PIM プロトコルの仕組み

PIM プロトコルは、ルーター間のネットワークでマルチキャストを送信するためのプロトコルのセットです。 近隣関係は、動的ルーティング プロトコルの場合と同じ方法で構築されます。 PIMv2 は、予約されたマルチキャスト アドレス 30 (All-PIM-Routers) に 224.0.0.13 秒ごとに Hello メッセージを送信します。 メッセージにはホールド タイマーが含まれています。通常は 3.5*Hello タイマーに相当します。つまり、デフォルトでは 105 秒です。

PIM は、Dense モードと Sparse モードという XNUMX つの主要な動作モードを使用します。 まずはDenseモードから始めましょう。
ソースベースの配布ツリー。
高密度モード モードは、異なるマルチキャスト グループの多数のクライアントの場合に使用することをお勧めします。 ルーターがマルチキャスト トラフィックを受信すると、最初に RPF ルールを確認します。 RPF - このルールは、ユニキャスト ルーティング テーブルを使用してマルチキャストの送信元をチェックするために使用されます。 ユニキャスト ルーティング テーブルのバージョンに従って、このホストが隠蔽されているインターフェイスにトラフィックが到着する必要があります。 この仕組みにより、マルチキャスト送信時に発生するループの問題が解決されます。

R3 はマルチキャスト メッセージからマルチキャスト ソース (ソース IP) を認識し、ユニキャスト テーブルを使用して R1 と R2 からの 1 つのフローをチェックします。 テーブル (R3 から R2) が指すインターフェイスからのストリームはさらに送信され、マルチキャスト ソースに到達するには S0/1 経由でパケットを送信する必要があるため、RXNUMX からのストリームはドロップされます。
問題は、同じメトリックを持つ XNUMX つの同等のルートがある場合はどうなるかということです。 この場合、ルーターはこれらのルートからネクストホップを選択します。 より高い IP アドレスを持っている人が勝ちます。 この動作を変更する必要がある場合は、ECMP を使用できます。 さらに詳しく ここで.
RPF ルールをチェックした後、ルータは、パケットの受信元を除くすべての PIM ネイバーにマルチキャスト パケットを送信します。 他の PIM ルーターはこのプロセスを繰り返します。 マルチキャスト パケットがソースから最終受信者までたどるパスは、ソースベースの配信ツリー、最短パス ツリー (SPT)、ソース ツリーと呼ばれるツリーを形成します。 XNUMX つの異なる名前があり、いずれかを選択します。
一部のルーターがマルチキャスト ストリームを放棄せず、送信する相手がいないにもかかわらず、上流ルーターがストリームを送信するという問題を解決する方法。 Prune メカニズムはこのために発明されました。
プルーンメッセージ。
たとえば、R2 は R3 にマルチキャストを送信し続けますが、R3 は RPF ルールに従ってマルチキャストをドロップします。 なぜチャンネルをロードするのでしょうか? R3 は PIM プルーン メッセージを送信し、R2 はこのメッセージを受信すると、このフローの送信インターフェイス リスト、つまりこのトラフィックの送信元となるインターフェイスのリストからインターフェイス S0/1 を削除します。

以下は、PIM Prune メッセージのより正式な定義です。
PIM プルーン メッセージは、あるルータから XNUMX 番目のルータに送信され、XNUMX 番目のルータが特定の (S,G) SPT からプルーンを受信するリンクを削除します。

Prune メッセージを受信した後、R2 は Prune タイマーを 3 分に設定します。 1 分後、別の Prune メッセージを受信するまで、トラフィックの送信が再開されます。 これは PIMvXNUMX にあります。
また、PIMv2 では、State Refresh タイマーが追加されました (デフォルトでは 60 秒)。 Prune メッセージが R3 から送信されるとすぐに、このタイマーが R3 で開始されます。 このタイマーが期限切れになると、R3 は状態更新メッセージを送信します。これにより、このグループの R3 上の 2 分間のプルーン タイマーがリセットされます。
Prune メッセージを送信する理由:

• マルチキャスト パケットが RPF チェックに失敗した場合。
• マルチキャスト グループを要求したローカル接続クライアントが存在せず (IGMP 参加)、マルチキャスト トラフィックの送信先となる PIM ネイバーも存在しない場合 (非プルーン インターフェイス)。

