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Netzwerk-Switches und AVoIP
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Netzwerk-Switches und AVoIP
Nicht jeder Netzwerk-Switch ist gleich und daher ist es wichtig, das richtige Produkt für den jeweiligen Einsatzzweck zu finden. NETGEAR beispielsweise ist nicht nur Gründungsmitglied der SDVoE Alliance, sondern auch das erste Unternehmen, das eine Switch-Familie namens M4300-Serie auf den Markt gebracht hat, die für echtes AVoIP entwickelt wurde.
Diese Geräte bieten eine einfache und nahtlose Integration in AV-Systeme mit Zero-Touch-Installation „out of the box“. Mit einem vergleichsweise kleinen Formfaktor sind die Switches auch so konzipiert, dass sie für Skalierbarkeit und Komfort stapelbar sind und bis zu 10 GB über 16 bis 96 verfügbare Ports sowohl für Kupfer- als auch für Glasfasernetzwerkverbindungen unterstützen. Benutzer können klein starten und das Netzwerk dann nach Bedarf aufbauen oder anpassen.
Einen ähnlichen Schritt gehen auch die Hersteller AVPro Edge und Niveo Professional. Beide bietet passend vorkonfigurierten Switches an.
Was ist ein VLAN?
VLAN steht für Virtual Local Area Network. Es handelt sich um ein logisches Teilnetzwerk eines physischen Local Area Networks (LANs). Das Virtual Local Area Network bildet ein logisches Netzwerksegment und eine eigene Broadcast-Domäne. VLANs können sich über mehrere Switche hinweg erstrecken. Es bietet mehr Flexibilität, Performance und Sicherheit. Eine technische Basis für VLANs beschreibt der Standard IEEE 802.1Q. Mit VLANs lassen sich demnach physische LANs in voneinander isolierte, logische Teilnetze aufteilen.
Was ist IEEE 802.3?
802.3 ist eine Standardspezifikation für Ethernet. Das ist eine Methode, die man für die physische Kommunikation in einem LAN einsetzt. Sie wird vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) festgelegt und weiterentwickelt. Das ursprüngliche Ethernet wurde 1983 von der IEEE als Standard ratifiziert und unterstützte eine Datenübertragungsrate von max. 10 Mbps (Megabits pro Sekunde).
In der IEEE 802.3 befinden sich die folgenden physischen Medien:
Was ist QoS?
QoS steht für Quality of Service. Quality of Service besteht darin, Datenverkehr so zu manipulieren, dass ein Netzwerkgerät wie ein Router oder Switch ihn entsprechend den erforderlichen Verhaltensweisen der Anwendungen, die diesen Datenverkehr generieren, weiterleitet. Mit anderen Worten, QoS ermöglicht es einem Netzwerkgerät, Datenverkehr zu differenzieren und dann unterschiedliche Verhaltensweisen auf den Datenverkehr anzuwenden.
Multicasting für Pro-AV
Die wachsende Nachfrage nach dem Internet der Dinge (IoT) hat dazu geführt, dass IP-Netzwerke zu einem grundlegenden Bestandteil der Unternehmens-, Unterhaltungs- und Heimindustrie geworden sind. Während sich die AV-Branche in Richtung IP-basierte Systeme bewegt, wird die typische Kreuzschiene jetzt durch Ethernet-Switches ersetzt, um die Flexibilität höherer Auflösungen und erhöhter Stream-Bandbreite zu gewährleisten.
Eine typische Audio/Video over IP (AVoIP)-Umgebung besteht aus einem Ethernet-Switch mit einer Reihe von Encodern (Sendern) und Decodern (Empfängern). Viele AVoIP-Anbieter bieten heute Lösungen an, die Streams mit 4K- und höherer Videoauflösung codieren/decodieren können. Mit dem Wachsen der Nachfrage nach 4K- und möglicherweise 8K-Auflösung ist die Notwendigkeit einer 10G-Ethernet-Switching-Infrastruktur und höher, um den ordnungsgemäßen Transport dieser hochwertigen Multicast-Streams zu gewährleisten, zwingend erforderlich.
Ethernet-Video-Streaming-Hintergrund
Es gibt 3 verschiedene Arten von Datenverkehr, die einen Ethernet-Switch durchlaufen: Unicast, Broadcast und Multicast. Unicast ist eine Eins-zu-eins-Art der Datenübertragung, was bedeutet, dass ein Sender nur an einen Teilnehmer sendet. Broadcast ist eine One-to-All-Art der Datenübertragung, was bedeutet, dass ein Sender an alle Benutzer im lokalen Netzwerk (LAN) sendet – auch wenn sie das Video nicht sehen möchten. Schließlich ist Multicast eine Eins-zu-Viele-Art von Datenverkehr.
