Quelques mots sur la technologie multicast

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1 Quelques mots sur la technologie multicast Nicolas MENECEUR L enregistrement vidéo de cette présentation est disponible sur 1

2 Quelques mots sur la technologie multicast Pourquoi le multicast? Les fondamentaux du multicast Le concept de groupe multicast L adressage multicast Le concept du multicast IP Les protocoles stations-routeurs IGMP IGMP Snooping Les protocoles de routage Les bases du routage multicast L algorithme Reverse Path Forwarding La notion d arbre de distribution Un aperçu des protocoles intradomaine Le mécanisme de routage PIM-SM Les protocoles inter-domaines : MSDP et MBGP Outils et applications multicast 2

4 La transmission unicast et multicast Serveur Vidéo Unicast Transmission unicast : Le serveur envoie 1 paquet unicast à chaque destinataire l ayant demandé Routeur Server Vidéo Multicast Transmission multicast : Le serveur envoie 1 seul paquet multicast à tous les destinataires l ayant demandé Routeur groupe Xcast identifié par l adresse Xcast 4

5 Avantages du multicast Optimisation des performances : élimine le trafic redondant Communication et transmission efficace : réduction de la charge CPU Autorise de vrais applications distribuées multipoint Trafic (Mbps) Exemple: streaming audio Tous les clients écoutent le même flux audio à 8Kpbs Multicast Unicast Nombre de clients Mais la diffusion multicast est basée sur l UDP : Best Effort et congestion des réseaux restent inévitables 5

7 Concept de groupe multicast IP 7

8 Adressage multicast IP (couche 3) Adresses de classe A, B et C A: /8 B: /16 C: /32 Adresses de classe D Adresses de groupe multicast D: /4 ( ) Bits de poids fort à 1110 Réservation de plages d adresses spécifiques : Voir les RFC 1700, 2365 et 2770 ou 8

9 Adressage multicast IP (couche 3) Adresses de groupe spécifiques et permanentes : : réservées pour la diffusion sur le LAN fixes et attribuées par l IANA transmises avec TTL=1 (portée locale) Exemples : : tous les systèmes multicast : tous les routeurs multicast : tous les routeurs DVMRP : tous les routeurs OSPF : tous les routeurs RIPv : tous les routeurs PIMv : réservées pour PIM SSM : réservées pour GLOB attribuées aux AS pour des allocations statiques voir Exemple pour RAP (AS 2422) : / : réservées pour des usages privés Toutes les autres adresses sont temporaires et réservées pour une allocation dynamique Application de réservation d adresses de groupe : SDR 9

10 Portée de l émission TTL (Time To Live) Dans l entête du paquet IP Threshold : Seuil Fixé sur l interface du routeur Employés pour limiter l étendu de la diffusion si TTL > Seuil alors TTL = TTL 1 et on transmet le paquet on détruit le paquet si TTL < 2 Exemples de seuils de diffusion multicast TTL = 1 réseau local < 16 site local < 32 régional < 48 national < 64 continental (Europe, USA,...) > 64 mondial 10

11 Adressage multicast Ethernet (couche 2) 5 Bits Lost Bits 28 Bits e-7f Bits 23 Bits 48 Bits Une adresse IP multicast de la couche 3 correspond à une seule adresse MAC multicast de la couche 2 11

12 Adressage multicast Ethernet (couche 2) 32 adresses IP multicast adresse MAC multicast 0x0100.5E Attention : plusieurs adresses de niveau 3 peuvent correspondre à la même adresse de niveau 2 12

13 Concept du multicast IP 13

15 IGMP Internet Group Management Protocol Comment les ordinateurs rendent compte aux routeurs de leur appartenance à un groupe Les routeurs sollicittent les adhésions auprès des stations directement connectés Le RFC 1112 spécifie IGMP version 1 Le RFC 2236 spécifie IGMP version 2 Le RFC 3376 spécifie la version actuelle d IGMP (version 3) 15

16 IGMP v1 : rejoindre un groupe Un membre envoie un rapport pour pour rejoindre immédiatement ce groupe 16

17 IGMP v1 : requêtes générales Le routeur envoie périodiquement des requêtes générales vers pour déterminer l appartenance aux groupes 17

18 IGMP v1 : maintenir un groupe Le routeur envoie des requêtes périodiques Un membre par groupe par sous-réseau rapporte Les autres membres annulent leur rapport 18

19 IGMP v1 : quitter un groupe Le routeur envoie des requêtes périodiques Les stations quittent le groupe sans en référer au routeur Le routeur continue d envoyer des requêtes périodiques Pas de rapports pour le groupe reçu par le routeur Le groupe disparaît par temporisation 19

