Unicast vs Multicast Unicast Host Router Multicast Host

Unicast vs Multicast Unicast Host Router Multicast Host Router 1

Se gli host non sono collegati tramite una rete broadcast (i. e. ethernet), le operazioni di replica possono essere particolarmenti pesanti (tipicamente hw based); se si pensa ad apparati di accesso Internet si possono avere anche decine di migliaia di host Sorgente multicast Rete IP multicast IGMP I router di accesso gestiscono le richieste di connessione ai gruppi da parte degli host (IGMP) I Router della rete multicast hanno il compito di gestire il protocollo per la creazione dell’albero di distribuzione e il forwarding dei pacchetti multicast 2

Indirizzi multicast • Gruppo di indirizzi IP riservato per identificare i gruppi multicast – 224. 0. 0. 0– 239. 255 • Indirizzi di classe D; –I bit più alti sono: “ 1110” • Sottogruppo di indirizzi multicast riservati: 224. 0. 0. 0– 224. 0. 0. 25: – 224. 0. 0. 1 Tutti gli host di una sottorete – 224. 0. 0. 2 Tutti i router di una sottorete – 224. 0. 0. 5|6 OSPF 3

Mapping tra indirizzi multicast e ethernet 2^5 = 32 ind. Mcast mappati sullo stesso ind. ethernet 224 -239 1 224 1110 0 138 10 0000 5 Prefisso 24 bit IEEE dedicato al multicast E 0 1010 00 0000 1 0000 A 0 0000 0 0001 0 1 Ind. mcast Ind. Ethernet 23 bit utilizzati per il mapping Riservato usi futuri 4

IGMP q Fa parte del protocollo IP q 3 messaggi q Membership Query Ø Il router designato invia query verso 224. 0. 0. 1 (tutti gli host della rete) con timetolive = 1 (il messaggio non va oltre la rete locale) Ø Su una LAN c’è un solo router “designato” Ø “Query interval” viene scelto considerando le necessità di interazione (tempo di zapping) e di limitazione del traffico di segnalazione q Membership Report Ø Inviato dagli host (prima di inviare una risposta gli host aspettano un tempo casuale: se si accorgono che un altro host ha già inviato un report, desistono) Ø Il report può essere “spontaneo”; ciò accade quando l’host si connette ad un gruppo multicast la prima volta q. Leave 5

Pacchetti IGMPv 2 7 Type 15 Max. Resp. Time 31 Checksum Group Address Type: 0 x 11 = Membership Query 0 x 12 = Membership Report (v. 1) 0 x 16 = Membership Report (v. 2) 0 x 17 = Leave Max. Resp. Time tempo max entro cui il router si aspetta una risposta viene usato dagli host come limite max nella scelta random del tempo di risposta (Default = 10 secs) Group Address: Indirizzo del gruppo multicast (0. 0 indica una query di tipo generale…any group) 6

Join asincrona 1. 10 H 1 1. 11 224. 1. 12 H 3 Report 1. 1 rtr-a • • H 2 effettua una join asincrona Invia un report senza aver ricevuto una query Riduce la latenza (query cicliche) Rtr-a mantiene attivo il gruppo fino allo scadere di un timer che viene resettato da successivi nuovi report 7

Meccanismo di elezione 1. 10 1. 11 1. 12 H 1 H 2 H 3 Query 1. 1. 1. 2 IGMP Non-Querier 1. 1 IGMP Querier IGMPv 2 rtr-b Query rtr-a • Inizialmente tutti i router inviano query • Ogni router legge le query inviate dagli altri host • Il router con l’IP più basso viene eletto (gli altri non inviano più query) • Se scade un time-out (router eletto non ha inviato query) riparte il processo di elezione (meccanismo di recovery) 8

Soppressione delle risposte 1. 10 224. 1. 1. 1 X H 1 Suppressed 1. 11 224. 1. 1. 1 Report H 2 1. 12 224. 1. 1. 1 X H 3 Suppressed 1. 1 Query • Il router invia query periodiche • Gli host settano un timer tra [0, max resp timer] • Se scade il timer invia il report; se invece riceve un report sopprime il timer e non invia alcun report • Nella figura, H 1 e H 3 non inviano report 9

