Уильям Стивенс - UNIX: разработка сетевых приложений
21.3. Сравнение многоадресной и широковещательной передачи в локальной сети
Вернемся к примерам, представленным на рис. 20.2 и 20.3, чтобы показать, что происходит в случае многоадресной передачи. В примере, показанном на рис. 21.3, мы будем использовать IPv4, хотя для IPv6 последовательность операций будет такой же.
Рис. 21.3. Пример многоадресной передачи дейтаграммы UDP
Принимающее приложение на узле, изображенном справа, запускается и создает сокет UDP, связывает порт 123 с сокетом и затем присоединяется к группе 224.0.1.1. Мы вскоре увидим, что операция «присоединения» выполняется при помощи вызова функции setsockopt. Когда это происходит, уровень IPv4 сохраняет внутри себя информацию и затем сообщает соответствующему канальному уровню, что нужно получить кадры Ethernet, предназначенные адресу 01:00:5e:00:01:01 (см. раздел 12.11 [128]). Это соответствующий IP-адресу многоадресной передачи адрес Ethernet, к которому приложение только что присоединилось (с учетом сопоставления адресов, показанного на рис. 21.1).
Следующий шаг для отправляющего приложения на узле, изображенном слева, — создание сокета UDP и отправка дейтаграммы на адрес 224.0.1.1, порт 123. Для отправки дейтаграммы многоадресной передачи не требуется никаких специальных действий — приложению не нужно присоединяться к группе. Отправляющий узел преобразует IP-адрес в соответствующий адрес получателя Ethernet, и кадр отправляется. Обратите внимание, что кадр содержит и адрес получателя Ethernet (проверяемый интерфейсами), и IP-адрес получателя (проверяемый уровнями IP).
Мы предполагаем, что узел, изображенный в центре рисунка, не поддерживает многоадресную передачу IPv4 (поскольку поддержка многоадресной передачи IPv4 не обязательна). Узел полностью игнорирует кадр, поскольку, во-первых, адрес получателя Ethernet не совпадает с адресом интерфейса; во-вторых, адрес получателя Ethernet не является широковещательным адресом Ethernet, и в-третьих, интерфейс не получал указания принимать сообщения с адресами многоадресной передачи (то есть адресами, у которых младший бит старшего байта равен 1, как на рис. 21.1).
ПРИМЕЧАНИЕКогда интерфейс получает указание принимать кадры, предназначенные для определенного группового адреса Ethernet, многие современные сетевые адаптеры Ethernet применяют к адресу хэш-функцию, вычисляя значение от 0 до 511. Затем один из 512 бит массива устанавливается равным 1. Когда кадр проходит по кабелю, предназначенному для группового адреса, та же хэш-функция применяется интерфейсом к адресу получателя (первое поле в кадре), и снова вычисляется значение от 0 до 511. Если соответствующий бит в массиве установлен, кадр будет получен интерфейсом; иначе он игнорируется. Старые сетевые адаптеры использовали массив размером 64 бита, поэтому вероятность получения ненужных кадров была выше. С течением времени, поскольку все больше и больше приложений используют многоадресную передачу, этот размер, возможно, еще возрастет. Некоторые сетевые карты уже сейчас осуществляют совершенную фильтрацию (perfect filtering). У других карт возможность фильтрации многоадресной передачи отсутствует вовсе, и получая указание принять определенный групповой адрес, они должны принимать все кадры многоадресных передач (иногда это называется режимом смешанной многоадресной передачи). Одна популярная сетевая карта выполняет совершенную фильтрацию для 16 групповых адресов, а также имеет 512-битовую хэш-таблицу. Другая выполняет совершенную фильтрацию для 80 адресов, а остальные обрабатывает в смешанном режиме. Даже если интерфейс выполняет совершенную фильтрацию, все равно требуется совершенная программная фильтрация в пределах IP, поскольку сопоставление групповых адресов IP с аппаратными адресами не является взаимнооднозначным.
Канальный уровень, изображенный справа, получает кадр на основе так называемой несовершенной фильтрации (imperfect filtering), которая выполняется интерфейсом с использованием адреса получателя Ethernet. Мы говорим, что эта фильтрация несовершенна, потому что если интерфейс получает указание принимать кадры, предназначенные для одного определенного группового адреса Ethernet, может случиться так, что он будет получать кадры, предназначенные также для других групповых адресов Ethernet.