Multicast ist eine der vielen beliebten Methoden zum Senden von Videos an eine Gruppe, die daran interessiert ist, das Video zu empfangen. Der einfachste Weg, Multicast-Datenverkehr an alle Empfänger zu streamen, besteht darin, den Multicast-Stream an das gesamte LAN zu leiten. Diese einfache Methode des Multicast-Streamings verursacht Bandbreitenverzögerungen und unerwünschte Daten an andere Hosts.
Eine bessere Alternative ist die Nutzung des Layer 2 Internet Group Management Protocol (IGMP). IGMP ist ein weit verbreitetes Multicast-Protokoll, das auf der Netzwerkschicht des OSI-Stacks2 unterstützt wird. IGMP wird von Hosts und ihren benachbarten Routern verwendet, damit Hosts den Router über den Wunsch informieren können, einen Multicast-Stream zu empfangen, weiter zu empfangen oder zu stoppen.
Was ist IGMP?
Das Internet Group Management Protocol (IGMP) ist ein Netzwerkprotokoll der Internetprotokollfamilie und dient zur Organisation von Multicast-Gruppen. IGMP basiert auf dem Internet Protocol (IP) und ermöglicht IPv4-Multicasting (Gruppenkommunikation) im Internet.
IP-Multicasting ist die Verteilung von IP-Paketen unter einer IP-Adresse an mehrere Stationen gleichzeitig. IGMP bietet die Möglichkeit, dynamisch Gruppen zu verwalten. Die Verwaltung findet nicht in der Sende-Station statt, sondern in den Routern, an denen Empfänger einer Multicast-Gruppe direkt angeschlossen sind.
IGMP bietet Funktionen, mit denen eine Station einem Router mitteilt, dass sie Multicast-IP-Pakete einer bestimmten Multicast-Gruppe empfangen will. Multicast-Routing-Protokolle (DVMRP, MOSPF, PIM) übernehmen die Koordination der Übertragung zwischen den Routern. Der Sender von Multicast-IP-Paketen weiß dabei nicht, welche und wie viele Stationen seine Pakete empfangen, denn er verschickt nur ein einziges Datenpaket an seinen übergeordneten Router. Dieser dupliziert das IP-Paket bei Bedarf, wenn er mehrere ausgehende Schnittstellen mit Empfängern hat.
IGMP ohne und mit Snooping
Die letzte Alternative ist Layer 3 Protocol Independent Multicast (PIM). Es ist normalerweise für ein komplexeres Netzwerk konzipiert, in dem sich Sender und Empfänger in unterschiedlichen Subnetzen eines Netzwerks befinden. PIM-Multicast-Routing ist im Allgemeinen komplizierter einzurichten als IGMP, ermöglicht jedoch eine bessere Kontrolle über das Routing zwischen Subnetzen.
Betriebstheorie mit einer L2/L3 Pro AV-Multicast-Infrastruktur
Es gibt zwei Arten von Multicast-Infrastrukturen zum Streamen von Multicast. Der erste Typ ist Layer-2-Multicast, bei dem IGMP in einer einzelnen, flachen Netzwerkumgebung verwendet wird. Die zweite Art von Netzwerkinfrastruktur ist Layer-3-Multicast, bei dem PIM in einer gerouteten Umgebung mit unterschiedlichen Subnetzen und Routern verwendet wird.
Layer 2 IGMP wird auf einem einzelnen, konfigurierten virtuellen LAN (VLAN) verwendet. Wenn der AVoIP-Endpunkt den Videostream in einen Multicast-Stream codiert, wird der Multicast-Stream dann mit einer definierten Multicast-Gruppe zur 3. (Netzwerk-) Schicht des OSI-Stacks transportiert.
Bei IGMPv2 (RFC 2236) wird der Stream zum IGMP-Snooping-Querier transportiert. Die Verantwortung des Abfragers besteht darin, IGMP-Gruppenmitgliedschaft3-Abfragen in einem festgelegten Intervall zu versenden, IGMP-Mitgliedschaftsberichte von aktiven Mitgliedern abzurufen und die Aktualisierung der Gruppenmitgliedschaftstabellen zu ermöglichen. Es gibt einen aktiven IGMP-Querier pro Subnetz/VLAN. Im Allgemeinen übernimmt der IGMP-Snooping-Querier die Verantwortung für einen Multicast-Router4 (mrouter), wenn keiner verfügbar ist.
