Multicast: Mehr­punkt­ver­bin­dun­gen für ef­fi­zi­en­te Da­ten­über­tra­gung

Für die Radio- und Fern­seh­über­tra­gung spielt es keine Rolle, wie viele Nutzer zu­ge­schal­tet sind und das Angebot in Anspruch nehmen. Bei der Über­tra­gung von Nach­rich­ten in IP-Netz­wer­ken sieht dies gänzlich anders aus: Sollen bei­spiels­wei­se mehrere ver­schie­de­ne User auf einen Live­stream zugreifen können, würde die stan­dard­mä­ßig an­ge­wen­de­te Unicast-Kom­mu­ni­ka­ti­on via IP vor­aus­set­zen, dass die sendende Station die ent­spre­chen­den Pakete separat an jeden Adres­sa­ten sendet. Da dies die zur Verfügung stehende Band­brei­te innerhalb kürzester Zeit auslasten würde, hat man schon früh die Routing-Technik Multicast (auch: IP-Multicast) ent­wi­ckelt und im­ple­men­tiert. Diese er­mög­licht es einem Sender, IP-Da­ten­strö­me in einem einzelnen Schritt an viele Empfänger gleich­zei­tig aus­zu­lie­fern.

Das Internet Protocol ist das Stan­dard­pro­to­koll für die Kom­mu­ni­ka­ti­on in Com­pu­ter­netz­wer­ken. Ob Internet oder lokales Netzwerk – der Versand elek­tro­ni­scher Nach­rich­ten mithilfe von IP-Adressen usw. ist aus der modernen Netzwelt nicht weg­zu­den­ken. Der stan­dard­mä­ßig genutzte Pro­to­koll­stack TCP/IP hält eine Reihe von Pro­to­kol­len und Methoden bereit, die die un­ter­schied­lichs­ten An­for­de­run­gen abdecken.

Eine ele­men­ta­re Rolle nehmen dabei z. B. die ver­füg­ba­ren Kom­mu­ni­ka­ti­ons­for­men ein, von denen dem so­ge­nann­ten Mul­ti­cas­ting ins­be­son­de­re in jüngster Zeit eine immer höhere Bedeutung zukommt. Dieses Konzept, das auch als IP-Mul­ti­cas­ting bekannt ist, er­mög­licht die Über­tra­gung von einem Punkt zu mehreren Emp­fän­gern. Aus diesem Grund be­zeich­net man Multicast-Ver­bin­dun­gen auch als Punkt-zu-Mehrpunkt-Ver­bin­dung.

Mit der Mög­lich­keit, einen einzigen Da­ten­strom an mehrere Adres­sa­ten zu schicken, grenzt sich Mul­ti­cas­ting klar von der stan­dard­mä­ßi­gen Unicast-Über­tra­gung ab, bei der IP-Pakete via Di­rekt­ver­bin­dung zwischen den kom­mu­ni­zie­ren­den Systemen über­mit­telt werden. Von dem sehr ähnlichen Broad­cas­ting un­ter­schei­det sich IP-Mul­ti­cas­ting da­hin­ge­hend, dass die Da­ten­strö­me nicht an alle Teil­neh­mer im Netzwerk gesendet werden, sondern nur an solche, die sich zuvor beim Sender an­ge­mel­det haben und somit Teil der ent­spre­chen­den Multicast-Gruppe sind. Über eine zu­ge­ord­ne­te Multicast-Adresse kann der Sender die Gruppe dann gleich­zei­tig mit dem je­wei­li­gen Da­ten­strom versorgen. In der Internet-Protocol-Version IPv4 ist hierfür der Adress­be­reich zwischen 224.0.0.0 und 239.255.255.255 re­ser­viert, während für Multicast-Adressen in IPv6 der Beginn FF00::/8 vor­ge­se­hen ist.

