Multimedia Multicast Protocols

Transcript

1 Multimedia Multicast Protocols ΑΝΑΓΝΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Τι είναι η πολυεκπομπή (Multicast)? Multicast: Αποστολή πακέτων από έναν αποστολέα σε πολλούς παραλήπτες Πολυμεσικές εφαρμογές: Μετάδοση ραδιοφωνικών / τηλεοπτικών εκπομπών E-learnin, teleconferences, videoconferences Κατανεμημένα υπολογιστικά συστήματα Σε αντίθεση με την υπηρεσία μονοεκπομπής (unicast), ηυπηρεσίαmulticast ηοποία παρέχεται από το επίπεδο δικτύου είναι συνδεσμοστρεφής (connection-oriented) Δηλ. απαιτεί την εγκαθίδρυση και διατήρηση της πληροφορίας κατάστασης στους routers που προωθούν τα πακέτα πολυεκπομπής τα οποία ανταλλάσσονται μεταξύ των hosts πουανήκουνστηνίδιαομάδαπολυεκπομπής.

2 Multicast functions source routin (path determination) packet forwardin / packet replication dynamic membership --- path prunin/raftin αποκοπή / ενσωμάτωση Πως επιτυγχάνεται η πολυεκπομπή? Μέσω πολλαπλών μονοεκπομπών Ο αποστολέας στέλνει Ν πακέτα unicast με κάθε μια IP address των Ν παραληπτών

3 Πως επιτυγχάνεται η πολυεκπομπή? Πολυεκπομπή στο επίπεδο εφαρμογής Οι τερματικοί υπολογιστές συμμετέχουν στην πολυεκπομπή αντιγράφοντας και προωθώντας unicast packets μεταξύ τους Δεν είναι κατάλληλες για real-time εφαρμογές Πολυεκπομπή στο επίπεδο δικτύου Πως επιτυγχάνεται η πολυεκπομπή? Οι routers συμμετέχουν στην πολυεκπομπή δημιουργώντας τα απαραίτητα αντίγραφα των πακέτων τα οποία προωθούν προς τους παραλήπτες της πολυεκπομπής

4 Multicast Model Προβλήματα Πωςαναγνωρίζονταιοιπαραλήπτεςμιαςπολυεκπομπής; Ποια είναι η διεύθυνση που πρέπει να έχει το πακέτο multicast για αυτούς; Κλάση D 1110 roup ID 2 28 roups Η ομάδα των παραληπτών αναγνωρίζεται από μια multicast διεύθυνση IP Πακέτα που προορίζονται για μια ομάδα πολυεκπομπής έχουν διεύθυνση τη multicast διεύθυνση της ομάδας Κάθε µηχανή µπορεί να στείλει πακέτα σε οποιαδήποτε οµάδα πολυδιανοµής. Η ιδιότητα µέλους σε µια οµάδα έχει σχέση µετοανηµηχανή µπορεί να λαµβάνει πακέτα που στέλνονται στην οµάδα. Οι routers προωθούν τα πακέτα multicast στους hosts που συμμετέχουν στην συγκεκριμένη ομάδα πολυεκπομπής Multicast Model Οι unicast IP addresses των μελών μιας ομάδας είναι ανεξάρτητες από τη multicast IP address τηςομάδαςπολυεκπομπής Απαιτείται μια υποδομή που να επιτρέπει την παράδοση των πακέτων με μια δεδομένη διεύθυνση πολυεκπομπής σε όλα τα μέλη αυτής της ομάδας πολυεκπομπής

5 Εμβέλεια Πολυδιανομής Εμβέλεια Πολυδιανομής TTL πεδίο Διατηρείται ο έλεγχος της κίνησης πολυδιανομής μέσα στο ζητούμενο domain Π.χ. the rest of the Internet TTL a domain

6 Εμβέλεια Πολυδιανομής TTL πεδίο Καλύτερος τρόπος ελέγχου του multicast traffic στα όρια ενός administrative domain (νεότερη σύσταση RFC 1112) Οι IP διευθύνσεις κυμαίνονται από περιορισμένη εμβέλεια σε οργανισμό περιορισμένη εμβέλεια σε τοποθεσία the rest of the Internet an administrative domain Το interface των δρομολογητών απαγορεύει την προώθηση πακέτων πέρα από το administrative domain Internet Group Manaement Protocol (IGMP)