Eine der anderen Aufgaben des IGMP-Queriers besteht darin, IGMP-Snooping für das VLAN bereitzustellen. IGMP-Snooping optimiert die Bandbreite und wartet auf IGMP-Nachrichten. Der Querier leitet dann die Multicast-Pakete vom VLAN nur an die Ethernet-Ports weiter, die Quellen von IGMP-Mitgliedschaftsberichten sind, und führt einen Cache der Einträge in einer Tabelle auf dem Switch.
Wenn der AV-Decoder einem Multicast-Stream (Multicast-Gruppe) beitreten möchte, empfängt der IGMP-Querier grundsätzlich die „JOIN“-Anforderung über IGMP-Snooping und platziert den Eintrag in der Cache-Tabelle. Dadurch kann die Multicast-Stream-Anforderung zum Decoder transportiert und das Video zu seinem Ausgang gestreamt werden.
Der IGMP-Querier verwaltet auch die „LEAVE“-Anfrage der Hosts. Die „LEAVE“-Anfrage ist eine Funktion von IGMP v2 (RFC 2236). Wenn ein Gruppenmitglied anfordert, die Multicast-Gruppe zu verlassen, sendet es eine „VERLASSEN“-Anforderung an den IGMP-Querier und gibt damit seinen Wunsch an, die Multicast-Gruppe zu verlassen. Der IGMP-Querier empfängt die „LEAVE“-Anforderung, entfernt den Eintrag aus der IGMP-Cache-Tabelle und stoppt den Multicast-Verkehr.
Diese Methode ist möglicherweise nicht sofort verfügbar, aber der Datenverkehr wird schließlich durch die Verwendung von Zeitgebern gestoppt. Mit der Fast-Leave-Funktion auf dem Switch geht dieser Vorgang deutlich schneller. Das Gerät kann sofort aus der Layer-2-Weiterleitungstabelle entfernt werden, wenn es eine Leave-Nachricht für eine Multicast-Gruppe erhält. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, MAC-basierte allgemeine Abfragen zu versenden.
Multicast kann sehr bandbreitenintensiv werden. Durch den Einsatz von IGMP, IGMP Snooping und IGMP Fast-Leave kann die Bandbreite optimiert werden. Aufgrund der Art von Multicast können jedoch auch unbekannte oder unerwünschte Streams den IGMP-Querier bombardieren und Verzögerungen oder Bandbreitenverluste verursachen. Die Lösung für dieses Dilemma besteht darin, sicherzustellen, dass die Multicast Flooding Control-Funktion so eingestellt ist, dass sie alle bekannten (Hosts, die den Stream nicht anfordern) und unbekannte Multicast-Datenströme blockieren.
In einer Layer-3-Umgebung verwenden Netzwerktechniker häufig das Protocol Independent Multicast (PIM)-Routing-Protokoll. PIM wird normalerweise in einer gerouteten Netzwerkumgebung verwendet, in der sich der Streaming-Host auf einem anderen Router und über Netzwerke befindet. PIM erstellt Multicast-Routen, die sicherstellen, dass der kürzeste Weg genommen wird, und Schleifen unterdrückt.
Es gibt zwei Arten von gängigen PIM-Modi: PIM Dense Mode (PIM-DM) und PIM Sparse Mode (PIM-SM). PIMDM verwendet eine Floodthen-Prune-Methode. Der Multicast-Datenverkehr wird an alle Hosts geflutet, dann aber für Hosts gekürzt, die den Multicast-Stream nicht anfordern. PIM-SM verwendet eine völlig andere Methode. In PIM-SM kann der Multicast-Router entweder als Rendezvous Point (RP)5 oder Designated Router (DR)6 fungieren.
PIM-DM (RFC 3973) verwendet die vorhandene Unicast-Routing-Tabelle sowie Join-, Prune- und Graft-Mechanismen, um einen Multicast-Baum zu erstellen. PIM-DM erstellt quellenbasierte Verteilungsbäume auf dem kürzesten Weg unter Verwendung von Reverse Path Forwarding (RPF).