Если предположить, что канальный уровень, изображенный справа, получает кадр, то поскольку тип кадра Ethernet — IPv4, пакет передается уровню IP. Поскольку полученный пакет был предназначен IP-адресу многоадресной передачи, уровень IP сравнивает этот адрес со всеми адресами многоадресной передачи, к которым присоединились приложения на узле. Мы называем это совершенной фильтрацией, так как она основана на полном 32-разрядном адресе класса D в заголовке IPv4. В этом примере пакет принимается уровнем IP и передается уровню UDP, который, в свою очередь, передает дейтаграмму сокету, связанному с портом 123.
Существует еще три сценария, не показанных нами на рис. 21.3.
1. На узле запущено приложение, присоединившееся к адресу многоадресной передачи 225.0.1.1. Поскольку 5 верхних битов группового адреса игнорируются при сопоставлении с адресом Ethernet, этот интерфейс узла будет также получать кадры с адресом получателя Ethernet 01:00:5e:00:01:01. В этом случае пакет будет проигнорирован при осуществлении совершенной фильтрации на уровне IP.
2. На узле запущено приложение, присоединившееся к некоторой группе. Соответствующий адрес Ethernet этой группы является одним из тех, которые интерфейс может получить случайно, поскольку он запрограммирован на получение сообщений на адрес 01:00:5e:00:01:01 (то есть сетевая карта выполняет несовершенную фильтрацию). Этот кадр будет проигнорирован либо канальным уровнем, либо уровнем IP.
3. Пакет предназначен для той же группы 224.0.1.1, но для другого порта, скажем 4000. Узел, изображенный справа на рис. 21.3, получает пакет, далее этот пакет принимается уровнем IP, но если не существует сокета, связанного с портом 4000, пакет будет проигнорирован уровнем UDP.
ВНИМАНИЕЭти сценарии показывают нам, что для того чтобы процесс мог получать дейтаграммы многоадресной передачи, он должен присоединиться к группе и связаться с портом.
21.4. Многоадресная передача в глобальной сети
Многоадресная передача внутри локальной сети, описанная нами в предыдущем разделе, проста. Один узел посылает пакет многоадресной передачи, и любой заинтересованный узел получает этот пакет. Преимущество многоадресной передачи перед широковещательной состоит в сокращении нагрузки на все узлы, не заинтересованные в получении пакетов многоадресной передачи.
Многоадресная передача имеет преимущества и при работе в глобальных сетях. Рассмотрим глобальную сеть, изображенную на рис. 21.4.
Рис. 21.4. Пять локальных сетей с пятью маршрутизаторами многоадресной передачи
Здесь изображены пять локальных сетей, соединенных пятью маршрутизаторами многоадресной передачи.
Будем считать, что некая программа запущена на пяти из показанных узлов (скажем, программа прослушивания группового аудиосеанса), и эти пять программ присоединяются к данной группе. Тогда каждый из пяти узлов присоединяется к группе. Мы также считаем, что каждый маршрутизатор многоадресной передачи общается с соседними маршрутизаторами многоадресной передачи при помощи протокола маршрутизации многоадресной передачи (multicast routing protocol), который мы обозначим просто MRP. Это показано на рис. 21.5.
Рис. 21.5. Присоединение пяти узлов к группе многоадресной передачи в глобальной сети
Когда процесс на узле присоединяется к группе, этот узел отправляет всем присоединенным к той же сети маршрутизаторам многоадресной передачи сообщение IGMP, информирующее их о том, что узел только что присоединился к группе. Затем маршрутизаторы обмениваются этой информацией по MRP, так что каждый маршрутизатор знает, что делать, если он получит пакет, предназначенный для конкретного адреса многоадресной передачи.
ПРИМЕЧАНИЕАдресация многоадресной передачи — не до конца исследованная тема, и ее описание может легко составить отдельную книгу.
Теперь будем считать, что процесс на узле, изображенном слева вверху, начинает отправлять пакеты на адрес многоадресной передачи. Допустим, этот процесс отправляет аудиопакеты, ожидаемые получателями многоадресной передачи. Эти пакеты показаны на рис. 21.6.
Рис. 21.6. Отправка пакетов на адрес многоадресной передачи в глобальной сети
Проследим шаги, которые проходит пакет от отправителя до получателей.
■ Пакеты многоадресной передачи рассылаются отправителем в левой верхней локальной сети. Получатель H1 получает их (так как он присоединился к группе), как и MR1 (поскольку маршрутизатор многоадресной передачи должен получать все пакеты многоадресного вещания).
