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MULTICAST in INTERNET

C.si di laurea tr iennali in Informatica e Informatica per le Telecomunicazioni

C.si di laurea SpecialisticaReti di Calcolator i I I

a.a. 2003−2004

Gian Paolo RossiMulticast

�When you think you have an adequate protocol design, just say the word

�multicast

� �Dave Clark

Multicast − perche� ?

Applicazionila disponibilita� di una rete multicast−enabled semplifica lo sviluppodelle nuove applicazioni su piattaforma Internet

Rete� �multicast is a requirement, not an option, if the Internet is going

to scale� �

(rif.IETF)Ottimizza l � uso di risorse sui link, sui router, sulle stazioni sorgenti,

�.

Network managementL � astrazione di un gruppo di destinazioni in rete consente di gestirecon una azione piu� apparati di rete


IETF Routing Area

bgmp Border Gateway Multicast Protocol forces Forwarding and Control Element Separation idmr Inter−Domain Multicast Routing idr Inter−Domain Routing isis IS−IS for IP Internets manet Mobile Ad−hoc Networks mobileip IP Routing for Wireless/Mobile Hosts msdp Multicast Source Discovery Protocol ospf Open Shortest Path First IGP pim Protocol Independent Multicast rip Routing Information Protocol ssm Source−Specific Multicast udlr UniDirectional Link Routing vrrp Virtual Router Redundancy Protocol


www. i et f . or g

www−i r t f . or gwww. i pmul t i cast . com

Multicast − il modello

Gsender

[multicast][ join/leave]

receiver

una o piu� stazioni sorgente che spediscono secondo uno stile IP

il sender non conosce la membership di G, ma solo il suo indirizzo multicastjoin e leave libere da parte dei membri del gruppo

specifica da end−system, il modello non dice come la rete fornisce il multicast

[RFC 1112]


Architettura per il Multicast

IP

Reliable multicast protocol

Applicazionione−to−many

Applicazionimany−to−many

Applicazionimany−to−one

IGMP Routingmulticast

switching

TCP UDP

Best−effor t

MulticastAPI

In Linux, il multicast eprogrammabile attraverso

set sockopt ( )get sockopt ( )

[ftp://www.video.ja.net/mice/mrouted/Linux/]


Applicazioni 1toMDistribuzione audio/video programmata

una o piu� sorgenti e richiesta di banda relativamente alta. Spesso piu

� flussi

sono sincronizzati e hanno diverse priorita�

Push mediaaggiornamento di informazioni dinamiche quali previsioni meteo, sport, news.

Applicazioni �drip−feed

� a banda relativamente limitata

Cachingcontenuti web, file eseguibili, o update di file distribuiti a siti di replicazione o

caching

Announcementsnetwork time, programmi multicast, distribuzione chiavi, configuration

updates

Monitoringtraffico CBR o a burst per rilevazione sensori, quotazione titoli o altri dati RT


Applicazioni MtoMConferenza multimediale

streaming audio/video e whiteboard. Data stream con diverse priorita� e problemi

di coordinamento e gestioneSincronizzazione risorse

aggiornamento di copie replicate di databaseCollaborazione e lavoro coordinato

workflow e editing di documenti condivisiChat groups

conferenze text−based con possibilita� di avatars di ogni speaker in ambiente

simulatoDistributed Interactive Simulation (DIS)

multicast di info descrittive per il rendering distribuito di oggetti di simulazioneGiochi distribuiti

sostanzialmente DIS con funzioni di chat line [MiMaze su Mbone, Quake]Jam sessions

encoded audio condiviso (eg. Musica)


Applicazioni Mto1

Resource discoverymulticast come astrazione dell

�IP per fornire query con clausola anycast per

eleggere l�host in grado di fornire il servizio o quello ad accesso piu

� vicino

Data collectionraccolta di dati da un gruppo distribuito di sensori

Auctionsschema di ralazione fra inserzionista e gli interessati che spediscono la

proposta di acquisto


Requisiti di banda

Push media caching distribuzione a/vannouncements monitoring

Resource discovery data collectionauctions auctions

Chat group collaboration conferencing sincronizzazione risorse DIS

giochi distribuiti jam sessions

MtoM

Mto1

1toM

limitata media alta

banda


Tolleranza sul r itardo

monitoring distribuzione a/v Push media announcements caching

data collectionauctions Resource discovery

DIS Chat groupconferencing sincronizzazione risorsejam sessions collaboration giochi distribuiti distance learning

MtoM

Mto1

1toM

limitata media alta

delaytolerance


Applicazioni multicast

Infrastruttura di retemulticast−enabled







Active Theatre − EMULive Imaging

ICAST Broadcaster/Recorder

CU−seeMe − White Pine

Precept IP/TV e StreamWatch


Applicazioni multicast

Infrastruttura di retemulticast−enabled







Proshare − Intel

RealAudio/Video/Server − RealNetw.

