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.