グラフトメッセージ。
R3 が R2 からのトラフィックを望まず、Prune を送信し、R1 からマルチキャストを受信したと想像してみましょう。 しかし突然、R1 と R3 の間のチャネルが切断され、R3 はマルチキャストなしのままになりました。 R3 のプルーン タイマーが期限切れになるまで 2 分間待機できます。 3 分は長い待ち時間であるため、待たないようにするために、この S0/1 インターフェイスを R2 にプルーニング状態から即座に解除するメッセージを送信する必要があります。 このメッセージは Graft メッセージになります。 Graft メッセージを受信した後、R2 は Graft-ACK で応答します。
プルーンオーバーライド。

この図を見てみましょう。 R1 は、3 つのルーターを備えたセグメントにマルチキャストをブロードキャストします。 R2 はトラフィックを受信して​​ブロードキャストし、R1 はトラフィックを受信しますが、トラフィックをブロードキャストする先がありません。 このセグメントで Prune メッセージを R1 に送信します。 R0 はリストから Fa0/3 を削除し、このセグメントでの放送を停止する必要がありますが、R3 はどうなりますか? そして、同じセグメントにいるR1もプルーンからのメッセージを受け取り、状況の悲惨さを理解しました。 R3 はブロードキャストを停止する前に、3 秒のタイマーを設定し、3 秒後にブロードキャストを停止します。 3 秒 - これは、R3 がマルチキャストを失わないために必要な時間です。 したがって、R1 はできるだけ早くこのグループに Pim Join メッセージを送信し、RXNUMX はブロードキャストを停止することを考えなくなります。 参加メッセージについては以下をご覧ください。
メッセージをアサートします。

この状況を想像してみましょう。0 つのルーターが同時に 2 つのネットワークにブロードキャストします。 これらはソースから同じストリームを受信し、それをインターフェイス e3 の背後にある同じネットワークにブロードキャストします。 したがって、このネットワークの唯一の放送局が誰になるかを決定する必要があります。 これにはアサートメッセージが使用されます。 R2 と R3 がマルチキャスト トラフィックの重複を検出すると、つまり、R10.1.1.10 と RXNUMX が自身がブロードキャストするマルチキャストを受信すると、ルータはここに問題があることを認識します。 この場合、ルータは、アドミニストレーティブ ディスタンスと、マルチキャスト ソースに到達するルート メトリック（XNUMX）を含むアサート メッセージを送信します。 勝者は次のように決定されます。

1. ADが低いもの。
2. AD が等しい場合、どちらのメトリクスが低いかを示します。
3. ここで同等であれば、このマルチキャストをブロードキャストするネットワーク内でより高い IP を持つ人になります。

この投票の勝者が指定ルーターになります。 Pim Hello は DR の選択にも使用されます。 記事の冒頭で PIM Hello メッセージが表示され、そこに DR フィールドが表示されます。 このリンク上で最も大きい IP アドレスを持つものが勝ちます。
便利な標識:

MROUTE テーブル。
PIM プロトコルがどのように動作するかを最初に確認した後、マルチキャスト ルーティング テーブルの操作方法を理解する必要があります。 mroute テーブルには、どのストリームがクライアントから要求されたか、およびどのストリームがマルチキャスト サーバーから流れているかに関する情報が保存されます。
たとえば、IGMP メンバーシップ レポートまたは PIM 参加がインターフェイスで受信されると、タイプ ( *, G ) のレコードがルーティング テーブルに追加されます。

このエントリは、アドレス 238.38.38.38 でトラフィック要求が受信されたことを意味します。 DC フラグはマルチキャストが高密度モードで動作することを意味し、C は受信者がルーターに直接接続されていること、つまりルーターが IGMP メンバーシップ レポートと PIM 参加を受信したことを意味します。
タイプ (S,G) のレコードがある場合は、マルチキャスト ストリームがあることを意味します。

S フィールド - 192.168.1.11 には、マルチキャスト送信元の IP アドレスが登録されています。これが RPF ルールによってチェックされます。 問題がある場合は、まずユニキャスト テーブルでソースへのルートを確認する必要があります。 [受信インターフェイス] フィールドでは、マルチキャストが受信されるインターフェイスを示します。 ユニキャスト ルーティング テーブルでは、送信元へのルートはここで指定されたインターフェイスを参照する必要があります。 送信インターフェイスは、マルチキャストがリダイレクトされる場所を指定します。 空の場合、ルーターはこのトラフィックに対するリクエストを受信して​​いません。 すべてのフラグの詳細については、こちらをご覧ください。 ここで.
PIM スパース モード。
スパース モードの戦略は、デンス モードの逆です。 スパース モードは、マルチキャスト トラフィックを受信すると、このフローに対する要求があったインターフェイス (たとえば、このトラフィックを要求する Pim Join または IGMP Report メッセージ) があったインターフェイス経由でのみトラフィックを送信します。
SM と DM の同様の要素:

• 近隣関係は PIM DM と同じ方法で構築されます。
• RPF ルールは機能します。
• DR の選択も同様です。
• Prune Overrides と Assert メッセージのメカニズムは似ています。

ネットワーク上で誰が、どこで、どのような種類のマルチキャスト トラフィックが必要かを制御するには、共通の情報センターが必要です。 私たちのセンターはランデブーポイント（RP）となります。 何らかのマルチキャスト トラフィックを必要とする人、またはソースからマルチキャスト トラフィックを受信し始めた人は、それを RP に送信します。
RP はマルチキャスト トラフィックを受信すると、以前にこのトラフィックを要求したルータにそのトラフィックを送信します。

RP が R3 であるトポロジを想像してみましょう。 R1 は S1 からトラフィックを受信するとすぐに、このマルチキャスト パケットをユニキャスト PIM 登録メッセージにカプセル化し、RP に送信します。 彼はどのようにして RP が誰であるかを知るのでしょうか? この場合、静的に設定されていますが、動的な RP 設定については後ほど説明します。

ip pim rp アドレス 3.3.3.3

RP は、このトラフィックの受信を希望する誰かからの情報があったかどうかを確認します。 そうではなかったと仮定しましょう。 次に、RP は R1 に PIM Register-Stop メッセージを送信します。これは、誰もこのマルチキャストを必要とせず、登録が拒否されることを意味します。 R1 はマルチキャストを送信しません。 ただし、マルチキャスト ソース ホストがそれを送信するため、R1 は Register-Stop を受信した後、60 秒に等しい Register-Suppression タイマーを開始します。 このタイマーが期限切れになる 5 秒前に、R1 は Null-Register ビットを含む空の Register メッセージ（つまり、カプセル化されたマルチキャスト パケットなし）を RP に送信します。 RP は次のように動作します。

• 受信者がいない場合は、Register-Stop メッセージで応答します。
• 受信者が現れても、彼はいかなる方法でもそれに応答しません。 R1 は、5 秒以内に登録拒否を受信しなかった場合、満足して、カプセル化されたマルチキャストを含む登録メッセージを RP に送信します。

マルチキャストが RP にどのように到達するかがわかったようです。次に、RP がどのようにトラフィックを受信者に配信するかという質問に答えてみましょう。 ここで、ルートパス ツリー (RPT) という新しい概念を導入する必要があります。 RPT は RP をルートとするツリーで、受信者に向かって成長し、各 PIM-SM ルーターで分岐します。 RP は PIM Join メッセージを受信することによってブランチを作成し、ツリーに新しいブランチを追加します。 したがって、すべてのダウンストリーム ルーターも同様です。 一般的なルールは次のようになります。

• PIM-SM ルータは、RP が隠されているインターフェイス以外のインターフェイスで PIM Join メッセージを受信すると、ツリーに新しいブランチを追加します。
• PIM-SM ルーターが直接接続されたホストから IGMP メンバーシップ レポートを受信した場合にも、ブランチが追加されます。

R5 ルーター上にグループ 228.8.8.8 のマルチキャスト クライアントがあると想像してみましょう。 R5 はホストから IGMP メンバーシップ レポートを受信するとすぐに、RP の方向に PIM Join を送信し、R5 自体がホストを参照するインターフェイスをツリーに追加します。 次に、R4 は R5 から PIM Join を受信し、インターフェイス Gi0/1 をツリーに追加し、RP 方向に PIM Join を送信します。 最後に、RP ( R3 ) は PIM Join を受信し、Gi0/0 をツリーに追加します。 これにより、マルチキャスト受信者が登録される。 ルート R3-Gi0/0 → R4-Gi0/1 → R5-Gi0/0 のツリーを構築しています。
この後、PIM Join が R1 に送信され、R1 はマルチキャスト トラフィックの送信を開始します。 マルチキャスト ブロードキャストが開始される前にホストがトラフィックを要求した場合、RP は PIM Join を送信せず、R1 には何も送信しないことに注意することが重要です。
マルチキャストの送信中に突然ホストがマルチキャストの受信を希望しなくなった場合、RP は Gi0/0 インターフェイスで PIM プルーンを受信するとすぐに、PIM Register-Stop を R1 に直接送信し、その後 PIM プルーンを送信します。 Gi0/1 インターフェイス経由のメッセージ。 PIM レジスタ停止は、PIM レジスタの送信元アドレスにユニキャストで送信されます。
前に述べたように、ルータが別のルータ、たとえば R5 から R4 に PIM Join を送信するとすぐに、レコードが R4 に追加されます。

