Institut de Gnie Appliqu 4me Anne Ingnierie Systmes et Rseaux informatiques 2010 / 2011
LA TECHNOLOGIE MULTICAST
Ralis Par : -Mlle Taji Meryem -Mlle Tsila Meryem -Mlle Benbrahim Ghita -Mr Harif rachid
Encadr par : - Mr.KAMOUN
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Remerciements Plus par lan de reconnaissance et de gratitude que par conformit la traditionnelle que nous consacrons cette page nos remerciements Nos premiers mots de remerciements seront lgard de notre encadrant M. KAMOUN pour ses conseils, ses instructions et ses prcieuses directives, qui ont permis le bon droulement et la mise en uvre de notre mini projet. On voudrait aussi, remercier vivement lensemble du corps administratif et professoral qui a contribu notre formation au sein de lcole et qui a toujours veill au bon droulement des tudes dans des conditions favorables permettant une formation de haute qualit. Bref, On adresse nos chaleureux remerciements et nos meilleurs respect a toutes les personnes qui nous ont volontairement aids en sacrifiant une grande partie de leur temps au bnfice de nos questions. Encore une fois merci.
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SommaireRemerciements.........2 Introduction....4 1. Architecture dun model multicast..................................................................................6 La transmission unicast et multicast......................................................6 Historique.........6 2. ADRESSAGE EN MULTICAST.......7 2.1 Concept de groupe multicast.........7 2.2 Addresses multicast IP.........8 2.2.1 Addresses multicast IPV4.......8 2.2.2 Addresses multicast IPV6.........8 3. Protocole de gestion de groupe Multicast : IGMP...9 3.1 Protocole IGMP V1........10 3.2 Protocole IGMP V2.....10 3.3 Protocole IGMP V3.....10 4. Protocoles de routage multicast..11 4.1 DVMRP.12 4.2 PIM DENSE-MODE..13 4.3 PIM SPARSE-MODE13 Conclusion...14 Bibliographie.. ..15
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INTRODUCTION Dans les rseaux IP, les paquets sont gnralement achemins dune seule source vers un seul rcepteur de proche en proche par des routeurs. Ce type de transmission, appel mode unicast IP, a prouv son efficacit pour des transmissions point point. Cependant, certaines applications (diffusion de contenu audio/vido, etc.) ncessitent que des paquets IP soient dlivrs de multiples destinations. Une solution consiste ce que ces applications envoient une copie de chaque paquet chaque destinataire en mode unicast. Cependant, lorsque le nombre de rcepteurs est important, cette solution atteint ses limites du fait que la source doit maintenir jour une liste complte des rcepteurs et quune mme donne est transporte plusieurs fois sur les mmes liens. Cette approche ncessite ainsi des ressources de bande passante supplmentaires sur le rseau et engendre donc des cots dinfrastructure plus levs (cest dautant moins efficace lorsque les rseaux de transport, tels quEthernet, supportent nativement des transmissions point multipoint). Il est alors bien plus efficace que les donnes soient transmises de multiples destinations en utilisant le mode de transmission IP multicast, nomm plus simplement multicast IP. Contrairement au mode unicast IP, le multicast IP (spcialement dfini pour le support des services de diffusion IP) fournit une mthode efficace pour le transport des communications multipoint multipoint. Le multicast IP est un mode de diffusion slectif permettant une source dmettre une seule copie de son trafic destination de plusieurs rcepteurs. Cest le rseau IP qui est alors charg de rpliquer de faon optimale le trafic au plus prs des rcepteurs en crant des arbres de distribution multicast. Les routeurs multicast sont chargs de rpliquer les paquets de donnes aux nuds des arbres de distribution, cest-dire aux endroits o le chemin vers les destinataires diverge. Le multicast IP est de plus en plus dploy, la fois dans lInternet et dans les rseaux privs, pour fournir des services de diffusion de contenu multimdia ncessitant de diffuser des donnes de faon simultane un ensemble dabonns. Par exemple, le multicast IP convient tout particulirement pour la transmission de programmes radiophoniques, tlviss, pour la diffusion vnementielle (concerts, confrences), pour la fourniture de cours distance (tlenseignement ou tlformation), pour la distribution dinformations des communauts diverses (dpches de presse, cours de bourse, ...). Le multicast IP permet donc dconomiser dans un rseau IP de prcieuses ressources de bande passante et de capacits rseaux. Il allge aussi la charge des applications de diffusion qui nont plus mettre autant de copies du programme diffuser quelles ont de destinataires. Pour loprateur rseau, la mise en uvre du multicast IP offre des perspectives doptimisation de lutilisation des ressources de transmission et de commutation du rseau. Pour les fournisseurs de services, cela permettra de toucher un large public, sensible la qualit de service. Des protocoles trs diffrents doivent tre activs dans un rseau IP pour mettre en uvre un service de diffusion multicast. Ils concernent des domaines aussi divers que lallocation dadresses multicast, la souscription/rsiliation des groupes, la signalisation et le routage multicast. Cette varit protocolaire rend parfois difficile la comprhension du fonctionnement de tous ces protocoles et leurs interactions.
