Многоадресная рассылка

В современных IP-сетях существует три способа отправки пакетов от источника к приемнику:

При одноадресной передаче поток данных передается от узла-отправителя на индивидуальный IP-адрес конкретного узла-получателя. Широковещательная передача предусматривает доставку потока данных от узла-отправителя множеству узлов-получателей, подключенных к сети, с использованием широковещательного IP-адреса.

Многоадресная рассылка обеспечивает доставку потока данных группе узлов на IP-адрес группы многоадресной рассылки. У этой группы нет физических или географических ограничений: узлы могут находиться в любой точке мира. Узлы, которые заинтересованы в получении данных для определенной группы, должны присоединиться к этой группе (подписаться на рассылку) при помощи протокола IGMP (Internet Group Management Protocol, межсетевой протокол управления группами). После этого пакеты многоадресной рассылки IP, содержащие в поле назначения заголовка групповой адрес, будут поступать на этот узел и обрабатываться.

Многоадресная рассылка имеет ряд преимуществ при работе таких приложений, как видеоконференции, корпоративная связь, дистанционное обучение, видео- и аудиотрансляции и т.д., т.к. позволяет значительно повысить эффективность использования полосы пропускания и распределения информации среди больших групп получателей. Во-первых, отправитель может один раз передать единственную копию пакета данных всем членам группы, а не рассылать множество его копий. Во-вторых, благодаря передаче только одной копии пакета снижается перегрузка канала связи.

Особенностью многоадресной рассылки является то, что она использует в качестве протокола транспортного уровня протокол UDP, который не гарантирует успешную доставку пакетов в отличие от протокола TCP.

Адресация многоадресной IP-рассылки

Источник многоадресного трафика направляет пакеты многоадресной рассылки не на индивидуальные IP-адреса каждого из узлов-получателей, а на групповой IP-адрес. Групповые адреса определяют произвольную группу IP-узлов, присоединившихся к этой группе и желающих получать адресованный ей трафик.

Агентство IANA (Internet Assigned Numbers Authority, "Агентство по выделению имен и уникальных параметров протоколов Интернета"), которое управляет назначением групповых адресов, выделило для многоадресной рассылки адреса IPv4 класса D в диапазоне от

Использование групповых IP-адресов из блока с административным ограничением наиболее удобно при организации многоадресной рассылки в локальной сети предприятия или организации. В соответствии с RFC 2365 "Administratively Scoped IP Multicast" подсеть 239.192.0.0/14 выделена для частного использования и определена как локальная область организации IPv4.

Формат IP-адреса класса D показан в табл. 18.2. Первые 4 бита адреса всегда равны 1110, остальные 28 бит используются для идентификации конкретной группы получателей многоадресного трафика.

МАС-адреса групповой рассылки

Рабочие станции локальной сети получают и обрабатывают кадры только в случае совпадения МАС-адреса назначения кадра с их собственным МАС-адресом или если МАС-адрес - широковещательный. При использовании многоадресной рассылки необходимо, чтобы несколько узлов могли получать поток данных с общим МАС-адресом. Одним из способов, позволяющих достичь этого, является преобразование группового IP-адреса в МАС-адрес.

В спецификации IEEE 802.3 определена возможность указания типа МАС-адреса назначения: индивидуальный или групповой (широковещательный или многоадресный). Для этого используется первый бит поля адреса назначения (Destination Address) кадра Ethernet. Если значение бита равно 1, это указывает на то, что кадр предназначен для группы или для всех узлов сети (широковещательный адрес имеет вид 0xFF-FF-FF-FF-FF-FF).

МАС-адрес групповой рассылки начинается с префикса, состоящего из 18 битов — 0х01-00-5Е. Следующий, 25-й бит (или бит высокого порядка) приравнивается к 0. Последние 23 бита МАС-адреса формируются из 23 младших битов группового IP-адреса. Это проиллюстрировано на рис. 18.1 .

Поскольку при преобразовании теряются 5 битов 1-го октета IP-адреса, получившийся адрес не является уникальным. Каждому МАС-адресу соответствует 32 IP-адреса групповой рассылки. Это необходимо учитывать при назначении IP-адресов многоадресной рассылки.

В протоколе IPv6 при использовании многоадресной передачи данных также необходимо, чтобы несколько узлов могли получать поток данных с общим MAC-адресом. MAC-адрес групповой передачи протокола IPv6 начинается с префикса, состоящего из 16 бит – 0х33-33. Следующие 32 бита формируются из последних 32 бит идентификатора многоадресной группы (Group ID). Например:

FF02::2 =33-33-00-00-00-02;
FF02::1:FF5C:B300= 33-33-FF-5C-B3-00

Подписка и обслуживание групп

Протокол IGMP используется для динамической регистрации отдельных узлов в многоадресной группе локальной сети. Узлы сети определяют принадлежность к группе, посылая IGMP-сообщения на свой локальный многоадресный маршрутизатор. По протоколу IGMP маршрутизаторы (коммутаторы L3) получают IGMP-сообщения и периодически посылают запросы, чтобы определить, какие группы активны или не активны в данной сети.