Die zuvor an­ge­spro­che­ne Gruppen-Adres­sie­rung ist eine der ent­schei­den­den Ei­gen­schaf­ten von IP-Mul­ti­cas­ting und als solche elementar für die Funk­ti­ons­wei­se des Kom­mu­ni­ka­ti­ons­kon­zepts. Dabei gibt es sei­ner­seits die Mög­lich­keit einer sta­ti­schen Adres­sie­rung, bei der bei­spiels­wei­se eine Ver­bin­dung zu einem Multicast-Server aufgebaut wird, der den ent­spre­chen­den Service anbietet. An­de­rer­seits können Multicast-Adressen auch dynamisch bezogen werden, da die da­hin­ter­ste­cken­den Multicast-Gruppen nicht dauerhaft exis­tie­ren müssen. Auf diese Weise lassen sich auch private Gruppen pro­blem­los erstellen und ebenso leicht wieder auflösen. Un­ab­hän­gig davon, ob die Adress­zu­tei­lung statisch oder dynamisch statt­fin­det, ist in IP-Netz­wer­ken der bereits vor­ge­stell­te Adress­be­reich 224.0.0.0 bis 239.255.255.255 (bzw. FF00::/8), der auch als Class-D-Adress­raum be­zeich­net wird, für diese re­ser­viert.

Der Beitritt in IP-Multicast-Gruppen wird stan­dard­mä­ßig durch die ein­ge­bun­de­nen Netz­werk­rou­ter und das Internet Group Ma­nage­ment Protocol (IGMP) geregelt. Hierfür stellt das Protokoll, das Mitglied der In­ter­net­pro­to­koll­fa­mi­lie ist, ver­schie­de­ne Nach­rich­ten­ty­pen zur Verfügung, mit denen Hosts den lokalen Router über den Bei­tritts­wunsch in­for­mie­ren und Router die ent­spre­chen­den IP-Multicast-Da­ten­strö­me beziehen und wei­ter­lei­ten können. Aus­gangs­punkt der IGMP-Kom­mu­ni­ka­ti­on ist dabei immer der Router, über den der Multicast-Sender mit dem Netzwerk verbunden ist. Der Sender selbst leitet die Pakete eines Da­ten­stroms nur ein einziges Mal weiter, wobei er die Adresse der Multicast-Gruppe als Emp­fän­ger­adres­se angibt. Wie viele End­sta­tio­nen er damit erreicht, erfährt er nicht.

Das Routing, also den Transport der Multicast-Pakete über die einzelnen Router und Netzwerke hinweg, regeln beim Mul­ti­cas­ting spezielle Routing-Pro­to­kol­le. Diese arbeiten mit ver­schie­de­nen Al­go­rith­men, um den Da­ten­strom möglichst effizient und schnell an die alle Mit­glie­der der ent­spre­chen­den Multicast-Gruppe wei­ter­zu­lei­ten. Ein Stan­dard­pro­to­koll gibt es dabei nicht, da die exis­tie­ren­den Pro­to­kol­le jeweils für andere Aufgaben kon­zi­piert wurden. So haben einige Vertreter ihre Stärken, wenn die Grup­pen­mit­glie­der nahe bei­ein­an­der liegen, während andere wiederum dann im Vorteil sind, wenn die Empfänger möglichst weit von­ein­an­der entfernt sind. Zudem exis­tie­ren ver­schie­de­ne Routing-Al­go­rith­men, wobei sich ins­be­son­de­re Reverse Path For­war­ding (RPF) und Truncated Reverse Path For­war­ding (TRPF) etabliert haben.

Reverse Path For­war­ding ist eine Methode, die eine kreis­freie Wei­ter­lei­tung von IP-Mul­ti­cas­ting-Paketen ge­währ­leis­tet, bei der kein Host mehrfach besucht wird. Ent­schei­dend für die Wei­ter­sen­dung des Da­ten­stroms sind dabei dessen Quell­adres­se sowie die zuvor im Netzwerk passierte Schnitt­stel­le. Sobald ein Multicast-Paket die Schnitt­stel­le eines Routers erreicht, gleicht dieser beides mit einer Routing-Tabelle ab, die zuvor entweder au­to­ma­tisch per Broadcast ermittelt oder manuell kon­fi­gu­riert wurde. Gibt es einen Eintrag für die Quell­adres­se, der die zuvor passierte Schnitt­stel­le bestätigt, ist der RPF-Check er­folg­reich und der Router leitet den Multicast-Strom an alle anderen ver­füg­ba­ren Schnitt­stel­len weiter. An­dern­falls verwirft er die Pakete.

