A principal função de qualquer protocolo de roteamento dinâmico é auxiliar os roteadores no processo de encaminhamento dos pacotes com a utilização do melhor caminho para um determinado destino. As informações inseridas na tabela de roteamento incluem principalmente: a rede de destino, a forma de aprendizado da rota e o próximo salto, para endereços de rede unicast.

Entretanto quando um roteador recebe um pacote com endereço IPv4 multicast, ele não consegue encaminhar o pacote utilizando a tabela de roteamento IPv4 unicast pois os endereços multicast não são inseridos na tabela.

Os roteadores podem encaminhar os pacotes multicast somente através dos protocolos de roteamento como o multicast dense-mode e sparse-mode, que se utilizam da tabela de roteamento unicast para encaminhamento do trafego.

Nesse artigo abordaremos o processo dense-mode para encaminhamento de tráfego IPv4 multicast.

Dense-mode

Os protocolos de roteamento multicast dense-mode assumem que um grupo multicast será solicitado em cada sub rede por ao menos um receptor (receiver). O design do dense-mode instrui o roteador para encaminhar o tráfego multicast em todas interfaces configuradas com dense-mode. Há algumas exceções para prevenção de loop, como validar se o endereço de origem do pacote, possui uma rota no roteador para interface que recebeu aquele pacote (RPF) e então nesse caso ele enviaria uma cópia do trafego multicast para todas as interfaces exceto aquela que o pacote foi recebido. 

Os roteadores com dense-mode entendem que todas as sub rede desejam receber uma cópia do tráfego multicast, exceto quando outros roteadores (downstream) não desejam receber o tráfego para aquele grupo ou quando um host diretamente conectado não deseja juntar-se ao grupo multicast. Quando essas condições são encontradas, os roteadores enviam mensagens de poda (prune message) para cessar o tráfego naquele segmento.

Falando do  RPF

Os protocolos de roteamento multicast usam a verificação de encaminhamento inverso (RPF – Reverse Path Forwarding) para garantir a entrega fluxo multicast criando entradas de roteamento multicast com base nas rotas unicast existentes ou rotas multicast estáticas. A verificação de RPF também ajuda a evitar loops de dados. Um fluxo multicast de entrada não será aceito ou encaminhado a menos que o fluxo seja recebido em uma interface de saída para a rota unicast no cabeçalho de origem do pacote.

No exemplo abaixo, o Roteador R4, irá apenas aceitar e encaminhar o fluxo multicast gerado pelo Multicast Sender 10.1.1.1 para o receiver, se recebido pela interface G0/0.

Falando um pouco mais do PIM  Dense-mode…

O protocolo de roteamento multicast PIM (Protocol Independent Multicast) Dense-mode, define uma serie de mensagens e regras para a comunicação eficiente de pacotes multicast; ele atua de forma independente do protocolo de roteamento IPv4 unicast, mas utilizando a tabela de roteamento unicastpara validação RPF. O protocolo PIM simplesmente confia na tabela de roteamento unicast.

O PIM estabelece relacionamento com seus vizinhos utilizando mensagens Hello que são enviadas a cada 30 segundos utilizando o protocolo IP 103 e o endereço 224.0.0.13 (All-PIM-Routers), o holdtimer geralmente é três vezes o tempo do hello. Caso o roteador não receba a mensagem hello durante o holdtime, ele considera a perda de adjacência com o vizinho.

Source-Based Distribution Tree

Quando um roteador PIM-DM recebe um pacote multicast, ele primeiro executa uma validação RPF. Uma vez que a validação confirmada, o roteador encaminha uma cópia do pacote multicast para todos os roteadores vizinhos com PIM-DM, exceto aquele que ele recebeu o pacote. Cada roteador PIM-DM repete todo o processo e inunda a rede com o trafego do grupo multicast, até o ultimo roteador da topologia – que não possui roteadores vizinhos abaixo (downstream).

Todo esse processo é chamado source-based distribution tree, shortest path tree (SPT) ou source tree. O tree (arvore) define o caminho entre source que origina o trafego multicast e o receiver, que recebe uma cópia do trafego multicast. O source é considerado a raiz e as sub redes como galhos e folhas das arvores.

O PIM-DM pode ter diferentes “arvores de distribuição” para cada combinação da origem do grupo multicast, pois o SPT irá se basear na origem e localização dos hosts de cada grupo multicast. A notação (S,G) refere-se a cada particular SPT, onde S é o endereço IP de origem  e G é o endereço do grupo multicast, como por exemplo (192.168.1.10,226.1.1.1).

