O que Existe por Trás da Tecnologia do MBONE?

Reinaldo Penno Filho <reinaldo@ci.rnp.br>

Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP)

Introdução
Grupos Multicast
Protocolo de Associação de Grupo
Protocolos de Roteamento Multicast
Suporte Multicast para Aplicacoes Internet Emergentes
O Internet Multicast Backbone (MBONE)
Endereçamento Multicast
Endereços Classe D
Transmissão e Entrega de Datagramas Multicast
Conclusão
Bilbiografia

Este é o primeiro de uma serie de artigos divididos em partes que pretende cobrir a tecnologia multicast. O primeiro descreverá os benéficos de multicasting, o Multicast Backbone (MBONE) e endereçamento classe D. No segundo artigo, serão explorados a operação das diferentes versões do Internet Group Management Protocol (IGPM) e do Real Time Protocol (RTP). Já no terceiro veremos os algoritmos que podem ser empregados por protocolos de roteamento multicast. No quarto, será visto como os algoritmos anteriores são implementados nos protocolos de roteamento disponíveis hoje. E, finalmente, em um ultimo artigo, depois que a engrenagem da tecnologia estiver entendida de acordo com os artigos anteriores, será descrita a experiência do autor na configuração e manutenção do túnel CIRJ <> NCE/UFRJ, atualmente em funcionamento, como exemplo de aplicações da tecnologia MBONE na pesquisa e educação. Será, ainda, dada situação doMBONE nacional.

Introdução

Existem três tipos fundamentais de endereços IPv4: unicast, broadcast e multicast. Um endereço unicast é usado para transmitir um pacote para um único destino. Um endereço broadcast, por sua vez, é usado para enviar um datagrama para uma rede inteira. Já o endereço multicast é feito para permitir a entrega de datagramas para um grupo de hosts que foram configurados como membros de um grupo multicast e, possivelmente, encontram-se em subredes geograficamente dispersas.

Multicast não é orientado a conexão. Um datagrama multicast é entregue aos membros do grupo destino com o mesmo "best effort" (melhor esforço) que datagramas IP unicast empregam. Isso significa que não existe garantia que um datagrama multicast será entregue a todos os membros do grupo, ou chegará na mesma ordem relativa a outros datagramas.

A única diferença entre um pacote IP unicast e um pacote IP multicast é a presença de um endereço de grupo no campo de endereço de destino no cabeçalho IP. Ao inves de um endereço classe A, B ou C, multicasting emprega um endereçamento classe D, com formato (224.0.0.0 239.255.255.255).

Grupos Multicast

Hosts individuais podem se associar ou deixar um grupo multicast em qualquer momento. Não existem restrições sobre localização física ou o numero de membros em um grupo multicast. Em qualquer momento, um host pode ser membro de um ou mais grupos multicast e não precisa pertencer a um grupo para mandar mensagens para membros deste.

Grupos podem ser permanentes ou transientes. Um grupo permanente tem um endereço IP administrativamente definido. É o endereço, e não o grupo em si que é permanente; em qualquer momento um grupo permanente pode ter qualquer numero de membros, ate zero. Aqueles endereços IP multicast que não são reservados para grupos permanentes estão disponíveis dinamicamente para grupos transisentes que existem somente enquanto existirem membros.

Protocolo de Associação de Grupo

Um "group membership protocol" (protocolo de associação de grupo) é empregado pelos roteadores para aprender sobre a presença de membros do grupo nas suas subredes diretamente conectadas. Quando um host se associa a um grupo multicast, ele transmite uma mensagem usando o "group membership protocol" para os grupos que deseja receber e configura seu processo IP e a interface de rede para receber quadros endereçados ao grupo multicast. Este processo de inicialização pelo host candidato tem propriedades excelentes de escalonamento sabendo que, na medida que o grupo multicast cresce em tamanho, é mais provável que um novo membro do grupo se associe a um ramo proximo da arvore de distribuição multicast.

Protocolos de Roteamento Multicast

Roteadores multicast executam um protocolo de roteamento para definir caminhos de entrega que permitam o direcionamento de datagramas multicast atraves de varias subredes. O Distance Vector Multicast Routing

Protocol (DVMRP) é um protocolo vetor distancia e o Multicast OSPF (MOSPF) é uma extensão do protocolo de estado de enlace OSPF.