7 Προσδιορίζεται σε 2 φάσεις Προσχώρηση σε μια ομάδα πολυεκπομπής Φάση 1 - Τοπικά: Αίτηση του host στον τοπικό multicast router για συμμετοχή σε μια ομάδα πολυεκπομπής (IGMP) Φάση 2 - Ευρεία περιοχή πολυδιανομής: Οτοπικόςrouter επικοινωνεί με άλλους router ώστε να λαμβάνει πακέτα πολυεκπομπής (πρωτόκολλα DVMRP, MOSPF, PIM κ.α.) Προσχώρηση σε μια ομάδα πολυεκπομπής Φάση 3 - Τοπικά: Έλεγχος παραμονής αποχώρησης Επειδή η συμμετοχή είναι δυναμική οι τοπικοί δρομολογητές (συνήθως ένας εκπρόσωπος) διεξάγουν περιοδικά ελέγχους στους hosts γιαναδιαπιστώσουνεάν παραμένουνμέληγιατηνεκάστοτεομάδα. Αν οποιοσδήποτε host αναφέρει την παραμονή του τότε η ομάδα θεωρείται ενεργή, αλλιώς μετά από έναν συγκεκριμένο αριθμό περιοδεύσεων χωρίς απάντηση η ομάδα θεωρείται ανενεργή. Στην όλη διαδικασία επικοινωνίας μεταξύ hosts και multicast routers τα μηνύματα ανταλλάσσονται με τεχνολογία πολυδιανομής Περιόδευση = Pollin στόχος ελαχιστοποίηση της κυκλοφορίας

8 Ελαχιστοποίηση κυκλοφορίας Ελαχιστοποίηση κυκλοφορίας (παράδειγμα) routers: Q hosts: Σε κάθε υποδίκτυο, ένας router ορίζεται ως εκπρόσωπος (Q) Ο Q στέλνει περιοδικά ένα Membership Query messae σε όλες τις ενδεχόμενες ομάδες ( ), με TTL = 1 Κατά την λήψη οι hosts ενεργοποιούν random timers (μεταξύ 0 και 10 sec) για κάθε ομάδα στην οποία ανήκουν

9 Ελαχιστοποίηση κυκλοφορίας (παράδειγμα) G Host με min. timer Q G G G G Όταν ο timer ενός host για το roup G λήξη, απαντάει στον Q κοινοποιώντας την απάντηση αυτή (Membership Report) σε όλα τα μέλη της ομάδας G, με TTL = 1 Λαμβάνοντας την αναφορά αυτή τα άλλα μέλη της ομάδας G σταματούν τους μετρητές τους Οι routers ακούν όλες τις αναφορές, και αποκλείουν τις ομάδες που δεν απαντούν Σημ: Όταν ένας host μετέχει για πρώτη φορά σε μια ομάδα, στέλνει μια immediate report, αντί να περιμένει το query του εκπροσώπου IGMP versions IGMP v1 (RFC 1112)

10 IGMP versions IGMP v2 (RFC 2236) IGMP v2 Δομή IGMP messae 8 bytes Τύπος 0x11 0x11 0x16 0x17 0x12 Διεύθ. Ομάδας Multicast IP address Multicast IP address Multicast IP address Multicast IP address Σημασία Host Membership Query Γενικό ερώτημα συμμετοχής Host Membership Query Ερώτηση συμμετοχής σε συγκεκριμένη ομάδα Host Membership Report Αναφορά συμμετοχής Leave Group Αποχώρηση από την ομάδα Αναφορά συμμετοχής (v1)

