Redes de Computadores

(1)

Faculdade de Informática - PUCRS

Redes de Computadores

Fernando Luís Dotti

fldotti@inf.pucrs.br

Fernando Luís Dotti

Redes de Computadores

Nível de Rede

Tráfego Multicast

Fonte principal: Christian Huitema. Routing in the Internet.

(2)

Redes de Computadores 3

z

O uso de transmissão de um ponto para vários pontos era

limitado a aplicações em redes locais

z

Ultimamente observa-se o crescente uso de transmissões

multicast (conferências, por exemplo)

IP Multicast

z

Transmissão para múltiplos pontos

y broadcast (difusão)

(3)

IP Multicast

z

Multicast pode ser visto como uma generalização de

todas as outras formas de endereçamento

y a forma de endereçamento convencional unicast pode ser encarada como um endereçamento multicast onde apenas uma máquina participa do grupo

y o endereçamento broadcast como uma forma de endereçamento multicast onde todas as máquinas são membros do grupo multicast

IP Multicast

z

Desenvolvido por Steve Deering da Xerox PARC em

1988 e adotado depois pelo IETF em Março de 1992

z

Transmissão de datagramas IP de uma fonte para

múltiplos destinatários de uma rede IP (arquitetura

Internet TCP/IP)

z

Das cinco classes de endereçamento IP, a classe "D" é

(4)

z

Permite que um datagrama IP seja transmitido para um

conjunto de máquinas que formam um grupo multicast:

y identificado por um endereço IP único

y formados por um conjunto de zero ou mais estações

y podem estar espalhadas ao longo de redes físicas separadas

IP Multicast

z

Os membros de um grupo multicast IP são dinâmicos

y estações podem entrar ou deixar grupos a qualquer momento

y não existem restrições para o número de membros de um grupo

y uma estação pode participar de mais de um grupo

simultaneamente e enviar datagramas a um grupo mesmo sem pertencer a ele

(5)

IP Multicast

z

pacote IP é o mesmo

z

utiliza-se endereço de grupo

Benefícios do Multicast

z

Em comunicações tradicionais envolvendo vários lugares

simultaneamente:

y para cada pacote do host de origem é feita uma replicação para o número de hosts destinos

y cada pacote é enviado para seu destino separadamente

y limitação no número de máquinas

y tráfego gerado na rede aumenta linearmente com o número de hosts destino envolvidos

(6)

Benefícios do Multicast

z

Uso do multicast IP trata estas limitações (soluções

escalares de rede)

z

Utilizando multicast, apenas uma cópia de cada pacote é

enviada por linha, sendo copiada apenas quando houver

um braço na árvore lógica dos destinos

(7)

Benefícios do Multicast

z

A utilização de difusão seletiva fornece um ganho de

processamento de CPU e largura de banda quando vários

lugares da rede estão envolvidos simultaneamente

Benefícios do Multicast

(8)

z

Quando um grupo de máquinas querem comunicar-se

y escolhem um endereço multicast particular para a comunicação

y configura-se a estação para reconhecer os endereços multicast selecionados

y assim todas as máquinas do grupo deverão receber uma cópia de cada pacote enviado àquele endereço de multicast

IP Multicast

z

Dentro de uma rede IP podemos ter dois tipos de grupos

com facilidade multicasting:

y "Well-Known”

n endereço de grupo associado a função fixa; n membros podem variar

y transient multicast groups

(9)

IP Multicast

z Utiliza a classe D de endereçamento IP

z Os primeiros quatro bits do endereço contém o valor "1110" e identificam o endereço como multicast

z Os vinte e oito bits seguintes indicam um grupo multicast específico

0 1 2 3 4 31

Classe D 1 1 1 0 Identificação do grupo

IP Multicast

z

Expressados na notação decimal pontual, os endereços

multicast IP variam entre 224.0.0.0 e 239.255.255.255

z

Endereço 224.0.0.0 é reservado, não podendo ser

(10)

z

A entrega de um datagrama multicast:

y realizada com as mesmas características de confiabilidade dos datagramas unicast regulares IP

y Não há garantia contra perda, atraso, duplicação ou desordenação para nenhum dos membros do grupo

IP Multicast

z

Para participar em um multicasting é preciso:

y roteadores multicast, que determinam quais hosts estão no grupo de multicast e fazem o roteamento

y roteadores e hosts usando protocolo IGMP (Internet Group

Management Protocol), quando a rede final for de acesso múltiplo

(11)

IP Multicast

Roteador IP Estação

IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP Roteador IP Estação

IP Multicast

(12)

IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP Roteador IP Estação

Roteador Multicast - Mrouter

z

O IGMP é implementado diretamente sobre IP e

compreende duas mensagens:

y host membership query

y host membership reports

y ambas possuem o mesmo formato

0 1 2 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 Version Type Code Checksum