Leave 1. 10 H 1 1. 11 224. 1. 1. 1 Leave to #1 224. 0. 0. 2 H 2 1. 12 224. 1. 1. 1 H 3 Report to #3 224. 1. 1 rtr-a Group Specific Query to 224. 1. 1. 1 #2 • H 2 lascia il gruppo; manda un messaggio Leave relativo al gruppo 224. 1. 1. 1 a tutti i router della rete (224. 0. 0. 2) • Il router manda una query specifica verso tutti gli host che sono in ascolto su 224. 1. 1. 1 • H 3 che è ancora in ascolto manda un report su 224. 1. 1. 1 • Il router continua ad inviare traffico sul gruppo 224. 1. 1. 1 10

Leave …continua H 1 224. 1. 12 H 3 1. 11 H 2 Leave to #1 224. 0. 0. 2 rtr-a Group Specific Query to 224. 1. 1. 1 #2 • L’ultimo host attivo sul gruppo manda un Leave • Il router invia una query specifica • Scade il max-resp-timer • Il router cancella il gruppo 11

IGMP v 3 Source = 1. 1 Group = 224. 1. 1. 1 Source = 2. 2 Group = 224. 1. 1. 1 R 2 R 1 • H 1 vuole ricevere il gruppo da S = 1. 1 ma non da S = 2. 2 R 3 • R 3 può effettuare il prune della sorgente S = 2. 2 IGMPv 3: Join 1. 1, 224. 1. 1. 1 Leave 2. 2, 224. 1. 1. 1 H 1 12

Flooding del traffico multicast su apparati di livello 2 (e. g. switch) PIM • Gli apparati di livello 2 tipicamente non sanno come trattare il traffico multicast e si limitano ad effettuare un broadcast verso tutte le interfacce. Multicast M 13

Trattamento del traffico multicast su apparati di livello 2 (e. g. switch) • Gli apparati di livello 2 (e. g. switches) devono essere “IGMP” aware. PIM • I pacchetti IGMP vengono intercettati da hardware specializzato ASICs (IGMP snooping) • Lo switch deve esaminare i messaggi IGMP Report e Leave associandogli alle specifiche porte • Inoltre deve effettuare il “Proxy” dei messaggi verso il router ( possibilmente filtra i messaggi, join successivo al primo, leave quando ci sono altri host in ascolto sul gruppo) IGMP 14

Algoritmi di routing multicast • Flooding: inoltrno dei pacchetti ricevuti su tutte le interfacce quando il pacchetto è ricevuto per la prima volta – Non prevede l’utilizzo di alcun protocollo di instradamento – Non utilizza le informazioni sull’attività degli host – Richiede di tener traccia di tutti i pacchetti ricevuti • Spanning tree – Consente di trasmettere il traffico multicast senza incorrere in loop – Non utilizza le informazioni sull’attività degli host – Utilizzo non ottimizzato della rete • Reverse Path Forwarding (spiegato in dettaglio in seguito) • Shortest path tree 15

Protocolli multicast • Prevedono lo scambio di opportuni messaggi tra i router; tali messaggi forniscono le informazioni necessarie al trattamento dei pacchetti multicast agli algoritmi di instradamento • Tipi di protocollo multicast: PIM (Protocol Indipendent Multicast) • Indipendent perché utilizza le informazioni di routing fornite da protolli di unicast esterni qualsiasi • PIM Dense Mode • PIM Sparse Mode • I concetti su cui si basa sono: –Multicast Distribution Trees –Multicast Forwarding 16

Multicast Distribution Trees Shortest Path o Source Distribution Tree Source Notation: (S, G) S = Source G = Group A B C Receiver 1 F D E Receiver 2 17

Multicast Distribution Trees Shared Distribution Tree Sorgente 1 Notation: (*, G) * = All Sources G = Group A B C Ricevitore 1 D F (Shared Root) Sorgente 2 E Ricevitore 2 18

Forwarding Multicast § Logica inversa rispetto al Routing Unicast q. Routing Unicast analizza IP_Destinazione q. Routing Multicast analizza IP_Source e applica il “Reverse Path Forwarding”: ü IP_source è l’indirizzo da cui proviene la trasmissione multicast üIP_destinazione è il gruppo multicast ü RPF: consente di evitare le duplicazioni scegliendo l’interfaccia da cui ricevere il traffico multicast (su tutte le altre è scartato); l’interfaccia scelta è quella che si userebbe per inviare traffico verso la sorgente (tabella di routing unicast) 19

RPF Sorgnte mcast 151. 10. 3. 21 S 0 S 1 Router con comportamento anomalo Mcast Dist. Tree Pacchetti Mcast E 0 S 2 RPF Check Fallisce: il traffico è scartato 20

