DOSSIER outoge Multicast : outil de diffusion multiple Mots-clés : Réseaux informatiques, Routage multicast, Diffusion multiple. par Olivier SEZNEC, Cisco Systems L'évolution de l'informatique en réseau impose la mise en oeuvre de nouvelles solutions en matière de diffusion multiple. INTRODUCTION Les applications traditionnelles d'informatique en réseau impliquent la communication deux à deux entre ordinateurs. Cependant, certaines applications qui se développent maintenant comme la télévision sur réseau local d'entreprise (LAN), la téléconférence de bureau, la diffusion d'informations d'entreprise, et les groupes de travail informatique, demandent une communication simultanée au sein d'un groupe comprenant un grand nombre d'ordinateurs. Ce mode de fonctionnement est généralement désigné par communication multipoint. CONCEPTION GÉNÉRALE Il y a trois façons de réaliser des applications de mise en réseau multipoint : unicast (destination unique), broadcast (diffusion générale) et multicast (diffusion ciblée). Unicast Avec le concept unicast, les applications envoient une copie de chaque paquet à chacun des membres du groupe de diffusion. Cette technique est simple à mettre en oeuvre, mais s'adapte très mal à des groupes importants. De plus elle demande de la bande passante en abondance car la même information doit être transportée autant de fois qu'il y a de destinataires, même sur des chemins partagés. Cette duplication de l'information pénalise l'utilisation du concept unicast pour la communication multipoint dans des réseaux longue distance.! Hôte. Routeur - ---- - Unicast Unicast I <M<LJJ 7. Diffusion unicast. La transmission d'informations dans les réseaux informatiques demande, dans de nombreux cas, une diffusion multiple également appelée communication multipoint. Trois méthodes permettent de réaliser des applications de diffusion multiple : unicast (destination unique), broadcast (diffusion générale) et multicast (diffusion ciblée). La diffusion de l'information via l'utilisation du multicast permet de minimiser la charge de travail des machines et d'optimiser l'utilisation de la bande passante. Data must often be transmitted simultaneously to a number of recipients over a computer nelwork, in what is known as multi-point communication mode. There are currently three methods of sending the same data to a number of recipients : Unicast (a sing! e récipient), Broadcast (ail users on the network) and Multicast (a targeted group of recipients). Sending the data using multicast reduces the loading on the network servers and optimises the amount of bandwidth required. Broadcast Dans une conception broadcast, les applications envoient une seule copie de chaque paquet dirigée vers une adresse de diffusion utilisée par tous. Cette technique est encore plus simple à mettre en oeuvre que l'unicast pour les applications. Cependant, si cette technique est utilisée, le réseau doit, soit arrêter les diffusions à l'entrée du LAN (une technique fréquemment utilisée pour éviter les orages de diffusion (ou broadcast storms)), soit envoyer la diffusion partout. Envoyer les paquets partout représente une consommation importante de ressources dans le réseau si un petit groupe d'utilisateurs seulement a besoin de voir les paquets. En effet, chaque machine connectée au réseau doit systématiquement analyser le broadcast avant de l'éliminer N'2 Février 99
INTERNET : AVENIR DE LA COMMUTATION ET DE L'ADRESSAGE ou le traiter. Afin de prévenir les possibilités d'orages de diffusion, le protocole IP n'offre pas de possibilité de générer de broadcast sur l'ensemble des réseaux. La technologie de broadcast est donc inadaptée dans le cadre où peu de machines sont destinataires du message ou que les machines sont réparties sur de nombreux réseaux. Multicast Avec le multicast, les applications peuvent n'envoyer qu'une copie de chaque paquet et l'adresser au groupe d'ordinateurs qui veulent la recevoir. Cette technique adresse les paquets à un groupe de récepteurs plutôt qu'à un récepteur unique, et c'est au réseau de ne transmettre les paquets que vers les destinataires qui ont besoin de les recevoir. Le multicast peut être mis en oeuvre soit au niveau 2 (liaison) soit au niveau 3 (réseau). Ethernet et FDDI, par exemple, supportent les adresses unicast, multicast et broadcast. Un ordinateur individuel peut reconnaître une adresse unicast, plusieurs adresses multicast et l'adresse broadcast unique. Le Token Ring supporte aussi le concept d'adressage multicast, mais utilise une technique différente. Les anneaux à jeton ont des adresses fonctionnelles qui peuvent