PIM-DM kann nicht verwendet werden, um einen gemeinsam genutzten Verteilungsbaum aufzubauen, wie es PIM-SM kann. PIM-DM geht davon aus, dass, wenn ein Sender mit dem Senden von Daten beginnt, alle nachgeschalteten Router und Hosts ein Multicast-Datagramm empfangen möchten. PIM-DM überschwemmt zunächst den Multicast-Datenverkehr im gesamten Netzwerk. Router, die keine Downstream-Nachbarn haben, reduzieren den unerwünschten Datenverkehr.
Abgesehen von den Prune-Nachrichten verwendet PIM-DM auch zwei zusätzliche Nachrichten (Graft und Assert). Graft-Nachrichten werden immer dann verwendet, wenn ein neuer Host der Gruppe beitreten möchte. Assert-Nachrichten werden verwendet, um doppelte Flüsse auf das gleiche Multi-Access-Netzwerk zu unterbinden.
Um das wiederholte Fluten von Paketen und das anschließende Pruning im Zusammenhang mit einem bestimmten Adresspaar aus Quelle und Gruppe (als „S, G“ geschrieben) zu minimieren, verwendet PIM-DM eine Statusaktualisierungsnachricht. Diese Nachricht wird von den direkt mit der Quelle verbundenen Routern gesendet und im gesamten Netzwerk verbreitet. Wenn sie von einem Router auf seiner RPF-Schnittstelle empfangen wird, bewirkt die Zustandsaktualisierungsnachricht, dass ein bestehender Prune-Zustand aufgefrischt wird. Zustandsaktualisierungsnachrichten werden regelmäßig von dem Router generiert, der direkt mit der Quelle verbunden ist.
PIM-SM verwendet standardmäßig gemeinsam genutzte Bäume und implementiert aus Effizienzgründen quellenbasierte Bäume. PIM-SM geht davon aus, dass keine Hosts den Multicast-Datenverkehr wünschen, es sei denn, sie fragen ausdrücklich danach und erstellt einen gemeinsamen Verteilungsbaum, der auf einem definierten Rendezvous-Punkt (RP) zentriert ist. Der Datenverkehr von der Quelle wird an die Empfänger weitergeleitet. Sender senden zuerst die Multicast-Daten an den RP, der wiederum die Daten über den gemeinsam genutzten Baum an die Empfänger sendet.
Gemeinsam genutzte Bäume, die auf einem RP zentriert sind, liefern nicht notwendigerweise den kürzesten, optimalsten Pfad. In solchen Fällen bietet PIM-SM eine Möglichkeit, auf effizientere quellenspezifische Bäume umzusteigen. Eine Datenschwellenrate wird zum Umschalten zwischen Bäumen definiert. PIM-SM verwendet einen Bootstrap-Router (BSR), der anderen Multicast-Routern Informationen über den RP anbietet. In einem gegebenen Netzwerk kann eine Reihe von Routern administrativ als mögliche Bootstrap-Router aktiviert werden. Ist nicht ersichtlich, welcher Router der BSR sein soll, überschwemmen die Kandidaten die Domain mit Werbung. Der Router mit der höchsten Priorität wird ausgewählt. Wenn alle Prioritäten gleich sind, wird der Kandidat mit der höchsten IP-Adresse zum BSR. PIM-SM ist in RFC 4601 definiert.
Zusammenfassung
Die Auswahl des richtigen Multicast-Modells (Layer 2 versus Layer 3) kann eine entmutigende Entscheidung sein. Die Entscheidung hängt normalerweise von einigen Faktoren ab: wie die Netzwerkinfrastruktur gestaltet ist und wo im Netzwerk das Multicast-Streaming erwartet wird. Bei den meisten Pro-AV-Installationen wird empfohlen, das AV-Netzwerk für nahtloses, ununterbrochenes Layer-2-Multicast-Streaming mit hoher Bandbreite von seinem eigenen Netzwerk zu isolieren.
Die wichtigsten zu beachtenden Aspekte sind die Auswahl der AV-Encoder/Decoder, die Kompatibilität des Ethernet-Switches und der Konfigurationsaufwand, der für die Implementierung eines Pro-AV-Netzwerks erforderlich ist.
Nicht jeder Netzwerk-Switch ist gleich und daher ist es wichtig, das richtige Produkt für den jeweiligen Einsatzzweck zu finden. NETGEAR beispielsweise ist nicht nur Gründungsmitglied der SDVoE Alliance, sondern auch das erste Unternehmen, das eine Switch-Familie namens M4300-Serie auf den Markt gebracht hat, die für echtes AVoIP entwickelt wurde.