11 Δομή IGMP messae 8 bytes Μέγιστος χρόνος απόκρισης: καθορίζει το μέγιστο χρονικό διάστημα για την τυχαία καθυστέρηση σε δέκατα του δευτερολέπτου. Όσο αυξάνεται τόσο μειώνεται η πιθανότητα να υπάρξουν περισσότερες από μια απαντήσεις στο ερώτημα του pollin router Άθροισμα ελέγχου: όμοια λειτουργία με TCP και IP Το IGMP δεν παρέχει κάποιον μηχανισμό που να επιτρέπει σε κάποιον host να ανακαλύψει την IP address μιας ομάδας. Η εφαρμογή πρέπει να γνωρίζει τη διεύθυνση ομάδας, πριν να χρησιμοποιήσει το IGMP γιανασυμμετάσχειστηνομάδα IGMP v3 (RFC 3376) : Υποστήριξη source-specific multicast ένα μέλος μπορεί να ζητήσει να λαμβάνει multicast πακέτα μόνο από συγκεκριμένες διευθύνσεις πηγής ενός roup Multicast model Ησυμμετοχή/ προσχώρηση σε μια ομάδα πολυεκπομπής γίνεται από τον παραλήπτη (receiver-driven) (παραλήπτης): όποιος host επιθυμεί μπορεί να προσχωρήσει σε μια ομάδα (αποστολέας): δενέχειέλεγχοωςπροςτηνσυμμετοχήήμηενόςπαραλήπτη, ούτε συγκεκριμένα ποιος λαμβάνει τα multicast πακέτα Δεν υπάρχει έλεγχος (ταυτοποίηση) ως προς τον αποστολέα των πακέτων πολυεκπομπής Υπάρχει πιθανότητα 2 περισσότερες διαφορετικές ομάδες να έχουν διαφορετική multicast IP διεύθυνση, αλλά με ίδια αντιστοίχηση σε Ethernet

12 Mappin IP Multicast Addresses to Ethernet and FDDI MAC Addresses Ε Για την αντιστοίχηση μιας IP multicast address με την MAC-layer multicast address, γίνεται mappin των 23 bits χαμηλής τάξεως της IP multicast address με τα αντίστοιχα 23 bits στην MAC-layer multicast address. Όμως 5 bits στην IP multicast address δεν μπορούν να αντιστοιχιστούν απ ευθείας στην MAC-layer multicast address. Αποτέλεσμα: Ενδέχεται ένας host να λάβει MAC-layer multicast packets για ομάδες που δεν τον ενδιαφέρουν. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται στο πιο πάνω επίπεδο (τα πακέτα απορρίπτονται κατά την αναγνώριση της ορθής IP address) Παράδειγμα

13 Multicast routin Βασικός στόχος ποιο είναι το δέντρο πολυδιανομής (multicast tree) Router με προσαρτημένα μέλη ομάδας Router χωρίς προσαρτημένα μέλη ομάδας Είναι η διαδρομή με τις ζεύξεις που συνδέει τους routers στους οποίου είναι προσαρτημένα τα μέλη της ομάδας multicast. Δυο είδη δημιουργίας multicast tree Κοινού δέντρου: όλα τα μέλη ομάδας χρησιμοποιούν το ίδιο δέντρο (π.χ. centerbased-tree ή core-based tree) Δέντρου βασισμένο στην πηγή (source-based): Διαφορετικόδέντροαπόκάθε αποστολέα προς τους παραλήπτες (ένα δέντρο ανά πηγή) shortest-path tree προώθηση ανάστροφής διαδρομής (reverse path forwardin)

14 Βήματα αλγορίθμου Center-based trees Ένας δρομολογητής επιλέγεται ως κέντρο του δέντρου Κάθε δρομολογητής στέλνει (unicast) έναμήνυμαένωσηςμετονκέντροτου δέντρου Οι τυχόν ενδιάμεσοι δρομολογητές επεξεργάζονται το μήνυμα ένωσης και το προωθούνστοκέντροτουδέντρου Το μήνυμα της ένωσης είτε φθάνει σε έναν δρομολογητή που έχει ήδη προσαρτηθεί στο κοινό δέντρο είτε φθάνει στο κέντρο του δέντρου Η κάθε διαδρομή που ακολουθείται από το μήνυμα ένωσης του i-router μέχρι το επόμενο βήμα (ενδιάμεσος j-router στο κοινό δέντρο ή κέντρο) αποτελεί το νέο κλάδο του δέντρου για τον i-router Κοινά δέντρα (παράδειγμα) Router με προσαρτημένα μέλη ομάδας Router χωρίς προσαρτημένα μέλη ομάδας Κέντρο δέντρου

