Multicast

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Inhaltsverzeichnis

Übersicht

Multicast Gruppen

Warum Multicast?

Multicast wird verwendet, wenn die selben Datenpakete verschiedenen Empfängern zugestellt werden sollen. Wird ein Paket zu Multicast-Empfängern gesendet, wird dies nicht für jeden Empfänger versendet, sondern als einzelner Stream. Dieser Sream wird von den Downlevel-Routern danach auf die jeweiligen Empfängern zugestellt. Der Stream wird also vervielfältigt, an den jeweils letzten Knoten vor der "Abzweigung". Dadurch wird einiges an Last von den Routern, der Leitung genommen, da nur ein einzelnes Paket von der Quelle ausgesendet werden muss.

Da erst die Downlevel-Router die Paketverteilung vornehmen, kann/muss der Sender die IP-Adresse des Empfängers nicht kennen.

Ein Anwendungsgebiet für Multicast sind Video/Audiostreams

Vorteile von Multicast

Annahme: Ein Netzwerk, 100 User. Diese 100 Userhören einen 16kbps-Audiostream. Das Netzwerk wird mit 16kbps belastet. Würde dieser Stream anstatt mit Multicast mit Unicast verbreitet, wird das Netz mit 100x16=1.6mbps belastet

Vorteile also:

  • erhöhte Effizienz
  • optimale Performance
  • ideal für die Anwendungsverteilung

Video on Demand (VoD) wäre ohne Multicast nicht denkbar

Nachteile von Multicast

Multicast ist UDP-basierend, d.h. es kann durchaus passieren, dass Pakete verloren gehen. Ausserdem gilt eine UDP-Übertragung nicht als vertrauenswürdig.

Arten von Multicast-Anwendungen

  • one-to-many: wird zb. bei Videostreams verwendet
  • many-to-many: hier arbeiten zB. einige Empfänger auch als Sender

Weiters gibt es einige Anwendungen für many-to-one, wo zb. Hosts zum Zwecke einer Datensammlung an einen zentralen Empfänger schicken

Anwendungsgebiete

Neben Realtime-Anwendungen kann wird Multicast auch zb. für das Simultanaufsetzen von PCs verwendet


IP-Multicast-Adressen

IP-Multicast Adressierung

Multicast-Adressen nutzen die Klasse-D-Adressen (1110) Multicasts in dieser Range werden nur im lokalen Netz weitergeleitet. Die TTL liegt in der Regel auf 1.

Einige lokale Multicast-Adressen:

  • 224.0.0.1 alle Hosts
  • 224.0.0.2 alle Multicast-Router
  • 224.0.0.4 alle DVMPR (Distance Vector Multicast Routing Protocol)-Router
  • 224.0.0.5 alle OSPF-Router
  • 224.0.0.6 alle OSPF- DR
  • 224.0.0.9 alle RIPv2-Router
  • 224.0.0.10 alle EIGRP-Router


Für Multicastanwendungen werden vorübergehende Adressen verwendet, die nach Gebrauch wieder verworfen werden. Man unterscheidet zwischen zwei Typen

  • globale Adressen: 224.0.1.0 - 238.255.255.255. So ist zb. der Bereich 224.2.x.x für MBone (Multicast Backbone) reserviert
  • administrative Adressen: 239.0.0.0 - 239.255.255.255, welche reserviert sind für private Domains

Der Administrative Bereich ist wiederum in zwei Bereiche unterteilt

  • side-local: 239.255.0.0/16, 239.252.0.0/16, 239.254.0.0/16
  • organisation-local: 239.192.0.0 - 239.251.255.255

Multicast-Sessions

Wenn eine Multicastanwendung auf einem Empfänger gestartet wird, muss die Anwendung wissen, welcher Multicast-Gruppe sie beitreten muss. Die Anwendung muss informationen über die verfügbaren Streams/Sessions lernen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten für die Applikationen, diese Informationen zu lernen:

