Коммутация MINT

Распространение multicast-трафика в сети. Преимущества и границы применимости

В сетях, в которых необходимо передавать трафик от одного источника нескольким получателям, целесообразно использование механизма группового вещания. Такая форма распространения данных называется multicast и примером такого сценария является передача изображения с камеры наблюдения на несколько пользовательских устройств.

В представленном на схеме примере ПК1 и ПК2 получают изображение с Камеры 1, используя unicast (см. рисунок): ПК1 и ПК2 устанавливают сессии с Камерой 1, и Камера 1 передаёт данные отдельно для ПК1 и отдельно для ПК2. Таким образом, на участке от Камеры 1 до Коммутатора 1 передаётся две копии трафика. С ростом числа получателей трафика, нагрузка на канал связи существенно увеличится, что приведёт к снижению эффективности использования его пропускной способности.

Использование протокола IGMP позволяет использовать пропускную способность более рационально. IGMP (Internet Group Management Protocol) - это сетевой протокол взаимодействия клиентов группового вещания и ближайшего к ним маршрутизатора.

В следующем примере, который представлен на схеме ниже, применяется технология multicast. ПК1 и ПК2 получают изображение с Камеры 1, но, в отличие от предыдущего примера, трафик вещания распространяется как групповой. Таким образом, на участке от Камеры 1 до Коммутатора 1 передаётся только одна копия трафика. Это обеспечивается за счёт выделения в сети маршрутизатора, который выполняет функции арбитра, распределяя трафик вещания между источниками и потребителями.

Процедура распределения группового трафика выглядит следующим образом:

Этап 1: пользователь запускает программу для просмотра камер видеонаблюдения на ПК1, ПК1 формирует сообщение IGMP Membership Report и передаёт его Маршрутизатору 1.

Этап 2: Маршрутизатор 1, получив сообщение IGMP Membership Report, включает интерфейс, на который получено сообщение, в список групповой рассылки. Трафик группового вещания будет передаваться через интерфейсы из этого списка.

Этап 3: Маршрутизатор 1 обрабатывает трафик от источника группового вещания и передаёт их через сформированный список интерфейсов получателям.

Этап 3а: если пользователь запускает программу для просмотра камер видеонаблюдения на ПК2, то ПК2 формирует и передаёт IGMP Membership Report Маршрутизатору 1. Т.к. ПК1 и ПК2 подключены к одному интерфейсу Маршрутизатора 1, то этот интерфейс не будет продублирован в списке интерфейсов для группового вещания.

Этап 4: Маршрутизатор 1 периодически формирует сообщения IGMP Query, проверяя наличие активных получателей группового трафика в сегменте. Маршрутизатор 1 будет продолжать передачу группового вещания в сегмент до тех пор, пока будет получать ответы на сформированные сообщения.

Этап 4а: пользовательское устройство может досрочно отказаться от получения трафика группового вещания, отправив Маршрутизатору 1 сообщение IGMP Leave.

Таким образом, в сегмент сети передаётся только одна копия трафика группового вещания. Устройство, которое выполняет функции арбитра, в терминологии multicast-сетей называется IGMP Querier. В сегменте сети активен только один маршрутизатор с ролью IGMP Querier. Даже если, существует два маршрутизатора, настроенных для перенаправления группового трафика в один сегмент сети, один из них будет активен, а второй находиться в резерве.

Недостаток применения механизма группового вещания - повышение сложности управления сетью, т.к. сеть теперь должна рассматриваться в двух плоскостях: как unicast и как multicast. Таким образом, пакеты unicast и muticast будут распространяться в сети одновременно, т.е. логически маршрутизатор будет разделён на две части: первая часть занимается обработкой unicast-пакетов, вторая - multicast, причём для каждой из логических составляющих будет формироваться своя таблица маршрутизации.

Использование IGMP-snooping

Ещё один из недостатков рассмотренной схемы проявится, если усложнить схему, подключив к Коммутатору 1 другой коммутатор (см. рисунок).