15 Shortest path tree Το δέντρο πολυδιανομής είναι το δέντρο των συντομότερων διαδρομών από την εκάστοτε πηγή στους παραλήπτες π.χ. εφαρμογή αλγόριθμος Dijkstra Πηγή Router με προσαρτημένα μέλη ομάδας Router χωρίς προσαρτημένα μέλη ομάδας Ζητήματα βελτιστοποίησης δρομολόγησης πολυδιανομής Αποφυγή βρόγχων: Ο multicast router πρέπει να μην αποστέλλει ένα πακέτο πίσω απότηδιασύνδεσηαπότηνοποίαήρθε. Έτσι οι δρομολογητές βασίζονται στη διεύθυνση προέλευσης του πακέτου. Αποφυγή διπλοτύπων (duplicates): Σε ένα βέλτιστο σύστημα multicastin το προς μετάδοση πακέτο θα πρέπει να φτάνει σε όλα τα μέλη ομάδας χωρίς να σταλεί δύο φορές το ίδιο πακέτο σε ένα συγκεκριμένο δίκτυο. ΗμέθοδοςRPF (Reverse Path Forwardin) χρησιμοποιεί τη διεύθυνση προέλευσης ενός πακέτου για να εμποδίσει τη δημιουργία βρόγχου. Για να υλοποιηθεί η RPF ένας δρομολογητής χρειάζεται έναν πίνακα συμβατικής δρομολόγησης με τις συντομότερες διαδρομές προς όλους του προορισμούς (shortestpath problem) Όταν φτάσει ένα πακέτο ο δρομολογητής εξάγει τη διεύθυνση προέλευσης, την αναζητά στον πίνακα και βρίσκει την διασύνδεση Ι που οδηγεί στην προέλευση. Αν το πακέτο έφτασε από τη διασύνδεση I, ο δρομολογητής προωθεί ένα αντίγραφο σε κάθε μια από τις άλλες διασυνδέσεις αλλιώς το πακέτο απορρίπτεται. Όμως η μέθοδος αυτή δεν χρησιμοποιείται μόνη της επειδή καταναλώνει εύρος ζώνης με μετάδοση πακέτων σε δίκτυα που ούτε έχουν μέλη της ομάδας αυτής, ούτε οδηγούν σε μέλη της ομάδας Truncated RPF

16 RPF - παράδειγμα Κανόνας: Κάθε δρομολογητής προωθεί ένα πακέτο multicast το οποίο λαμβάνει στην εισερχόμενη ζεύξη τηρώντας την παρακάτω συνθήκη. Πηγή Εάν το πακέτο ληφθεί μέσω του shortest path προς τον αποστολέα, το πακέτο προωθείται σε κάθε μια από τις εξερχόμενες ζεύξεις αλλιώς απορρίπτεται Router με προσαρτημένα μέλη ομάδας Router χωρίς προσαρτημένα μέλη ομάδας Προώθηση Μη-προώθηση Truncated RPF - παράδειγμα Το δέντρο στο οποίο προωθούνται τα πακέτα έχει υπό-δέντρα τα οποία δεν περιλαμβάνουν μέλη της multicast ομάδας. Άσκοπη προώθηση πακέτων κατά μήκος των υπό-δέντρων. Στέλνονται truncation μηνύματα T στους ανώτερους δρομολογητές από τους δρομολογητές που δεν οδηγούν σε μέλη ομάδας στο κατώτερο επίπεδο. Πηγή Router με προσαρτημένα μέλη ομάδας Τ Router χωρίς προσαρτημένα μέλη ομάδας Τ Τ Truncation messae TRPF Multicast ζεύξεις

17 Truncated RPF παράδειγμα (2) Source X Y Z Z Destination Network 5 Network 3 Network 5 Network 4 RPM (Reverse Path Multicast) Η µέθοδος Reverse Path Multicast (RPM), επεκτείνει την TRPF µεσκοπόνα την κάνει πιο δυναµική. Τρεις υποθέσεις αποτελούν τη βάση σχεδιασµού της: 1. Είναι πιο σηµαντικό να διασφαλιστεί η παράδοση ενός πακέτου σε κάθε µέλος της οµάδας, παρά να εξαλειφθεί η άσκοπη µετάδοση (επιβεβαιώσεις). 2. Οι δροµολογητές πολυδιανοµής περιέχουν ο καθένας ένα πίνακα συµβατικής δροµολόγησης που έχει updated πληροφορίες. 3. Η απόδοση πρέπει να βελτιώνεται όταν αυτό είναι δυνατόν (εξάλειψη άσκοπων µεταδόσεων).