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La transmission unicast et multicast Quest-ce que la diffusion (Unicast) ?
Quest-ce que la diffusion de groupe (multicast) ?
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Un peu dhistoire Au dbut des annes 1990, les tous premiers routeurs ont commenc apparatre. Souvent exprimentaux et capables dacheminer le trafic multicast IP, la plupart des routeurs des rseaux IP ntaient cependant pas capables de traiter des flux multicast. Pour tre achemins, les paquets multicast devaient tre encapsuls dans des paquets unicast et mis dans des tunnels tablis entre des routeurs implantant des fonctions de traitement multicast. Ainsi, lorsquils arrivaient sur un routeur multicast, les paquets unicast taient dcapsuls et lon retrouvait de nouveau les paquets multicast dorigine. Cet ensemble de rseaux multicast non contigus et interconnects par des tunnels multicast a donn naissance au Multicast Backbone ou MBONE, le rseau mondial multicast. la fin des annes 1990, les premiers FAI ont commenc remplacer ces tunnels et mettre en uvre du routage multicast natif. Aujourdhui, bien quil existe un ensemble de protocoles de routage multicast matures et disponibles dans la quasi-intgralit des routeurs du commerce, il faut bien reconnatre que les rseaux multicast IP ne sont pas aussi largement dploys que les rseaux unicast IP. Pour sen convaincre, il suffit de comptabiliser le nombre de Systmes Autonomes (AS) de lInternet qui ont dploy le multicast. Alors quil existe actuellement plus de 17 000 AS dans lInternet, seulement 485 AS activent un routage multicast. Nanmoins, le nombre dAS supportant le multicast est en constante augmentation au cours de ces dernires annes. Cest dune part la preuve dune demande grandissante de la part des clients des oprateurs rseaux pour des services de diffusion multicast, et dautre part que le multicast devient un business case conomiquement viable et attrayant pour les fournisseurs de services, notamment pour le transport de flux TV ou vido. Le mode de transmission multicast peut tre implant la fois au niveau de la couche liaison de donnes (niveau 2 du modle OSI) et au niveau de la couche rseau (niveau 3 du modle OSI). Si la porte dune application est limite un seul rseau LAN, il est suffisant de mettre en uvre le multicast au niveau de la couche liaison de donnes. Cependant, lintrt de beaucoup dapplications multipoint est prcisment de ne pas tre limit un seul rseau LAN, et dans ce cas, il est ncessaire de mettre en uvre le multicast au niveau de la couche rseau IP. Afin de supporter des communications de groupe, trois mcanismes distincts doivent tre dfinis et mis en uvre au niveau de la couche rseau. Adressage : il doit y avoir une adresse multicast IP permettant de communiquer avec un groupe de rcepteurs plutt quavec un seul rcepteur. Cette adresse doit permettre didentifier un ensemble de destinataires faisant partie dun groupe spcifique. De plus, il doit y avoir un mcanisme pour associer cette adresse multicast IP ladresse multicast de la couche liaison de donnes quand elle existe. Enregistrement dynamique : il doit exister un mcanisme permettant des terminaux de joindre ou de quitter une communication de groupe. Sans cela, le rseau ne peut pas savoir quels sous-rseaux ont besoin de recevoir le trafic dun groupe en particulier.
