MBONE – Multicast Backbone

Presentado por

Jorge Oblitas Tejada

¿Qué es MBONE?

Multicast Backbone, es una red virtual superpuesta en la parte superior de la Internet.

Esta red se ha empleado mayoritariamente para el estudio de herramientas de audio/vídeo conferencias multipunto, aunque en principio puede ser empleada para el intercambio de cualquier tipo de información multimedia.

Su principal ventaja, o debiéramos decir característica, es la de proporcionar el intercambio de información de uno a muchos, pero sin los inconvenientes de tener que duplicar dicha información para cada uno de los receptores y en función del número de ellos.

Transmisión Multicast

MBone—un poco de historia

MBone (Multicast Backbone On Internet) existe desde 1992 como una red virtual para la experimentación del uso del IP Multicast en Internet.

En 1992, algunos compañeros brillantes en la Internet Engineering Task Force (IETF) decidieron que nadie haría en hardware, lo que podían hacer en el software.

Originado a partir de un esfuerzo por hacer multidifusión de vídeo y audio en formato digital a través de Internet.

Muchas conferencias científicas, eventos científicos, conciertos, fueron difundidos sobre MBone desde entonces.

En 1997, los primeros proveedores de Internet comenzaron el despliegue de los servicios comerciales que utilizan la multidifusión en Internet.

¿Qué es IP Multicast y como se maneja ?

Se da cuando un ordenador envía un datagrama IP multicast, y este sólo lo recibe un grupo determinado de equipos, mientras que el resto sencillamente lo ignoran.

Es necesario que el ordenador permita, a las aplicaciones que hacen uso del multicast, configurar el dispositivo de red para recibir, no sólo los datagramas que van destinados a su dirección IP, sino también aquellos que van destinados a una determinada dirección multicast.

Se debe poder indicar al dispositivo de red, que deje de recibir los datagramas de una determina dirección multicast.

Estas acciones de unirse (join) o abandonar (leave) una determinada dirección multicast, también son significativas para los dispositivos que encaminan los datagramas multicast entre varias subredes (mrouters) y son realizadas por medio de un protocolo sencillo llamado IGMP (Internet Group Management Protocol).

¿Qué es una dirección IP Multicast?

Las direcciones IP multicast se suelen denominar `grupo multicast', ya que no están asignadas a un equipo concreto de forma permanente, sino a un grupo determinado y de forma temporal. Por otro lado, no es necesario que un equipo pertenezca a un grupo concreto multicast para enviar datagramas al mismo.

Las direcciones IP multicast, que todo equipo conectado a MBone debe saber reconocer forman una clase de direccionamiento llamada clase D, que se caracteriza porque todas estas direcciones comienzan con el prefijo binario1110. 

Tabla con las diferentes clases de direcciones IP en Internet

Direcciones reservadas para uso interno por equipos de comunicaciones que intercambian información sobre multicast, para uso local dentro de Intranets, para controlar el alcance de distribución de multicast en base a criterios administrativos, y las comprendidas en el rango: 224.2.0.0.0 - 224.2.255.255 son las que forman el conjunto de direcciones IP multicast usadas en el MBone para las conferencias globales multimedia.

MBone—Arquitectura

Una red virtual superpuesta en la parte superior de la Internet.

Consta de islas multicast conectadas por túneles

Cada isla (típicamente una LAN o grupo de redes LAN interconectadas) soporta el hardware de multicast para sus hosts.

Cada isla contiene uno o más routers especiales llamados mrouters (routers multicast)

Mrouters son a menudo las estaciones de trabajo que ejecutan un daemon de enrutamiento multicast (mrouted)

MBone—Arquitectura

ISLAS :

Grupo de LANS interconectadas.

Soporte de hardware multicast para los hosts.

TUNELES:

Conecta las islas.

Propaga lo paquetes de MBONE entre las islas.

Treshold o campo de tiempo de vida: limita el rango de propagación de los paquetes multicast.

MROUTERS:

Escoge el mejor patrón de ruta.

Copia paquetes.

Túnel

Un túnel es una conexión entre dos mrouters utilizando "IP sobre IP".

Parámetros de túnel Umbral - El TTL mínimo requerido para que un paquete se enviará

a través de este túnel

Costo - Una métrica utilizada para calcular las "distancias" enrutamiento

Encapsular paquetes MBone dentro de paquetes IP y enviar como paquetes unicast regulares a la dirección IP de destino de los Mrouters.

Mrouted

Una red de routers que soportan multicast.

Una actualización comercial de routers.

Mrouted (Multicast routing demon).

El Mrouter envía un datagrama a lo largo de un árbol del camino más corto con raíz en la subred en la que se origina el datagrama.

Su árbol es multicast.

El datagrama no será transmitido en subredes LEAF del árbol si esas subredes no tienen miembros del grupo de destino.

Un mrouter debe cumplir dos requisitos básicos: Debe tener un mecanismo para conocer en todo momento los equipos que pertenecen a un

determinado grupo multicast en cada una de las redes que interconecta.