18 Μηχανισμός RPM ΟμηχανισμόςRPM αποτελείται από 2 βήματα: 1. Διασφάλιση παράδοσης RPF Όταν ξεκινάει η RPM χρησιµοποιεί το µηχανισµό εκποµπής της RPF για την αποστολή ενός αντιγράφου του κάθε πακέτου σε όλα τα δίκτυα του διαδικτύου 2. Πληροφόρηση για διαδρομές που δεν οδηγούν σε μέλη ομάδας Ταυτόχρονα η RPM ζητά από τους δροµολογητές να πληροφορήσουν ο ένας τον άλλο για τις διαδροµές που δεν οδηγούν σε µέλη οµάδας. Μόλις µάθει ότι κανένα µέλος δεν υπάρχει σε κάποια διαδροµή σταµατάει την προώθηση. Η µέθοδος διαδίδει τις πληροφορίες µελών από κάτω προς τα πάνω. Η διάδοση δηλαδή αρχίζει µε µηχανές που επιλέγουν να συµµετάσχουν ή να αποχωρήσουν από οµάδες. Οι µηχανές µεταβιβάζουν πληροφορίες µέλους στον τοπικό τους δροµολογητή, χρησιµοποιώντας IGMP. Έτσι αν και ένας δροµολογητής δεν γνωρίζει τα απομακρυσμένα μέλη της ομάδας γνωρίζει τα τοπικά. Εκτός από τις τοπικές ενέργειες, οδροµολογητής φύλλου πληροφορεί τον επόµενο δροµολογητή που βρίσκεται στη διαδροµήπροςτηνπροέλευση(«προς τα επάνω»). συνέχεια Μηχανισμός RPM Μόλις αυτός µάθει ότι κανένα µέλος δεν βρίσκεται «από κάτω του», ο δροµολογητής διακόπτει (περικόπτει) την προώθηση προς αυτό το υπόδεντρο και πληροφορεί ανάλογα τον επόµενο (πάνω) δροµολογητή. Η στρατηγική αυτή ονοµάζεται εκποµπής και περικοπής (broadcast and prune). Οαλγόριθµος RPM είναι καθοδηγούµενος από δεδοµένα (data driven), επειδή ο δροµολογητής δεν στέλνει πληροφορίες µελών οµάδας σε άλλους δροµολογητές, µέχρι να φτάσουν πακέτα για αυτή την οµάδα. Η µέθοδος επιπλέον θα πρέπει να χειριστεί περιπτώσεις όπου µια µηχανή αποφασίζει να συµµετάσχει σε µια οµάδα αφού ο δροµολογητής έχει περικόψει τη διαδροµή γι αυτήν. Έτσι ο δροµολογητής µόλις λάβει πληροφορία συµµετοχής, συµβουλεύεται την εγγραφή του για την οµάδα και βρίσκει τη διεύθυνση του δροµολογητή στον οποίο είχε προηγουµένως στείλει αίτηση περικοπής. Το νέο µήνυµα αναιρείτην περικοπή και δηµιουργεί εκ νέου συνένωση του υπόδεντρου.

19 Internet Multicast DVMRP - Distance Vector Multicast Routin Protocol [RFC 1075] Το πρωτόκολλο αυτό υλοποιεί δέντρα βασισμένα στην πηγή χρησιμοποιώντας προώθηση ανάστροφης διαδρομής και truncation (TRPF) Οι δρομολογητές όμως που υποστηρίζουν το DVMRP επαναφέρουν περιοδικά (default 1 min) τα κλαδιά του δέντρου που έχουν περικοπεί:. πακέτα multicast διανύουν και πάλι τα κλαδιά που είχαν περικοπεί σε προηγούμενη κατάσταση. οι routers μπορούνεκνέουμήνυμαπερικοπής Ουσιαστικά το πρωτόκολλο µεταβιβάζει πληροφορίες σχετικά µετατρέχονταµέλη πολυδιανοµής και το κόστος για τη µεταφορά πακέτων µεταξύ δροµολογητών. DVMRP βασικό πρωτόκολλο για δρομολόγηση στο Multicast Backbone Για κάθε πιθανό ζεύγος (οµάδα, προέλευση), οι δροµολογητές επιβάλλουν ένα δέντρο προώθησης πάνω από τις φυσικές διασυνδέσεις. Πως λειτουργεί ο DVMRP Ο DVMRP αποτελείται από 2 βασικά συστατικά: (1) Ένα συμβατικό distance-vector routin protocol (όπως ο RIP) ο οποίος δημιουργεί για κάθε router, έναν πίνακα δρομολόγησης Υποδίκτυο shortest dist interface a 1 i1 b 5 i1 c 3 i2 (2) Ένα πρωτόκολλο όπου καθορίζει το μηχανισμό προώθησης πακέτων πολυεκπομπής, ο οποίος βασίζεται στον πίνακα δρομολόγησης και τα μηνύματα δρομολόγησης του (1)