  • die Anwendung verwendet bekannte, vordefinierte Gruppen
  • ein Directory-Service ist verfügbar, über diesen die Anwendung die Infos erhält
  • die Anwendung wird über einen Link gestartet. Auch ein via Mail verbreiteter Link ist möglich

Die Session-Directory-Application (sd) fungiert als Guide, welcher den Multicast-Content anzeigt. Eine Clientanwendung läuft am PC und informiert den User über den verfügbaren Content. Diese Verzeichnisanwendung verwendet entweder SDP (Session Description Protocol) oder SAP (Session Announcement Protocol), um über dn Content zu lernen. (SAP und SDP werden auch als SDR oder sdr bezeichnet)

IGMP und Layer2

Einführung IGMP2

IGMP ist ein Host-zu-Router-Protokoll, welches verwendet wird, wenn Hosts einer Multicastgruppe beitreten wollen. In IGMPv1 senden Router periodische Mitgliedschaftsabfragen an die Multicastadresse 224.0.0.1. Hosts senden die gewünschte Gruppe an die jeweilige Gruppen-Multicastadresse; Hosts verschwinden leise, still und heimlich aus den Gruppen

Aufgrund einiger Einschränkungen bei v1 wurde IGMPv2 entworfen. Die wichtigsten Unterschiede sind

  • Gruppenspezifische Queries: nun können Router auch einzelne Gruppen abfragen
  • Leave-Group-Message: die Hosts teilen dem Router das Verlassen der Gruppe mit. So wird die Last von einem Segment genommen, wenn der letzter Member aus der Gruppe ausgetreten ist


Beitreten einer Gruppe

Beim Betreten einer Gruppe muss ein Member nicht auf eine Query warten, es wird einfach das Interesse bekundet Mit show ip igmp group können einige Informationen die Gruppen betreffend abgefragt werden. So zb. der letzte beigetretene Host, sowie die Zeit des "Entstehens" und des "Auflösens" der Gruppe

Befinden sich zwei IGMP-Router im selben Ethernetsegment (Broadcast-Domain), wird der Router mit der höheren IP der designierte Querier

Verlassen einer Gruppe

In v1 verlässt der Host die Gruppe, ohne einen Hinweis auf das Verlassen zu hinterlassen. IGMPv2 hinterlässt einen solchen Hinweis

Wenn ein v2-Router eine Leave-Message erhält, antwortet er mit dem Senden einer gruppenspezifischen Anfrage. Damit kann der Router feststellen, ob noch Hosts in seinem Segment verbleiben

IGMPv3

Der Zweck für v3, welches den Antrag auf einen Standard gestellt hat, ist hauptsächlich, dass Hosts er erkennen geben können, von wem sie Traffic empfangen wollen

Bestimmen der IGMP-Version

Die Version wird mit

show ip igmp interface 

ausgegeben

Multicast, Layer-2-Switching

Für die meisten Switches bedeutet Multicast-Verkehr das selbe wie unbekannte MAC-Adressen: es wird gefloodet, an allen Ports, in allen VLANs

Eine Möglichkeit, wie Cisco-Catalysts dieses Problem angehen ist, dass der Administrator Multicast-Adressen verschiedenen Ports zuweist. So kann er die Ports 2, 3 und 8 so konfigurieren, dass nur diese den Multicast-Verkehr für die jeweilige Gruppe erhalten. Dies funktioniert, ist aer nicht skalierbar. IP-Multicast-Hosts betreten und verlassen Gruppen dynamisch, unter Verwendung von IGMP um den Multicast-Routern zu signalisieren. Dynamische Konfiguration der Forardingtables der Switches ist daher effizienter und spart administrative Arbeit

Auf Schicht-3 kann ein User auch mittels des PIM (Protocol-Independent Multicast) über das Internet multicasten. Dies ist eine Familie von Multicast Routing Protokollen, die one-to-many und many-to-many Datenverteilung über das Internet beherrschen. Der "protokollunabhängige" Teil beruht auf dem Fakt, dass PIM keinen eigenen topologieerforschenden Mechanismus hat, aber die Routinginformationen von traditionellen Routingprotokollen wie BGP verwendet