être utilisées pour atteindre des groupes de récepteurs. Si la couverture d'une application est limitée à un seul LAN, il suffit d'utiliser une technique multicast au niveau liaison. Cependant, beaucoup d'applications multipoints sont intéressantes justement parce qu'elles ne sont pas limitées à un seul LAN. Quand une application est étendue à un Internet constitué de différents types de média, comme Ethernet, Token- Ring, FDDI, ATM, relais de trames, SMDS et autres technologies de mise en réseau, il vaut mieux mettre en oeuvre le multicast au niveau réseau. - -,. -t, : : 7- i 1 Hôte i Routeu,- "., Multicast' Hâte Il /0 ----> 1 - De nombreux domaines d'activités de la diffusion multipoint. utilisent le concept Des applications basées sur le multicast gagnent peu à peu le monde des réseaux d'entreprise. Les applications dites de " push " diffusent des informations jusqu'au poste de travail. Cette technologie est très utilisée dans le domaine financier où les cours des valeurs boursières sont diffusés en temps réel aux agents de change, ainsi que les informations critiques à l'activité. Les logiciels Pointcast ou Backweb permettent de s'abonner à des émissions de type multicast afin de recevoir automatiquement des informations relatives à des domaines que l'on a au préalable sélectionnés ; l'information parvient jusqu'aux destinataires sans aucune intervention. La diffusion de fichiers pour la mise à jour de catalogues dans le secteur de la grande distribution ou de logiciels pour la maintenance est possible via des protocoles de transport multicast comme MFTP de la société Starbust. UN EXEMPLE D'APPLICATION : IPITV Le logiciel Cisco IP/TV adresse le domaine de la diffusion vidéo. La diffusion vidéo existe sous forme de programmes diffusés à heure fixe, de programmes diffusés à la demande ou de visioconférence. Les programmes diffusés à heure fixe permettent d'utiliser la technologie multicast. Le produit IP/TV s'articule en trois composantes : - IP/TV Server : serveur de stockage et de diffusion des émissions. Il est piloté par IP/TV Content Manager, - IP/TV Content Manager : serveur d'annuaire et d'authentification. Il authentifie les utilisateurs, leur indique les programmes qui leur sont autorisés, sélectionne le serveur le plus approprié, envoie les instructions à IP/TV Server et à IP/TV Viewer, 2. Diffusion multicast. 1 - IP/TV Viewer : logiciel installé sur le poste de travail. Il gère la sélection de l'émission et l'affichage du flux vidéo sur le poste de travail. L'ÉMERGENCE DES APPLICATIONS La diffusion de l'information à des destinataires spécifiques via l'utilisation du multicast permet à la fois de minimiser la charge de travail des machines (la source n'émet qu'un flux, seuls les destinataires le reçoivent) et d'optimiser l'utilisation de la bande passante car le réseau duplique une et une seule fois l'information vers les destinataires. L'émetteur n'a pas à maintenir la liste des adresses des destinataires. L'application basée sur le multicast est plus simple à concevoir. IPITV Server Stocke et diffuse les programmesselon les instructions du Content Manager. IPITV Content Manager Envoie les instructions au Server et les informations sur 1 les programmes au Viewer. IPITV Viewer Gère la sélection et l'affichage de l'émission IPITV. 3. Composantes JPITV. No 2 Février 1999
Routage Multicast : outil de diffusion multiple Le modèle IP/TV est architecturé pour fonctionner dans un environnement distribué. Un IP/TV Content Manager peut gérer plusieurs IP/TV Servers afin de répartir les demandes au mieux, à la fois pour la charge des serveurs, mais aussi pour la proximité entre l'ip/tv Viewer et le Content Manager. Des mécanismes de tunnel existent afin de pouvoir travailler avec un réseau ne supportant pas le multicast sur certaines parties. Le Content Manager assure également la synchronisation entre les IP/TV Servers. La synchronisation peut s'effectuer la nuit, lorsque la bande passante est disponible et s'effectue par un transfert de fichier sans qualité de service ou de bande passante réservée. Le flux vidéo est codé et transmis sur une session, tandis que le flux audio transite sur une autre session. IP/TV Viewer assure la synchronisation des deux flux. En séparant les flux, le réseau peut différencier les traitements de manière telle qu'en cas de congestion, le flux vidéo est d'abord affecté avant le flux audio, ce qui induit une gêne bien moindre pour le spectateur. En règle générale, l'introduction d'émission vidéo s'accompagne de l'utilisation règles de gestion de ressources afin que la bande passante nécessaire à l'émission