Diese Geräte bieten eine einfache und nahtlose Integration in AV-Systeme mit Zero-Touch-Installation „out of the box“. Mit einem vergleichsweise kleinen Formfaktor sind die Switches auch so konzipiert, dass sie für Skalierbarkeit und Komfort stapelbar sind und bis zu 10 GB über 16 bis 96 verfügbare Ports sowohl für Kupfer- als auch für Glasfasernetzwerkverbindungen unterstützen. Benutzer können klein starten und das Netzwerk dann nach Bedarf aufbauen oder anpassen.
Einen ähnlichen Schritt gehen auch die Hersteller AVPro Edge und Niveo Professional. Beide bietet passend vorkonfigurierten Switches an.
Was ist ein VLAN?
VLAN steht für Virtual Local Area Network. Es handelt sich um ein logisches Teilnetzwerk eines physischen Local Area Networks (LANs). Das Virtual Local Area Network bildet ein logisches Netzwerksegment und eine eigene Broadcast-Domäne. VLANs können sich über mehrere Switche hinweg erstrecken. Es bietet mehr Flexibilität, Performance und Sicherheit. Eine technische Basis für VLANs beschreibt der Standard IEEE 802.1Q. Mit VLANs lassen sich demnach physische LANs in voneinander isolierte, logische Teilnetze aufteilen.
Was ist IEEE 802.3?
802.3 ist eine Standardspezifikation für Ethernet. Das ist eine Methode, die man für die physische Kommunikation in einem LAN einsetzt. Sie wird vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) festgelegt und weiterentwickelt. Das ursprüngliche Ethernet wurde 1983 von der IEEE als Standard ratifiziert und unterstützte eine Datenübertragungsrate von max. 10 Mbps (Megabits pro Sekunde).
In der IEEE 802.3 befinden sich die folgenden physischen Medien:
- 10Base-2: Dünnes Koaxialkabel mit einer max. Länge von 185 m
- 10Base-5: Dickes Koaxialkabel mit einer max. Segmentlänge von 500 m
- 10Base-F: Fiber-Optic-Kabel
- 10Base-T: Gewöhnlicher Twisted Pair Draht für Telefonie
- 10Base-T2: 100 Mbps über Twisted Pair mit geringer Qualität
- 1000Base-T: 1.000 Mbps oder 1Gbps
- 10GBase-T: 10 Gbps bei Ethernet über Twinaxial-Kabel
- 1000Base-T1: Gigabit Ethernet über ein einziges Twisted Pair-Kabel, das man in Automotive- und industriellen Anwendungen einsetzt
- 40GBase-T: vier ausgewogene Twisted-Pair-Kabel mit zwei Verbindungen für über 30 m
- 2.5GBase-T und 5Gbase-T: 2,5 Gigabit und 5 Gigabit über CAT-6 Twisted Pair.
Was ist QoS?
QoS steht für Quality of Service. Quality of Service besteht darin, Datenverkehr so zu manipulieren, dass ein Netzwerkgerät wie ein Router oder Switch ihn entsprechend den erforderlichen Verhaltensweisen der Anwendungen, die diesen Datenverkehr generieren, weiterleitet. Mit anderen Worten, QoS ermöglicht es einem Netzwerkgerät, Datenverkehr zu differenzieren und dann unterschiedliche Verhaltensweisen auf den Datenverkehr anzuwenden.
Multicasting für Pro-AV
Die wachsende Nachfrage nach dem Internet der Dinge (IoT) hat dazu geführt, dass IP-Netzwerke zu einem grundlegenden Bestandteil der Unternehmens-, Unterhaltungs- und Heimindustrie geworden sind. Während sich die AV-Branche in Richtung IP-basierte Systeme bewegt, wird die typische Kreuzschiene jetzt durch Ethernet-Switches ersetzt, um die Flexibilität höherer Auflösungen und erhöhter Stream-Bandbreite zu gewährleisten.
Eine typische Audio/Video over IP (AVoIP)-Umgebung besteht aus einem Ethernet-Switch mit einer Reihe von Encodern (Sendern) und Decodern (Empfängern). Viele AVoIP-Anbieter bieten heute Lösungen an, die Streams mit 4K- und höherer Videoauflösung codieren/decodieren können. Mit dem Wachsen der Nachfrage nach 4K- und möglicherweise 8K-Auflösung ist die Notwendigkeit einer 10G-Ethernet-Switching-Infrastruktur und höher, um den ordnungsgemäßen Transport dieser hochwertigen Multicast-Streams zu gewährleisten, zwingend erforderlich.