Check RPF che fallisce X Pacchetto multicast con IP sorgente 151. 10. 3. 21 S 0 RPF Check Fails! Multicast Route Table Network Interface 151. 10. 0. 0/16 S 1 198. 14. 32. 0/24 S 0 204. 1. 16. 0/24 E 0 S 1 S 2 E 0 Pacchetto arrivato da una interfaccia sbagliata (verrà scartato) 21

Check RPF che ha successo Pacchetto multicast con IP sorgente 151. 10. 3. 21 S 0 S 1 S 2 E 0 Multicast Route Table Network Interface 151. 10. 0. 0/16 S 1 198. 14. 32. 0/24 S 0 204. 1. 16. 0/24 E 0 Il pacchetto arriva dall’interfaccia corretta e viene forwardato su tutte le altre interfacce (distribution tree) 22

Tipi di protocollo multicast • Differiscono dal modo in cui costruiscono e gestiscono il distribution tree (DT) • Dense-mode (si assume un’alta densità di ricevitori) Ø Inizialmente effettua il flooding, i router non interessati chiedono di essere rimossi dal DT (prune) Ø quando un ramo viene tagliato viene più inviato traffico Ø dopo un tempo prestabilito, il ramo tagliato riceve nuovamente traffico e il router deve eventualmente richiedere il prune • Sparse-mode (si assume che solo alcune zone saranno interessate alla trasmissione) Ø I router interessati devono fare richiesta esplicita (join) per essere aggiunti al DT Ø Usa lo shared distribution tree ma al superamento di soglie prefissate i router possono comandare la costruzione di un source distribution tree 23

Pacchetti PIM Join/Prune Sia il DM sia lo SP usano pacchetti di segnalazione per aggiungere o togliere dei rami dal distribution tree; tali pacchetti contengono un elenco di gruppi multicast (multicast group) ciascuno dei quali contiente a sua volta una lista di sorgenti su cui fare Join o Prune Gruppo n JOIN ( Sorgente 1, Sorgente 2, …) ----- (S; G) Gruppo k PRUNE ( *, RP) ---- (*, G) Gruppo m JOIN (*, RP) ---- chiede che la Join venga propagata fino allo shared root/rendevouz point (per default sarebbe propagata fino alla sorgente) 24

PIM DM: flooding Pacchetto multicast (128. 9. 160. 43, 224. 2. 127. 254) S 0 S 3 “rtr-a” inoltra il traffico (S, G) su tutte le interfacce (tranne quella da cui lo ha ricevuto) S 1 rtr-a S 0 rtr-b E 1 A questo punto su rtr-a esistono due entry: per (*, G) e (S, G) • (*, 224. 2. 127. 254) con interfacce di uscita S 1 e S 3 • (128. 9. 160. 43, 224. 2. 127. 254) con interfacce di uscita S 1 e S 3 La entry, (*, G) è creata appena si riceve un pacchetto da qualsiasi sorgente per G opprure quando si riceve una richiesta di connessione al gruppo 25 (JOIN IGMP) da un host locale

PIM DM: prune S 0 S 3 S 1 rtr-a Prune (S, G) S 0 rtr-b E 1 Rtr-b non ha ricevitori, quindi invia un messaggio di prune (S, G) A questo punto su rtr-a nella entry (128. 9. 160. 43, 224. 2. 127. 254) l’interfaccia S 0 viene messa in stato di prune; ma è solo sospesa per un tempo fissato (e. g 3 min) dopo di che ritorna in stato di forward 26

PIM DM: Grafting Pacchetti (S, G) S 0 3 PIM Graft-ACK 2 PIM Graft E 0 S 1 rtr-a 4 E 0 rtr-b E 0 rtr-c E 1 A E 1 IGMP Join 1 1 • A invia una JOIN per il gruppo G. • “rtr-b” invia un messaggio PIM Graft per il gruppo (S, G) verso rtr 2 a 3 • “rtr-a” invia un riscontro (PIM Graft-Ack) 4 • “rtr-a” inizia a tramettere il traffico per (S, G). 27

PIM SM: Forwarding RP (10. 1. 5. 1) Shared Tree Pacchetti Multicast (128. 9. 160. 1, 224. 1. 1. 1) S 1 S 0 rtr-a Source Tree Pacchetti Multicast (128. 9. 160. 43, 224. 1. 1. 2) E 0 rtr-b E 1 Route 10. 1. 5. 0/24 10. 1. 2. 0/24 128. 9. 0. 0/16 Intfc S 0 E 0 S 1 Tabella di routing unicast • Nel protocollo Sparse mode il check RPF usa: • l’indirizzo del RP, nel caso di shared trees • l’indirizzo sorgente nel caso di shortest-path tree 28