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Figure 1 - Illustration dun arbre de distribution multicast Routage multicast : le rseau doit tre capable de calculer et de construire des arbres de distribution multicast des destinataires permettant des sources denvoyer des paquets vers tous les rcepteurs. Ces arbres de distribution permettent dassurer que : le trafic multicast atteint tous les destinataires qui ont joint le groupe multicast ; le trafic multicast nest pas transmis vers des rseaux o il ny a pas de rcepteurs (sauf si cest un rseau de transit permettant datteindre dautres destinataires) ; une seule copie dun mme paquet est transmise sur un lien rseau donn, mme sil y a de multiples destinataires connects ce lien ; une source de trafic na pas rpliquer de paquets et envoie une seule copie de chaque paquet de donne destination de multiples rcepteurs. Exemple La figure 1 illustre la topologie dun seul groupe multicast et le processus de diffusion du trafic sur larbre de distribution multicast associ. La source de trafic envoie une seule copie des donnes multicast qui sont alors rpliques par les routeurs multicast de manire atteindre tous les terminaux membres du groupe (R1, R2, R3 et R4 dans cet exemple). 2. ADRESSAGE EN MULTICAST 2.1 Concept de groupe multicast Le multicast IP est bas sur la notion de groupe. Un groupe multicast identifie un ensemble de rcepteurs qui manifestent leur intrt recevoir un flux de donnes particulier. Ce groupe na pas de limite : physique ou gographique : les terminaux multicast peuvent tre localiss sur nimporte quel rseau de lInternet ; numrique : la taille dun groupe multicast peut varier dun seul terminal tous les terminaux du rseau multicast IP. Les terminaux intresss par la rception du trafic doivent joindre le groupe en utilisant le protocole IGMP (Internet Group Management Protocol ) sil sagit de terminaux IPv4, ou le 7
protocole MLD (Multicast Listener Discovery ) sil sagit de terminaux IPv6. En effet, un terminal doit tre membre dun groupe pour recevoir un flux multicast donn. En revanche, une source na pas besoin dtre elle-mme membre dun groupe pour mettre du trafic. 2.2 Adresses multicast IP Une adresse multicast est aussi appele adresse de groupe. Les adresses multicast dsignent un groupe arbitraire de terminaux IP qui ont joint le groupe de diffusion afin de recevoir le trafic mis sur ce groupe. Deux types dadresses de groupes existent : les adresses permanentes et les adresses temporaires. Une source de trafic envoie des donnes destination dun groupe multicast en mettant simplement ladresse du groupe multicast dans le champ adresse IP destination des datagrammes. 2.2.1 Adresses multicast IPv4 LIANA (Internet Assigned Numbers Authority ) est lorganisme qui contrle au niveau mondial lallocation dadresses IP multicast. LIANA a assign la plage dadresse de la classe D pour le multicast IP. Cela implique quune adresse IPv4 multicast est comprise entre 224.0.0.0 et 239.255.255.255 (les quatre bits de poids fort valent 1110 en binaire). Cette plage dadresse ne concerne que ladresse de groupe qui est ladresse destination dun trafic multicast IPv4. Ladresse source dun paquet multicast est toujours une adresse source unicast. Cette plage dadresse a t subdivise en plusieurs domaines en fonction des besoins et caractristiques de ces adresses (adresses statiques, dynamiques, permanentes, temporaires, prives, publiques. 2.2.2 Adresses multicast IPv6 Trois types dadresse ont t dfinis pour IPv6 dans la RFC 2373 : les adresses Unicast, Anycast et Multicast. En revanche, les adresses de Broadcast nexistent pas en IPv6. Ces adresses IPv6 ont une longueur de 16 octets, contre 4 octets seulement pour les adresses IPv4. Les adresses multicast IPv6 sont reconnaissables car elles commencent toutes par le prfixe 1111 1111 ou FF en notation hexadcimale. Le prfixe FF est suivi par les champs Drapeaux (Flags) et Porte (Scope), qui sont tous les deux cods sur 4 bits. Le champ Porte, qui permet de dfinir et de limiter la porte de diffusion dun paquet multicast, est semblable au champ TTL dIPv4 ( la diffrence prs que le champ Porte est inclus dans ladresse de groupe IPv6 alors que le champ TTL fait partie de len-tte IP dun paquet IPv4). 15 valeurs de porte, de 0 F en hexadcimal, sont possibles avec une adresse de groupe IPv6, mme si elles ne sont pas toutes utilises. Deux formats dadresse multicast IPv6 ont t dfinis et se distinguent par la valeur du bit P du champ Drapeau. Ils sont illustrs la figure 2.
