Multicast: conexiones multipunto para una transmisión eficiente

En el caso de las emisiones de radio o televisión, no importa el número de usuarios que están conectados y haciendo uso del servicio. En cambio, si hablamos de la transmisión de mensajes en redes IP, el asunto cambia: cuando, por ejemplo, varios usuarios diferentes tienen la posibilidad de acceder a una transmisión en directo, la conexión unicast por IP presenta el requisito de que la estación emisora debe enviar los paquetes correspondientes por separado a cada destinatario. Como esto supondría el uso de todo el ancho de banda disponible en muy poco tiempo, pronto se desarrolló e implementó el protocolo de enrutamiento multidifusión (o IP multicast). Esto permite que el emisor entregue flujos de datos IP solamente una vez y al mismo tiempo a múltiples destinos.

El protocolo de Internet es el protocolo estándar para la comunicación en redes informáticas. Tanto en Internet como en las redes de área local, el envío de mensajes electrónicos mediante el uso de direcciones IP, entre otros, forma parte fundamental del mundo de las redes modernas. La pila de protocolos TCP/IP de uso estándar proporciona un conjunto de protocolos y métodos que cubren un gran abanico de necesidades.

Aquí desempeñan un papel clave, por ejemplo, las formas de comunicación disponibles, de entre las cuales el el llamado multicasting el que está adquiriendo cada vez más importancia. Este concepto, también denominado multidifusión o difusión simple, permite la transmisión desde un punto a múltiples destinatarios. Este es el motivo por el que las conexiones de multidifusión también se conocen como conexión punto a multipunto.

Gracias a su capacidad para enviar un único flujo de datos a múltiples destinos, multicast se distingue claramente de la transmisión unicast estándar, en la que los paquetes IP son entregados mediante una conexión directa entre sistemas que se comunican entre ellos. Aunque el multicast tiene puntos en común con la difusión amplia o broadcast, difiere en que los flujos de datos no se envían a todos los usuarios de la red, sino solo a aquellos que han sido determinados previamente por parte del emisor y forman parte de un grupo multicast determinado. A través de una dirección asignada (IP multicast address), el emisor puede enviar el flujo de datos a todo el grupo simultáneamente. En la versión del protocolo de internet IPv4, el rango de direcciones 224.0.0.0 y 239.255.255.255 está reservado para multicast, y en el caso de direcciones de multicast con IPv6, se utiliza el inicio FF00::/8.

El direccionamiento grupal antes mencionado es una de las propiedades clave de la multidifusión IP, ya que es fundamental para el funcionamiento de este concepto de comunicación. Además, existe la posibilidad de asignar un direccionamiento estático en el que, por ejemplo, se puede configurar una conexión a un servidor multicast para que este ofrezca el servicio correspondiente. Por otra parte, las direcciones multicast pueden también tener una asignación dinámica, ya que los grupos de multidifusión subyacentes no tienen por qué existir de forma permanente. Esto significa que es muy fácil crear grupos privados y también eliminarlos. Independientemente de si la asignación de direcciones ha sido realizada de forma estática o dinámica, el rango de direcciones de las redes IP es de 224.0.0.0 a 239.255.255.255 (o bien FF00::/8), también conocido como espacio de direcciones clase D, que está reservado a tal fin.

De forma general, el acceso a los grupos IP multicast está regido por los routers de red involucrados y el protocolo de administración de grupos de Internet (IGMP). Para ello, el protocolo, que pertenece a la familia de protocolos de Internet, proporciona varios tipos de mensajes. Los servidores pueden utilizarlos para informar al router local sobre una solicitud de pertenencia al grupo y los routers, para recibir y reenviar las secuencias IP multicast que correspondan. El punto de inicio para la comunicación IGMP es siempre el router desde el que se conecta a la red el emisor del multicast. El emisor reenvía los paquetes de un flujo de datos una sola vez, indicando la dirección del grupo de multidifusión como dirección de destino y sin saber realmente a cuántas terminales ha llegado.

De la regulación del enrutamiento en el multicasting, entendido como el transporte de los paquetes de multidifusión por los routers y las redes, se encargan protocolos de enrutamiento especiales que trabajan con varios algoritmos con los que reenvían el flujo de datos de la manera más eficiente y rápida posible a todos los miembros del grupo multicast. No existe un protocolo estándar, ya que los que ya existen fueron diseñados para otras tareas. Por ello, algunos protocolos funcionan mejor cuando los miembros del grupo están cerca uno del otro, mientras que para otros es más ventajoso que los destinos estén lo más alejados posible. Además, existen varios algoritmos de enrutamiento, estando establecidos concretamente el Reverse Path Forwarding (RPF) y el Truncated Reverse Path Forwarding (TRPF).

El reverse path forwarding es una técnica usada para garantizar el reenvío libre de bucles de paquetes de multidifusión sin la necesidad de visitar un servidor varias veces. A la hora de realizar la transmisión de flujos de datos, la dirección de origen y la interfaz establecida anteriormente en la red son factores clave. Cuando un paquete de multidifusión llega a la interfaz de un router, se compara con una tabla de enrutamiento que, previamente, haya sido emitida automáticamente o configurada manualmente. Si en ella hay una entrada para la dirección de origen que pueda confirmar la interfaz por la que ha pasado, el control de RPF (RPF check) se completa con éxito y el router reenvía la secuencia de multidifusión hacia las interfaces de salida pertinentes. De lo contrario, descarta los paquetes.