Suporte Multicast para Aplicacoes Internet Emergentes

Hoje em dia, a maioria das aplicações Internet baseiam-se em transmissões ponto-a-ponto. A utilização de transmissões pontomultiponto foi tradicionalmente limitada a aplicações em rede local. Durante os últimos anos, a Internet observou um aumento no numero de novas aplicações que se baseiam em transmissões multicast. Multicast IP conserva largura de banda, forçando a rede a replicar pacotes somente quando necessário e oferece uma alternativa atraente a transmissão unicast para o envio de cotações do mercado financeiro em tempo real, multi videoconferência e aplicações compartilhadas como "whiteboard". É importante notar que as aplicações para IP multicast não estão limitadas `a Internet. IP Multicast tambem pode desempenhar um papel importante em grandes redes comerciais distribuídas.

O Internet Multicast Backbone (MBONE)

O Internet Multicast Backbone (MBONE) é um grupo de subredes e roteadores interconectados que suportam o envio de trafego IP multicast. A meta do MBONE é construir uma base de testes semi-permanente que permita o desenvolvimento e teste de aplicações multicast, sem a necessidade de esperar pelo uso disseminado de roteadores multicast na Internet, uma vez que esta função ainda não foi totalmente integrada em vários roteadores do mercado.

O MBONE é uma rede virtual que foi estratificada sobre as outras camadas da Internet. É composta de ilhas (paradisíacas?) com capacidade deroteamento multicast conectadas a outras ilhas atraves de enlaces virtuais ponto-a-ponto chamados "túneis". Os túneis permitem que o trafego multicast passe através de partes da Internet sem a capacidade multicast. Pacotes IP multicast são encapsulados com IPsobreIP (o numero do protocolo no cabeçalho IP e 4), de modo que parecem pacotes unicast normais para os roteadores intermediários. O ponto final dos túneis são geralmente estações de trabalho com um sistema operacional de suporte IP multicast que executam o programa de roteamento multicast "mrouted". O encapsulamento é feito na entrada de um túnel e retirado na saída. Esse grupo de roteadores e estações multicast, suas subredes interconectadas e os túneis de interconexao formam o MBONE.

| Ilha A | _______________ | Ilha D |

/ \

tunel > / \

/ \< tunel

/ \

| Ilha B |

| Ilha C |

Sabendo que o MBONE e a Internet tem topologias definidas, roteadores multicast executam um protocolo de roteamento separado para decidir como direcionar pacotes multicast. A maioria dos roteadores MBONE hoje em dia usam o Distance Vector Multicast Routing Protocol (DVMRP), embora algumas ilhas do MBONE executem o Multicast OSPF (MOSPF) ou o Protocol Independent Multicast (PIM). A operação de cada um desses protocolos será discutida em um próximo artigo.

Endereçamento Multicast

Um endereço multicast é designado a um grupo de hosts, definindo um grupo. Estações de origem usam os endereços multicast como endereço de destino IP de um pacote que deve ser transmitido para todos os membros do grupo.

Endereços Classe D

Um grupo IP multicast é identificado por um endereço classe D. Endereços classe D tem seus quatro bits de maior ordem igual a "1110", seguido por um identificador de grupo de 28 bits. Expressádo na notação decimal padrão, estes endereços variam de 224.0.0.0 até 239.255.255.255.

0 1 2 3 31

|1|1|1|0| Identificador do grupo multicast |

| 28 bits |

A Internet Assigned Numbers Authority (IANA) mantém uma lista de grupos multicast registrados. O endereço base 224.0.0.0 é reservado e não pode ser utilizado para grupo algum. O bloco de endereços multicast de 224.0.0.1 até 224.0.0.255 encontra-se reservado para o uso de protocolos de roteamento e outros protocolos de baixo nível que realizam tarefas de manutenção e descoberta de topologias. Roteadores multicast não devem repassár um datagrama com um endereço nesta faixa independente do seu TTL.

