Multicast

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Multicast bezeichnet in der Telekommunikation eine Nachrichtenübertragung von einem Punkt zu einer Gruppe (auch Mehrpunktverbindung genannt). Der Vorteil von Multicast besteht darin, dass gleichzeitig Nachrichten an mehrere Teilnehmer oder an eine geschlossene Teilnehmergruppe übertragen werden können, ohne dass sich beim Sender die Bandbreite mit der Zahl der Empfänger multipliziert. Der Sender braucht beim Multicasting nur die gleiche Bandbreite wie ein einzelner Empfänger. Handelt es sich um paketorientierte Datenübertragung, findet die Vervielfältigung der Pakete an jedem Verteiler (Switch, Router) auf der Route statt.

Eine spezielle Ausprägung von Multicast ist Geocast, bei dem in einen räumlich abgegrenzten Bereich gesendet wird.

Der Unterschied zu Broadcast besteht darin, dass beim Broadcast Content verbreitet wird, den jeder mit der entsprechenden Empfangsausrüstung ansehen kann, beim Multicast dagegen eine vorherige Anmeldung bei dem Aussender des Contents vonnöten ist.

Inhaltsverzeichnis

IP-Multicast

Multicast ist die übliche Bezeichnung für IP-Multicast, welches es ermöglicht, in IP-Netzwerken effizient Pakete an viele Empfänger zur gleichen Zeit zu senden. Das passiert mit einer speziellen Multicast-Adresse. In IPv4 ist hierfür der Adress-Bereich 224.0.0.0 bis 239.255.255.255, in IPv6 jede mit FF00::/8 beginnende Adresse reserviert. Zusätzlich wird zur Koordination bei IPv4 das Protokoll IGMP oder CGMP (nur Cisco-Komponenten) benutzt. In IPv6 übernimmt ICMPv6 die Steuerungsfunktion.

Bei der Übertragung über Ethernet werden die IPv4- bzw. IPv6-Multicastadressen auf bestimmte Pseudo-MAC-Adressen abgebildet, um bereits durch die Netzwerkkarte eine Filterung nach relevantem Traffic zu ermöglichen. Die Abbildung erfolgt dabei nach folgenden Regeln:

IPv4 Multicast to Mac Address German.svg
  • Bei IPv4 werden die untersten 23 Bit der IP-Adresse in die MAC-Adresse 01-00-5e-00-00-00 eingesetzt, wodurch sich Adressen aus dem Bereich von 01-00-5e-00-00-00 bis 01-00-5e-7f-ff-ff ergeben können. Hierbei wird bewusst in Kauf genommen, dass mehrere IPv4-Adressen auf eine MAC-Adresse abgebildet werden (zum Beispiel 224.0.0.1 und 233.128.0.1).
  • IPv6-Multicast-Adressen werden auf MAC-Adressen abgebildet, indem die letzten vier Byte der Adresse in die MAC 33-33-00-00-00-00 eingesetzt werden. Auch hierbei werden verschiedene Multicast-Adressen auf identische MAC-Adressen abgebildet.

Multicast wird meist im Zusammenhang mit Audio- und Videoübertragungen genannt. Diese nutzen Protokolle wie das RTP. Es findet aber auch Verwendung beim Clustering und beim Routing nach dem Routing Information Protocol (RIP) Version 2.

Daneben ist Multicast für ein funktionierendes AppleTalk-Netzwerk notwendig. Auch wird es eingesetzt bei Service Location Protocol und Multicast DNS als Teilimplementierung von Zeroconf Multicast. Neben diesen zurzeit in der Apple-Welt bevorzugt eingesetzten Protokollen wird Multicast in Windows-Systemen für SSDP benutzt.

Da Multicast-Pakete von den meisten Routern im Internet nicht verarbeitet werden, werden multicastfähige Teilnetze über Tunnel zum Multicast Backbone (MBone) verbunden.

Um Multicast-Pakete zwischen mehreren Netzen zu koordinieren, werden spezielle Multicast-Routing-Protokolle verwendet. Traditionell sind dies die Verfahren DVMRP, ein Distanzvektorverfahren ähnlich RIP, und MOSPF, ein Link-State-Verfahren ähnlich OSPF. Beide Verfahren sind auf Netze mit homogener Leitungskapazität und Regionen mit starker Multicast-Nutzung ausgelegt. Da beide Voraussetzungen nur selten erfüllt sind, hat ein drittes Verfahren mit der Bezeichnung PIM an Bedeutung gewonnen.

Es existieren allerdings bei Verwendung bestimmter Adressbereiche einiger Switches Probleme bei der Weiterleitung von Multicastnachrichten.

Die Adressen von 224.0.0.0 bis 224.255.255.255 sind für Routingprotokolle reserviert und für diese Adressen sendet der Router keine IP-Multicast-Datagramme. Die Adressen von 239.0.0.0 bis 239.255.255.255 sind für scoping reserviert, eine Weiterleitung innerhalb dieses Adressbereichs ist ebenfalls Switch-abhängig.

Zudem gibt es eine GLOP Adressen Erweiterung welche dazu das Netz 233.0.0.0 bis 233.255.255.255 verwendet. Dabei werden die mittleren Octets mit der 16Bit AS Nummer kombiniert um jedem Inhaber einer AS Nummer 256 Multicastadressen ohne Reservierung zur Verfügung zu stellen. Adressen im Bereich 225.x.x.x bis 232.x.x.x und 234.x.x.x bis 238.x.x.x sind frei verfügbar.

Multicasting gewinnt an Popularität, da sich hiermit IPTV ressourcenschonender realisieren lässt.

Im Kontext der Internet-Mobilität weist Multicast inhärente Probleme auf.

Sicherheit

IPSec realisiert sichere Kommunikation für Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über IP. Für Multicast gibt es jedoch ein Problem mit dem Internet Key Exchange, da hier der Empfänger den Authentisierungs- und Verschlüsselungsalgorithmus festlegt. Bei Multicast muss das vom Sender erledigt werden, da er IP-Pakete mit demselben Algorithmus an mehrere Empfänger verschickt. Für die Lösung dieses Problems gibt es mehrere Verfahren.

Zentralisierte Verfahren

  • Logical Key Hierarchy
  • Oneway-Function Tree

Verteilte Verfahren

  • Ingemarsson-Tang-Wong
  • Burmester-Desmedt
  • Tree-Based Group Diffie-Hellmann

Weitere Multicast-Protokolle

Internet Relay Chat bildet Netzwerke, welche einen einfachen TCP-basierten Multicast-Baum realisieren. Das Messaging-Protokoll PSYC verwendet ein ähnliches Prinzip, wobei für jeden Chatraum oder Kommunikationskanal ein eigener optimierter Multicast-Baum erzeugt wird. Für XMPP wird überlegt, wie Multicast nachgerüstet werden kann, was aber durch die bisherige Struktur sehr schwierig ist. Für verteilte Chat-Netzwerke wurde mittlerweile allgemein eingesehen, dass sie nicht mittels IP-Multicast realisiert werden können. Der Einsatz weiterer Multicast-Protokolle ist daher unumgänglich.

Mit Multimedia Broadcast Multicast Service steht seit 2005 für das Mobilfunksystem UMTS eine Technologie zur Verfügung, die zur Ausstrahlung von Multimediainhalten über Multicast-Kanäle dient.

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