В общем случае протокол IGMP определяет следующие типы сообщений:

В настоящее время существуют три версии протокола IGMP:

Протокол IGMP используется только в сетях с адресацией IPv4, так как в сетях с адресацией IPv6 групповая передача пакетов реализована по-другому.

Управление многоадресной рассылкой на 2-м уровне модели OSI (IGMP Snooping)

Когда коммутатор 2-го уровня получает многоадресный трафик, он начинает передавать кадры через все порты, т.к. не находит записи о МАС-адресе в своей таблице коммутации. Это противоречит основному назначению коммутатора, которое заключается в ограничении трафика и передаче его только тем портам, к которым подключены получатели.

Управление многоадресной рассылкой на коммутаторе 2-го уровня может быть выполнено двумя способами.

Первый способ заключается в создании статических таблиц коммутации для портов, к которым не подключены подписчики многоадресных групп. Это позволяет ограничить многоадресный трафик и передавать его только через те порты, к которым подключены узлы-подписчики. Однако этот способ не позволяет динамически отслеживать добавление или исключение членов из многоадресной группы.

Вторым способом, позволяющим решить проблему лавинной передачи (flooding) многоадресных пакетов и динамически отслеживать состояние подписки узлов, является функция IGMP Snooping (IGMP-прослушивание).

IGMP Snooping - это функция второго уровня модели OSI, которая позволяет коммутаторам изучать членов многоадресных групп, подключенных к его портам, прослушивая IGMP-сообщения (запросы и ответы), передаваемые между узлами-подписчиками и маршрутизаторами (коммутаторами уровня 3) сети.

Когда узел, подключенный к коммутатору, хочет вступить в многоадресную группу или отвечает на IGMP-запрос, полученный от маршрутизатора (коммутатора уровня 3) многоадресной рассылки, он отправляет IGMP-ответ, в котором указан адрес многоадресной группы. Коммутатор просматривает информацию в IGMP-ответе и создает в своей ассоциативной таблице коммутации IGMP Snooping запись для этой группы (если она не существует). Эта запись связывает порт, к которому подключен узел-подписчик, порт, к которому подключен маршрутизатор (коммутатор уровня 3) многоадресной рассылки, и МАС-адрес многоадресной группы.

Если коммутатор получает IGMP-ответ для этой же группы от другого узла данной VLAN, то он добавляет номер порта в уже существующую запись ассоциативной таблицы коммутации IGMP Snooping.

Формируя таблицу коммутации многоадресной рассылки, коммутатор осуществляет передачу многоадресного трафика только тем узлам, которые в нем заинтересованы.

Рассмотрим пример работы функции IGMP Snooping для сети, показанной на рис. 18.4 .

Коммутатор L3 отправляет IGMP-запрос о принадлежности к группе коммутатору L2, который рассылает его через все порты, за исключением порта-получателя. ПК 1 хочет вступить в многоадресную группу 239.192.1.10 и отправляет IGMP-ответ на адрес группы, указывая в качестве многоадресного МАС-адреса назначения 0х01-00-5E-40-01-0A. Процессор коммутатора L2 анализирует IGMP-ответ и создает в ассоциативной таблице коммутации IGMP Snooping (в первоначальный момент времени она пуста) запись для МАС-адреса 0х01-00-5Е-40-01-0A, эквивалентного групповому адресу 239.192.1.10. Также в эту запись заносится информация о портах, к которым подключены ПК 1 и коммутатор L3.

ПК 2 хочет вступить в многоадресную группу 239.192.1.10 и отправляет IGMP-ответ на адрес группы, не дожидаясь получения очередного IGMP-запроса. Коммутатор L2 анализирует IGMP-ответ и добавляет порт 10, к которому подключен ПК 2, в уже существующую запись для МАС-адреса 0х01-00-5E-40-01-0A.

В результате порты 1, 10 и 25 ассоциированы с многоадресным МАС-адресом 0х01-00-5E-40-01-0A.

Когда коммутатор получает IGMP-сообщение о выходе узла из группы, он удаляет номер порта, к которому подключен этот узел, из соответствующей записи таблицы коммутации IGMP Snooping.

Функция IGMP Snooping сильно загружает центральный процессор и может снизить производительность коммутатора. Поэтому в коммутаторах обычно используются специализированные микросхемы ASIC, которые проверяют IGMP-сообщения на аппаратном уровне.