Ethernet-Video-Streaming-Hintergrund
Es gibt 3 verschiedene Arten von Datenverkehr, die einen Ethernet-Switch durchlaufen: Unicast, Broadcast und Multicast. Unicast ist eine Eins-zu-eins-Art der Datenübertragung, was bedeutet, dass ein Sender nur an einen Teilnehmer sendet. Broadcast ist eine One-to-All-Art der Datenübertragung, was bedeutet, dass ein Sender an alle Benutzer im lokalen Netzwerk (LAN) sendet – auch wenn sie das Video nicht sehen möchten. Schließlich ist Multicast eine Eins-zu-Viele-Art von Datenverkehr.
Multicast ist eine der vielen beliebten Methoden zum Senden von Videos an eine Gruppe, die daran interessiert ist, das Video zu empfangen. Der einfachste Weg, Multicast-Datenverkehr an alle Empfänger zu streamen, besteht darin, den Multicast-Stream an das gesamte LAN zu leiten. Diese einfache Methode des Multicast-Streamings verursacht Bandbreitenverzögerungen und unerwünschte Daten an andere Hosts.
Eine bessere Alternative ist die Nutzung des Layer 2 Internet Group Management Protocol (IGMP). IGMP ist ein weit verbreitetes Multicast-Protokoll, das auf der Netzwerkschicht des OSI-Stacks2 unterstützt wird. IGMP wird von Hosts und ihren benachbarten Routern verwendet, damit Hosts den Router über den Wunsch informieren können, einen Multicast-Stream zu empfangen, weiter zu empfangen oder zu stoppen.
Was ist IGMP?
Das Internet Group Management Protocol (IGMP) ist ein Netzwerkprotokoll der Internetprotokollfamilie und dient zur Organisation von Multicast-Gruppen. IGMP basiert auf dem Internet Protocol (IP) und ermöglicht IPv4-Multicasting (Gruppenkommunikation) im Internet.
IP-Multicasting ist die Verteilung von IP-Paketen unter einer IP-Adresse an mehrere Stationen gleichzeitig. IGMP bietet die Möglichkeit, dynamisch Gruppen zu verwalten. Die Verwaltung findet nicht in der Sende-Station statt, sondern in den Routern, an denen Empfänger einer Multicast-Gruppe direkt angeschlossen sind.
IGMP bietet Funktionen, mit denen eine Station einem Router mitteilt, dass sie Multicast-IP-Pakete einer bestimmten Multicast-Gruppe empfangen will. Multicast-Routing-Protokolle (DVMRP, MOSPF, PIM) übernehmen die Koordination der Übertragung zwischen den Routern. Der Sender von Multicast-IP-Paketen weiß dabei nicht, welche und wie viele Stationen seine Pakete empfangen, denn er verschickt nur ein einziges Datenpaket an seinen übergeordneten Router. Dieser dupliziert das IP-Paket bei Bedarf, wenn er mehrere ausgehende Schnittstellen mit Empfängern hat.
IGMP ohne und mit Snooping
Die letzte Alternative ist Layer 3 Protocol Independent Multicast (PIM). Es ist normalerweise für ein komplexeres Netzwerk konzipiert, in dem sich Sender und Empfänger in unterschiedlichen Subnetzen eines Netzwerks befinden. PIM-Multicast-Routing ist im Allgemeinen komplizierter einzurichten als IGMP, ermöglicht jedoch eine bessere Kontrolle über das Routing zwischen Subnetzen.
Betriebstheorie mit einer L2/L3 Pro AV-Multicast-Infrastruktur
Es gibt zwei Arten von Multicast-Infrastrukturen zum Streamen von Multicast. Der erste Typ ist Layer-2-Multicast, bei dem IGMP in einer einzelnen, flachen Netzwerkumgebung verwendet wird. Die zweite Art von Netzwerkinfrastruktur ist Layer-3-Multicast, bei dem PIM in einer gerouteten Umgebung mit unterschiedlichen Subnetzen und Routern verwendet wird.
Layer 2 IGMP wird auf einem einzelnen, konfigurierten virtuellen LAN (VLAN) verwendet. Wenn der AVoIP-Endpunkt den Videostream in einen Multicast-Stream codiert, wird der Multicast-Stream dann mit einer definierten Multicast-Gruppe zur 3. (Netzwerk-) Schicht des OSI-Stacks transportiert.
