Introdu��o ao Multicast
Vantagens e Desvantagens
Aplica��es
Exemplos
Requisitos
Roteamento
M�ltiplos Unicast
Endere�amentos Multidestino
Inunda��o de Pacotes
�rvores de Distribui��o
IP Multicast
Arquitectura
IGMP
Mbone
T�neis
TTL
Topologia
Conclus�o
Bibliografia
Autores
Docente
Introdu��o ao Multicast
At� recentemente, grande parte do tr�fego na Internet era por Unicast, ou seja, um transmissor enviava os pacotes de informa��o tantas vezes quanto fossem o n�mero de clientes destino. Durante anos, a transmiss�o Unicast de pacotes pela Internet pareceu ser suficiente. Por�m, com o aumento do tr�fego de multim�dia em tempo real para mais de que um participante, a transmiss�o Unicast mostrou-se insuficiente, principalmente para redes de longa dist�ncia.
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Fig.1 - Transmiss�o Unicast |
Com o aparecimento do Broadcast, os pacotes seriam enviados apenas uma vez para um endere�o (Broadcast), e todas as esta��es receberiam. Contudo, sabe-se que, na pr�tica, o Broadcast n�o funciona bem para roteamento de pacotes para outras sub-redes. Logo, viu-se necess�rio desenvolver outro m�todo de transmiss�o, que permitisse o roteamento para diversas redes e que somente as esta��es interessadas capturassem os pacotes transmitidos, libertando o resto da rede de tr�fegos desnecess�rios. O Multicast vem preencher esta necessidade, apresentando melhores rela��es de performance em transmiss�es de multim�dia.
O Multicast reside entre o Unicast e o Broadcast, dependendo do n�mero de remetentes: �um para v�rios� e �v�rios para v�rios�. Em ambos os casos os conjuntos de hosts destinat�rios � tipicamente organizados na forma de um �grupo�. As Aplica��es que usufruem de comunica��o Multicast s�o denominadas de �aplica��es Multicast� ou �aplica��es multiponto�.
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Fig. 2 � Transmiss�o Multicast |
Mas afinal o que � Multicast?
Multicasting � um m�todo ou t�cnica de transmiss�o de um pacote de dados para m�ltiplos destinos ao mesmo tempo. Durante uma transmiss�o Multicast, o transmissor envia os pacotes de dados somente uma vez, ficando a cargo dos receptores captarem esta transmiss�o e reproduzi-la. Esta t�cnica diminui consideravelmente o tr�fego em diversas situa��es, como por exemplo, quando v�rios clientes est�o a assistir a uma transmiss�o de um jogo de futebol, propagado por um servidor.
� poss�vel �emular� um servi�o Multicast atrav�s de Unicast e Broadcast: no primeiro caso, m�ltiplas c�pias do pacote s�o transmitidas, uma para cada destinat�rio. O problema com esta solu��o � que a largura de banda da rede � desperdi�ada, na medida que o mesmo pacote trafega v�rias vezes pelo mesmo link. J� com Broadcast, o pacote � transmitido apenas uma vez, n�o havendo duplica��o; no entanto uma c�pia do pacote � levado a todos os �hosts� da rede, destinat�rios ou n�o, provocando uma grande sobrecarga na rede. Multicast � importe porque os pacotes s�o levados apenas aos �hosts� interessados, n�o havendo duplica��es desnecess�rias.
Vantagens e Desvantagens
Em aplica��es com m�ltiplos destinat�rios, a transmiss�o via Multicast � vantajosa em rela��o �s alternativas de Unicast e Broadcast porque n�o h� envio desnecess�rio de pacotes: os mesmos s�o encaminhados exactamente ao conjunto de destinat�rios pretendidos.
Considerando o crescimento da Internet, existem hoje em dia aplica��es que tem o potencial para atingir milhares de cibernautas simultaneamente. Por exemplo, milhares de pessoas assistirem em directo a um concerto ou a um jogo de futebol, transmitido com �udio e v�deo via Internet. Multicast permitem que aplica��es escalem, ou seja, que sirvam a um grande n�mero de usu�rios sem sobrecarregar a rede.
O encaminhamento eficiente da pacotes aos m�ltiplos destinat�rios n�o garante entretanto a entrega confi�vel dos dados; mais precisamente, servi�os importantes como o controle de erro, controle de fluxos e de congestionamento s�o tratados na camada superior, de transporte.