Group Address

(13)

IP Multicast

z

“Fases” IGMP

y fase 1: host avisa roteador que participa de um grupo

y fase 2: roteador pergunta (poll) frequentemente na rede se existem ainda estações pertencentes a um grupo

-> isto permite a dinamicidade dos grupos (entrada/saída de membros)

IP Multicast

z

IGMP

y resolve aspectos multicast entre estações finais e o primeiro roteador

z

E o resto ? - e o tráfego multicast entre roteadores,

(14)

y Flooding y Spanning Trees y Reverse-Path Fowarding y Steiner Trees y Core-Based Trees

Roteamento Multicast

z

Flooding

y mais simples algoritmo de roteamento multicast

y nodo da rede recebe um pacote que será enviado a um destino multicast

y verifica se é a primeira vez que recebe o pacote ou se é duplicado, se for o primeiro, repassa o pacote para todas interfaces, exceto a que enviou

(15)

Roteamento Multicast

y mantém uma lista dos últimos pacotes recebidos

n garante que o roteador não repasse o mesmo pacote duas

vezes

n não garante que um roteador receba um determinado pacote

somente uma vez

y robusto (não depende de tabelas de roteamento e garante entrega dos pacotes), mas gasta muito recurso de memória armazenando uma entrada por pacote

Roteamento Multicast

y Flooding:

n inunda rede com pacotes multicast n excesso de tráfego

y Possíveis otimizações ?

n ... n ...

(16)

z

Spanning Trees

y evita envio por todas outras saídas como o flooding

y calcula uma “árvore de alcançabilidade” - árvore que alcança todos nodos do grafo

y marca links como “partes da árvore” ou “não usados”

formando grafo (ou árvore) que estende-se a todos nodos da rede

y quando um pacote multicast é recebido, é imediatamente

enviado a todos os links “partes da árvore”

Roteamento Multicast

z

Spanning Trees

y spanning tree por rede:

n uso da mesma árvore de alcançabilidade por todas as

fontes multicast da rede

n sobrecarga da árvore, especialmente da raiz

y otimização

n tentar fazer com que o tráfego percorra mais de uma

spanning tree em uma rede ?

(17)

Roteamento Multicast

z

Reverse-Path Forwarding (RPF)

y algoritmo usado pelo Mbone

y usa tabela de roteamento para orientar a rede e computar uma spanning tree por fonte da rede

y quando um pacote multicast é recebido da fonte S pela interface I

n se I pertece ao menor caminho até S, repassa o pacote a

todas interfaces, exceto I, caso contrário recusa o pacote

Roteamento Multicast

z

Reverse-Path Forwarding (RPF)

y vantagens

n pode-se fazer multicast sem informações adicionais na

tabela de roteamento (unicast)

y desvantagens

n seria mais apropriado calcular o menor caminho da fonte

para o nodo e não do nodo para a fonte (caminho contrário)

(18)

z

Reverse-Path Forwarding (RPF)

y outra forma:

n antes de repassar pacote ao vizinho, o roteador verifica

se está no menor caminho entre S e o vizinho

n se não está - não repassa para o vizinho

n direção fonte-destino

n gera pacotes somente nos links necessários n entretanto: necessidade de estender tabelas de

roteamento unicast

Roteamento Multicast

z

Reverse-Path Forwarding (RPF)

y uma spanning tree por fonte

y distribuição do tráfego na rede

y entrega para todos as “folhas”, independentemente da necessidade ou não do tráfego nas mesmas

(19)

Roteamento Multicast

z

Técnica de “Prune” (podar)

y não enviar dados para ramos da spanning tree que não tenham que receber os dados

y I.e. se não tem ninguém no grupo naquela ponta, não manda os dados

y como implementar ?

Roteamento Multicast

z

Técnica de “Prune” (podar)

y quando estação recebe pacote multicast e não deseja receber aquele fluxo:

manda mensagem ao roteador dizendo para não enviar mais pacotes daquele grupo à estação

y se todos os links de saída de um fluxo são podados, roteador

(20)

z

Técnica de “Prune” (podar)

y no caso de redes de múltiplo acesso, utilizase o IGMP -Internet Group Membership Protocol

y um roteador na rede de acesso múltiplo deve rodar IGMP para colher dos hosts a informação sobre quais grupos participam

y o roteador periodicamente pede para os hosts responderem a quais grupos participam

y o roteador guarda uma lista dos grupos cujo tráfego deve ser recebido

Roteamento Multicast

z

Técnica de “Prune” (podar)

y se roteador recebe pacote multicast e hosts não querem receber pacotes daquele grupo (i.e. o endereço multicast não consta na sua lista),

o roteador manda uma mensagem de poda ao próximo roteador na árvore

y podas duram um certo período e são invalidadas (soft-state) y tráfego multicast atinge novamente as folhas

y eventuais hosts que tenham entrado no grupo passam a receber o tráfego

(21)