20 IGMP v2 Requête spécifique à un groupe Un routeur vérifie que le dernier récepteur intéressé par un groupe a bien quitté ce groupe avant de cesser l envoie de ses données sur un sous-réseau. Message pour quitter explicitement un groupe Une station envoie un message de résiliation s il quitte le groupe (réduit le temps de latence de disparition d un groupe en comparaison à IGMPv1). Mécanisme d élection du routeur requérant Sur les réseaux multiaccès, un routeur requérant IGMP est élu sur la base de la plus petite adresse IP. Seul le routeur requérant envoie des requêtes. 20

21 IGMP v2 : rejoindre un groupe Un membre envoie un rapport pour rejoindre le groupe pour rejoindre immédiatement (comme pour IGMPv1) 21

22 IGMP v2 : rejoindre un groupe 22

23 IGMP v2 : élection du requérant Initialement tous les routeurs envoient une requête Le routeur avec l adresse IP la plus basse est élu Les autres routeurs deviennent non-requérant 23

24 IGMP v2 : maintenir un groupe Le routeur envoie des requêtes périodiques Un membre par groupe et par sous réseau rapport Les autres membres annulent leur rapport 24

25 IGMP v2 : quitter un groupe 25

26 IGMP v2 : quitter un groupe H2 quitte le groupe, il envoie un message pour quitter Le routeur envoie une requête spécifique au groupe H3 veut rester dans le groupe, il envoie un rapport Le groupe reste actif sur ce sous-réseau 26

28 IGMP v2 : quitter un groupe La dernière station quitte le groupe, il envoie un message Le routeur envoie une requête spécifique pour le groupe Aucun rapport n est reçu Le groupe devient inactif sur temporisation 28

30 IGMP v3 Sélection de sources spécifiques à l intérieur d un groupe Filtrage de la source sous forme de «include» ou «exclude» Opération exploitée par PIM-SSM (Source Specific Multicast) 30

31 Commutateur sans contrôle du multicast Problème: inondation des trames multicast Certains commutateurs traitent le trafic multicast comme inconnu ou comme broadcast et envoie la trame sur tous les ports Des stations non interessées reçoivent les flux multicast 31

32 Commutateur avec contrôle du multicast Solution: IGMP Snooping Seules les stations interessées reçoivent le flux multicast 32

33 IGMP Snooping Donne au commutateur une capacité de niveau 3 Permet de limiter la diffusion multicast sur les commutateurs de niveau 2 Les paquets IGMP sont interceptés par le processeur du commutateur ou par un ASIC spécifique Le commutateur examine chaque paquet pour savoir si c est un message IGMP (rejoindre ou quitter) Le commutateur examine le contenu de ces paquets pour déterminer quels ports veulent quels trafics Impact sur les commutateurs La charge de traitement augmente avec le trafic multicast IGMP Snooping traité par le hardware sur certains commutateurs. Les opérateurs effectués en hardware n altèrent pas les performances 33

34 Résumé Protocoles entre stations et routeurs IGMP : Internet Group Management Protocol IGMP Snooping : devrait être traité en hardware Commutateurs traitant les informations du L3 (ASIC) haut niveau de performances est maintenu Les autres commutateurs performances nettements dégradées Les Hubs et les commutateurs qui ne limitent pas le traffic multicast peuvent poser problème 34

36 Les bases du routage multicast 36

37 Les bases du routage multicast L adresse de destination IP dans un datagramme multicast est l adresse du groupe multicast Le routage multicast est à l envers du routage unicast Le routage unicast détermine où le paquet va : on route en fonction de la Destination Le routage multicast détermine d où le paquet vient : on route en fonction de la Source Le rôle du protocole de routage multicast Construire et maintenir les arbres de distribution Informer les routeurs des sources actives et des groupes diffuser vers les routeurs : le mode dense (Dense Mode) mécanisme de rendez-vous : le mode clairsemé (Sparse Mode) 37

38 Les bases du routage multicast Le routage multicast utilise le RPF pour construire les arbres de distribution et s assurer que les paquets arrivent par la bonne interface Reverse Path Forwarding (RPF) = diffuser dans le sens inverse de la source Interface RPF = interface qui amène par le plus court chemin vers la source Un paquet arrive par l interface RPF et n est jamais renvoyé vers l interface RPF Qu est-ce que le contrôle RPF? On cherche l adresse source du datagramme multicast dans la table de routage unicast utilisée pour le multicast. Si le datagramme est arrivé sur l interface spécifiée dans la table de routage pour l adresse source, alors le contrôle RPF réussi. Sinon, le contrôle RPF échoue. 38