ShowMe TV − SUN

NetMeeting − Microsoft

StarBurst Omnicast


Arr ivano le appliancies

Ad esempio: arriva la Internet Radio. Suono digitale in formato MP3, modem per ISDN o commutata, piattaforma RealNetworks G2, circa 300$

Kerbango.com e AudioRamp.comper suonare MP3: Winamp per conversione, player Adaptec EasyCD


Multicast Routing e LAN Switching

IP






switching

UDP

RTPRTCP

RSVP

RTSP

Management

TCP

switching


Indir izzi Multicast

IPv4 Class D 1110 Multicast Group ID

0 1 2 3 31

28 bits

224.0.0.0 − riservato224.0.0.1 a 224.0.0.255 riservato routing e protocolli di basso livello

per discovery/maintenance della topologia di rete224.0.0.1 all−hosts group nella subnet224.0.0.2 all−routers group nella subnet224.0.1.1 riservato protocollo NTP

224.0.1.0 a 238.255.255.255 dinamicamente assegnati ad applicazioni mcast239.0.0.0 a 239.255.255.255 riservati per

�administrative scoping

�

Uso del campo TTL (Hop−Limit in IPv6) per definire lo �scope

� del pacchetto multicast


Mapping di Indir izzi Multicast

1110

0 7 8 15 23 31

00000000 01011110 0 00000001

Low−order 23 bit del multicast

addr. copiato nell Ethernet addr.unused

IP addressClass D

48−bit Ethernet Address

Indirizzi IP−multicast in Classe D, liberi da 224.0.1.0 a 239.255.255.255. Lo IANAha assegnato una porzione di 23 (LO) bit nel IEEE−802 MAC multicast addressspace. Tutti gli indirizzi Ethernet nello spazio IANA iniziano con 01−00−5E (hex).


IGMP v1

LAN 1

LAN 2

Groupmember

router

LAN 3

Groupmember

router

Groupmember

router

IGMPquery

IGMP query (TTL=1,all−host group)

IGMPreport

IGMPreport

IGMP routing update

Un router non deve conoscere lamembership. E� sufficienteconoscere l � esistenzadi un membro di gruppo

[in IPv6 le funzioni di IGMP sono incorporate in ICMP]


Pruning

router

routerrouter

routerrouter router

GroupMember

GroupMember

GroupMember

IGMPquery


IGMP v2IGMP v2 introduce una procedura di elezione del router querier per ogni LAN.In v1 veniva eletto dal protocollo di routing con politiche spesso diverse.

Group−Specific Query − introdotto per consentire queries da parte di unrouter ad un gruppo specifico e non all

�indirizzo all−host sulla subnet

(224.0.0.1).

Leave−Group − introdotto per ridurre la latenza di leave. Viene inoltrato algruppo all−routers (224.0.0.2)

Quando un router riceve un messaggio di Leave−Gr oup, utilizza il messaggio Gr oup−Speci f i c Quer y per verificare se si trattava dell

�ultimo membro

del gruppo.

�IGMP, Version 1

�, RFC 1112;�

IGMP, Version 2�, RFC 2236;�

IGMP, Version 3�,dr af t −i et f −i dmr −i gmp−v3−03. t xt , f eb. 1999


Multicast LAN Switching

Multicast Packet

switch

LAN 1 LAN 2

Groupmember

router


IGMP Snooping

switch

LAN 1 LAN 2

Groupmember

router

Multicast Packet

IGMPReport

Snooping di query/report IGMP e di pacchetti di routing per id.le porte del router. Upgrade graduale.


GMRP − Layer 2 Switching

Multicast Packet

switch

LAN 1 LAN 2

Groupmember

router

GMRPReport

GMRP−capableNIC driver

IEEE 802.1p servizi per Traffic Class (CoS) e Multicast FilteringIEEE 802.1Q std. che definisce estensioni alla frame Ethernet per propagare attraverso le reti VLAN info

Tabellae filtri


Multicast Routing

IP






switching

UDP

RTPRTCP

RSVP

RTSP

Management

TCP

switching


Protocolli di Multicast Routing

Ogni protocollo per il multicast costruisce un albero di consegna. L�albero

collega i router che hanno riceventi per un dato gruppo nelle sottoreti one−hop.Due sono gli approcci possibili:

Protocolli Dense Mode − costruiscono l�albero dei cammini minimi che collega

la/e sorgente/i di traffico multicast a tutti i riceventi del gruppo.A questa categoria appartengono i protocolli DVMRP, MOSPF, PIM−DM

Protocolli Sparse Mode − costruiscono un albero condiviso da tutte le sorgentiche collega un nodo core, radice dell

�albero, a tutte le destinazioni di un gruppo.