20 Παράδειγμα c s a b Παράδειγμα - multicastin c s a b

21 Παράδειγμα περικοπή c prune (s,) s prune (s,) a b Παράδειγμα steady state c s a b

22 Παράδειγμα εισχώρηση νέου μέλους c report () raft (s,) s raft (s,) a b New steady state c s a b

23 Πυρήνας DVMRP Ο πυρήνας πολυδιανοµής που υποστηρίζει το πρωτόκολλο DVMRP περιέχει ένα ειδικό πίνακα δροµολόγησης και τον απαραίτητο κώδικα για την προώθηση των πακέτων πολυδιανοµής. ΟπυρήναςDVMRP χειρίζεται: ιάδοση δροµολογίου (βάσει κόστους) ιάνοιξη σήραγγας πολυδιανοµής: Εξαιτίας του ότι δεν µπορούν όλοι οι δροµολογητές να χειριστούν πακέτα πολυδιανοµής, το πρόγραµµα µπορεί και ρυθµίζει διοχέτευση σε σήραγγα (tunnelin) από τον ένα δροµολογητή στον άλλον, διαµέσου ενδιάµεσων δροµολογητών που δεν συµµετέχουν σε δροµολόγηση πολυδιανοµής. Προγραμματισμός DVMRP Για να µπορέσει ο διαχειριστής να καθορίσει τον τρόπο που το mrouted θα λειτουργεί απαιτείται ένα αρχείο διευθέτησης (confiuration file). Το αρχείο διευθέτησης περιέχει καταχωρίσεις που καθορίζουν τις οµάδες πολυδιανοµής που θα χειρίζεται o router και τον τρόπο µε τον οποίο θα πρέπει να προωθεί τα πακέτα. Επιπλέον το αρχείο διευθέτησης συσχετίζει ένα µετρικό σύστηµα καιένακατώφλιοµε κάθε δροµολόγιο (για υπολογισμούς κόστους). Το κατώφλιο καθορίζει τον ελάχιστο χρόνο ζωής (TTL) IP που χρειάζεται ένα πακέτο για να ολοκληρώσει τη διαδροµή.

24 Σήραγγες - Tunnelin Η διάνοιξη σήραγγας είναι απαραίτητη όταν δύο ή περισσότερες µηχανές θέλουν να συµµετάσχουν σε εφαρµογές πολυδιανοµής και ένας ή περισσότεροι δροµολογητές στη διαδροµή µεταξύ των µηχανών δεν υποστηρίζει πολυδιανοµή. Το mrouted ενθυλακώνει το πακέτο σε ένα συµβατικό πακέτο αποκλειστικής διανοµής και το στέλνει µέσω του διαδικτύου στον άλλο δροµολογητή ο οποίος το απενθυλακώνει. References RFC 2236, Internet Group Manaement Protocol, version2 RFC 1075, Distance Vector Multicast Routin Protocol RFC 2362, Protocol Independent Multicast Sparse Mode Eriksson, H. [1994], MBONE: The Multicast Backbone, Communications of the ACM, 37(8), pp Doulas E. Comer, Διαδίκτυα με TCP/IP: Αρχές, Πρωτόκολλα και Αρχιτεκτονικές, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, 4 η Έκδοση, κεφ. 17 Edwards, Interdomain Multicast Routin, Addisson Wesley, 2002 Williamson, Developin IP Multicast Networks, Cisco Press,