Fazendo a poda – Prune message

Quando uma sub rede não precisa de uma cópia do trafego multicast o PIM-DM define um processo para os roteadores remover suas interfaces do SPT utilizando as mensagens PIM Prune.

A mensagem PIM Prune é enviada por um roteador a um segundo roteador para remover o link em que a poda é recebida para um particular (S,G) SPT.

Em razão do PIM-DM querer encaminhar o trafego para todas as interfaces (com o PIM configurado), após 3 minutos de receber uma mensagem de poda, ele retorna o encaminhamento de trafego multicast naquela interface. Caso o roteador que enviou a mensagem Prune não queira continuar recebendo o trafego multicast, ele enviara novamente a mensagem de poda. O processo de encaminhamento e poda ocorre periodicamente. As ramificações (sub-redes) podadas reiniciam o encaminhamento multicast quando o estado de poda expira e, em seguida, os dados são inundados novamente nesses segmentos de rede e, em seguida, os ramos são cortados novamente…

Graft

Quando um receptor em um segmento podado anteriormente se une a um grupo multicast, uma opção é esperar que os links podados, expirem. Entretanto, para reduzir a latência do join a um grupo multicast, O PIM-DM usa um mecanismo chamado graft para retomar o encaminhamento de dados para esse segmento, sem esperar que o tempo do prune expire.

Uma vez que o roteador envie a mensagem graft para um vizinho, que havia enviando uma mensagem prune anteriormente, o roteador irá encaminhar a porta para o estado de encaminhamento para determinado (S,G) SPT.

Assert

O mecanismo de assert desliga os fluxos de multicast duplicados para a mesma rede, onde mais de um roteador multicast encaminha o trafego para a LAN, ao eleger um encaminhador multicast exclusivo na rede local. Seguindo seguinte processo:

1. O roteador anuncia a menor distancia administrativa do protocolo de roteamento utilizado para aprender a melhor rota.

2. Se houver empate, o roteador escolhido terá a menor métrica para a origem

3. Se houver um novo empate, o roteador escolhido será o que tiver o maior endereço IP na interface local.

Exemplo de Configuração do PIM DM

No cenário abaixo, uma máquina da rede 192.168.2.0/24 deseja receber o fluxo multicast com o endereço 239.1.1.1. O Sw2 está configurando com OSPF e PIM o estabelecimento do roteamento Unicast e Multicast da rede.

Configuração de Sw2

#
vlan 2
vlan 12
#
interface Vlan-interface2
 ip address 192.168.2.1 255.255.255.0
 igmp enable
! Habilitando a interface para troca de mensagens IGMP
#
interface Vlan-interface12
 ip address 192.168.12.2 255.255.255.0
 pim dm
! Habilitando o PIM DM para Roteamento Multicast com o R1 
#
ospf 10
 area 0.0.0.0
  network 192.168.2.0 0.0.0.255
  network 192.168.12.0 0.0.0.255
! Configurando o OSPF para o Roteamento Unicast
#

Configuração de R1 (Roteador MSR)

multicast routing
#
interface GigabitEthernet 0/0
 ip address 192.168.1.0 255.255.255.0
 pim dm
#
interface GigabitEthernet 0/1
 ip address 192.168.12.1 255.255.255.0
 pim dm
#
ospf 10
 area 0.0.0.0
  network 192.168.1.0 0.0.0.255
  network 192.168.12.0 0.0.0.255
#

Comandos display

[Sw2]display pim neighbor
 Total Number of Neighbors = 1

 Neighbor        Interface           Uptime   Expires  DR-Priority Mode
 192.168.12.1    Vlan12              00:48:12 00:01:15 1           P
[Sw2]

[Sw2]display pim routing-table
 Total 0 (*, G) entry; 1 (S, G) entry
 (192.168.1.99, 239.1.1.1)
     Protocol: pim-dm, Flag:
     UpTime: 00:44:52
     Upstream interface: Vlan-interface12
         Upstream neighbor: 192.168.12.1
         RPF prime neighbor: 192.168.12.1
     Downstream interface(s) information:
     Total number of downstreams: 1
         1: Vlan-interface2
             Protocol: static, UpTime: 00:44:52, Expires: -
[Sw2]

Referências

HP 5920 & 5900 Switch Series – IP Multicast Configuration Guide