Schicht-2 Multicast Switchinglösungen

  • CGMP: Cisco Group Management Protocol ist ein proprietäres Protokoll, welches zwischen einem Multicast-Router und einem Switch läuft.
  • IGMP snooping: hier schnüffelt der Switch mit, und passt laufend seine MAC-Tabelle entsprechend an

CGMP

CGMP basiert auf einem Client/Servermodell, wobei dem Router die Server-, dem Switch die Clientrolle zugewiesen wird. Softwarekomponenten auf beiden Seiten wandeln IGMP in CGMP-Befehle um, mit denen dann die Forwardingtabellen des Switches gesteuert werden

Die Grundlage von CGMP ist, dass ein Multicastrouter alle IGMP-Pakete sieht, und daher den Switch informieren kann, wenn ein Host einer Gruppe beitritt oder eine Gruppe verlässt. Router verwenden bekannte CGMP-Multicast MAC-Adressen, um die CGMP-Steuerpakete zum Swtch zu senden. Der Switch verwendet diese Information dann, um seine Forwardingtabelle dementsprechend zu programmieren

Wenn ein Router ein IGMP-Steuerpaket sieht, erstellt er ein CGMPPaket, welches die Art des Requests beinhaltet (beitreten/verlassen), die L2-Multicast MAC-Adresse und die MAC-Adresse des Clients

Dieses Paket wird zur bekannten CGMP Multicast MAC-Adresse 0x0100.0cdd.dddd zu allen lauschenden Switches geschickt. Die CGMP-Steuernachricht wird interpretiert, und die Einträge werden im Swich-CAM (content-addressable memory) erstellt. So wird der Multicast-Verkehr für diese Gruppe eingeschränkt

IGMP snooping

Die zweite Möglichkeit ist das IGMP-Snooping. Wie der Name schon sagt, wird hier geschnüffelt, und zwar nach den IGMP-Membershp reports und den IGMP leaves.

Bei der Implementierung sollte vorsichig vorgegangen werden, denn wenn ein Switch alle L2-Multicast-Pakete überprüfen muss hat dies starke Auswirkungen auf die Leistung des Switch

Multicast-Routingprotokolle

Verwendete Protokolle

Multicast Protokolle: Grundlagen

Multicast Distribution Trees definieren den Pfad von der Quelle bis zum Empfänger, den der Multicasttraffic fließt

Es gibt zwei Typen von Multicast-Trees:

  • source-routed tree
  • shared tree

Beim Source-Routed-Tree wird ein separater Zweig für jede Quelle zu allen Mitgliedern dieser Gruppe gebaut. Da dieser Weg der direkte, der kürzeste ist, wird dieser Typ auch SPT, Short Path Tree, genannt

Shared Tree Protocols stützen sich beim Erstellen der Multicast-Forwardingpfade auf zentrale Knotenrouter, die einen Rendezvous-Punkt (RP) zwischen den Mulitcast-Quellen und Zielen bieten. Quellen senden erst die Mulicast-Pakete zum RP, welcher sie dann als shared-tree zu den jeweiligen Empfängern weiterleitet. Shared Tree ist weniger effizienter als SPT, aber schont Speicher und CPU

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Multicast-Routingprotokollen:

  • dense mode protocols: sie flooden Multicasttraffic über das ganze Netzwerk und beschneiden ihn da, wo keine Clients dahinter sind. Hierfür wird ein periodischer flood-and-prune-Mechanismus verwendet
  • sparse mode protocols: sie verwenden einen extrigen Auswahlmechanismus, bei dem die Verteilerbäume nur bei Bedarf aufgbaut werden. Dies passiert, wenn direkt angeschlossene Empfänger an den Routern eine Tree-Join-Message auslösen