soit réservée sur le réseau. Au-delà de l'utilisation traditionnelle de la diffusion vidéo, IP/TV tire totalement parti de l'intégration données/vidéo par des capacités innovantes. Par exemple, dans le cadre d'une utilisation de visioconférence, où l'image de l'orateur est diffusée via un flux multicast, de le spectateur dispose d'une fenêtre où il peut inscrire ses questions qui apparaissent sur l'écran de l'orateur. Celui-ci peut répondre en temps réel, comme dans une présentation réelle. La voie de retour ne nécessite pas de qualité de service particulière et génère très peu de flux. La diffusion se rapproche ainsi de la visioconférence, sans son coût. Une autre fonctionnalité innovante est la possibilité d'adjoindre à l'image de l'orateur les documents (comme une présentation) qu'il commente. La conférence devient alors beaucoup plus percutante et peut traiter de sujets plus variés. a La présentation est disponibte...ainsi que)'orateur, " 4 " 0' *!).'-'-.' «4. IPITV : Intégration DonnéesIVidéo. LE IP Il y a plusieurs paramètres que la couche réseau doit définir pour supporter les communications multicast : Fi. L'adressage. Il doit y avoir une adresse au niveau réseau, utilisée pour communiquer avec un groupe de récepteurs plutôt qu'avec un seul récepteur. De plus, il doit y avoir un mécanisme pour faire correspondre cette adresse avec les adresses multicast au niveau liaison, là où elles existent.. L'enregistrement dynamique. Il doit y avoir un mécanisme qui permette à l'ordinateur de faire savoir au réseau qu'il appartient à un groupe particulier. Sans cela, le réseau ne peut pas savoir quels réseaux ont besoin de recevoir le trafic pour chaque groupe.. Le routage multicast. Le réseau doit être capable de dupliquer les paquets et de construire des arbres de distribution de paquets qui permettent aux sources d'envoyer des informations à tous les récepteurs. Un objectif essentiel de ces arbres de distribution est de faire en sorte que chaque paquet ne se retrouve qu'une seule fois dans chaque réseau particulier (c'est-à-dire, si il y a plusieurs récepteurs sur une branche donnée, il ne devrait y avoir qu'une copie du paquet sur cette branche) tout en assurant que le paquet est effectivement distribué à tous les destinataires. L'IETF (Internet Engineering Task Force) a développé des normalisations à travers des documents RFCs (Request For Comments) qui couvrent chacun des problèmes évoqués ci-dessus et permettent de déployer des infrastructures ouvertes supportant le multicast. L'ADRESSAGE L'espace d'adressage IP est divisé en 4 segments : classe A, classe B, classe C, et classe D. Les classes A, B et C sont utilisées pour le trafic unicast. La classe D est réservée pour le trafic multicast et possède les trois bits de poids fort à 1, soit les adresses comprises entre 224.0.0.0 jusqu'à 239.255.255.255. La plage d'adresses 224.0.0.0 jusqu'à 224.0.0.255 est réservée pour des applications " bien connues " (well-known). Les autres adresses de classe D sont allouées dynamiquement. Les plages d'adresses indiquent leur portée, ce qui permet de limiter la diffusion de certains flux sur le réseau (adresses de type global scope, limited scope [site-local, organization-local]). La correspondance entre l'adresse IP et l'adresse liaison est défini dans la RFC Il 12 pour Ethernet, FDDI et Token Ring. Pour Ethernet et FDDI, l'adresse MAC est formée de l'oui OxIO05e suivi des 23 bits de poids faibles de l'adresse IP. Pour Token Ring l'adresse fonctionnelle c00040000000 est utilisée. L'ENREGISTREMENT DYNAMIQUE Le fonctionnement multicast demande à la station à s'enregistrer auprès du réseau. Le protocole IGMP (Internet Group Membership Protocol) définit le protocole d'appartenance à un groupe multicast particulier. N'2 Fé,,ie, 1999
INTERNET : AVENIR DE LA COMMUTATION ET DE L'ADRESSAGE La station s'annonce auprès du réseau comme appartenant à un ou plusieurs groupes, et le routeur connecté sur le réseau transmet régulièrement des messages de vérification afin d'assurer qu'en cas d'absence de destinataire, aucun paquet multicast n'est envoyé. Le protocole IGMP s'est raffiné au cours des années et trois versions d'igmp sont définies. Les différentes versions ont amené la capacité à quitter un groupe spécifique, à spécifier un enregistrement pour un groupe multicast et une source associée particulière, etc. LE ROUTAGE Le routage multicast doit permettre d'assurer l'acheminement d'un et un seul paquet multicast à tous les destinataires du groupe en optimisant le procédé de duplication des paquets. Tous les protocoles de routage multicast doivent en