RPF überprüft also rück­wärts­ge­rich­tet den Weg der Pakete. Um Router auf dem kürzesten Weg mit­ein­an­der zu verbinden, kommen zudem Unicast-Rou­ting­ver­fah­ren zum Einsatz. Das Routing-Konstrukt wird auch als Multicast-Baum be­zeich­net, wobei der Sender bzw. dessen Router die Wurzel, also den Aus­gangs­punkt, darstellt.

Beim Truncated Reverse Path For­war­ding handelt es sich um eine Er­wei­te­rung des RPF-Konzepts, bei der die Multicast-Pakete lediglich an Router wei­ter­ge­lei­tet werden, die min­des­tens ein Mitglied der Multicast-Gruppe bedienen. Zunächst findet die normale, rück­wärts­ge­rich­te­te Über­prü­fung von Quell­adres­se und Emp­fangs­schnitt­stel­le statt. Im Anschluss überprüft TRPF der Reihe nach die nächst­mög­li­chen Schnitt­stel­len und ent­schei­det dann, welche Stellen bedient werden. Das ent­schei­den­de Kriterium ist dabei, ob eine Schnitt­stel­le Hosts be­her­bergt, die für die Multicast-Gruppe ein­ge­tra­gen sind, an die sich der emp­fan­ge­ne Da­ten­strom richtet. Ist dies der Fall, werden die Pakete wei­ter­ge­lei­tet, an­dern­falls nicht.

Für IP-Mul­ti­cas­ting gibt es kein Standard-Routing-Protokoll. Hin­ter­grund sind der erwähnte Ver­tei­lungs­ra­di­us sowie die Anzahl der Emp­fän­ger­sta­tio­nen, die maß­geb­li­chen Einfluss auf die er­for­der­li­che Pro­to­koll­ba­sis haben. Grob un­ter­schei­det man daher die zwei Ansätze „Dense-Mode“ (Empfänger liegen „dicht“ an­ein­an­der) und „Sparse-Mode“ (Empfänger sind weit „zerstreut“). Al­ler­dings un­ter­schei­den sich die Pro­to­kol­le auch in anderen Punkten wie die in den folgenden Ab­schnit­ten vor­ge­stell­ten Vertreter DVMRP, MOSPF und PIM deutlich machen.

Das Distance Vector Multicast Routing Protocol, kurz DVMRP, wurde 1988 in RFC 1075 als ex­pe­ri­men­tel­le Lösung für das Routing von Multicast-Paketen in IP-Netzen vor­ge­stellt. DVMRP wurde von einer Ar­beits­grup­pe der Stanford Uni­ver­si­ty ent­wi­ckelt, wobei RIP (Routing Infor­ma­ti­on Protocol), ein Unicast-Routing-Protokoll auf Basis des Di­stanz­vek­to­r­al­go­rith­mus, als Grundlage diente.

Für die effektive Be­rech­nung der Pa­ket­rou­ten im­ple­men­tier­te das Team die Reverse-Path-For­war­ding-Technik. Auf deren Basis erstellt ein Multicast-Router au­to­ma­tisch eine eigene Routing-Tabelle, in der er für alle anderen Router des Netzwerks einen so­ge­nann­ten Di­stanz­vek­tor speichert. Ein solcher Eintrag enthält Angaben über die Kosten, die mit der Da­ten­über­tra­gung zum je­wei­li­gen Router verknüpft sind (z. B. Über­tra­gungs­ver­zö­ge­rung oder Anzahl der Zwi­schen­sta­tio­nen), sowie Angaben darüber, an welchen be­nach­bar­ten Router das Paket wei­ter­ge­ge­ben werden muss, um diesen Ziel­rou­ter zu erreichen. Als Nach­rich­ten­pro­to­koll für den Austausch zwischen den ver­schie­de­nen Routern kommt IGMP zum Einsatz.