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Figure 2 - Formats des adresses multicast IPv6 Le bit T du champ Drapeau indique si ladresse multicast est permanente ou transitoire. Le premier format, caractris par le bit P gal 0, est le format standard o les 14 derniers octets de ladresse IPv6 sont disponibles pour identifier le groupe multicast. Le second format, caractris par le bit P gal 1, indique quun prfixe de rseau unicast est inclus dans une partie de ladresse de groupe multicast. Ce mcanisme, qui a t dfini dans la RFC 3306, permet dinclure le prfixe unicast du rseau de la source de trafic multicast, et de crer ainsi une adresse de groupe IPv6 globalement unique. Les paragraphes suivants classifient les adresses multicast IPv6 en deux grandes familles. Ce sont dune part les adresses permanentes qui servent au fonctionnement des protocoles rseau (tels que les protocoles de routage, de dcouverte ou de maintenance de topologie au sein dun rseau local), et dautre part les adresses dynamiques qui servent la diffusion de flux multicast. 3. Protocole de gestion de groupe multicast : IGMP Le mcanisme d'adhsion et de dpart d'un groupe est gr par le protocole IGMP (Internet Group Management Protocol). Il existe l'heure actuelle trois versions. IGMP est essentiellement un protocole de signalisation. Il doit informer les routeurs si il existe Un ou des rcepteurs d'un groupe derrire chacune de leurs interfaces. Il est bon de noter que IGMP Ne fournit ni l'identit, ni le nombre de destinataires d'un groupe G prsents derrire une interface. La Seule information pertinente qu'il apporte, c'est qu'il y en a au moins un, et que par consquent le Paquet doit tre transmis sur cette interface. L'adhsion d'un hte un groupe G dclenche deux actions : Une demande au systme pour qu'il accepte les paquets destination de l'adresse multicast du Groupe G, Lenvoi d'un message IGMP sur le rseau pour qu'un routeur multicast voisin prenne en compte la Demande du nouvel hte. Nous allons voir dans la suite de ce chapitre les trois versions de IGMP, leurs diffrences. 3..1.1 IGMPv1 Cette version n'implmente que 2 messages : IGMP Query : cest un message de requte envoy rgulirement par le routeur l'adresse 224.0.0.1, qui est une adresse affecte aux machines "parlant" IGMP. Ce message permet au Routeur de vrifier qu'il existe encore au moins un destinataire du groupe G derrire son interface. 9
IGMP Report : Cest un message envoy par les htes, soit pour rpondre un message IGMP Query, soit spontanment pour souscrire un groupe. En plus de ces deux messages, le protocole dcrit deux mcanismes : Une attente d'un temps alatoire : ce qui permet d'viter des rponse en rafale et donc causer des Congestions et des pertes de paquets potentiellement plus importants. Une dtection de message de rapport. Si pendant l'attente (dcrite plus haut) un hte reoit un Message IGMP Report Pour son groupe, il annule son envoi. En effet il devient inutile puisque le Routeur n'a besoin que de savoir qu'il existe au moins un rcepteur intress par le groupe G Derrire une de ses interfaces. Si le routeur ne reoit aucun message IGMP Report aprs plusieurs requtes, il considre qu'il n'y a Plus de destinataires du groupe G sur cette interface. Cette version prsente deux dfauts majeurs. Le premier est qu'un hte ne peut pas filtrer les sources. N'importe qui peut mettre sans restriction sur un groupe. Il n'est mme pas ncessaire d'en faire Partie. Ceci peut tre considrer comme un