Протоколы PIM и IGMP

Чтобы доставить мультикаст от источника до получателя существует много протоколов — IGMP, PIM, MSDP, MBGP, MOSPF, DVMRP. В настоящее время из выше перечисленных протоколов используются в основном: PIM и IGMP.

Рисунок 6.8

PIM (Protocol Independent Multicast) строит путь движения мультикастового трафика от источника до получателей через маршрутизаторы. PIM обеспечивает построение графа сети, связывающего все хосты в определенной группе, причем между двумя хостами существует только один путь. Такой граф называют покрывающим деревом. Протокол PIM осуществляет постоянный мониторинг покрывающего дерева, и время от времени отсекает те ветви дерева, которые из-за изменения состояния сети уже не ведут к членам той или иной группы.

Протокол IGMP(Internet Group Management Protocol) – gротокол группового управления в Интернете, был разработан в 1989 году. IGMP—это сетевой протокол взаимодействия клиентов мультикастового трафика и ближайшего к ним маршрутизатора. С помощью этого протокола маршрутизатор узнаёт о наличии получателей мультикастового трафика и об их отключении. Роль IGMP очень проста: если клиентов нет, то передавать мультикастовый трафик в сегмент не надо. Если появился клиент, он уведомляет маршрутизатор с помощью IGMP о том, что хочет получать трафик.

Источник программ IPTV не нуждается в протоколе IGMP. Любой компьютер, подключенный к Интернету, может стать источником группового вещания, при этом ему не требуется никакого дополнительного программного обеспечения, кроме того, которое включено в состав обычной реализации стека TCP/IP.

Чтобы стать получателем групповых данных, узел должен «выразить» свою заинтересованность маршрутизатору, к которому непосредственно подсоединена его сеть. Для этого хост должен установить взаимодействие с маршрутизатором по протоколу IGMP.

При вещании ТВ программ в режиме multicast видеосервер рассылает только один видеопоток (для каждой из ТВ-программ), независимо от числа абонентов.

На участке соединения видеосервер — шлюз доступа (Ethernet-коммутатор, DSLAM) происходит трансляция всех ТВ-программ (рисунок 6.6). На участке соединения коммутатор — STB транслируется только та программа, которую выбрал абонент для просмотра. Это происходит посредством протокола IGMP.

Рисунок 6.6

В IGMP определено три типа сообщений:

1) Запрос о членстве. С помощью этого сообщения маршрутизатор пытается узнать, в каких группах состоят хосты в локальной сети, присоединенной к какому-либо его интерфейсу. Запрос о членстве существует в двух вариантах: в одном из них маршрутизатор делает общий запрос обо всех группах «IGMP General Query»(общий запрос), в другом его интересует информация только о некоторой конкретной группе, адрес которой указывается в запросе«IGMP Group Sepcific Query».

2) Отчет о членстве (IGMP Report). Этим сообщением хосты отвечают маршрутизатору, который послал в сеть запрос о членстве. В сообщении содержится информация об IP-адресе группы, в которой они состоят. Маршрутизатор, являясь членом всех групп, получает сообщения, направленные на любой групповой адрес. Для маршрутизатора, получающего ответные сообщения, важен только факт наличия членов той или иной группы, а не принадлежность конкретных хостов конкретным группам. Отчет о членстве хост может послать не только в ответ на запрос маршрутизатора, но и по собственной инициативе, когда он пытается присоединиться к определенной группе. После такого сообщения хост может рассчитывать на то, что трафик для этой группы действительно будет доставляться в сеть, к которой этот хост принадлежит.

3) Покинуть группу (IGMP Leave). Это сообщение хост может использовать, чтобы сигнализировать «своему» маршрутизатору о желании покинуть некоторую группу, в которой он до этого состоял. Получив это сообщение, маршрутизатор посылает специфический запрос о членстве членам только этой конкретной группы «IGMP Group Sepcific Query», и если не получает на него ответ (то есть это был последний хост в группе), то перестает передавать трафик группового вещания для этой группы.

Сообщения с запросами о членстве посылаются маршрутизатором регулярно с некоторой частотой. На каждом из интерфейсов с установленными средствами IGMP маршрутизаторами поддерживаются кэш-таблицы групп. Кэш-таблица содержит список всех групп, в составе которых есть хотя бы один член. Для каждой строки таблицы установлен таймаут. Маршрутизатор регулярно посылает запросы «IGMP General Query» (по умолчанию — каждые 60 секунд), чтобы проверить, что в каждой группе еще имеются члены. Если для некоторой группы ответ не поступает в течение установленного для нее тайм-аута, то соответствующая строка удаляется из кэш-таблицы, и маршрутизатор считает, что членов этой группы в сети больше нет.