Para cada pareja {dirección IP origen (o fuente), grupo multicast} debe saber cómo encaminar los datagramas, originados en esa dirección IP, a los segmentos de red donde haya otros miembros de ese grupo multicast.

Funcionamiento

Un paquete generado por una fuente de audio o video es enviado en multicast a la isla local.

Los paquetes Mbone son generalmente encapsulados dentro de paquetes IP.

El Mrouter local copia estos paquetes dentro de todos los tuneles a los cuales esta conectado.

Los Mrouters consiguen estos paquetes a través de un túnel para comprobar la mejor ruta y copia estos paquetes.

Los paquetes multicast son finalmente recibidos por cada host en las diferentes islas los cuales son entregados a la dirección multicast apropiada.

mrouter

LAN

Multicast island

A

BC

D

versi on hdr l en servi ce typeflags

t i me to l i ve

datagram l engthi denti fi cati on f ragment off set

protocol header checksumsource address

mul ti cast desti nati on addressappl i cati on data

Original packet

version hdr len service typeflags

time to live

version hdr len service typeflags

time to live

source address=unicast address of router at beginning of tunneldestination address=unicast address of rounter at end of tunnel

datagram lengthidentification fragment offset

protocol=4 header checksum

detagram lengthidentification fragment offset

protocol header checksumsource address

multicast destination addressapplication data

Encapsulated packet

Tipos de protocolos de enrutamiento

Protocolos de vector distancia: Basados en el algoritmo de "camino más corto" del Bellman-Ford, en el que cada nodo distribuye todo el mapa de encaminamiento a sus vecinos de forma periódica, de tal forma que cada nodo se va haciendo una imagen de la red en su conjunto. Cada nodo asigna un "peso" o métrica a cada ruta en función de los saltos necesarios para alcanzar a otro nodo. Su principal ventaja es su sencillez de operación y por ende, de implementación. Mientras que su mayor desventaja es su problema de escalabilidad. A medida que la red se hace mayor y más compleja, el algoritmo se vuelve menos eficiente y se produce un mayor consumo de ancho de banda en los enlaces por la diseminación de las tablas de encaminamiento. Por otro lado también es posible la formación de bucles de encaminamiento (aunque existen implementaciones de este tipo de protocolo que evitan, en gran medida, este inconveniente).

Protocolos de estado del enlace: Se basan en el concepto de un "mapa distribuido", es decir, que todos los nodos tienen una copia del mapa de la red, que se actualiza periódicamente. Se han desarrollado a partir de un algoritmo más eficiente que el de Bellman-Ford, propuesto por E.W. Dijkstra, llamado "el camino más corto primero" (shortest path first). Sin entrar en más detalles comentaremos que algunas de sus principales ventajas son: la rápida convergencia a la descripción real del estado de la red, la ausencia de creación de bucles, el soporte de métricas (costes asociados a un determinado enlace) múltiples, soporte de múltiples rutas a un mismo destino, etc.. Como contrapartida requieren mayor poder de procesamiento en los routers y son complejos de implementar y/o configurar.

Protocolos de Enrutamiento

DVMRP – Distance Vector Multicast Routing Protocol Cada isla evalúa la distancia a cada una de las otras islas como un

algoritmo de vector distancia.

Se usa para evaluar la mejor ruta.

IGMP – Internet Group Management Protocol Se usa para establecer membresías de grupo multicast.

Cada Mrouter envía un paquete broadcast IGMP a los clientes sobre esta isla.

Los clientes que solicitan canales envían de vuelta paquetes como respuesta.

Protocolo DVMRP

Protocolo tipo vector distancia que usa la técnica Reverse Path Multicasting para construir árboles de encaminamiento multicast basados en la fuente (Source-based multicast delivery trees).

el primer datagrama recibido es remitido a todas las interfaces de red del mrouter, excepto por la que fue recibido, solo si esta interfaz es usada por el protocolo de encaminamiento unicast para enviar datagramas a dicho origen, o en caso contrario será descartado el datagrama.

Los mrouters de los extremos del árbol de distribución, podrían transmitir mensajes de `podado' (pruning) hacia el origen de los mismos, en el caso de que no existiesen equipos finales conectados a dicho grupo multicast en la sub-red.

Se implementa el mecanismo de `injerto' (graft) que es remitido por cada mrouter a sus vecinos ascendentes, en caso de que existan equipos que se hayan unido a un grupo multicast en una rama del árbol de distribución previamente `podada'.

El DVMRP construye su propia tabla de encaminamiento unicast de una forma similar al RIP. Con esta tabla de encaminamiento guarda la información de la interfaz que conduce a la fuente de un determinado datagrama multicast.

Protocolo MOSPF -(Multicast Open Shortest Path First)

Es una extensión al protocolo de encaminamiento unicast OSPF, que permite el encaminamiento multicast. Es del tipo `estado del enlace', que permite un cálculo rápido de las rutas con un mínimo de intercambio de información entre routers.

