IPv6/Host/Multicast

Multicast - Einsatz und Funktion

Anwendungsgebiete von Multicast

Datenstrom ohne Multicast

Einsatz von Multicast

• Vermeidung von mehrfacher Übertragung identischer Datenströme
• Effizienten Organisation der Nodes an einem Link

Wie werden Pakete an Ziele verschicken, deren Link-Layer-Adresse unbekannt ist?

Die Lösung heißt Multicast

• Multicast Addresses können mehrere Interfaces anzusprechen

Besonders nützlich ist das, wenn sich die angesprochenen Interfaces in verschiedenen Nodes befinden

• So können wir indirekt Gruppen von Nodes ansprechen
• Alle Interfaces, die innerhalb eines Gültigkeitsbereiches dieselbe Multicast Address nutzen, bilden deshalb eine Multicast Group

Szenario

Um die Nutzung von Multicast bei Datenströmen zu verstehen, denken wir uns folgende Situation

Mehrere Zuschauer möchten die Live-Übertragung einer Sportveranstaltung als Videostream auf ihren IPv6-fähigen Endgeräten verfolgen

• Das können Computer, Smartphones oder netzwerkfähige Fernseher sein
• Das Videomaterial wird in Form eines Datenstroms von einem Server bereitgestellt, den wir Multicast-Quelle nennen
• Auf dem Weg zu den Zuschauern, im Folgenden Konsumenten genannt, passiert der Datenstrom zwei Router
• Da es sich um eine Live-Übertragung handelt, erhalten alle Konsumenten zu jedem Zeitpunkt die gleichen Daten
• Wird kein Multicast verwendet, dann wird nach dem in Abbildung 4.12 dargestellten Prinzip verfahren

Jeder Konsument kontaktiert die Quelle des Datenstroms und erhält von ihr die Daten, obwohl weitgehend identisch, individuell zugestellt

• Alle beteiligten Links und Router auf dem Pfad werden mehrfach belastet
• Mit jedem neuen Konsumenten erhöht sich das Datenaufkommen

Multicast Datenströme

Nehmen wir an, die Sportveranstaltung aus unserem Beispiel gewinnt an Popularität

• Plötzlich sind wir mit einer hohen Nachfrage konfrontiert
• Das bisherige Vorgehen ist nicht in der Lage, diese Nachfrage zu befriedigen, da die Kapazitätsgrenzen der Links und Router erreicht werden würden

Lösung Multicast

Datenstrom mit Multicast

Die Abbildung zeigt das Verfahren, die beteiligten Systeme bleiben die gleichen wie vorher

Der wesentliche Unterschied ist, dass nun nicht mehr die Quelle für die Duplizierung des Datenstroms zuständig ist, sondern diese Aufgabe den Routern zuteilwird

• Der Datenstrom wird genau einmal von der Multicast-Quelle zu Router B übertragen, dieser wiederum sendet die Pakete genau einmal an Router A weiter
• Von Router A schließlich wird der Datenstrom an die Konsumenten verteilt
• Je besser die Hardware am Link (zum Beispiel ein Switch) mit Multicast umgehen kann, desto später findet die technische Duplizierung des Datenstroms statt
• Idealerweise wird bei Nutzung von Ethernet erst am letzten Switchport eine Kopie der betroffenen Frames angefertigt

Multicast Addressen

Multicast Address

Präfix ff::/8

• Sie beginnen also stets mit ff, daran können wir sie schnell erkennen
• Danach folgen 4 Bits für Flags und weitere 4 Bits für die Angabe des Multicast Scopes
• Der grundlegende Aufbau einer Multicast Address ist in Abbildung 4.14 dargestellt

Die Flags (in Leserichtung) haben folgende Bedeutung

Flags	Beschreibung
Reserviert	Das erste Flag ist reserviert für spätere Erweiterungen. Es wird auf Null gesetzt
Rendezvous Point	Das Rendezvous Point Flag wird gesetzt wenn im Group Identifier die Adresse eines Rendezvous Points eingebettet ist Das Verfahren wird für Inter Domain Multicast verwendet, ein Thema das außerhalb des Workshops liegt. Interessierte finden mehr dazu im RFC 3956
Prefix	Mit dem Prefix Flag wird angezeigt, dass im Group Identifier ein Präfix und die zugehörige Präfixlänge eingebettet wurden Nodes können das Präfix extrahieren und so erfahren, in welchem Netz die Multicast-Quelle beheimatet ist Weitere Informationen zur Verwendung des Flags hält RFC 3306 [HT02] bereit
Transient	Ein gesetztes Transient Flag bedeutet, dass es sich nicht um eine Well-known Multicast Address handelt

Multicast Scopes

Während einige Multicast Scopes fest definierte Grenzen haben, lassen sich andere individuell festlegen