Bei IGMPv2 (RFC 2236) wird der Stream zum IGMP-Snooping-Querier transportiert. Die Verantwortung des Abfragers besteht darin, IGMP-Gruppenmitgliedschaft3-Abfragen in einem festgelegten Intervall zu versenden, IGMP-Mitgliedschaftsberichte von aktiven Mitgliedern abzurufen und die Aktualisierung der Gruppenmitgliedschaftstabellen zu ermöglichen. Es gibt einen aktiven IGMP-Querier pro Subnetz/VLAN. Im Allgemeinen übernimmt der IGMP-Snooping-Querier die Verantwortung für einen Multicast-Router4 (mrouter), wenn keiner verfügbar ist.
Eine der anderen Aufgaben des IGMP-Queriers besteht darin, IGMP-Snooping für das VLAN bereitzustellen. IGMP-Snooping optimiert die Bandbreite und wartet auf IGMP-Nachrichten. Der Querier leitet dann die Multicast-Pakete vom VLAN nur an die Ethernet-Ports weiter, die Quellen von IGMP-Mitgliedschaftsberichten sind, und führt einen Cache der Einträge in einer Tabelle auf dem Switch.
Wenn der AV-Decoder einem Multicast-Stream (Multicast-Gruppe) beitreten möchte, empfängt der IGMP-Querier grundsätzlich die „JOIN“-Anforderung über IGMP-Snooping und platziert den Eintrag in der Cache-Tabelle. Dadurch kann die Multicast-Stream-Anforderung zum Decoder transportiert und das Video zu seinem Ausgang gestreamt werden.
Der IGMP-Querier verwaltet auch die „LEAVE“-Anfrage der Hosts. Die „LEAVE“-Anfrage ist eine Funktion von IGMP v2 (RFC 2236). Wenn ein Gruppenmitglied anfordert, die Multicast-Gruppe zu verlassen, sendet es eine „VERLASSEN“-Anforderung an den IGMP-Querier und gibt damit seinen Wunsch an, die Multicast-Gruppe zu verlassen. Der IGMP-Querier empfängt die „LEAVE“-Anforderung, entfernt den Eintrag aus der IGMP-Cache-Tabelle und stoppt den Multicast-Verkehr.
Diese Methode ist möglicherweise nicht sofort verfügbar, aber der Datenverkehr wird schließlich durch die Verwendung von Zeitgebern gestoppt. Mit der Fast-Leave-Funktion auf dem Switch geht dieser Vorgang deutlich schneller. Das Gerät kann sofort aus der Layer-2-Weiterleitungstabelle entfernt werden, wenn es eine Leave-Nachricht für eine Multicast-Gruppe erhält. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, MAC-basierte allgemeine Abfragen zu versenden.
Multicast kann sehr bandbreitenintensiv werden. Durch den Einsatz von IGMP, IGMP Snooping und IGMP Fast-Leave kann die Bandbreite optimiert werden. Aufgrund der Art von Multicast können jedoch auch unbekannte oder unerwünschte Streams den IGMP-Querier bombardieren und Verzögerungen oder Bandbreitenverluste verursachen. Die Lösung für dieses Dilemma besteht darin, sicherzustellen, dass die Multicast Flooding Control-Funktion so eingestellt ist, dass sie alle bekannten (Hosts, die den Stream nicht anfordern) und unbekannte Multicast-Datenströme blockieren.
In einer Layer-3-Umgebung verwenden Netzwerktechniker häufig das Protocol Independent Multicast (PIM)-Routing-Protokoll. PIM wird normalerweise in einer gerouteten Netzwerkumgebung verwendet, in der sich der Streaming-Host auf einem anderen Router und über Netzwerke befindet. PIM erstellt Multicast-Routen, die sicherstellen, dass der kürzeste Weg genommen wird, und Schleifen unterdrückt.
Es gibt zwei Arten von gängigen PIM-Modi: PIM Dense Mode (PIM-DM) und PIM Sparse Mode (PIM-SM). PIMDM verwendet eine Floodthen-Prune-Methode. Der Multicast-Datenverkehr wird an alle Hosts geflutet, dann aber für Hosts gekürzt, die den Multicast-Stream nicht anfordern. PIM-SM verwendet eine völlig andere Methode. In PIM-SM kann der Multicast-Router entweder als Rendezvous Point (RP)5 oder Designated Router (DR)6 fungieren.