A questa categoria appartengono i protocolli CBT, PIM−SM


Dense ModeReverse Path Multicasting

router

routerrouter

routerrouter router

GroupMember

GroupMember Group

Member

router

router

sorgente

sorgente

FLOOD

router

routerrouter

routerrouter router

& PRUNE


Dense Mode

router

routerrouter

routerrouter router

GroupMember

GroupMember Group

Member

router

router

sorgente

sorgente

router

routerrouter

routerrouter router

GroupMember

GroupMember Group

Member

router

sorgente

sorgente

Reverse Path MulticastingSoft−state con

flooding periodico


Dense Mode

Progettato pensando a sottoreti con elevata densita� di Group Members

Non adatto a membership sparse

Difficolta� a scalare e uso inefficiente di banda per via del flooding

Costo elevato sui router nel caso di molti gruppi e molte sorgenti

Buona distribuzione del carico multicast sulla rete

Periodi di inconsistenza in funzione del tempo di refresh dell�albero


Shared Tree

router

routerrouter

routerrouter router

GroupMember

GroupMember Group

Member

router

router

core router

routerrouter

routerrouter router

GroupMember

GroupMember Group

Member

router

sorgente

sorgente

Rete diconnessione

Rete diconnessione

Multicast incapsulatoin pacchetti unicast


Shared Tree

Migliore scalabilita� rispetto a Dense Mode. Solo i router sull

�albero

mantengono uno stato

Explicit join sul core rende il protocollo piu� efficiente

Puo� usare flooding per il controllo, ma i dati sono instradati sull

�albero

Collo di bottiglia sul nodo core che e� anche possibile point−of−failure

Elezione core con Auto−RP (PIM) o al bootstrap

Il cammino fra sorgente e destinazioni puo� non essere ottimo


DVMRP

CARATTERISTICHEIl primo protocollo di routing multicastIncorpora il protocollo unicast distance−vectorDense−ModeImplicit−join

DEPLOYMENTIl protocollo piu

� implementato e disponibile

Usato in Mbone, grande esperienza e sperimentazioneSupporta tunneling

Il candidato ideale per le prime esperienze di test−bedImprobabile implementazione in IPv6

Ogni router, anche quelli pruned, mantiene uno stato sull�albero di distribuzione

[RFC 1075]


MOSPF

CARATTERISTICHEEstensione multicast del protocollo OSPFCrea alberi shortest path di distribuzione centrati sulla sorgenteEredita da OSPF la buona scalabilita

� e adattivita

�Piu

� adatto a routing in Dense−Mode

Esplicit−join

DEPLOYMENTIl protocollo puo

� operare in domini di routing OSPF

Adatto a casi con poche coppie (sorgente,gruppo) contemporaneeNon supporta tunneling

Meno implementazioni rispetto a DVMRPSara

� disponibile anche con IPv6

[RFC 1584]


PIM−SM

CARATTERISTICHEIndipendente dal protocollo unicastShared tree con rendez−vous pointIl flusso di distribuzione e

� unidirezionale (da RP)

Si puo� convertire in source−based con explicit join

Sparse−ModeExplicit−join

DEPLOYMENTIl protocollo e

� installabile in congiunzione a qualsiasi protocollo unicast

Adatto all�uso su WAN, anche se le prime esperienze sono state fatte su LAN

Puo� essere portato a IPV6

PIM sparse−dense−mode specificati per regioni separate

[RFC 2117]


MBone

Multicast−enablednetwork

Tunnelunicast

Multicast−capablerouter (mrouted)DVMRP

The multicast backbone, H.Eriksson, CACM, Vol.8, 1994


Inter−Domain Routing

MBone e� stato il piu

� importante test−bed multicast, ha consentito lo sviluppo

di competenze sul multicast ed ha favorito lo sviluppo di numerosi prodottisw (freeware) per applicazioni audio/video su piattaforma IP.