• Die Einhaltung der Grenzen kann dann nur gewährleistet werden, wenn die unternehmenseigenen Router entsprechend konfiguriert wurden
• Mehr Informationen zu den Multicast Scopes können der Tabelle entnommen werden

Organisation von Multicast Groups

Multicast Addresses identifizieren eine Multicast Group innerhalb ihres Scopes eindeutig

• Für die Organisation dieser Gruppen ist das Protokoll Multicast Listener Discovery v2 (MLDv2) zuständig
• Es ist in RFC 3810 und RFC 4604 standardisiert und definiert verschiedene Nachrichten, welche über ICMPv6 transportiert werden

Gebräuchliche Nachrichten

• Multicast Listener Query Message
• Multicast Listener Report Message

Well-known Multicast Addresses

Scope: Node Adresse
Präfix	Nutzung
ff 1::1	Alle Nodes
ff 1::2	Alle Router
ff 1::fb	Multicast-DNS

Scope: Link Adresse
Präfix	Nutzung
ff 2::1	Alle Nodes
ff 2::2	Alle Router
ff 2::b	Mobile Agents (Mobile IPv6)
ff 2::f	Universal Plug and Play
ff 2::16	Alle MLDv2-fähigen Router
ff 2::6a	Alle Multicast-Abonnenten
ff 2::fb	Multicast-DNS
ff 2::1:2	Alle DHCP-Agents
ff 2::1:ff : /1 4	Solicited Node Multicast Address

Scope: Site Adresse
Präfix	Nutzung
ff 5::2	Alle Router
ff 5::1:3	Alle DHCP-Server
ff 5::fb	Multicast-DNS

Scope: Variabel (X) Adresse
Präfix	Nutzung
ff X::fb	Multicast-DNS
ff X::1 1	NTP
ff X::db8: : /96	Dokumentation

IANA: http://www.iana.org/assignments/multicast-addresses

Multicast Scopes

Scope	Name	Beschreibung
0x0	Reserviert
0x1	Interface-Local	Das Multicast-Äquivalent zur Loopback Address ::1. Nur auf dem lokalen Node gültig
0x2	Link-local	Nur auf dem Link gültig. Die Pakete dürfen nicht geroutet werden
0x3	Reserviert
0x4	Admin-Local	Vom Administrator festzulegender Teil des Netzes. Wird auch für eigenständig administrierte Abteilungen verwendet
0x5	Site-Local	Lokales, physikalisches Netzwerk. In der Regel eine Filiale oder eine Betriebsstätte
0x6 - 0x7	Nutzerdefiniert	Zur freien Definition eigener Gültigkeitsbereiche
0x8	Organization‑Local	Ein die gesamte Organisation umfassender Gültigkeitsbereich. Umfasst auch geographisch entfernte Betriebsstätten, die über Standleitung oder Virtual Private Network (VPN) angebunden sind
0x9 - 0xd	Nutzerdefiniert	Zur freien Definition eigener Gültigkeitsbereiche
0xe	Global	Das gesamte Internet
0xf	Reserviert

Darüber hinaus müssen Nodes aus Kompatibilitätsgründen auch die älteren MLDv1-Nachrichten

• Version 1 Multicast Listener Report und
• Version 1 Multicast Listener Done aus RFC 2710 unterstützen

Mit der Listener Query Message kann festgestellt werden, ob eine Gruppe noch Mitglieder hat

• Damit kann auch ein nicht ordnungsgemäßes Verlassen einer Gruppe bemerkt werden

Listener Query Message

Die Listener Report Messages dienen dazu, Multicast Groups beizutreten oder sie zu verlassen

• Jedes Interface, das Mitglied einer bestimmten Gruppe ist, nimmt für diese Gruppe die Rolle eines Multicast Listeners ein
• Pakete die an die Gruppenadresse gesendet wurden, werden allen Mitgliedern zugestellt
• Möchte ein Interface für eine Gruppe keine Pakete mehr erhalten, so verlässt es die Gruppe wieder

Listener Report Message

Den Beitritt zu einer Gruppe werden wir uns in Wireshark anschauen

• Dazu fahren wir das Interface eth0 auf lynx zuerst herunter

root@linux:~# ip link set down dev eth

Gruppenbeitritt mitschneiden

Jetzt starten wir Wireshark und lassen ihn auf dem PseudoInterface lauschen

• Das Pseudo-Interface liefert die Daten von allen Interfaces, auch von denen, die erst nach dem Start des Mitschnitts hochgefahren werden
• Wir haben also die Chance, den Start eines Interfaces zu beobachten
• In diesem Zeitraum treten vermehrt MLDv2 Messages auf