Bei Multicast Open Shortest Path First (MOSPF) handelt es sich um eine Er­wei­te­rung des Rou­ting­pro­to­kolls OSPF, die das Multicast-Routing innerhalb eines OSPF-basierten Netzwerks er­mög­licht. So verwaltet jeder Router eine komplette Datenbank der gesamten Netz­to­po­lo­gie (Anordnung der Geräte und Leitungen), die dank neuer „Group-Mem­ber­ship“-LSA (Nach­rich­ten mit In­for­ma­tio­nen über die Grup­pen­mit­glied­schaft) auch Einträge über den Standort aller Teil­neh­mer einer IP-Multicast-Gruppe enthalten kann. Die Fest­stel­lung der Mit­glied­schaf­ten gelingt durch die Router, die hierfür auf IGMP-Nach­rich­ten zu­rück­grei­fen. Ausgehend von dem Router, hinter dem sich der Multicast-Sender befindet, kann also pro­blem­los eine Baum­struk­tur erzeugt werden, die den jeweils kürzesten Paketweg ausweist.

Protocol In­de­pen­dent Multicast (PIM) ist eine Routing-Pro­to­koll­fa­mi­lie, die keinen eigenen Me­cha­nis­mus zum Erstellen von Routing-Tabellen be­reit­stellt. Hierfür greift PIM auf die In­for­ma­tio­nen zurück, die von den im Netzwerk aktiven Unicast-Routing-Pro­to­kol­len beschafft werden. Es spielt keine Rolle, um welches Protokoll es sich handelt, weshalb sich Protocol In­de­pen­dent Multicast sowohl in Netzen mit hoher als auch in Netzen mit niedriger Teil­neh­mer­dich­te einsetzen lässt. Zum Einsatz kommen dabei die beiden eingangs erwähnten Modi Dense-Mode (PIM-DM) und Sparse-Mode (PIM-SM).

In ersterem werden die Multicast-Da­ten­strö­me an alle Netz­werk­rou­ter gesendet, bis diese sich (aufgrund fehlender Grup­pen­mit­glie­der) vom Multicast-Baum abmelden. Im Gegensatz dazu dient im Sparse-Mode ein so­ge­nann­ter Ren­dez­vous-Punkt-Router als Schalt­zen­tra­le für das Handling der Multicast-Ver­bin­dun­gen. Dieser nimmt Multicast-Ver­öf­fent­li­chun­gen entgegen und leitet die Pakete an alle an­fra­gen­den Router weiter, in deren Teil­net­zen sich min­des­tens ein Teil­neh­mer der Multicast-Gruppe befindet.

Da Broad­casts immer an alle Endpunkte gerichtet sind, bedarf es außerdem keines aus­ge­wei­te­ten Adress­be­reichs, wie es bei Multicast der Fall ist. Ein ge­wöhn­li­cher Broadcast hat daher immer die Ziel-IP-Adresse 255.255.255.255, die für das Verfahren re­ser­viert wurde. Optional sind direkte Broad­casts (auch lokale Broad­casts genannt) unter der Angabe der Sub­netz­mas­ke möglich. Broad­cas­ting hat seine Vorteile, wenn Emp­fän­ger­adres­sen unbekannt sind – bei­spiels­wei­se bei der Datei- und Dru­cker­frei­ga­be in Netz­wer­ken oder bei der Vergabe von IP-Adressen via DHCP. Im Vergleich zu Mul­ti­cas­ting erfordert das Verfahren aber we­sent­lich mehr Res­sour­cen, wobei überdies ein Teil der Band­brei­te ver­schwen­det wird.