Identifizierung von Multicast Distributiontrees

Die Multicast-Forwardungeinträge, die in einer Multicast-Forwardingtabelle aufscheinen, können wie folgt gelesen werden

  • (S, G): Für die Quelle (S), welche an die Gruppe (G) sendet; diese Einträge zeigen in der Regen SPT, können aber auch zu einem Shared Tree gehören
  • (*, G): Für jede Quelle (*), welche an die Gruppe G sendet; reflektieren für gewöhnlich Shared Trees, werden aber (in Cisco-Routern) auch für alle existierenden (S, G) einträge erstellt

SPT-Einträge benötigen mehr Router-Speicher, da für jedes Sender-Empfängerpaar ein eigener Eintrag existiert. Allerdings kann der Verkehr dann auch für jeden Empfänger direkt am besten Weg zugestellt werden. Dies minimiert das Delay

Shared Distribution Tree-Einträge hingegen benötigen wesentlich weniger Routermemory, allerdings können suboptimale Pfade zwischen Quelle und Ziel verwendet werden, mit allen verbundenen Nachteilen


IP Multicast Routing

Multicast Forwarding

Beim Unicastrouting trifft der Router die Entscheidung, wohin das Paket zu senden ist, anhand der Empfängeradresse im Paket. Beim Multicastrouting ist die Entscheidung hingegen von der Quelle abhängig

Multicastrouter müssen den Ursprung des Paketes kennen, was der Unterschied zum Unicast-Routing ist

Multicastrouting verwendet einen Mechanismus, Reverse Path Forwarding (RPF), um vor Loops zu schützen und sicherzustellen, dass der kürzeste Pfad zu den Empfängern verwendet wird.

Einführung PIM

Der PIM-dense mode (PIM-DM) initialisiert einen Multicasttraffic, der über alle Netzwerkteile gefloodet wird. PIM-DM initialisiert flood-traffic aus allen nicht-RPF-Interfaces, an denen ein weiterer PIM-DM Nachbar hängt, bzw ein direkt angeschlossenes Member der Gruppe

Multicast: Konfiguration und Überprüfung

Konfigurieren von PIM-SM und PIM Sparse-Dense-Mode an einem Interface

router(config)# ip multicast-routing

mit diesem Befehl wird Multcast-Routing auf einem Router aktiviert

router(config-if)# ip pim {sparse-mode | sparse-dense-mode}
ip pim sparse-mode

aktiviert die PIM-SM-Operation am gewählten Interface. Der Befehl

ip pim sparse-dense-mode

lässt das Interface im PIM-SM für sparse-mode-groups (die mit belannten Rendezvous points [RP]) und im dense-mode (für alle anderen Gruppen) operieren


router(config)# ip pim send-rp-announce {Interfacetyp} scope {ttl} group-ist {acl}

Das globale Kommando wird auf dem Router ausgeführt, der ein RP werden soll. Dieser Router sendet eine Auto-RP-Nachricht an 224.0.1.39, in der die Bereitschaft des Routers steht, als RP zu fungieren, für die Gruppen, die lt. Accesslists definiert sind


router(config)# ip pim send-rp-discovery {Interfacetyp} scope {ttl} 

Dieses globale Kommando konfiguriert einen Router als RP-Mapping-Agent.; er lauscht auf 224.0.1.39 und sendet eine RP-zu-Gruppen-Mappingsachricht nach 224.0.1.40. Andere PM router lauschen auf 224.0.1.40, und erkennen den RP so automatisch

router(config)# ip pim spt-threshold {rate | infinity}

kontrolliert den Switchover vom shared-distribution-tree zum SPT. "infinity" bedeutet, dieser Wechsel passiert nie

Überprüfen der Multicast-Routingtabelle

router# show ip mroute [group-adress] [summary] [count] [active kbps]