In circa 7 anni, nel 1997, MBone ha raggiunto 3500 sottoreti connesse sparse su25 nazioni. Non e

� piu

� possibile continuare a considerarlo flat dal punto di vista

del routing. In piu�, DVMRP non e

� in grado di scalare su una topologia sparsa

e diventa sempre piu� complessa la gestione dei tunnel MBone.

E� necessario definire protocolli di inter−domain multicast per il breve−medio e

lungo termine.


PIM−SM/BGP4+/MSDP

Intra−Domain network




MBGP fornisce ilnext−hop router

PIM−SM costruiscel albero multicast

MBGP−capableborder router

[RFC 2283 per BGP4]


PIM−SM/BGP4+/MSDP

RP

RP

Dominio A

Dominio B

connessione MBGP

Le sorgenti si registrano su RP delproprio dominio. I receiver spediscono

JOIN a RP nel loro dominio

Non c� e� modo per i receivernel dominio A di conoscere le

sorgenti del dominio B

C�e il problema di connettere gruppi distr ibuiti in molti domini sparse−mode


Multicast Source Discovery Protocol

RP/MSDP

Salbero

RP/MSDP

albero

RP/MSDP

albero

RP/MSDP

albero

1. S si registra presso RP di dominio

2. MSDP peer nel dominio conosce Se spedisce SA a tutti i peer one−hop

3. Ricevuto SA, si esegueil check di � correct path e il � peer RPF flooding

4. Se esistono receiver per il gruppo nel dominio, RP spedisce una PIM join alla sorgente

MBGP fradomini


PIM−SM/BGP4+/MSDP

MSDP e� una soluzione di breve/medio termine.

1. Ha problemi prestazionali con gruppi dinamici (problema della latenza di join) e con sorgenti che generano traffico a burst (p.e. sdr)2. Ha problemi di scalabilita

� per via dei pacchetti SA diffusi in rete

su TCP (anche UDP)

Le soluzioni di lungo termine sono allo studio in IETF. Fra queste:

MASC/BGMP − S. Kumar e altri, ACM Sigcomm �98

Express Multicast − D.Cheriton, ACM Sigcomm �99

Simple Multicast − T. Ballardie e altri, TR April �99, Univ.College London


Inter−Domain RoutingSper imentazioni

www. i nt er net 2. edu/ mul t i cast /

vBNS − www. vbns. or g/attiva dal 1993, l

�unica ad avere una tratta OC48 C in produzione (SFO−LA)

juniper M40 e Fore ASX 1000 per OC12 C

Abilene − www. ucai d. edu/ abi l ene/

TEN155 − www. dant e. net / t en155supporta anche multicast con PIM−SM, MSDP e MBGP con clouds DVMRP

non comprende l�Italia per il multicast

CA*net − www. canet 3. netProgetto Canadese da 60 M $ con finalita

� simili a vBNS e Abilene


Requisiti al DesktopOS TCP/IP stackLo stack TCP/IP deve supportare l � estensione multicast. MS Windows 95,NT, Linux e UNIX lo supportano. IP multicast patches per SunOS 4.1+, Solaris 2.3+, DEC OSF V2+ in:ht t p: / / www. st ar bur st com. com/ pat ches/ mcast r es. ht m

Supporto IGMPWindows 95 e NT 3.5/4.0 supportano IGMP v1. La versione IGMP v2 dimolti routers e� backward compatibile

Supporto multicast su schede NIC (esempi)3Com Fast EtherLink XL NIC [www. 3com. com/ pr oduct s/ dsheet s/ 400250. ht ml ]G−NIC Gigabit Ethernet NIC di Packet Engines Inc.r eckl es@packet engi nes. com − www. packet engi nes. com


Architettura per il Multicast

IP






switching

UDP TCP

QoS e CoS

RTPRTCP

RSVP

RTSP

Management


Reliable multicast

Caching distribuzione a/v push mediamonitoring

data collectionauctions polling

Collaboration conferencingsincronizzazione risorse chat group DIS giochi

MtoM

Mto1

1toM

limitata media alta

losstolerance


Reliable Multicast

problemi simili a quelli dovuti a receiver eterogenei per raccolta NACKspossibilita� di graduare loss−rate in funzione dei requisiti

soluzioni proprietarie in commercio − non esiste uno standardrequisiti diversi sull � ordine di consegna

scalabilita�burstiness dei dati, delay tolerance, real−time

standardizzazione di diversi protocolli per soddisfare diversi requisitifocus attuale dell � IRTF su controllo congestione

RFC 2357 �IETF criteria for evaluating Reliable Multicast Transport and

Application Protocols�

ReliableMulticastResearchGroup RMRG IRTF, M.Handley e A.Mankin (USC/ISI);www.tascnets.com/mist/doc/mcpCompare.html − confronto fra diversi protocolliresearch.ivv.nasa.gov/RMP/links.html − reliable multicast links