plus de l'adresse destination prendre en compte l'adresse source dans la décision d'acheminement des paquets. En effet, le flux de données ne doit pas être dupliqué vers la source. Les différents protocoles de routage incluent plus de la gestion des adresses multicast adresses unicast. Deux méthodes d'optimisation sont possibles : optimisation du temps d'acheminement de l'information ou optimisation de la bande passante. ou non en la gestion des Ces deux options correspondent à deux vues du réseau et des destinataires multicast : les destinataires sont relativement nombreux et plutôt bien répartis sur le réseau ou les destinataires sont relativement peu nombreux et plutôt diffus sur le réseau. La première vue est appelée mode " dense ", la seconde mode " sparse " (dispersé). Des protocoles spécifiques ont été développés pour répondre à ces deux cas de figure. Le mode dense correspond souvent au réseau local, où la bande passante est relativement importante et les destinataires sont présents sur la plupart des réseaux. La duplication massive de l'information n'est pas un souci important, puisque la probabilité d'avoir un destinataire sur le chemin est forte. Le fonctionnement est relativement similaire à celui de la radio. Les protocoles de type dense sont DVMRP, PIM-DM (Dense Mode) ou MOSPF. Le mode sparse correspond généralement au réseau étendu ou à l'internet. Sur l'ensemble des réseaux connectés, peu de destinataires sont présents. La duplication massive de l'information entraîne un coût trop élevé et l'important est d'optimiser le chemin de duplication des données, éventuellement aux dépens du temps d'acheminement. modèle de diffusion s'apparente plus au " Pay Per View ". Un protocole de type sparse est PIM-SM (Sparse Mode). Il y a de nombreuses normes disponibles pour le routage du trafic multicast. - la RFC 1075 définit le protocole DVMRP (Distant Vector Multicast Routing Protocol). Le - la RFC 1584 définit MOSPF (Multicast Open Shortest Path First), une extension de OSPF qui lui permet de supporter IP multicast. - La RFC 2362 définit PIM-SM (Protocol Independent Multicast Sparse Mode), un protocole multicast qui peut être utilisé conjointement avec tous les protocoles de routage IP. - Le document draft-ietf-pim-v2-dm-01 (Protocol Ircdependent Multicast Dense Mode), spécifie le protocole PIM dans un environnement de type dense. DVMRPfRFC 1075) DVMRP utilise une technique connue sous le nom de Reverse Path Forwarding. Quand un routeur reçoit un paquet, il " inonde " tous les autres chemins avec des copies de ce paquet, sauf le chemin qui remonte à l'émetteur du paquet. De cette manière le flux de données peut atteindre tous les LANs (éventuellement plusieurs fois). Si un routeur est relié à un ensemble de LAN qui ne veulent pas recevoir un groupe multicast particulier, le routeur peut envoyer un message d' " élagage " ( " prune " message) en retour vers l'origine de l'arbre de distribution, pour empêcher les paquets suivants de circuler vers les endroits où il n'y a pas de membre destinataire. DVMRP va réinonder périodiquement de manière à atteindre les ordinateurs nouvellement candidats à recevoir un groupe particulier. Il existe un lien direct entre le temps qu'il faudra à un nouveau récepteur pour recevoir le flux de données et la fréquence des inondations. DVMRP met en oeuvre son propre protocole de routage unicast pour déterminer quelle est l'interface qui remonte vers la source du flux de données. Ce protocole de routage unicast est très semblable à RIP (Routing Internet Protocol) et se base simplement sur le décompte des sauts. Il en résulte que le chemin que le trafic multicast emprunte peut ne pas être le même que celui qu'emprunte le trafic unicast. DVMRP a de gros problèmes d'échelle, à cause de la nécessité d'inonder souvent. Cette limitation est encore rendue plus aiguë par le fait que les premières mises en oeuvre de DVMRP ne comportaient pas d'élagage. DVMRP a été utilisé pour réaliser le MBONE - un réseau fédérateur multicast construit sur le réseau public Internet - au moyen de tunnels reliant les machines capables de traiter DVMRP. Le MBONE est largement utilisé par la communauté des chercheurs, pour transmettre les actes des différentes conférences, et pour permettre la visioconférence de bureau. MOSPF (RFC 1584) Multicast OSPF (MOSPF) fut défini comme extension du protocole de routage OSPF unicast. Dans le fonctionnement de OSPF unicast chaque routeur a connaissance de toutes les liaisons disponibles dans le réseau. Chaque routeur OSPF calcule par lui-même les acheminements pour toutes les destinations possibles.., N2 68 Fé i, 11) 99