39 RPF et propagation multicast Le contrôle RPF Source Arbre de distribution Paquets multicast Échec RPF Le contrôle RPF échoue. Le paquet arrive sur la mauvaise interface! 39

40 RPF et propagation multicast En détail : le contrôle RPF échoue Un paquet multicast de la source X S0 Le contrôle RPF échoue! Table de routage unicast réseau interface /16 S /24 S /24 E0 S1 S2 E0 Le paquet arrive sur la mauvaise interface! Le paquet est jeté! 40

41 RPF et propagation multicast En détail : le contrôle RPF réussit Un paquet multicast de la source S0 Le contrôle RPF réussit! Table de routage unicast réseau interface /16 S /24 S /24 E0 S1 E0 S2 Le paquet arrive sur la bonne interface! Il est propagé sur toutes les interfaces de sortie (i.e. en amont de l arbre de distribution) 41

42 Arbre de distribution multicast Source 1 Arbre qui décrit comment atteindre les membres des différents groupes de diffusion répartis sur tout un domaine. 1. Arbre basé sur la source 2. Arbre partagé A B D F C E Récepteur 1 Récepteur 2 42

43 Arbre de distribution multicast Arbre du plus court chemin ou Source Source 1 Adresse source : Adresse groupe : Notation: (S, G) ou ( , ) S = Source G = Groupe A B D F C E Arbre Source Récepteur 1 Récepteur 2 43

44 Arbre de distribution multicast Arbre du plus court chemin ou Source Notation: (S, G) ou ( , ) S = Source G = Groupe Source 2 A B D F Adresse source : Adresse groupe : C E Arbre Source Récepteur 1 Récepteur 2 44

45 Arbre de distribution multicast Arbre Partagé Notation: (*, G) ou (*, ) * = Toutes les source G = Groupe A B D (RP) F racine commune C E (RP) Point de Rendez-vous Arbre Partagé Récepteur 1 Récepteur 2 45

46 Arbre de distribution multicast Source 1 Arbre Partagé Adresse source: Adresse groupe: Notation: (*, G) ou (*, ) * = Toutes les source G = Groupe Source 2 A B D (RP) racine commune F Adresse Source : Adresse Groupe : C E (RP) Point de Rendez-vous Arbre Partagé Arbre Source Récepteur 1 Récepteur 2 46

47 Rappel des bases du routage multicast Routage basé sur la source implique une connaissance des sources dans chaque routeur ou un mécanisme pour fournir cette connaissance sur demande Arbre Source (S, G) Arbre Partagé (*, G) RPF : Reverse Path Forwarding 47

48 Aperçu des protocoles de routage 2 familles de protocoles de routages multicast Protocoles intradomaine (PIM, DVMRP,...) Protocoles inter-domaines multicast (MSDP et MBGP) 2 modes de fonctionnement pour les protocoles intradomaine Protocoles en mode dense (Dense Mode) : on diffuse tant qu on nous demande pas d arrêter (flooding+pruning) création d un état pour chaque source sur tous les routeurs utilise les arbres de distribution source optimisé pour les groupes à forte densité de membre Protocoles en mode clairsemé (Sparse Mode) : on diffuse quand on nous le demande explicitement utilise des arbres de distribution source et partagés optimisé pour les groupes à faible densité de membre 48

49 Aperçu des protocoles de routage Protocoles en mode Dense DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol) DVMRPv1 (RFC 1075), DVMRPv2 (draft Internet) obsolète et quasiment plus utilisé MOSPF (Multicast Open Shortest Path First) RFC 1584 PIM-DM (Protocol Independent Multicasting - Dense Mode) draft Internet Protocoles en mode Clairsemé (Sparse) PIM-SMv2 (Protocol Independent Multicasting - Sparse Mode) RFC 2362 protocole indépendant du routage unicast maturité : très largement déployé large échelle : extensible au routage multicast inter-domaines Autres (CBT, OCBT, QOSMIC, SM,...) assez exotiques 49

50 Caractéristiques de PIM-SM 1. Personne ne reçoit le trafic d un groupe sans le demander. 2. Enregistrements auprès du Point de Rendez-vous. 3. Les demandes (JOIN) sont propagées du récepteur vers le RP ou vers les sources. Les sources sont connues par une propagation au préalable par l arbre partagé. 4. Pas de propagation systématique comme en mode dense. 5. Des sites élagués en permanence si nécessaire. Point de Rendez-Vous (Racine Partagée) Support des arbres sources et partagés: - utilise d abord l arbre partagé. - peut commuter sur l arbre source si nécessaire. 50