Os grupos restantes de 224.0.1.0 `a 239.255.255.255 são designados para varias aplicações multicast ou permanecem disponíveis. Desta faixa, de 239.0.0.0 até 239.255.255.255 encontram-se reservados para aplicações de caráter local, aplicações não disseminadas pela Internet. Alguns dos grupos conhecidos incluem: "todos os sistemas nesta subrede"(224.0.0.1), "todos os roteadores nesta subrede"(224.0.0.2), "todos roteadores DVMRP"(224.0.0.4), "todos roteadores OSPF"(224.0.1.12), "AUDIONEWS"(224.0.1.7) e "MUSIC SERVICE"(224.0.1.16).

Convertendo um Endereço Classe D para um Endereço Ethernet

A IANA tem reservada uma parte do espaço de endereçamento multicast da camada de acesso ao meio (MAC) do padrão IEEE 802. Todos os endereços no bloco reservado para a IANA começam com 01005E (hex). Um procedimento simples foi desenvolvido para converter endereços classe D para esse bloco de endereços reservados. Isto permite que IP multicasting tire vantagem do suporte multicast a nível de hardware implementado pelas interfaces de rede.

Por exemplo, a conversão entre um endereço IP classe D e um multicast Ethernet é obtida colocando os 23 bits de menor ordem do endereço classe D nos 23 bits de menor ordem do bloco de endereçamento reservado para a IANA.

Vemos abaixo um exemplo de conversão do endereço de grupo multicast 224.10.8.5 (E00A0805) para o endereço Ethernet multicast correspondente.

Endereço classe D: 224.10.8.5

E 0 0 A 0 8 0 5

|11100000|00001010|00001000|00000101|

| |^

| não | /|\

| usado ||

| | 23 bits de ordem mais baixa

| ||

Endereço Multicast Ethernet: \|/

|00000001|00000000|01011110|00001010|00001000|00000101|

0 1 0 0 5 E 0 A 0 8 0 5

A conversão na figura acima coloca os 23 bits de ordem mais baixa do endereço de grupo IP multicast nos 23 bits de ordem mais baixa do endereço Ethernet. É importante notar que esse mapeamento pode colocar colocar até 32 IP de grupos no mesmo endereço Ethernet porque os cinco bits seguintes do endereço de grupo multicast IP são ignorados. Por exemplo, o endereço multicast 224.138.8.5 (E08A0805) e 225.10.8.5 (E10A0805) seriam mapeados para o mesmo endereço Ethernet (01005E0A0805) usados neste exemplo.

Transmissão e Entrega de Datagramas Multicast

Quando a origem e o destino fazem parte da mesma LAN, a transmissão e recepção de quadros multicast é um processo relativamente simples. A estação de destino simplesmente endereça o pacote IP para o grupo multicast, a interface de rede faz o mapeamento do endereço classe D para o endereço multicast IEEE802 correspondente e o quadro e enviado. Destinatarios que desejam capturar o quadro notificam sua camada IP que querem receber datagramas endereçados aquele grupo.

O processo se torna muito mais complicado quando a origem e o destino estao em subredes diferentes. Nesse caso, e necessário que os roteadores implementem um protocolo de roteamento multicast que permita a construção de arvores de entrega multicast e suportem o direcionamento de pacotes multicast. Alem disso, cada roteador precisa implementar um "group membership protocol" que permita a descoberta da existencia de membros do grupo nas subredes diretamente conectadas.

Conclusão

Nesse primeiro artigo estabelecemos os conceitos fundamentais datecnologia, introduzimos o termo multicast, a formação e associação de grupos, a definição e estrutura do Multicast Backbone (MBONE) e por fim o endereçamento classe D usado pelos hosts do MBONE.

Sabendo que o tema é amplo e o tamanho dos artigos é diretamente proporcional ao sono dos leitores foi necessário a distribuição do assunto em cinco artigos. Na próxima seção, temos um resumo do que será tratado no próximo artigo a ser publicado.

Bilbiografia

[RFC1112] S. Deering "Host extensions for IP multicasting", 08/01/1989.

[Comer, Douglas E] Internetworking with TCP/IP: Volume 1 Principles,Protocols and Architecture, Third Edition. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1995.

[Huitema, Christian] Routing in the Internet. Englewood Cliffs, NJ:Prentice Hall, 1995.

[Stevens, W. Richard] TCP/IP Illustrated: Volume 1 The protocols. Reading,MA: Addison Wesley, 1994