Routage Multicast : outil de diffusion multiple MOSPF fonctionne en incluant des informations multicast dans les annonces d'état des liens (ou LSA, Link State Announcements) échangées par les routeurs entre eux. Un routeur MOSPF apprend quels sont les groupes multicast actifs, et sur quels LANs. MOSPF construit un arbre de distribution pour chaque paire constituée de la source et du groupe de réception et calcule une arborescence pour les sources actives émettant vers le groupe. L'état de l'arborescence est mise en mémoire cache, et les arborescences doivent être recalculées quand un changement d'état se produit sur un lien, ou quand le délai d'expiration du cache est atteint. MOSPF ne fonctionne que dans les réseaux qui s'interconnectent au moyen de OSPF. MOSPF est bien adapté aux environnements ayant un petit nombre de couples source/groupe actifs en même temps. Il sera moins bien adapté aux environnements qui ont beaucoup de sources actives ou aux environnements qui ont des liaisons instables. Le mode sparse de PIM est optimisé pour des environnements où il y a beaucoup de flux de données multipoint. Chaque flux de données va vers un nombre relativement réduit de LANs dans le réseau. Pour ce type de groupe, la technique de Reverse Path Forwarding gaspille de la bande passante. Le PIM mode sparse fonctionne en définissant un point de rendez-vous. Quand un émetteur veut envoyer des données, il les envoie d'abord au point de rendez-vous. Quand un récepteur veut recevoir des données, il s'inscrit auprès du point de rendez-vous. Une fois que le flux de données commence à circuler de l'émetteur au point de rendez-vous et au récepteur, les routeurs sur le chemin vont optimiser l'acheminement automatiquement pour supprimer tout bond inutile. PIM en mode sparse suppose qu'aucun ordinateur ne veut recevoir le trafic multicast sans l'avoir explicitement demandé. PIM est capable de supporter simultanément le mode dense pour certains groupes multipoint et le mode sparse pour d'autres. PIM (RFC 2362 et draft-ietf) PIM (Protocol Independant Multicast) fonctionne avec tous les protocoles de routage unicast existants. PIM supporte deux types différents de modèle de trafic multipoint : les modèles dense et sparse. Le mode dense est le plus approprié quand : - l'émetteur et le récepteur sont proches l'un de l'autre, - il y a peu d'émetteurs et beaucoup de récepteurs, - le volume de trafic multicast est élevé, - le flux du trafic multicast est constant. Le mode dense de PIM utilise le Reverse Path Forwarding et ressemble à DVMRP. La différence la plus significative entre DVMRP et le mode dense de PIM est que PIM fonctionne quel que soit le protocole unicast utilisé. PIM n'exige pas de protocole unicast spécifique. Le multicast sparse est le plus approprié quand : - il y a peu de récepteurs dans un groupe, - l'émetteur et le récepteur sont séparés par des liaisons étendues (WAN), - le type de trafic est intermittent. 5. Le modèle Arbre de distribution à la dense. Source 4mo-wmo-,ww, y 1 source -r- -T Destinataire 1 Destinataire 2 Arbre.----! Sou CONCLUSION %MO-, *.0 de distribution partagé Point de Rendez-vous -7- - 1 Destinataire 1Destinataire 2 6. Le modèle sparse. De nouvelles applications d'informatique en réseau continuent de créer le besoin de nouveaux protocoles de communication. Les applications multipoints comme l'informatique collaborative, la téléconférence de bureau et la télévision sur réseau local d'entreprise offrent l'opportunité d'améliorer significativement la productivité. Pour supporter ces applications, il sera nécessaire de construire des réseaux capables de mettre en oeuvre efficacement le multicast. Diplômé de l'ecole des Mines de Paris, Olivier Seznec a effectué son parcours professionnel dans le secteur des télécommunications où il a successivementoccupédesfonctionsd'tngénieursupporttechnique, d'ingénieur Avant-vente, de Consultant Avant-ventet de Directeur Technique au sein de constructeurs d'équipements de réseaux. Il est aujourd'hui Directeur Technique de la société Cisco Systems pour la France. Son expérience a accompagné le déploiement des technologies de l'information et des réseaux informatiques auprès des grandes entreprises et des opérateurs lors des dix dernières années. Il est notamment intervenu sur des designs de réseaux multiprotocoles (lp, IPX, SNA, DECnet, Appletalk et les protocoles de routage associés...), sur des infrastructures LAN et WAN (Ethernet, Token Ring, FDDI, X25, RNIS, Relais de trame,...) et sur les stratégies d'évolution et de migration de ces réseaux. ù 2 Février 1999