire l'arbre Multicast de routage. D'autres critères de choix peuvent se cumuler d'ailleurs : l'existence d'abonnés au trafic concernés pour le nœud fils pour (existence de messages prune périodiques) Quand on utilise des critères supplémentaires au nombre de sauts, on parle parfois de Truncated Broadcast Trees (TBTs). On trouve aussi le nom de Truncated Reverse Path Broadcasting (TRPB). Difficile de s'y retrouver avec toute cette terminologie. Mars Réseaux et QoS

22 RPM : Amélioration de TBT/TRPB avec la technique poison reverse dans DVRMP Dans DVRMP, TBT/TRPB est optimisé, on parle alors de RPM (Reverse Path Multicasting) : Pour construire l'arbre on utilise une technique "poison reverse". Un message d'annonce de route est envoyé vers un routeur "amont" de l'arbre de routage considéré comme le "meilleur". Ce routeur peut alors déterminer les routeurs successeurs qui dépendent de lui p/r à chaque source de chaque arbre multicast qui le traverse, ceci pour chacune de ses interfaces. Si un routeur sélectionne un routeur amont comme le meilleur routeur précédent pour retourner vers la source, il renvoie l'annonce sur l'interface amont correspondante avec une valeur de métrique spécifique. Cette annonce porte: "vraie métrique + infini". Suivant la taille du réseau "infini" prend des valeurs différentes suivant la taille du domaine multicast : 32 dans mrouted du m-bone, 16 pour une AS plus petite. Quand le routeur amont reçoit cette annonce, et qu'il voit une valeur comprise entre l'infini et 2*infini, il peut ajouter le routeur aval dont il vient de recevoir l'annonce à une liste des routeurs qui lui sont attachés pour la source considérée. Mars Réseaux et QoS

23 Avertissement au lecteur Attention : il y a en fait 2 arbres pour un même flux multicast! (ce n'est pas très clair dans la littérature, c'est visiblement fonction de l'utilisation de critères d'améliorations, c'est bien visible dans DVRMP) L'arbre structurel qui représente l'infrastructure et l'arbre des flux qui est un sous-ensemble du précédent, ce dernier tient compte des nœuds inactifs en les éliminant par élagage, il est dynamique par nature. La technique de construction de l'arbre structurel peut être différente de la technique qui maintient l'arbre des flux, par exemple : RPF pour le premier, et, broadcast&prune pour le second! Attention, il y a généralement un arbre par source quand on a atteint le régime permanent d'une diffusion multicast IP! Mars Réseaux et QoS

24 Techniques de routage multicast (1). Distance-Vector Multicast Routing Protocol (DVRMP) de 88, utilisé pour le M-Bone, mrouted, utilise RPF + flood & prune. Il y a un arbre par source. En particulier, il intègre la gestion de tunnels pour relier des routeurs multicast à travers des réseaux non multicast. La RFC1075 utilise TBT/TRPB. La version 3 utilise RPM. (mars 2004) rend obsolète le RFC1075. Multicast extension to OSPF (M-OSPF) de 94, comme son nom l'indique, c'est une extension d'ospf pour le multicast, ça ne semble pas avoir rencontré un franc succès.. Core-Based Trees (CBT), RFC 2189 et 2201 de 97, visiblement ces travaux n'ont pas abouti comme tels par rapport aux protocoles concurrents, l'objectif était de construire un arbre partagé avec un arbre partagé (1 seul arbre pour le groupe), il semble que PIM-SM en ait bénéficié. Mars Réseaux et QoS

25 Techniques de routage multicast (2) PIM date de 98, pour la partie RPF n'importe quel routage unicast est possible, En particulier plusieurs versions de la spécification PIM (v1 qui n'a jamais vraiment existé, et v2), RFC 2362 obsoleted RFC 2117, draft-ietf-pim-sm-new-04-v2.txt. Protocol Independent Multicast-Dense Mode (PIM-DM) en fait jamais standardisé par l'ietf.. Protocol Independent Multicast-Sparse Mode (PIM-SM) il existe des espèces mutantes de PIM : PIM- SDM, PIM-SSM, PIM-ASM par exemple. Mars Réseaux et QoS

26 Techniques de routage multicast (3) Stratégies de routage vis-à-vis du mode d'abonnement à un groupe et de partage de l'arbre de routage: Routage Abonnement implicite Abonnement explicite Arbre basé sur la source DVRMP PIM-DM MOSPF PIM-SM Arbre partagé CBT PIM-SM PIM, et en particulier PIM-SM, semble être l'approche retenue pour le déploiement d'ipmulticast en mode natif sur Internet, actuellement, le Cnam, RAP et RENATER ont basculé en mode natif. Mars Réseaux et QoS