51 Mécanisme de PIM-SM 51

52 Mécanisme de PIM-SM Le récepteur 1 se joint au groupe G C créé l état (*,G) et envoie une demande pour (*,G) vers le RP 52

53 Mécanisme de PIM-SM Le RP crée l état (*,G), met un lien vers C sur l interface de sortie 53

54 Mécanisme de PIM-SM La source 1 envoie des données A encapsule les données et envoie des Registers vers les RP 54

55 Mécanisme de PIM-SM Le RP décapsule les Registers et propage les données en aval de l arbre partagé. Le RP créé l état (S,G) et envoie un Join vers la source, A et B créé l état (S,G) 55

56 Mécanisme de PIM-SM Le RP envoie un Register-Stop dès que les données arrivent nativement au RP 56

57 Mécanisme de PIM-SM C veut un chemin plus court. Il envoie un Join pour (S,G) vers la source pour rejoindre l arbre du plus court chemin 57

58 Mécanisme de PIM-SM C reçoit (S,G), il envoie un Prune vers le RP pour la source sur l arbre partagé. Le RP garde le lien vers C sauf pour S et envoie un Prune vers la source. 58

59 Mécanisme de PIM-SM Un nouveau récepteur rejoint le groupe, E crée l état et envoie un Join pour (*,G) vers le RP 59

60 Mécanisme de PIM-SM C ajoute le lien vers E sur l interface de sortie pour (*,G) et de (S,G). C diffuse vers E et les données de la source arrive à E. 60

61 Mécanisme de PIM-SM La source 2 commence à émettre, D envoie des Registers. Le RP diffuse vers les récepteurs en aval de l arbre partagé. 61

62 Mécanisme de PIM-SM Le RP envoie un Join vers D 62

63 Mécanisme de PIM-SM Les données commencent à se propager nativement vers le RP en aval de l arbre du plus court chemin. Le RP envoie un Register-Stop 63

64 Mécanisme de PIM-SM L arbre partagé et du plus court chemin sont utilisés 64

65 Évaluation de PIM-SM Utilise un Point de Rendez-vous (RP) Protocoles en mode clairsemé (Sparse) Les sources s enregistrent auprès du RP et envoient les données aux récepteurs connus via ce RP Suppose qu aucune station ne veut du trafic multicast s il ne l a pas demandé Approprié pour le déploiement à large échelle pour des groupes multicast clairsemés Avantages : Le trafic n est envoyé que sur les branches depuis lesquelles on a reçu une demande (Join) Peut commuter dynamiquement sur les arbres sources optimaux pour les sources à fort trafic Indépendant d un protocol de routage unicast Bases pour le routage multicast interdomaines (MBGP et MSDP) 65

66 Domaine PIM-SM Domaine PIM-SM Msg BSR Domaine PIMv2 voisin Pim Border Routeur Msg BSR BSR Msg BSR C-RP Advertissement (Unicast) C-RP Advertissement (Unicast) C-RP BSR Msgs C-RP Pim Border Router 1 domaine PIM multicast : - des routeurs IGMP sur les LANs et 1 seul DR élu par LAN - des routeurs PIM-SM partout sur le réseau multicast - des routeurs C-RP et 1 seul RP élu (par groupe d adresses) Domaine PIMv2 voisin - des routeurs C-BSR et 1 seul BSR élu pour minimiser les tâches de configuration des routeurs - des PIM Border routeur aux frontières des autres domaines 66

67 Élections et arbitrages DR (Designated Routeur) : routeur IGMP d adresse IP la plus petite sur un LAN BSR (BootStrap Routeur) : le C-BSR ayant la plus haute priorité et l adresse IP la plus petite. chaque C-RP se signale au BSR, qui détermine le RP-Set et le diffuse RP (Rendez-vous Point) : maximum de hash-fonction (RP-Set) Algorithme du BootStrap : Le BSR est élu parmi les candidats BSR Le BSR diffuse une liste de RP valides (parmi les candidats RP) Unefonctionde hachageassocieuneadressede groupeàun RP parmi la liste des C-RP >> Tout routeur PIM peut calculer le RP associé à un groupe 67

68 Routage inter-domaines AS 123 MBGP AS 321 RP Border Router Border Router RP MSDP Receveur Domaine PIMv2 Source Domaine PIMv2 MSDP : annonce des sources actives inter-domaines MBGP : annonce des routes de ces sources 68

69 Routage inter-domaines : MBGP MBGP, RFC 2283 Multiprotocol extension de BGP-4 Adress family (unicast, multicast, ipv4, ipv6, mpls,...) Permet de router les réseaux des sources multicast au sein d un domaine PIM (imbp) ouentredomainespim distincts(embgp) En établissant des peerings MBGP Permet de récupérer les routes annoncées par d autres protocoles multicast réinjection (DVMRP,...) Supporte des topologies unicast et multicast non congruente 69

