Многоадресная и широковещательная рассылка

Мультимедийные приложения особенно чувствительны к этой проблеме.

Структура взаимодействия компонентов в широковещательном приложении

Связано это, как правило, с тем, что мультимедийная информация нуждается в гарантированной пропускной способности, которую не может предоставить традиционная IP-сеть с коммутацией пакетов. Поэтому разработчикам новых технологий приходится прибегать к различным ухищрениям для улучшения работы IP-сети c мультимедийными приложениями. Об одном из таких приемов — многоадресной или широковещательной рассылке пакетов (IP Multicast) — и пойдет речь в этой статье.

Прием этот используется в тех приложениях, где по сети необходимо передавать нескольким пользователям одну и ту же информацию. Такая потребность может возникнуть, например, при распространении через IP-сеть телевизионного или радиосигнала, при организации телеконференций или селекторных совещаний. В этом случае можно не открывать отдельные соединения с каждым пользователем, с тем чтобы передавать по ним одинаковую информацию, а рассылать IP-пакеты без лишнего дублирования, но так, чтобы их получали все пользователи приложения. Рассмотрим подробнее, что же такое многоадресная рассылка пакетов.

Что такое многоадресная рассылка

Обычно IP-пакет имеет адрес компьютера, для которого пакет предназначен. Маршрутизаторы передают такой пакет друг другу в единственном экземпляре по кратчайшему маршруту, и он в конце концов доходит до получателя. Для широковещательных IP-пакетов используется иной принцип маршрутизации — IP-пакет рассылается всем адресатам, зарегистрированным в таблице маршрутизации. Таким образом, IP-пакет доставляется почти одновременно всем клиентам приложения. Получатель может зарегистрироваться в сети распространения широковещательных пакетов, сообщив об этом ближайшему к нему маршрутизатору. Поскольку маршрутизатор должен отличать широковещательную рассылку от направленной, то данный механизм должен поддерживаться не только конечными устройствами, но и маршрутизаторами сети. Это накладывает серьезные ограничения на использование многоадресной рассылки пакетов.

Для широковещательной технологии отведен специальный блок IP-адресов. Когда маршрутизатор получает пакет, где в поле получателя стоит один из таких адресов, он рассылает этот пакет всем желающим. Большинство маршрутизаторов Internet умеют правильно обрабатывать широковещательные пакеты, но обычно провайдеры блокируют их распространение. А поскольку все маршрутизаторы на пути IP-пакета должны поддерживать широковещательную рассылку пакетов, то полноценно пользоваться широковещательными технологиями в Internet практически невозможно. Для этого необходимо создать непрерывную область сети, по которой IP-пакеты, посылаемые на широковещательные IP-адреса, распространялись бы без потерь.

Однако для полноценной работы самих широковещательных сообщений еще недостаточно. Как правило, нужно создавать дополнительные каналы для управления отдельными клиентами, устройствами и приложениями, для чего лучше всего подходят уже используемые протоколы UDP и TCP. В результате структура связей широковещательного приложения в общем случае выглядит так, как показано на рисунке. Впрочем, поскольку контрольная информация, как правило, занимает меньшую полосу пропускания, то дополнительные управляющие каналы не сильно влияют на передачу основной информации.

В России сейчас формируется группа MBONE — ассоциация Internet-провайдеров, использующих широковещательные технологии. В эту ассоциацию вошли как некоммерческие провайдеры (например, FREEnet, RUNNet и Relarn), так и коммерческие («Телеком Центр», «Демос», AG-Telecom и Zenon). Ими уже начата работа по организации тестовой точки обмена мультимедийной информацией Multicast Internet Exchange (MIX), с помощью которой будут обкатываться решения для работы с широковещательными пакетами. Организация с аналогичным названием и целями уже существует на Западе, и все приложения, рассчитанные на многоадресную рассылку, были разработаны в рамках западного MBONE. Когда же точка обмена MIX будет функционировать в рабочем режиме и к ней начнут подключаться другие провайдеры, широковещательными приложениями можно будет пользоваться почти во всем российском Internet.

Приложения для многоадресной рассылки

Традиционные протоколы и приложения, рассчитанные на использование в IP-сети, не могут быть перенесены в широковещательную сеть, поскольку модель взаимодействия пользователей для широковещательной технологии сильно отличается от модели TCP и UDP. Поэтому широковещательные приложения нужно разрабатывать с нуля. Сейчас таких приложений не очень много. Их можно разделить на две группы — приложения для организации распределенных конференций и для организации вещания через IP-сеть. В первом случае все участники приложения являются активными и могут передавать свои сигналы в широковещательную сеть, во втором же есть активная базовая станция, передающая в сеть пакеты, а все остальные только пассивно принимают информацию, но ничего не передают обратно. Впрочем, есть приложения, которые не укладываются в предложенную классификацию. Например, в сети FREEnet разработана программа для организации голосования с помощью широковещательной IP-сети.