Reliable Multicast

GlobalCast Reliable Multicast − www. gcast . come−cast Reliable Multicast software − www. l ucent . comStarBurst Multicast − www. st ar bur st com. com

inoltre, www. t i bco. com, www. pr obi t a. com

alcune applicazioni: THE BOX, Toys � R US, GM


MFTPMulticast File Transfer Protocol

Blocco 1 Blocco 2 Blocco 3 Blocco 4

File

source receiver

ack/nack ack/nack ack/nack ack/nack

Blocco 1 Blocco 2 Blocco 3 Blocco 4source receiver

Pass 1

Pass 2

Blocco1frame 251

Blocco 4frame 37

Blocco 2frame 288

Blocco 2frame 295

Blocco 4frame 185


RTP, RTCP e RTSP

IP






switching

UDP

RTPRTCP

RSVP

RTSP

Management RTPRTCP

RTSP


RTPRTP fornisce un servizio end−to−end di consegna dati ad un gruppo di receiver in modo da rispettare in ricezione il formato ed il timing tipico di trasmissioni stream−based. Si appoggia ad UDP per le funzioni tipiche di trasporto. Ogni medium di una sessione multimediale viaggia su una sessione RTP separata.

RTP RTP

Sender Receiver N

A B

router

mixtrsl

[translator e mixer]

Payload typetimestamp

sequencemarkerSource−ID

[RFC 1889]


RTCP

RTCP e� il protocollo che controlla il trasferimento dati su una sessione RTP.

RTCP e� attivo anche in assenza di traffico dati. Definisce 5 tipi di pacchetto:

sender report, receiver report, source description, bye, app.Il protocollo svolge le seguenti 3 funzioni principali:

Feedback alla applicazione − report statistici sono generati siadalle stazioni sender che receiver per fornire alla applicazioneinformazioni sulla qualita

� della trasmissione

Identificazione della sorgente RTP − RTCP trasferisce il nomecanonical (CNAME) di ogni partecipante per membership eper identificare flussi dalla stessa sorgente su diverse sessioni RTP

Controllo trasmissione RTCP − il traffico di controllo RTCP vieneadattato in funzione del traffico di sessione e del #partecipanti

[RFC 1889]


RTP−RTCP

applicazione

RTP/RTCP

Playbackbuffer

applicazione

RTP/RTCP

Playbackbuffer

Piu

� flussi RTP, possono

essere integrati in ricezione usando le informazioni contenute nell

�header

RTP e usando un buffer di dimensioni opportune per compensare i problemi di rete. Il controllo RTCP mantiene la membership

di gruppo e consente di monitorare i singoli media. Un ricevente puo� decidere di

selezionare un solo medium in funzione delle risorse di cui dispone.

Internet


RTP/RTCP

Usano porte UDP contigue, #pari RTP e dispari superiore RTCPRTP v2 e

� maturo per supportare la maggior parte di payload mediali

Alcuni tool di network monitoring possono non parsare ancora RTP

Vendors/prodotti che utilizzano RTP/RTCP: esempiMS NetShow, Precept IP/TV, QuickTime TV Apple, vic e vat (public domain di MBone), ICAST Broadcaster e Viewer, RealAudio/Video/Media, UCL Robust−Audio Tool (RAT)

Precept StreamWatch − consente di configurare viewer per diversistream allo scopo di monitoraggio e management


RTSPRTSP fornisce il controllo remoto di server multimediali. Definisce il frameworkper ricevere uno o piu

� media, anche da server diversi, ma si appoggia a RTP per

il trasporto e la consegna dei diversi stream.

WebBrowser

MediaPlayer

Media Server

WebServer

HTTP GET

session description

SET UP

PLAY

RTP audio/video−RTCP

PAUSE

TEARDOWN


RTSP

<sessi on><gr oup>

<t r ack sr c= � r t sp: / / audi o. mt v. com/ movi e � ><t r ack sr c= � r t sp: / / vi deo. mt v. com/ movi e � >

</ gr oup></ sessi on>

Ogni media stream e� identificato da un RTSP URL che puo

� identificare

server diversi. Il server mantiene un identificatore per ogni sessione e, poiche�

lo stream di fatto viaggia con un protocollo separato, il serverdeve anche mantenere un session state per associare la sessione RTSP conun dato stream. Il client puo

� contemporaneamente aprire sessioni con altri

media server.


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