PIM SM: Forwarding Ø Quando un router riceve un pacchetto multicast per il gruppo G lo inoltra su un’altra interfaccia se: Ø ha ricevuto un pacchetto di JOIN PIM per il gruppo G su quella interfaccia da un router adiacente Ø un host su quella interfaccia ha inviato una richiesta IGMP per il gruppo G ØAl contrario del dense mode, i router PIM-SM assumo che non ci sono ricevitori interessati al gruppo in assneza di JOIN esplicite Ø Al contrario del DM, i router a valle del RP rispetto alla sorgente non si devono preocuppare dell’indirizzo sorgente dei pacchetti multicast perché tutto il traffico passa per i RP (infatti il check RFP è fatto sull’indirizzo IP del RP) ØI router a valle del RP mantengono lo stato (*, G) ØI router tra la sorgente e il RP mantengono lo stato (S, G) 29

PIM SM: costruzione del distribution tree (caso in cui il ricevitore si registra per primo su RP) Il router sorgente invia il primo pacchetto multicast che riceve in un pacchetto unicast di registrazione verso RP (register); S RS R 1 Quando RP riceve il primo pacchetto multicast completa il processo di registrazione RP RP chiede di costruire I router sul percorso S-RPil DT join(S, G) la join e creano intercettano R 2 le entry (S, G) mettendo in stato di forward l’interfaccia invia una join (*, G) da cui è arrivata la. R 4 join verso RP R 4 crea l’entry (*, G) e mette in forward l’interfaccia verso RCR R 3 R 4 RECEIVER I router R 3, R 2 intercettano le join e creano le entry (*, G) mettendo le interfacce da cui ricevono la join in stato di forward Il ricevitore chiede di ascoltare il gruppo (*, G) tramite messaggio IGMP; 30

PIM SM: creazione del distribution tree (caso in cui la sorgente si registra per prima su RP) S RS R 1 4 RP manda un messaggio prune (S, G) verso 3. R 1 lo stato ignora(*, G) in quanto RP(che non però ha uno e quindi anch’esso ha il gruppo G attivo scarta non il pacchetto RP RP(*, G) invia un msg register 1. S invia il 2. primo RS crea lo 5 stato e (S, G) e incapsula il pacchetto mcast in a un. RS messaggio stop 6 RS riceve il register stop e nonunicast inoltra. PIM register Inverso questo momento R 1 vede attivo il gruppo (S, G) più i. RP pacchetti mcast ricevuti da S in perché ha ricevuto un prune da RP ma non ha pacchetti unicast register (RS non è R 4 interfacce attive, anche RP ha il gruppo (S, G) ma un 78 RP riceve un di. PIM join (*, G) da RP cerca tutte le entry (S, G) e invia Fino anello questo momento RS ha attivato lo stato di(non registering)…cancella nonpiù interfacce attive cigruppo sono ricevitori (RCR ha chiesto il G) join le sorgentietrovate stato (S, G) è inverso statotutte “registering” non lo. PIM stato (S, G) connessi) ha interfacce di forward attive poiché non ha ricevuto nessuna join R 4 Receiver R 2 R 3 R 2 -R 3, R 4 intercettano la join e creano il distribution tree 31

PIM SM: pruning del distribution tree S RS R 1 RP R 2 intercetta il messaggio, l’interfaccia dal DT R 3 rimuove intercetta il messaggio RCR lascia il inoltra gruppo il. Gmessaggio (leave IGMP); ma non prune e rimuove l’ interfaccia R 4 cancella l’interfaccia verso RCR dal DT ouil del gruppo G. Poiché non ha altre interfacce Poiché R 4 non ha altre interfacce attive inoltra il messaggio di per il gruppo G, invia un messaggio di prune verso RP prune (*, G) verso il RP R 2 Rec. 2 R 3 R 4 ha un solo ricevitore attivo sul gruppo G Receiver 32

Source Specific Multicast • Utilizzato quando le sorgenti sono poche e ben definite (e. g. head end di trasmissioni TV) • Prevedono l’utilizzo del protocollo IGMP v 3 • Permette una notevole semplificazione dei processi dei router 33