Создано несколько приложений для организации распределенных конференций. Для простых конференций, в которых предусмотрено несколько равноправных аудиторий, можно воспользоваться простыми инструментами — например, свободно распространяемым пакетом VAT/VIC. Приложение VAT, или Visual Audio Tool, разработано в лаборатории Lawrence Berkeley Laboratory и служит для проведения телеконференций с использованием широковещательного протокола. Приложение VIC служит для управления телеконференцией. С помощью этого комплекта приложений была проведена, например, конференция «Технологии информационного общества ?99 — Россия», прошедшая при технической поддержке сети FREEnet. В ходе телеконференции была установлена связь между четырьмя российскими городами: Москвой, Санкт-Петербургом, Новгородом и Ярославлем. Благодаря созданию MIX в этой конференции также могли принять участие и клиенты коммерческих провайдеров, подключенных к этой точке обмена.

Организация такой конференции достаточно проста — все пакеты передаются на один широковещательный IP-адрес, но по разным портам — для каждой камеры или микрофона свой порт. Оператор же выбирает из этого набора мультимедийной информации нужный и передает его на экран в аудитории. Проблема возникает в том случае, когда один из участников начинает передавать поток информации, который не все участники конференции могут принять — не хватает канальной емкости. Поэтому оператор должен аккуратно следить за возможностями всех аудиторий. Для участия в такой конференции достаточно, чтобы провайдер был соединен с точкой MIX и пропускал широковещательные пакеты, а также необходимо установить соответствующее программное обеспечение, например VAT/VIC, которое работает не нескольких платформах.

Для проведения более сложных распределенных конференций используются другие технологии, такие как Global 360. Эта технология спроектирована на основе очень сложной модели распределения ролей в телеконференции. Управление сетью конференции выполняется из центральной студии, где располагаются профессиональные режиссеры и переводчики. Есть также базовая аудитория, в которой происходит основное действие конференции. Кроме этого, существуют удаленные аудитории, которые могут не только следить за конференцией, но и вмешиваться в ее ход, например задавать вопросы докладчику или транслировать свои доклады. Кроме того, предусмотрены демонстрационные залы, в которых участники смогут только смотреть, но не будут вмешиваться в ход конференции. В модели Global 360 предусмотрены механизмы контроля передаваемых потоков информации, которые выполняются уже не через широковещательную сеть, а по протоколу UDP.

Еще одним популярным применением широковещательной технологии является организация вещания через Internet теле- и радиопрограмм. Для этого используется специальное программное обеспечение, разработанное такими компаниями, как Cisco Systems (технология IP/TV). Эта технология позволяет с помощью дополнительных модулей для браузера смотреть телевизионные или слушать звуковые программы через Internet. Собственно, эта технология может работать и без широковещательной рассылки пакетов, но в этом случае они сильно перегружают сеть и сервер вещателя. С помощью широковещательных пакетов можно существенно разгрузить этот сервер и каналы связи с ним, что улучшит качество передаваемых программ и увеличит количество одновременно обслуживаемых пользователей.

Как организовать многоадресную рассылку

Технологию широковещательного IP можно использовать в тех приложениях, где есть большое количество клиентов, желающих общаться между собой, или ограничение на пропускную способность каналов. Причем при создании многостороннего соединения нескольких клиентов нужно сделать так, чтобы все маршрутизаторы по пути следования IP-пакета поддерживали многоадресную рассылку. Впрочем, когда этого достигнуть не удается, например если часть сети не принадлежит организатору многосторонней связи, можно использовать технологию туннелирования. В этом случае создается несколько сегментов, в каждом из которых поддерживается широковещательная рассылка. Затем они объединяются между собой с помощью технологии VPN или маршрутизаторов, которые умеют создавать туннели. Сейчас некоторые провайдеры предлагают создание IP-туннелей для своих клиентов. Таким методом, например, можно организовать распределенную телеконференцию в рамках компании с удаленными филиалами, не требуя от провайдера полноценной поддержки широковещательного IP.

Для случая ограничения каналов уже не обязательно поддерживать широковещательные пакеты по всей сети. Эту технологию можно использовать в том случае, когда основная нагрузка при распространении мультимедиа-информации ложится на канал связи с Web-сервером и сеть его провайдера. Как правило, это и является узким местом при распространении мультимедийной информации. Именно на этом участке и логично использовать широковещательную технологию. Дальше можно установить серверы-ретрансляторы, которые будут раздавать пакеты конечным потребителям по сети без поддержки широковещания. Таким образом, для разгрузки каналов с помощью многоадресной рассылки пакетов достаточно, чтобы эту технологию поддерживали основные провайдеры, имеющие больше всего клиентов: сервер контент-провайдера уже будет разгружен. Впрочем, сейчас еще непонятно, как следует организовать взаимодействие провайдеров, чтобы создать систему ретрансляции вещания. Именно обкатка подобных решений и является основной целью проекта MBONE.

Вообще же технология широковещательного IP является квинтэссенцией возможностей Internet Protocol — рассылка информации выполняется по широковещательной технологии, управление ее потоками выполняется по UDP, а совместное использование приложений — по TCP. Таким образом, в одной системе могут работать сразу все протоколы семейства IP. Причем каждый из них будет исполнять роль, для которой он лучше всего приспособлен. К сожалению, сейчас таких приложений немного, но со временем их появится больше. Вероятно, именно в них будут использоваться все возможности, заложенные в протоколе IP.

Коротко о VAT