Пусть задача совпадает с предыдущим пунктом: ПК1 и ПК2 должны получать поток вещания Камеры 1. При этом ПК3 и ПК4 не должны получать этот трафик.

Алгоритм распространения трафика выглядит следующим образом:

Этап 1: Камера 1 передаёт трафик вещания через радиосеть к Маршрутизатору 1.

Этап 2: Таблица маршрутизации группового трафика формируется с помощью запросов и ответов потребителей. Поскольку ПК1 и ПК2 являются потребителями потока вещания Камеры 1, то они формируют ответы на запросы Маршрутизатора 1, и в таблицу маршрутизации Маршрутизатора 1 добавляется запись о необходимости передачи трафика вещания Камеры 1 через интерфейс, к которому подключен Коммутатор 1.

Этап 3: Маршрутизатор 1, руководствуясь таблицей маршрутизации группового трафика, передаёт данные вещания Коммутатору 1.

Этап 4: Коммутатор 1, получив кадр группового вещания, направляет его во все порты, кроме того, через который он получен. Обработка кадра группового вещания коммутатором выполняется аналогично широковещательному кадру.

Этап 4а: Групповой поток вещания передаётся Коммутатору 2, ПК1 и ПК2.

Этап 5: Коммутатор 2, получив кадр группового вещания, направляет его во все порты, кроме того, через который он получен.

Этап 5а: Групповой поток вещания передаётся ПК3 и ПК4.

Механизм, который позволяет L2-устройствам управлять потоками группового вещания, называется IGMP snooping. Устройство, на котором активирован IGMP snooping наблюдает за обменом служебными сообщениями протокола IGMP между маршрутизатором и потребителями. Анализ служебных сообщений позволяет устройству назначить роли портам:

• Member ports - порты, к которым подключены потребители. Потребители могут быть подключены не напрямую, а через промежуточные устройства.
• Router port - порт, к которому подключен маршрутизатор группового трафика. Маршрутизатор может быть подключен не напрямую, а через промежуточные устройства.

Роли портов фиксируются для каждого из групповых потоков. Это позволяет передавать multicast-трафик только между потребителями и источниками.

Использование IGMP snooping в радиосети

В предыдущих уроках была рассмотрена концепция групп коммутации, используемая на оборудовании "Инфинет". Использование коммутационных групп позволяет рассматривать радиосеть, как единый коммутатор, т.е. методы обработки трафика группового вещания группами коммутации радиоустройств будут аналогичны методам в обычном коммутаторе. Этот факт позволяет говорить ещё об одном недостатке рассматриваемой схемы - в случае использования одинаковых групп коммутации на абонентских устройствах, поток вещания будет дублироваться (см. рисунок). Поток вещания Камеры 1 будет отправлен как в проводной сегмент сети Маршрутизатору 1, так и в беспроводном сегменте другим абонентским устройствам, на которых настроена группа коммутации с таким же номером.

Активация механизма IGMP snooping на секторе БС позволит решить эту проблему. Аналогично работе устройства, описанной в предыдущем разделе, сектор БС анализирует служебный трафик группового вещания и назначает соответствующие роли интерфейсам группы коммутации. Это позволяет не дублировать трафик вещания Камеры 1 в направлении Камеры 2, передавая его только Маршрутизатору 1.

Настройка IGMP snooping на БС выполняется в следующей последовательности:

Этап 1: на устройствах семейств InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2 необходимо включить Polling или использовать ПО с поддержкой TDMA. Это позволит снизить джиттер и, как следствие, потери пакетов, что является важной характеристикой качества канала связи при групповом вещании.

Этап 2:  перейдите в меню "Основные настройки → Коммутатор (MAC switch)". Активируйте поддержку IGMP в группе коммутации, через которую будет передаваться multicast-трафик, поставив галочку в соответствующем разделе.

Этап 3: перейдите в меню "Основные настройки → Коммутатор (MAC switch) → IGMP Snooping" и активируйте опцию "Router Port Forwarding" для нужной группы.