dfaut de scurit puis qu'il est possible en thorie de 3.1.2 IGMPv2 Cette version apporte deux nouveaux messages : GroupSpecific Query qui permet de s'adresser un groupe en particulier, LeaveGroup Message, un message demandant le dpart d'un groupe. Ainsi lorsqu'un hte veut quitter un groupe, il envoie un message Leave Group, puis le routeur Interroge ce groupe (message GroupSpecific Query) Pour s'assurer qu'il existe encore ou non un Destinataire pour ce groupe. Ce mcanisme permet au routeur de dtecter plus rapidement un groupe Localement vide, et donc ne pas transmettre inutilement des donnes. IGMPv2 apporte aussi le rle d'Interrogateur (Querier) ou routeur dsign (DR). Le routeur Interrogateur, est celui qui a la plus petite adresse. Le procd d'lection est simple. Chaque routeur Considre qu'il est interrogateur, jusqu' ce qu'il reoive un paquet un autre routeur ayant une plus Petite adresse. 3.1.3 IGMPv3 IGMPv3 corrige le deuxime dfaut de la premire version, en implmentant le filtrage de Source. Deux modes de slection sont dfinis. Le Mode inclusif o l'hte donne une liste des sources Desquelles il accepte de recevoir des paquets, et le Mode exclusif Dans lequel l'hte donne la liste des Sources qu'il bannit.
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On notera que cette version est plus complexe que les deux prcdentes et s'loigne un peu du modle De Deering, puisqu'il est possible d'interdire une source (alors que le modle de Deering dit que Chacun peut mettre sans restriction n'importe quel groupe). Nanmoins les conomies de bande passante qu'on imagine faire par ce filtrage restent locales dans la Mesure o ces rgles ne sont pas propages. 4. Protocoles de routage multicast : Les routeurs multicast excutent un protocole de routage multicast pour dterminer le chemin qui permettra de transmettre les datagrammes multicast travers le rseau : suivant le protocole utilis, ils tablissent un arbre de distribution pour un groupe donn. La diffrence fondamentale entre une transmission unicast et une transmission multicast est que les paquets multicast ne doivent pas tre retransmis vers la source (risque de tempte de multicast par boucle). Plusieurs protocoles traitent du routage Multicast sur grandes distances . Nousdtaillerons ici DVMRP et PIM
4.1 DVMRP Cette technique construit des arbres de distribution bass sur la source, suivant l'algorithme de RPF (Reverse Path Forwarding)
Lorsqu'un nouveau paquet arrive, DVMRP utilise sa table de routage multicast : si le paquet a t reu sur une interface qui est considr comme le chemin le plus court jusqu` la source, ce paquet est transmis toutes les autres interfaces. Une entre est ajoute dans la table de transmission pour ce couple (S,G). Lorsque des paquets correspondant cette entre (S,G) arrivent, ils sont retransmis sur les interfaces spcifies dans la table (retransmission rapide). A la rception de ce trafic, les routeurs "feuille" peuvent transmettre en amont des messages d'laguage jusqu' la source, s'il n'existe plus de membres abonns au groupe sur leur rseau. Les messages d'laguage permettent de construire un arbre bas sur le plus court chemin jusqu' la source. Si un routeur qui a envoy un message d'laguage pour un couple (S,G) dcouvre qu'il y a de nouveaux membres dans ce groupe sur son rseau, il envoie un message de greffe au routeur voisin (en amont). Ces messages retransmis en cascade jusqu` la source permettent de reconstruire rapidement l'arbre de distribution.