Aplica��es de Multicast
H� dois tipos b�sicos de aplica��es multim�dia de tempo real, dependendo do n�mero de participantes que podem remeter: de um para v�rios, como por exemplo, sec��es t�cnicas, e de v�rios para v�rios como teleconfer�ncias e semin�rios. O primeiro tipo de aplica��o corresponde � transmiss�o de eventos, tal como uma transmiss�o pela TV via rede. No segundo caso, o n�mero de participantes estar� naturalmente limitado, e portanto escalabilidade n�o � uma quest�o fundamental.
Aplica��es multim�dia n�o necessitam confiabilidade absoluta, mas possuem rigorosos requisitos em rela��o � lat�ncia de entrega de pacotes e � uniformidade em que os mesmos s�o entregues em cada receptor. Idealmente um �fluxo multim�dia� deve chegar a um receptor de forma suave e cont�nua.
Fig. 3 � Classifica��o de Aplica��es Multicast |
�Exemplos de Aplica��es Multicast
Distribui��o de documentos, P�ginas de Web e Software - precisam ser enviados com Multicast confi�vel de um lugar para v�rios sem restri��es r�gidas de tempo. � necess�rio possuir confiabilidade absoluta.
Aplica��es tipo Streaming � aplica��es que realizam a transmiss�o em tempo real de �udio/v�deo de um servidor para m�ltiplos clientes. H� restri��es quanto � lat�ncia, pois a stream multim�dia deve ser exibida exactamente � mesma velocidade em que foi gravada.
Ensino � Dist�ncia � Multicast � uma tecnologia fundamental para permitir que cursos sejam conduzidos em tempo real via Internet. A diferen�a para streaming � que nesse caso canais reversos s�o necess�rios para permitir que alunos fa�am perguntas ao professor, ou que v�rios alunos comuniquem entre si.
�Requisitos de Aplica��es Multicast
As aplica��es Multicast variam bastante quanto ao seu prop�sito, e consequentemente quanto aos seus requisitos. Tais como:
Lat�ncia de Entrega � � o tempo que um pacote pode demora at� ser entregue aos receptores.
Ordenamento de Mensagens � a mensagem pode chegar ao receptor de forma ordenada ou n�o. Dependendo da prioridade.
Entrega Confi�vel � a entrega dos pacotes tem que ser entregue duma maneira segura.
Escalabilidade � � a quantidade de receptores que uma determinada aplica��o pode conter.
Roteamento Multicast
O problema fundamental � como encaminhar um pacote de um host �fonte� a um determinado conjunto de hosts destinat�rios.
No encaminhamento de pacotes a destinat�rios, o objectivo � entregar pacotes apenas aos hosts que comp�em o conjunto. � poss�vel identificar pelo menos quatro esquemas b�sicos.
� M�ltiplos Unicasts
O host onde a fonte reside replica as transmiss�es: se h� N destinat�rios, o mesmo pacote ser� enviado N vezes. A grande vantagem � de n�o exigir nenhum suporte especial da rede para transmiss�es multiponto. No entanto e porque � Unicast o esquema sofre dos problemas de desperd�cio de largura de banda. Adicionalmente o fonte precisa gerir a lista de destinat�rios, o que limita mais ainda a escalabilidade do m�todo.
Fig. 4 � Transmiss�o com M�ltiplos Unicasts
� Endere�amento Multidestino
� o envio dum pacote contendo n�o um mas sim uma lista de destino. Cada pacote � encaminhado de acordo com a lista de endere�os no cabe�alho do pacote: � medida que o pacote � distribu�do, os endere�os s�o removidos.
Contrariamente ao anterior, o endere�amento multidestino permite que cada pacote seja propagado apenas uma vez atrav�s de cada link, economizando largura de banda. Outra vantagem � a flexibilidade, pois o transmissor pode variar, pacote a pacote, o conjunto de receptores.
No entanto, ele provoca uma grande sobrecarga, porque cada pacote deve conter a lista completa de endere�os de hosts. Daqui se conclui que este endere�amento � ineficiente e sofre dum problema de escala.
� Inunda��o de pacotes
Neste processo, o host �fonte� inicia enviando o pacote a todos os seus vizinhos. Cada roteador que recebe o pacote envia uma c�pia a todos os seus vizinhos, menos �quele de quem o pacote foi recebido. Este procedimento � a forma de fazer Broadcast numa rede baseada na comuta��o de pacotes.
N�o pode ser ilimitada: se cada host sempre encaminhasse o pacote aos �demais� vizinhos, ciclos na rede fariam com que pacotes fossem sempre replicados. A inunda��o de pacotes � restrita de duas maneiras: limitando-se o �tempo de vida� dum pacote e usando uma ��rvore de caminho mais curto�, (minimiza individualmente a dist�ncia entre cada destinat�rio e o fonte). Cada pacote possui um campo (TTL) que � inicializado com um valor inteiro positivo e decrementado a cada host visitado. Quando o valor do campo atinge zero o pacote � descartado.