El RPF comprueba el camino inverso de los paquetes. Para conectar los routers en la ruta más corta posible, también se utilizan técnicas de enrutamiento de unicast. La construcción del enrutamiento se conoce también como árbol de multidifusión, en el que el transmisor o su router representa el nodo raíz, es decir, el punto de partida.

El truncated reverse path forwarding es una ampliación del concepto de RPF: en este algoritmo de enrutamiento, los paquetes multicast solo se reenvían a los routers que sirven al menos a un miembro del grupo de multidifusión. Al principio, se realiza una comprobación normal a la inversa de la dirección de origen y de la interfaz de recepción. Luego, el TRPF verifica a su vez las siguientes interfaces posibles y finalmente decide cuáles van a utilizarse. El criterio clave se basa en determinar si una interfaz dispone de servidores inscritos para el grupo de multidifusión que debe recibir el flujo de datos. Si este es el caso, se reenvían los datagramas, y de lo contrario, no.

No existe un protocolo de enrutamiento estándar para la multidifusión IP. La razón la encontramos en el anteriormente mencionado radio de distribución, así como en el número de estaciones receptoras, que juegan un papel clave a la hora de determinar el protocolo requerido. Por lo tanto, es posible diferenciar a grandes rasgos dos modos de operación, el “modo denso” (los receptores están cerca unos de otros) y el “modo disperso” (los receptores están muy dispersos o alejados). No obstante, los protocolos difieren también en otros aspectos, tal y como podemos ver a continuación al analizar los protocolos DVMRP, MOSPF y PIM.

El distance vector multicast routing protocol, abreviado como DVMRP, es un protocolo que se presentó en 1988 en el RFC 1075 como una solución experimental para enrutar paquetes multicast en redes IP. Lo desarrolló un grupo de trabajo de la Universidad de Stanford basándose en el protocolo RIP (routing information protocol), un protocolo de enrutamiento unicast basado en el algoritmo del vector de distancia (distance vector).

El equipo implementó la técnica de reverse path forwarding para calcular de manera efectiva la ruta que debían tomar los datagramas. En base a lo anterior, un router de multidifusión crea automáticamente su propia tabla de enrutamiento en la que almacena el llamado vector de distancia para el resto de routers de la red. Este incluye información sobre el coste de la transmisión de datos a ese router concreto (por ejemplo, demoras en la transmisión o número de estaciones intermedias), así como información sobre el router vecino al que debe reenviarse el paquete para llegar hasta el router de destino. El protocolo de red IGMP se utiliza para intercambiar información entre diferentes routers.

El protocolo multicast open shortest path first (MOSPF) es una ampliación del protocolo de enrutamiento OSPF, que permite el enrutamiento de multicast dentro de una red basada en OSPF. Cada router gestiona una base de datos completa de la topología de red (disposición de nodos y líneas de conexión) que, gracias a los nuevos LSA sobre “pertenencia a grupos” (mensajes con información sobre pertenencia a grupos), incluye también entradas sobre la ubicación de todos los participantes de un grupo de IP Multicast. A la hora de determinar si un usuario pertenece a un grupo, se utilizan los routers que, a su vez, hacen uso de los mensajes IGMP. Partiendo de un router tras el que se encuentra el transmisor de la multidifusión, es fácil crear una estructura de árbol que pueda identificar cuál es, en cada paso, la ruta más corta para transmitir los datagramas.

El protocol independent multicast (PIM) es una familia de protocolos de enrutamiento que no proporciona un mecanismo propio para crear tablas de enrutamiento. Para poder hacerlo, PIM utiliza la información obtenida de los protocolos de enrutamiento unicast que se encuentren activos en la red. No importa el protocolo que utilice, por lo que es posible utilizar el protocol independent multicast tanto en redes de alta densidad como en redes de baja densidad. Los dos modos mencionados anteriormente son el modo denso (PIM-DM) y el modo disperso (PIM-SM).

En el primero, los datagramas de multidifusión se envían a todos los routers de red hasta que no haya árbol de multidifusión (porque no tiene miembros de grupo). Por el contrario, el router punto de encuentro sirve como centro de conmutación para la gestión de conexiones de multidifusión en modo disperso. Este router acepta la distribución de multidifusión y reenvía los datagramas a todos los routers que los soliciten, en cuyas subredes debe existir al menos un miembro del grupo de multidifusión.

En una difusión broadcast, el envío se dirige siempre a todos los puntos finales, por lo que no es necesario disponer de un rango especial de direcciones como sí sucede en multicast. Por lo tanto, una broadcast corriente siempre utiliza la dirección IP de destino 255.255.255.255, que está reservada para este tipo de difusión. Opcionalmente, es posible realizar broadcasts directas (también llamadas broadcasts locales) configurando una máscara de subred. La difusión amplia o broadcast presenta ventajas cuando no se conocen las direcciones de los destinatarios, por ejemplo, al compartir archivos e impresoras en redes o al asignar direcciones IP a través del protocolo DHCP. No obstante, si la comparamos con multicast, esta técnica requiere muchos más recursos y, además, desperdicia parte del ancho de banda.