27 Tunnels pour le déploiement d'ip-multicast Il n'y a pas toujours des routeurs qui supportent le Multicast IP en mode natif, on utilise alors des tunnels. Tunnel = encapsulation d'un datagramme IP dans un datagramme IP, le datagramme transporteur a pour destination l'extrémité du tunnel (Tunnel GRE sous Linux). On peut facilement utiliser des PC sous Linux pour construire un réseau IP-Multicast indépendant des réseaux traversés sousjacents. C'est une structure qui a été utilisée pour l'expérience d'un concert réparti sur Internet. C'était l'objet du stage de M. Rémy Bonafous. Solution souple, mais qui nécessite l'autorisation des netadmin lors de filtrage sur routeur d'entrée. Par contre, l'arbre de multicast obtenu est instable car invisible aux routeurs, donc non privilégié, et par conséquent victime de l'élimination lors de la traversé de routeurs quand il y a congestion, situation fort probable quand on utilise le multicast pour les applications multimédia. Mars Réseaux et QoS

28 PIM-DM Très proche de DVRMP, : utilise l'inondation, l'élagage des voisins non-rpf et la greffe. L'inondation parcourt tous les liens. Inondation et élagage forment un processus périodique, toutes les 3mn! L'arbre de routage se fait par rapport à la source. Un arbre par source par conséquent. Si la source disparaît, l'arbre disparaît. L'arbre est rafraîchit périodiquement. Pour le RPF, par contre indépendant de RIP, on peut choisir un autre protocole RIP, IGRP, EIGRP, IS-IS, BGP, et OSPF PIM-DM utilise aussi le Poison-Reverse Utilisation d'un message PIM-ASSERT pour élire le routeur multicast sur le groupe (ce qui revient au même) : o Comparaison de la distance et de la valeur de la métrique o Le routeur avec la meilleure route gagne o Si égalité, c'est celui qui a la plus grande adresse o Les perdants arrêtent d'émettre (élagage de l'interface correspondante) Souple, facile à installer sur les petits domaines mais ne passe pas à l'échelle. Mars Réseaux et QoS

29 PIM-SM PIM utilise des nœuds de RdV (RP) comme racine de l'arbre de routage partagé, cœur du routage multicast (RPT, Rendezvous Point Tree), les sources de diffusion ne sont pas des RP. Le RP est connu statiquement (par configuration) ou dynamiquement. Pas d'inondation avec PIM-SM les sources s'enregistrent auprès du RP, un groupe n'est pas enregistré auprès d'un seul RP les récepteurs doivent pouvoir s'abonner auprès des RP, les routeurs doivent se déclarer auprès des RP par un message Join, les récepteurs se désabonnent par Leave les RP doivent tous se connaître, quand les récepteurs reçoivent le flot émis par une source à travers un RP, le dernier routeur sur le chemin (le plus prêt du récepteur) peut éventuellement retirer le RP de l'arbre de distribution partagé si le nouvel arbre basé sur la est plus court. Ensuite, les récepteurs reçoivent directement le flot du nouvel arbre optimal (SPT, Shortest Path Tree). Cette adaptation d'un arbre partagé vers un arbre de routage par la source est la caractéristique la plus intéressante de PIM (adaptabilité à la charge). Combinaison : PIM-SDM (CISCO), certains groupes fonctionnent en mode inondation/élagage, et d'autre en arbre partagé avec point de RdV PIM-SSM : PIM Source-Specific Mode, dans ce cas, il y a une seule source pour un groupe multicast dans un domaine de routage, adapté pour la TV sur Internet. Mars Réseaux et QoS

30 Déploiement IP-Multicast Apparition d'un domaine PIM avec un ou plusieurs RP, et d'une frontière avec un routeur de frontière PIM. Plusieurs problèmes : Connexion de domaines multicast, une réponse MBGP (Multicast BGP) RFC2283. Déploiement de RP : o plusieurs RP par groupe (chaque RP aurait la même adresse IP), o coordonner les RP (informer les RP des sources actives dans leur groupe) avec MSDP, Multicast Source Discovery Protocol o localisation des RP : pour les sources et les récepteurs prendre le RP le plus proche MSDP établit des sessions entre RP de domaines différents via TCP sur les sources actives (SA) de leur domaine. Chaque RP est une paire au sens P2P, et propage les informations sur ces sources vers d'autres RP dont il a connaissance par inondation en utilisant un mécanisme de type RPF. Anycast RP proposé par CISCO Mars Réseaux et QoS

31 Démonstration du fonctionnement des algorithmes de routage à partir du support de cours de CISCO téléchargeable sur le site, dont la version originale : ftp://ftpeng.cisco.com/ipmulticast/networkers00/index.html Présentation d'un sous-ensemble du Support 2214 Mars Réseaux et QoS

32 Multicast Internet Domaine R&D public l'internet Multicast est mis en oeuvre à travers le M-Bone Il y a 3 types d'adresses :. Les adresses permanentes,. Les adresses privées,. Il y a des adresses pour des groupes créés de façon transitoire qui sont donc allouées dynamiquement en utilisant le protocole SAP (Session Advertising Protocol) du M-Bone. Cartes et informations diverses : en Europe : en France : voir exposé : Mars Réseaux et QoS

33 Quelques URL qui ont permis d'enrichir le cours, consultées le 4 décembre 2003 : Exposé sous forme de transparents : htm (en français) de B. Tuy Support de cours : (DESS réseaux à P6), c'est bien pour commencer Papiers introductifs sous format texte : multicast/html/swconfig60-multicastTOC.html, assez exhaustif, vraiment intéressant! Présentation CISCO-symposium Mars Réseaux et QoS