Dazu fahren wir das Interface wieder hoch

root@linux:~# ip link set up dev eth

Von den zahlreichen Paketen die von Wireshark mitgeschnitten wurden suchen wir uns eines vom Typ MLDv2 aus

Multicast Listener Discovery

Multicast Listener Report, eingebettet in ICMPv6 als Typ 143

• Neben den bekannten Code-, Checksumund Reserved-Feldern ist auch ein Feld namens Number of Multicast Address Records vorhanden
• Es gibt an, wie viele Multicast Address Record Changes folgen
• In unserem Beispiel folgt nur ein Eintrag, es wäre auch möglich mehrere Einträge auf einmal bekannt zugeben
• Jeder Eintrag steht für Änderungen der Zugehörigkeit zu Multicast Groups eines Interfaces

Include und Exclude

Interpretation der Einträge

• Es gibt zwei Arten von Multicast Listener Report Messages
• Diese heißen Include und Exclude
• Ein Include steht allerdings nicht, wie der Wortlaut vielleicht vermuten lässt, für einen Gruppenbeitritt eines Interfaces
• Und ein Exclude muss nicht unbedingt einen Gruppenaustritt bedeuten
• Include und Exclude beziehen sich nämlich nicht auf die Multicast Group, sondern auf eine Liste von Quellen, von denen ein Interface Pakete an die Gruppe akzeptiert (Include) oder auch nicht akzeptiert (Exclude)
• Nun kann ein Interface auch eine leere Liste mitschicken, und damit anzeigen, dass sich das Include oder Exclude auf keine Adressen bezieht
• Dann käme ein Include einem Gruppaustritt gleich, und ein Exclude mit leerer Liste entspräche einem Gruppenbeitritt
• Multicast Listener Report Messages erwecken manchmal den Eindruck einer doppelten Verneinung

Gruppenbeitritt

Abbildung 4.16 IPv6-Header eines MLDv2-Paketes

MLDv2 Message

Wir klappen den Eintrag Multicast Address Record Changed to exclude auf und sehen uns die enthaltenen Informationen an

• Wir sehen die Art der Änderung, Exclude, und weitere Felder
• Das Feld Aux Data Length gibt an wie viele 8-Byte-Blöcke mit zusätzlichen Daten der Multicast Address folgen
• Da es hier den Wert 0 hat, sind keine weiteren Daten zu erwarten
• Es folgt die Anzahl der einschränkenden Quellen, hier 0, und im Anschluss die betroffene Multicast Address

Auswertung der Felder

Es handelt sich in unserem Beispiel um eine Änderung der Art Exclude ohne Einschränkung der Quellen

• Für diese Multicast Group akzeptiert das Interface Pakete von allen Quellen, außer denen in der Liste
• Da die Liste leer ist, gibt es keine Quellen die vom Interface keine Pakete akzeptieren würde
• Es handelt sich also um einen uneingeschränkten Gruppenbeitritt

Hop Limit

Abschließend schauen wir uns noch das Feld Hop Limit des vorangestellten IPv6-Headers an (siehe Abbildung 4.16)

• Es hat den Wert 1, was bedeutet, dass MLDv2-Pakete einen Router nicht passieren können
• Die ganze Organisation von Multicast Groups findet also auf dem lokalen Link statt

Multicast Routing

Multicast Routing

Trotzdem möchte ein Interface vielleicht den Datenstrom einer Multicast-Quelle empfangen, die an einem anderen Link angeschlossen ist

• Wenn die Pakete den Router nicht passieren können, muss der Router anderweitig tätig werden, um den angeforderten Datenstrom bereitzustellen
• Dazu muss er Multicast-fähig sein
• Er wird dann auch Multicast Router genannt
• Tatsächlich, wenn wir den Header weiter analysieren, entdecken wir einen Hop-by-Hop Extension Header mit Router Alert Option
• Der Router wird explizit darauf hingewiesen, dass dieses Paket für ihn wichtige Informationen enthalten könnte

Um den Datenstrom auf dem anfragenden Link bereitzustellen, muss der Router seinerseits den Datenstrom anfordern Entweder hat er ein Interface an einem Link an dem auch die Multicast-Quelle angeschlossen ist, dann tritt er einfach der entsprechenden Gruppe bei

• So erhält er die zugehörigen Pakete die er dann zum anfragenden Link routen kann
• Hat der Router kein Interface am Link der Multicast-Quelle, beauftragt er einen der ihm bekannten Multicast Router, die Daten bereitzustellen
• Dazu tritt er wieder der Multicast Group bei und nimmt für diese Gruppe am betroffenen Interface die Rolle eines Multicast Listeners ein

Multicast auf dem Link-layer

IPv6/Host/Multicast auf dem Link-layer

Anhang

Siehe auch

• IPv6/Host/Multicast