4.4.9 Протокол IGMP и передача мультимедиа по Интернет
Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)

Передача мультимедийных данных по сетям Интернет является одним из наиболее важных направлений. Этот вид информации передается обычно в режиме без установления соединения (протокол UDP-RTP). Наиболее типичной схемой в этом случае является наличие одного передатчика и большого числа приемников. Эта схема реализуется с использованием мультикастинг-адресации. Мультикастинг-адресация может осуществляться на IP- и MAC-уровнях. В Ethernet для этих целей зарезервирован блок адресов в диапазоне от 01:00:5E:00:00:00 до 01:00:5E:7F:FF:FF. Первый байт адреса, равный 01, указывает на то, что адрес является мультикастным. Данная схема резервирования адресного пространства позволяет использовать 23 бита Ethernet-адреса для идентификации группы рассылки при IP-мультикастинге (см. рис. 4.4.9.1.).

Рис. 4.4.9.1. Соотношение мультикастинговых MAC- и IP-адресов

Область из 5 бит в IP-адресе, отмеченная *****, не используется при формировании Ethernet-адреса. Так как соотношение IP и MAC-адресов не является однозначным, драйверы должны обеспечивать обработку адресов с тем, чтобы интерфейсы получали только те кадры, которые действительно им предназначены. Для того чтобы информировать маршрутизатор о наличии участников мультикастинг-обмена в субсети, связанной с тем или иным интерфейсом, используется протокол IGMP.

Протокол IGMP (internet group management protocol, RFC-1112) используется для видеоконференций, передачи звуковых сообщений, а также группового исполнения команд различными ЭВМ. Этот протокол использует групповую адресацию (мультикастинг).

Групповая форма адресации нужна тогда, когда какое-то сообщение или последовательность сообщений необходимо послать нескольким (но не всем) адресатам одновременно. При этой форме адресации ЭВМ имеет возможность выбрать, хочет ли она участвовать в этой процедуре. Когда группа ЭВМ хочет взаимодействовать друг с другом, используется один групповой (мультикастинг) адрес. Групповая адресация может рассматриваться как обобщение обычной системы адресов, а традиционный IP-адрес - частный случай группового обращения при числе ЭВМ, равном 1.

При групповой адресации один и тот же пакет может быть доставлен заданной группе ЭВМ. Членство в этой группе может динамично меняться со временем. Любая ЭВМ может войти в группу и выйти из группы в любое время по своей инициативе. В то же время ЭВМ может быть членом большого числа таких групп. ЭВМ может посылать пакеты членам группы, не являясь им сама. Каждая группа имеет свой адрес класса D (рис. 4.4.9.2, см. также рис. 4.4.9.1).

Рис. 4.4.9.2. Формат группового адреса

Адрес 224.0.0.1 предназначен для обращения ко всем группам (все узлы и серверы, вовлеченные в данный момент в мультикастинг-обмен, например, участвующие в видеоконференции). ЭВМ может участвовать в мультикастинг-процессе на одном из следующих уровней:

Таблица 4.4.9.1. Коды мультикастинг-процессов

Ряд мультикастинг-адресов зарезервировано строго для определенных целей.

Таблица 4.4.9.2. Зарезервированные мультикастинг-адреса

Для того чтобы участвовать в коллективных обменах в локальной сети ЭВМ должна быть снабжена программой, которая поддерживает этот режим. При этом сервер локальной сети (gateway) информируется о намерении использовать мультикастинг. Сервер передает эту информацию другим внешним серверам IP-сети. Следует иметь в виду, что мультикастинг также как и широковещательный режим, заметно загружает сеть. IGMP для передачи своих сообщений использует IP-дейтограммы (IGMP-пакеты инкапсулируются в них). Для подключения к группе сначала посылается IGMP-сообщение "всем ЭВМ" о включении в группу, при этом локальный мультикаст-сервер подготавливает маршрут. Локальный мультикаст-сервер время от времени проверяет ЭВМ и определяет, не покинули ли они группу (ЭВМ не подтверждает свое членство в группе). Все обмены между ЭВМ и мультикаст-сервером производятся в режиме ip-мультикастинга, те есть, любое сообщение адресуется всем ЭВМ группы. ЭВМ, не принадлежащая группе, IGMP-сообщений не получает, что сокращает загрузку сети. Формат сообщений в протоколе IGMP имеет вид, показанный ниже на рис. 4.4.9.3.

Рис. 4.4.9.3. Формат IGMP-сообщений

Поле версия определяет используемую версию протокола, поле тип=1 говорит о том, что это запрос, отправленный мультикастинг-маршрутизатором, тип=2 указывает, что этот отклик послан ЭВМ. ЭВМ использует групповой адрес, чтобы сообщить о своем подключении к группе. Контрольная сумма вычисляется по тому же алгоритму, что и для ICMP. IGMP-сообщения используются мультикастинг-маршрутизаторами для того, чтобы отслеживать членство в группе каждой из сетей, подключенных к нему. В группе может участвовать несколько активных процессов в одной и той же ЭВМ, но при этом посылается только один запрос для регистрации. Когда какой-то процесс покидает группу, ЭВМ не шлет сообщения об этом, даже в случае, когда это последний из процессов - членов группы на данной ЭВМ. Просто при очередном запросе ЭВМ не подтвердит членство в группе. Мультикастинг-маршрутизатор регулярно посылает запросы с требованием подтвердить участие в группе. ЭВМ посылает отклик- подтверждение для каждой из групп, если у нее есть хотя бы один процесс - член группы. На основе этих запросов-откликов мультикастинг-маршрутизатор составляет и поддерживает таблицу интерфейсов, которые имеют одну или более ЭВМ, входящих в мультикастинг-группы.

Протокол IGMP используется при организации мультикастинг-туннелей для передачи звуковой и видеоинформации. Для решения проблем мультимедиа в сетях Интернет используется идея MBONE.

По умолчанию мультикаст-дейтограммы имеют значение поля TTL=1, что ограничивает их распространение одной субсетью. Приложения могут увеличивать значение TTL. Первая дейтограмма, тем не менее, всегда имеет TTL=1. Если получение этой дейтограммы не подтверждается сервером, посылается вторая - с TTL=2 и т.д. Таким образом попутно измеряется и число шагов между клиентом и сервером. Для случая, когда число шагов не более 1, зарезервирован блок адресов 224.0.0.0 - 224.0.0.255. Маршрутизатор не обрабатывает пакеты с такими адресами вне зависимости от кода поля TTL.

При использовании мультикастинга MAC-переключатели переадресуют пакеты через все имеющиеся интерфейсы, что заметно ухудшает эффективность сети. Чтобы решить эту проблему компания CISCO разработала протокол CGMP (Cisco Group Management Protocol), который позволяет взаимодействовать маршрутизаторам и переключателям, что позволяет передавать мультикаст-пакеты только на те интерфейсы, где имеются активные члены группы.