Fonctions d'un routeur DVMRP: Le process DVMRP change priodiquement les mises jour des tables de routage avec ses voisins, indpendamment de tout protocole de routage interne. Pour cela, il utilise une table de routage multicast contenant les prfixes sources et l'adresse du routeur amont, 11
contrairement aux tables de routage unicast (prfixes destination, adresse du routeur suivant). De plus, pour tenir compte des informations de contrle des groupes, il utilise galement une table de transmission base sur les informations contenues dans la table de routage multicast, les groupes connus, et les messages d'laguage reus. Une entre contient un prfixe source, une adresse de groupe, l'interface sur laquelle ce paquet a t reu et les interfaces sur lesquelles ce paquet est retransmis (avec indication ventuelle de pruning) . Cette table reprsente l'interprtation de l'arbre de distribution bas sur la source avec le plus court chemin pour chaque groupe (S, G) Quelques routeurs qui constituent le MBone utilisent encore DVMRP (via mrouted) 4.2 PIM-DM PIM est constitu en fait de 2 protocoles indpendants : PIM-DM (Dense Mode) et PIM-SM (Sparse Mode) PIM signifie Protocol-Independent Multicast parce qu'il ne dpend pas des mcanismes fournis par un protocole particulier de routage unicast. Cependant, toute implmentation de PIM ncessite la prsence d'un protocole de routage unicast pour fournir les informations de la table de routage et s'adapter aux changements de topologie. PIM-DM est architectur pour fonctionner dans un environnement o les membres sont regroups et o il n'y a pas de problme de bande passante. PIM-DM est semblable DVMRP (il utilise l'algorithme de RPF) mais comporte les diffrences essentielles suivantes:
Pour dterminer la route en amont jusqu` la source, PIM-DM s'appuie sur la table de routage unicast existante.En particulier, pour excuter le contrle RPF, il utilise celle-ci pour se localiser par rapport la source. PIM-DM est indpendant des mcanismes de routage unicast spcifique. Au contraire, DVMRP contient un protocole de routage intgr (variante de RIP) qui utilise ses propres changes pour construire sa table de routage. PIM-DM transmet simplement le trafic multicast sur toutes les interfaces en aval jusqu' ce que des des messages explicites d'laguage soient reus, tandis que DVMRP calcule les interfaces pour chaque couple (S,G).
4.3 PIM-SM (Sparse Mode) PIM-SM a t architectur pour fournir des communications efficaces entre les membres de groupes parpills travers le rseau PIM-SM diffre des protocoles en mode dense, de deux manires:
Les routeurs avec des membres adjacents ou en aval, se joignent un arbre de distribution en transmettant des messages "Join Explicit". Si un routeur ne se joint pas un arbre de distribution prdfini, il ne recevra pas de trafic multicast adress au 12
groupe. Au contraire, les protocoles en mode dense supposent que des groupes "aval" existent et transmettent le trafic multicast sur ces liens tant que des messages de contrle explicites d'laguage n'ont pas t reus. PIM-SM utilise le concept de "Rendezvous Point" (RP) : routeur reconnu par tous, racine de l'arbre de diffusion multicast.
Conclusion :Malgr tout les avantages que multicast pourrait apport, on constate qu'il est trs peu implment dans les rseaux et par nous fournisseurs d'accs. Les applications l'utilisant sont donc Peu connues et/ou utilises. le multicast et aussi offre grce ses adresses de 128bits un nombre de groupes plus Acceptable.
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Bibliographie :
http://www.univpau.fr/~cpham/Paper/TutorialDFMApart1.pdf http://www.univpau.fr/~cpham/Paper/TutorialDFMApart2.pdf http://www.univpau.fr/~cpham/Paper/TutorialDFMApart3.pdf [4] MBONE: Multicasting Tomorrow's Internet K. Savetz, N. Randall, and Y. Lepa ge (1996) [5] http://www.jukie.net/~bart/multicast/LinuxMroutedMiniHOWTO.html [6] http://www.routage.org/pimdm1.html [7] Wikipdia http://en.wikipedia.org/wiki/Multicast http://en.wikipedia.org/wiki/IP_Multicast http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_Group_Management_Protocol http://en.wikipedia.org/wiki/MBONE [8] http://www.tldp.org/HOWTO/MulticastHOWTO.html [9] Multicast security (ietf): http://ietf.org/html.charters/mseccharter.html [10] http://ietf.org/internetdrafts/draftietfmsecipsecextensions04.txt (oct 2006).
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