Der show ip mroute-Befehl ist das brauchbarste Kommando, um den Status von Multicastquellen und ~gruppen zu bestimmen, aus der Sicht des Routers, auf dem der efehl ausgeführt wir

Der Output dieses Befehls repräsentiert einen Teil des Multicast-Verteilerbaums, mit einem eingehenden und einer Liste von ausgehenden Interfaces. Die Optionen sind folgende:

  • Summary: zeigt eine online, gekürzte Übersicht über jeden Eintrag in der IP-Multicast-Routingtabelle
  • Count: liefert eine Statistik über Gruppen und Quellen, inklusive Paketanzahl, Pakete pro Sekunde, durchschnittliche Paketgröße und Bita pro Sekunde
  • Active: zeigt, welche Quellen an welche Gruppen senden. Aktive Gruppen sind jene, die mit einer Rate oder mehr senden, die im kbps-Argument angegeben sind. Für dieses Argument liegt der Defaltwert bei 4 kbps

Finden von PIM-Nachbarn

router# show ip pim interface [type number] [count] zeigt Informationen über die für PIM konfigurierten Interfaces

router# show ip pim neighbor [typ number] listet die PIM-Nachbarn auf, die vom Cisco-IOS gefunden wurden

router# mrinfo [hostname | address] zeigt Informationen über Multicastrouter, die mit dem lokalen Router peeren

router# show ip pim interface

Dieser Befehl liefert folgende Informationen

  • Address: IP-Adresse des Inerfaces
  • Interface: Typ und Numemr des PIM-Interfaces
  • Ver/Mode: konfigurierte PIM-Version (1/2) und der Modus (dense mode, sparse mode oder sparse-dense-mode)
  • Nbr Count: Anzahl der Nachbarn an diesem Link
  • Query Intvl: Frequenz, mit der PIM-Hellos und PIM-Queries gesendet werden (default ist 30 Sekunden)
  • DR Prior: Priorität, sie wird für die Wahl des DR (designated router) verwendet. Wenn zwei Router an einem Link die selbe IP haben, gewinnt der mit der höheren IP
  • DR: IP des DR. Bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen gibt es keinen DR, dies wird mit 0.0.0.0 dargestellt


router# show ip pim neighbor

Dieser Befekl zeigt Informationen über:

  • Neighbor Address: IP-Adresse des PIM-Nachbarn
  • Interface: das Interface, über das das PIM-Hello von dem Nachbarn empfangen wurde
  • Uptime: Zeit, die der PIM-NAchbar aktiv ist
  • Expires: Nach Ablauf dieser Zeit gilt der Nachbar nicht mehr aktiv. Ein neues PIM-Hello oder eine PIM-Query setzt den Counter wieder zurück
  • Ver: PIM-Version des Nachbars, (1/2)
  • DR Priority: wenn der Nachbar diese unterstützt wird die Priorität hier angezeigt. Wenn er es nicht unterstützt erscheint ein "none"


Überprüfen von RP-Informationen

router(config)# sh ip pim rp [group-name | group-address | mapping]

zeigt aktive RPs, die in den assiziierten Multicast-Routingeinträgen

mapping zeigt alle group-to-RP-Mappings des Routers
router(config)# sh ip rpf {address | name)

zeigt Informationen über Reverse Path Forwarding (RPF) für einen RP

router# show ip pim rp

Der Output des show ip pim rp Befehls listet alle altiven Gruppen und deren zugehörigen PPs auf. Dieser Befehl ist veraltet, denn er bietet nur eingeschränkte Informationen

Stattdessen wird meist der Befehl show ip pim rp mapping verwendet, er liefert einige Details über den aktuellen Inhalt der Gruppen-zu-RP-Mappings im Cache, wie folgendes:

  • IP-Adressen eines Routers, der die Informationen verteilt oder lokal - wenn die Quelle der Informationen ein lokaler Router ist, der entweder eine manuelle RP-Konfiguration besitzt, oder eine Quelle einer automatisch verteilten Information ist.
  • Mechanismus, mit dem die Informationen ermittelt werde - auto-RP, BSR oder statisch
  • ob der Router ein Kanditat für RP, Mapping-Agent oder BSR ist


show ip rpf [IP]