PIM-DM (RFC 3973) verwendet die vorhandene Unicast-Routing-Tabelle sowie Join-, Prune- und Graft-Mechanismen, um einen Multicast-Baum zu erstellen. PIM-DM erstellt quellenbasierte Verteilungsbäume auf dem kürzesten Weg unter Verwendung von Reverse Path Forwarding (RPF).
PIM-DM kann nicht verwendet werden, um einen gemeinsam genutzten Verteilungsbaum aufzubauen, wie es PIM-SM kann. PIM-DM geht davon aus, dass, wenn ein Sender mit dem Senden von Daten beginnt, alle nachgeschalteten Router und Hosts ein Multicast-Datagramm empfangen möchten. PIM-DM überschwemmt zunächst den Multicast-Datenverkehr im gesamten Netzwerk. Router, die keine Downstream-Nachbarn haben, reduzieren den unerwünschten Datenverkehr.
Abgesehen von den Prune-Nachrichten verwendet PIM-DM auch zwei zusätzliche Nachrichten (Graft und Assert). Graft-Nachrichten werden immer dann verwendet, wenn ein neuer Host der Gruppe beitreten möchte. Assert-Nachrichten werden verwendet, um doppelte Flüsse auf das gleiche Multi-Access-Netzwerk zu unterbinden.
Um das wiederholte Fluten von Paketen und das anschließende Pruning im Zusammenhang mit einem bestimmten Adresspaar aus Quelle und Gruppe (als „S, G“ geschrieben) zu minimieren, verwendet PIM-DM eine Statusaktualisierungsnachricht. Diese Nachricht wird von den direkt mit der Quelle verbundenen Routern gesendet und im gesamten Netzwerk verbreitet. Wenn sie von einem Router auf seiner RPF-Schnittstelle empfangen wird, bewirkt die Zustandsaktualisierungsnachricht, dass ein bestehender Prune-Zustand aufgefrischt wird. Zustandsaktualisierungsnachrichten werden regelmäßig von dem Router generiert, der direkt mit der Quelle verbunden ist.
PIM-SM verwendet standardmäßig gemeinsam genutzte Bäume und implementiert aus Effizienzgründen quellenbasierte Bäume. PIM-SM geht davon aus, dass keine Hosts den Multicast-Datenverkehr wünschen, es sei denn, sie fragen ausdrücklich danach und erstellt einen gemeinsamen Verteilungsbaum, der auf einem definierten Rendezvous-Punkt (RP) zentriert ist. Der Datenverkehr von der Quelle wird an die Empfänger weitergeleitet. Sender senden zuerst die Multicast-Daten an den RP, der wiederum die Daten über den gemeinsam genutzten Baum an die Empfänger sendet.
Gemeinsam genutzte Bäume, die auf einem RP zentriert sind, liefern nicht notwendigerweise den kürzesten, optimalsten Pfad. In solchen Fällen bietet PIM-SM eine Möglichkeit, auf effizientere quellenspezifische Bäume umzusteigen. Eine Datenschwellenrate wird zum Umschalten zwischen Bäumen definiert. PIM-SM verwendet einen Bootstrap-Router (BSR), der anderen Multicast-Routern Informationen über den RP anbietet. In einem gegebenen Netzwerk kann eine Reihe von Routern administrativ als mögliche Bootstrap-Router aktiviert werden. Ist nicht ersichtlich, welcher Router der BSR sein soll, überschwemmen die Kandidaten die Domain mit Werbung. Der Router mit der höchsten Priorität wird ausgewählt. Wenn alle Prioritäten gleich sind, wird der Kandidat mit der höchsten IP-Adresse zum BSR. PIM-SM ist in RFC 4601 definiert.
Zusammenfassung
Die Auswahl des richtigen Multicast-Modells (Layer 2 versus Layer 3) kann eine entmutigende Entscheidung sein. Die Entscheidung hängt normalerweise von einigen Faktoren ab: wie die Netzwerkinfrastruktur gestaltet ist und wo im Netzwerk das Multicast-Streaming erwartet wird. Bei den meisten Pro-AV-Installationen wird empfohlen, das AV-Netzwerk für nahtloses, ununterbrochenes Layer-2-Multicast-Streaming mit hoher Bandbreite von seinem eigenen Netzwerk zu isolieren.
Die wichtigsten zu beachtenden Aspekte sind die Auswahl der AV-Encoder/Decoder, die Kompatibilität des Ethernet-Switches und der Konfigurationsaufwand, der für die Implementierung eines Pro-AV-Netzwerks erforderlich ist.