El protocolo de encaminamiento multicast se aprovecha del protocolo unicast, y no tiene que construir sus propias tablas de encaminamiento independientemente. El MOSPF sólo añade la información de origen y grupo multicast a los mensajes de estado del enlace, con los que el OSPF crea su mapa de la topología de red.

El disponer de una descripción del estado del enlace con la información de filiación de miembros a los distintos grupos multicast, permite la construcción de las árboles de envío de camino más corto en la memoria de los mrouters, esto es, no necesita, diseminar el primer datagrama recibido hacia todas las interfaces.

La construcción del diagrama de distribución,se realiza "bajo demanda" cuando un mrouter recibe el primer datagrama. Este esquema presenta la desventaja de que puede sobrecargar la CPU del router en los casos en los que varias parejas {fuente,grupo} aparecen al mismo tiempo.

El MOSPF, es un protocolo diseñado para operar dentro del ámbito de la intra-red (intranet), y no soporta el uso de túneles.

PROTOCOLO PIM-DM (Protocol Independent Multicast-Dense Mode)

Usa el algoritmo de `Reverse Path Multicasting', pero remite los datagramas recibidos para cada pareja {fuente,grupo} a todas las interfaces de red, excepto a aquella por la que se ha recibido el datagrama multicast, y sólo son eliminados aquellos caminos por los se han recibido explícitamente mensajes de `podado' (pruning) porque no existan miembros de ese grupo. Este modelo de funcionamiento presenta una mayor eficiencia en el caso de que los miembros de los grupos multicast estén próximos entre sí y el ancho de banda no sea un recurso escaso.

La razón principal del desarrollo del PIM-SM, ha sido el intentar solucionar deficiencias en los casos en que los enlaces entre mrouters están dispersos a lo largo de amplias zonas y que los miembros de cada grupo multicast no están concentrados en las proximidades de los mrouters, situación que se presenta en las topologías de red extensa (WAN).

Todos los protocolos mencionados hasta el momento (a excepción del PIM-SM), se comportan más o menos eficientemente en condiciones de una distribución poblada de receptores dentro de la intranet. Sin embargo, fallan cuando se aplican a entornos de red extensa o de población esparcida, en las que el número de receptores puede considerarse, en términos generales, escaso. Para cubrir estos supuestos, están en desarrollo dos nuevos protocolos de encaminamiento multicast:

El PIM-SM (PIM Sparse mode) se crea como una opción para redes extensas o de población esparcida.

El protocolo PIM-SM puede usar simultáneamente las técnicas de árbol basado en la fuente (source-based tree) o de árbol compartido (shared tree).

Ventajas del IP Multicast

Transmisión de información en tiempo real para múltiples receptores.

Ahorro substancial de los recursos de red consumidos.

Mejora en la transmisión de información.

Mejor relación calidad/costes.

Inconvenientes del Mbone

MBone como un servicio operativo global, requerirá un cambio topológico esencial, modelo que ofrezca las cualidades de escalabilidad.

Protocolos de encaminamiento y algoritmos de creación de árboles de distribución, problemas de congestión de red debido a las concentraciones de tráfico en los árboles compartidos.

Uso del protocolo UDP para el transporte de contenidos multimedia en tiempo real, es la imposibilidad de garantizar la llegada ordenada de los paquetes de información a sus destinos.

Protocolo de transporte en tiempo real o RTP (Real Time Protocol),  no garantiza la entrega a tiempo de la información, sino que confía en el medio subyacente para este propósito.

Garantizar una calidad de servicio aceptable en las transmisiones multimedia.

Resource ReSerVation Protocol' (RSVP)

Dispone de un mecanismo que nos permita reservar los recursos necesarios, tanto a nivel del equipo transmisor (tiempo de CPU, ancho de banda de acceso a disco, etc.), como en el camino entre éste y el(los) receptores (ancho de banda mantenido en la ruta entre ellos).

Usos de la MBone Mbone es usado para broadcasting de video en vivo en formato digital.

Video conferencia (vic)

Audio conferencia (rat y vat)

SDR (Session Directory Tool), o directorio de sesiones MBone

Juegos

Conciertos

Desarrollo de herramientas:

modo interactivo: editores de texto y pizarras electrónicas compartidas, intercambio de hipertextos.

procesos no interactivos: sincronización de equipos (NTP multicast) o distribución de archivos a múltiples receptores simultáneamente (FTP multicast).

Misiones del transbordador de la agencia espacial americana (NASA).

Reuniones periódicas de los grupos de trabajo del IETF

Emisiones de radio por multicast.

 IVS (INRIA Videoconference System), desarrollado por el INRIA (Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique).

Editor de texto compartido (Network Text editor) o NT.

Rendez Vouz, FreePhone.

Futuro de la MBone

Un corrimiento a IPng para proveer soporte para servcios en tiempo real.

Incremento de ancho de banda según incremente la demanda.

Busqueda en PIM (Protocolo independiente multicast)

Uso de tablas de enrutamiento unicast estándar PIM.

GRACIAS