70 Routage inter-domaines : MSDP MSDP, Multicast Source Discovery Protocol RFC 3618 But : découverte par les RP des sources actives des autres domaines PIM pour construire des arbres de diffusion multicast inter-domaines Permet d annoncer des sources actives entre RP En établissement des peering MSDP (connections TCP 639) 70

71 Mécanisme de MSDP MSDP Peers Domain E Source Active Messages SA Domain C SA RP r Domain B SA RP SA SA Join (*, ) RP SA RP SA Message , SA s RP Domain A SA Message , Domain D Register ,

72 Mécanisme de MSDP MSDP Peers Domain C Domain E RP r Domain B RP Join (S, ) RP RP Domain D s RP Domain A 72

73 Mécanisme de MSDP MSDP Peers Domain E Multicast Traffic Domain C RP r Domain B RP RP RP Domain D s RP Domain A 73

74 Mécanisme de MSDP MSDP Peers Multicast Traffic Domain C Domain E RP r Join (S, ) Domain B RP RP RP Domain D s RP Domain A 74

75 Mécanisme de MSDP MSDP Peers Domain E Multicast Traffic Domain C RP r Domain B RP RP RP Domain D s RP Domain A 75

77 Outils et applications multicast Iperf : générateur de trafic multicast il permet d'envoyer des paquets multicast depuis une machine source vers un groupe multicast et de les recevoir sur des postes récepteurs utilisation : sur les machines réceptrices : iperf -s -u -B i 1 sur les machines émettrices : iperf -c u -T 32 -t 10 -i 1 [ ID] Interval Transfer Bandwidth Jitter Lost/Total Datagrams [ 3] sec 128 KBytes 1.05 Mbits/sec ms 1/ 90 (1.1%) [ 3] sec 128 KBytes 1.05 Mbits/sec ms 0/ 89 (0%) [ 3] sec 51.7 KBytes 423 Kbits/sec ms 0/ 36 (0%) [ 3] sec 204 KBytes 1.67 Mbits/sec ms 0/ 142 (0%) [ 3] sec 128 KBytes 1.05 Mbits/sec ms 0/ 89 (0%) [ 3] sec 128 KBytes 1.05 Mbits/sec ms 0/ 89 (0%) [ 3] sec 128 KBytes 1.05 Mbits/sec ms 0/ 89 (0%) [ 3] sec 129 KBytes 1.06 Mbits/sec ms 0/ 90 (0%) [ 3] sec 128 KBytes 1.05 Mbits/sec ms 0/ 89 (0%) [ 3] sec 128 KBytes 1.05 Mbits/sec ms 0/ 89 (0%) [ 3] sec 1.25 MBytes 1.05 Mbits/sec ms 1/ 893 (0.11%) 77

78 Outils et applications multicast Mcast : générateur de trafic multicast outil du kit de ressources de Windows Server il permet d'envoyer des paquets multicast depuis une machine source vers un groupe multicast et de les recevoir sur des postes récepteurs utilisation : sur les machines réceptrices : mcast /recv /grps:x.x.x.x /intf:z.z.z.z sur les machines émettrices : mcast mcast /send /grps:x.x.x.x /intf:y.y.y.y 78

79 Outils et applications multicast RTP Tools : générateur de trafic RTP multicast il peut analyser le trafic reçu d une émission RTP depuis VLC exemple : rtpdump -F stats / , ,19655, %, %, , ,19656, %, %, , ,19657, %, %, , ,19658, %, %, , ,19659, %, %, , ,19660, %, %, , ,19661, %, %, , ,19662, %, %, , ,19663, %, %, , ,19664, %, %, , ,19665, %, %,0 groupe/port de diffusion VLC MPEG2 à 10 Mbits/s timestamp et n de séquence du paquet RTP % actuel et % moyen de paquets perdus 79

80 Outils et applications multicast BEACON : supervision du réseau multicast 80

81 Outils et applications multicast Les outils du MBone : visioconférence multicast ensemble d applications multicast : SDR (Session DiRectory) : annuaire de session VIC (Video Conferencing) : vidéoconférence RAT (Robust Audio Tool) : audioconférence WBD (WhiteBoarD) : tableau blanc NTE (NetTExt) : éditeur de texte utilisé dans VRVS (Virtual Rooms VideoConferencing System) système de visioconférence par le Web 81

82 Outils et applications multicast VLC (VideoLAN Client) : diffusion/réception vidéo visualisation Liste des programmes multicast (annonces SAP) 82