Roteamento Multicast

z

Reverse-Path Forwarding (RPF)

y adição de procedimento de poda (prune)

Roteamento Multicast

z

Core-Based Trees

y uma spanning tree por grupo é calculada, próximo ao centro

do grupo, estacoes mandam para o centro, que entao multicast o pacote para os outros ramos da árvore

z

Steiner Trees

(22)

z

DVMRP - Distance Vector Multicast Routing Protocol

z

OSPF

Ô

MOSPF

z

Protocol Independent Multicast (PIM)

y dense mode

y sparse mode

Multicast Backbone

z

A disponibilização do Mbone passou pelos seguintes

passos:

y publicação do IGMP em 1988

y teste da tecnologia multicast na DARTNET (rede experimental de pequena escala financiada pela DARPA)

y primeira versão do roteador multicast para máquina Unix em

(23)

Multicast Backbone

y primeiro multicast em conferência da IETF em março de 1992 (transmissão para 30 participantes remotos)

z

O Mbone foi chamado assim por Steve Casner

pesquisador do Information Sciences Institute (University

of Southern California)

IP Multicast

z

No MBone, os datagramas são transmitidos por

gateways multicast especiais denomidados roteadores

multicast, ou mrouters

(24)

que utiliza uma rede de roteadores que suportam

multicast IP (difusão seletiva).

z

Esta rede é composta de subredes que suportam

multicast IP, denominados ilhas, conectadas umas as

outras através de enlaces ponto-a-ponto virtuais

MBone

z

A razão do Mbone ser uma rede virtual é que este

compartilha a camada física da Internet. Mas é uma

rede própria pois o Mbone tem seus próprios

roteadores (mrouters) que podem rotear os pacotes do

IP multicasting

(25)

MBone

z

A comunicação entre os roteadores é realizada

utilizando o conceito de túneis (enlaces virtuais entre os

roteadores) que possibilita a transmissão de pacotes

multicast entre roteadores que não suportam esta

forma de endereçamento, encapsulando pacotes

multicast dentro de pacotes unicast IP

MBone

z

É denominado túnel a conexão entre estes roteadores

z

Cada uma das ilhas é composta por uma ou mais redes

locais conectando um número de nodos clientes e por

um nodo que implementa o mrouted (multicast routing

daemon) denominado mrouter (roteadores multicast)

(26)

z

Os mrouters têm a responsabilidade de replicar e

distribuir os quadros de dados multicast para os túneis

que conduzem a estações participantes do grupo e

para a rede local, caso exista uma estação membro do

grupo nela

MBone

z

A topologia de mrouters do MBone é realizada de

maneira a possibilitar uma distribuição de pacotes

eficiente sem congestionar nenhum nodo ou enlace de

rede

y topologia aliada ao uso de multicast IP fornece um alto ganho de largura de banda das redes e desempenho das estações envolvidas, graças as vantagens oferecidas pelo uso de multicast

(27)

MBone

z

Quando um pacote multicast é enviado por um cliente,

que o coloca na rede local, ele é apanhado pelo

mrouter da subrede

z

O roteador irá consultar sua tabela de roteamento e

transmitir o pacote para os túneis correspondentes

MBone

z

No outro lado do túnel, o outro roteador receberá o

pacote e consultará sua tabela de roteamento para

decidir se o pacote deve ser enviado para algum outro

túnel, verificando também se há algum cliente em sua

subrede que está inscrito neste endereço multicast e,

caso houver, colocando-o na subrede para ser recebido

pelo cliente

(28)

um sistema operacional suportando o IP multicast e

rodando um daemon multicast routing ou mroteador

z

Os roteadores multicast replicam os pacotes para

saídas de múltiplas interfaces e túneis assim como toda

a extensão da árvore de distribuição multicast

MBone

z

O Mbone possui uma topologia com formações em

malha e em árvore

z

Entre os maiores provedores de serviços da Internet

forma-se uma topologia em malha, formando os

backbones principais e enlaces de backup. Nas

extremidades, a topologia é geralmente em árvore.

Entre os continentes existem um túnel de interligação

(29)

Topologia MBone

z

Os EUA tem vários túneis entre seus estados

z

A maioria dos túneis são roteados dentro de linhas

T1(1.5 Mpbs) ou E1 (2Mbps)

(30)

y complementa a base de dados com novo tipo de registro de estado dos enlaces Ô membros do grupo

y bit M do octeto options define roteamento multicast. Se o bit M for nulo, o roteador não faz multicast