Como os pacotes s�o levados a todos os hosts da rede, e n�o apenas aos destinat�rios, o esquema de inunda��o � ineficiente.
� �rvore de Distribui��o
Baseada no Fonte
As c�pias do pacote devem ser roteadas apenas �s subredes contendo hosts destinat�rios. Cada c�pia do pacote deve atravessar uma �nica vez cada link sendo o pacote replicado quando necess�rio.
Fig. 5 � �rvore Multicast (Baseada na Fonte)
Compartilhada
A principal caracter�stica � possuir um n�cleo. O pacote a ser distribu�do � primeiro enviado ao n�cleo pelo fonte; o roteador n�cleo ent�o redistribui uma c�pia do pacote para cada destinat�rio, segundo uma �rvore Multicast cuja raiz � o n�cleo. Quando h� m�ltiplos fontes a enviar para um grupo, eles compartilham uma �nica �rvore de distribui��o Multicast.
Fig. 6 � �rvore Multicast (Compartilhada)
IP Multicast
O IP Multicast difere no intervalo do endere�o IP utilizado, em vez de utilizar endere�os IP classe A, B ou C, utiliza o classe D (endere�os IP de 224.0.0.0 a 239.255.255.55). Esta distin��o de endere�o permite que um host envie pacotes para um subconjunto de todos os hosts (transmiss�o para grupo), em contraste com o IP tradicional que utiliza transmiss�o Unicast, transmitindo pacotes para um �nico host, ou transmiss�o Broadcast, transmitindo para todos os hosts.
Fig. 7 � Formato dos Endere�os IP |
� Arquitectura
H� duas arquitecturas Multicast: uma orientada a servidor onde um processo central configura o Multicast, gerando uma lista de hosts membros do grupo. Este modelo � bom para esquemas orientados a conex�o, onde o fonte conhece a identidade dos destinat�rios e abre uma conex�o com os mesmos.
Outra � a orientada a receptor, o conhecimento sobre a composi��o do grupo est� distribu�do pela rede. Portanto, um receptor pode entrar no grupo sem ter que requisitar a um ente centralizado a sua inclus�o. O transmissor, neste caso, n�o precisa conhecer a composi��o do grupo, o que oferece maior escalabilidade e permite que a composi��o do grupo seja din�mica e aut�noma. O modelo � propicio para comunica��o de v�rios para v�rios, onde qualquer membro est� apto a transmitir, bastando para isso fornecer como destino o pacote identidade do grupo. Para enviar para um grupo o remetente n�o precisa ser membro do grupo.
A arquitectura do IP Multicast segue a abordagem orientada a receptor. N�o existe uma entidade centralizada que controle a composi��o dum grupo.
Para realizar Multicast na Internet, s�o necess�rios um protocolo de roteamento Multicast e um protocolo de controle de composi��o de grupo em subredes. O IP Multicast define que o controle de composi��o de grupo � tarefa do protocolo IGMP.
� IGMP
O protocolo IGMP (Internet Group Management Protocol) adiciona informa��es de grupo aos protocolos de roteamento. O IGMP define o di�logo entre um roteador especial na subrede, denominado �roteador designado�, e os hosts de uma subrede, permitindo que hosts entrem (join) e saiam (leave) de grupos IP Multicast.
Existem 3 vers�es de IGMP.
No IGMP, o roteador designado faz um Broadcast peri�dico na subrede (TTL = 1) consultando (query) se h� hosts com processos �inscritos� em qualquer grupo Multicast. Qualquer host que tenha um ou mais membros responde � consulta enviando � subrede um relat�rio para cada grupo inscrito. Com isso o roteador designado pode colectar relat�rios e determinar quais os grupos que est�o inscritos na subrede que ele controla.
O roteador designado realiza a consulta sobre grupos inscritos na subrede apenas de forma peri�dica. Portanto, pode haver um certo atraso entre join dum host e a chegada da pr�xima consulta. Isso poderia deixar um host temporariamente sem receber pacotes Multicast endere�ados ao grupo. Para diminuir o atraso, um host que solicita a entrada num grupo envia tr�s mensagens consecutivas de join.
A vers�o 2 do IGMT � um superconjunto do IGMT vers�o 1. A principal diferen�a reside na mensagem de Leave que � enviada por um host para a subrede. O objectivo dessa modifica��o � diminuir a lat�ncia no processo de partida de um grupo.
A principal melhoria da vers�o 3 em rela��o � vers�o 2 � que ao inscrever um grupo um host n�o precisa receber tr�fego de todos os hosts que enviam ao grupo.
Fig. 8 � IGMP