Локальная сеть может иметь несколько хостов, заинтересованных в получении трафика одной и той же группы, но маршрутизатору достаточно подтверждения только от одного хоста для того, чтобы продолжить передавать трафик в сеть для этой группы. Основываясь на информации, полученной с помощью IGMP, маршрутизаторы могут определять, в какие подключенные к ним сети необходимо передавать групповой трафик.

Чтобы хост смог получать трафик группового вещания, недостаточно установить на нем протокол IGMP, с помощью которого хост может отправить сообщение своему маршрутизатору о желании присоединиться к группе. Помимо этого, надо сконфигурировать сетевой интерфейс хоста так, чтобы он стал захватывать из локальной сети кадры, несущие в себе пакеты группового вещания для той группы, к которой присоединился хост.

Чтобы стало понятнее, как работает IPTV, рассмотрим небольшой пример (рисунок 6.9). Для работы IPTV необходим роутер, поддерживающий multicast (далее MR). Он будет отслеживать членство того или иного клиента в определенной группе, т.е. постоянно следить, какому клиенту какой отправлять TV-канал. В сети есть сервер (Мulticast источник), подключённый к роутеру MR. Этот сервер вещает TV-каналы, например:

Предположим, что клиент включает канал News, тем самым, сам не подозревая, он отправляет запрос на MR для подключения к группе 224.12.0.1. С точки зрения протокола IGMP это сообщение«IGMP Report224.12.0.1”. После получения Multicast Router'ом данного сообщения, MR регистрирует его, и Ethernet коммутатор (SW) приступает к копированию широковещательных пакетов, предназначенных для данной группы, в порт, к которому подключен клиент. Клиент начинает получать трафик.

Рисунок 6.9 – Принцип работы IGMP

Если клиент переключается на другой канал, то он сначала отправляет уведомление MR, что он отключает канал News, т.е. покидает эту группу. Для IGMP это сообщение “LEAVE 224.12.0.1” (ВЫЙТИ из группы 224.12.0.1). А затем опять шлёт сообщение «IGMP Report» для нужного канала.

Маршрутизатор MR получив сообщение “LEAVE” для какой-либо группы, должен убедиться, что больше никаких других получателей этого канала нет, посылает сообщение «IGMP Group Specific Query» дважды. И если ни один STB не откликнется, то MR перестаёт передавать трафик этой группы.

Кроме того, MR периодически (каждые 60 секунд) опрашивает всех: «к какой группе кто подключен?», для выяснения состава групп в текущей момент времени, чтобы отключать тех клиентов, с которыми оборвалась связь. При этом MR использует запрос «IGMP General Query» (Общий запрос). Если на 3 подряд «Query» не было с интерфейсов MR ответа «IGMP Report» для какой-то группы, MR удаляет этот канал из своей таблицы мультикастовой маршрутизации — перестаёт посылать трафик этого канала до тех пор, пока к этой группе не подключится, хотя бы один клиент.

После присоединения к необходимой группе, клиентское оборудование начинает принимать поток данных по протоколу UDP на порт 1234.

Таким образом, переключение каналов с дистанционного пульта-«ленивчика», столь привычное и простое для пользователей традиционного те­левидения, представляет сложность для сети IPTV. Всякий раз, когда пользо­ватель IPTV переключает канал, в сети начинает кипеть работа:

1) Во-первых, пользователя следует отключить от группы Multicast.

2) Во-вторых, подключить его к новой группе Multicast.

3) В-третьих, если канал вещания вообще отсутствует в данный момент, так как его никто не смотрит, значит, нужно инициировать вещание и создать новую группу Multicast.

Итак, повторим ещё раз:

IGMP Report — посылается клиентом при подключении, если клиент хочет получать трафик конкретной группы или в ответ на запрос маршрутизатора о членствеIGMP Query.

IGMP General Query — посылается маршрутизатором периодически, чтобы проверить, какие группы сейчас нужны.

IGMP Group Sepcific Query — посылается маршрутизатором в ответ на сообщение Leave, чтобы узнать есть ли другие получатели в этой группе. В качестве адреса получателя указывается адрес мультикастовой группы.

IGMP Leave — посылается клиентом, когда тот хочет покинуть группу.