Der Output dieses Befehls liefert RPF-Informationen in Verbindung mit den Quelladressen. Die spezifizierten Adressen müssen nicht zwangsläufig eine aktive Quelle sein. Es kann eine IP angegeben werden, auch die Adresse eines RPs. Das spezifizieren der IP des RPs ist sehr nützlich um die RPF-Informationen fpr den Shared Tree zu bestimmen.

"RPF interface" ist das Interface in Richtung Source (oder RP), während "RPF neighbor" die Adresse des next-hop-Routers in diese Richtung ist

"RPF-Type" weist auf die Quelle der Information. So weist zb. "unicast" darauf hin, dass die Information mittels einer Unicast-Routingtabelle zugestellt wurde, zb mit OSPF. Andere RPF-Typen inkludieren Distance Vector Multicast Routing Protokolle (DVMRP), Multiprotokcol Border Gateway Protocol (BGP)-Erweiterungen für IP oder staisch

RPF-Informationen sind unverzichtbar für Multicastrouting,

Überprüfen von IGMP-Gruppen und IGMP-Snooping

Überprüfen des Group-State

router# show ip igmp interface [type number]

zeigt die Multicast-Informationen zum zugehörigen Interface


router# show ip igmp groups [group-address  type number]

zeigt die Multicastgruppen, die direkt am Router angeschlossen sind und vie IGMP gelernt wurden

Konfigurieren eines Routers, um ein Member einer Gruppe oder ein Static Connected Member zu sein

Manchmal ist entweder kein Gruppenmitglied in einem Netzwerksegment oder ein Host kann seine Gruppenmitgliedschaft mittels IGMP reporten. Trotzdem soll Multicasttraffic in dieses Segment gelangen. Diese Befehle werden oft in Lab-Umgebungen verwendet, in denen kein Multicast-Server konfiguriert ist. Das folgende sind zwei Arten, Multicasttraffic in ein Netzwerksegment zu bringen:

  • ip igmp join-group [group-address]
  • ip igmp static group [goup-address]
sh ip igmp interface

Dieser Befehl zeigt die Multicastgruppen, die direkt an den Router angeschlossen sind und via IGMP gelernt wurden. Mit diesem Befehl erhält man folgende Informationen:

  • Interfacekonfiguration für Milticast und IGMP
  • Version, für welche das IGMP-Interface konfiguriert wurde
  • IGMPv2-Querier des Multiaccessnetzwerk
  • Multicast Designated Router (DR)
  • beigetretenen Multicastgruppen des jeweiligen Routers

Überprüfen von IGMP Snooping

switch> show multicast gruop [igmp] [mac-addr] [vlan_id]
  • zeigt Informationen über Multicastgruppen
  • wenn das Schlüsselwort igmp benutzt wird, werden nur IGMP-gelernte Informationen gezeigt
switch> show multicast router [igmo] [mod_num/port_num] [vlan_id]
  • zeigt Informationen über dynamisch gelernte und manuell konfigurierte Routerports
  • wenn das Schlüsselwort igmp benutzt wird, werden nur IGMP-gelernte Informationen gezeigt
switch> show igmp statistics 10

Dieser Befehl liefert Informationen über das Vlan 10. Es wird die Anzahl der Gruppenspezifischen Queries und der generellen Queries gezeigt, weiters die Anzahl der Hostmitgliedschaften und der Group-Leavingmessages

Der Output ist geteilt zwischen gesendet und empfangen

show multicast router igmp

zeigt Informationen über das IGMP Routerport und die VLAN-Konfiguration auf einem Switch

show multicast group igmp

dieses Kommando listet Informationen über VLAN, Multicastgruppen und Ports, die Multicastgruppen auf einem Switch beigetreten sind auf

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