また、タイマーが開始され、R5 はこのタイマーを常にリセットする必要があります。PIM 参加メッセージは常にリセットされます。そうしないと、R4 は送信リストから除外されます。 R5 は 60 個の PIM Join メッセージごとに送信します。
最短パスツリー切り替え。
R1 と R5 の間にインターフェイスを追加し、このトポロジでトラフィックがどのように流れるかを確認します。

トラフィックが古いスキーム R1-R2-R3-R4-R5 に従って送受信され、ここで R1 と R5 の間のインターフェイスを接続して設定したと仮定します。
まず最初に、R5 でユニキャスト ルーティング テーブルを再構築する必要があります。これで、ネットワーク 192.168.1.0/24 が R5 Gi0/2 インターフェイス経由で到達できるようになります。 ここで、インターフェイス Gi5/0 でマルチキャストを受信して​​いる R1 は、RPF ルールが満たされておらず、マルチキャストを Gi0/2 で受信する方が論理的であることを理解します。 RPT から切断し、Shortest-Path Tree (SPT) と呼ばれるより短いツリーを構築する必要があります。 これを行うために、彼は Gi0/2 を介して R1 に PIM Join を送信し、R1 は同じく Gi0/2 を介してマルチキャストの送信を開始します。 ここで、R5 は 1 つのコピーを受け取らないように、RPT からサブスクライブを解除する必要があります。 これを行うために、送信元 IP アドレスを示し、特別なビットである RPT ビットを挿入するメッセージを Prune に送信します。 これは、私にトラフィックを送信する必要がないことを意味します。ここにはより良いツリーがあります。 RP は PIM Prune メッセージも R5 に送信しますが、Register-Stop メッセージは送信しません。 もう 1 つの機能: R5 が毎分 PIM Register を RP に送信し続けるのと同様に、RXNUMX は PIM Prune を RP に継続的に送信します。 このトラフィックを希望する新しいユーザーがいなくなるまで、RP はトラフィックを拒否します。 RXNUMX は、SPT 経由でマルチキャストを受信し続けることを RP に通知します。
動的 RP 検索。
自動RP。
このテクノロジーは Cisco が独自に開発したもので、あまり普及していませんが、まだ生き続けています。 Auto-RP の動作は、次の XNUMX つの主要な段階で構成されます。
1) RP は、予約されたアドレス 224.0.1.39 に RP-Announce メッセージを送信し、全員または特定のグループに対して自分自身を RP として宣言します。 このメッセージは XNUMX 分ごとに送信されます。
2) RP マッピング エージェントが必要です。これは、どのグループがどの RP をリッスンする必要があるかを示す RP-Discovery メッセージを送信します。 このメッセージに基づいて、通常の PIM ルータは自分自身の RP を決定します。 マッピング エージェントは、RP ルーター自体または別の PIM ルーターのいずれかになります。 RP-Discovery は、224.0.1.40 分のタイマーでアドレス XNUMX に送信されます。
プロセスをさらに詳しく見てみましょう。
R3 を RP として設定しましょう。

ip pim send-rp-announce ループバック 0 スコープ 10

マッピング エージェントとしての R2:

ip pim send-rp-discovery ループバック 0 スコープ 10

他のすべてでは、Auto-RP 経由の RP が期待されます。

ip pim autorp リスナー

R3 を設定すると、RP-Announce の送信が開始されます。

そして、R2 は、マッピング エージェントをセットアップした後、RP-Announce メッセージを待ち始めます。 少なくとも XNUMX つの RP が見つかった場合にのみ、RP-Discovery の送信を開始します。

こうすることで、通常のルーター (PIM RP リスナー) はこのメッセージを受信するとすぐに、RP をどこで探すべきかを知ることができます。
Auto-RP の主な問題の 224.0.1.39 つは、RP-Announce および RP-Discovery メッセージを受信するには、PIM Join をアドレス 40 ～ 224.0.1.39 に送信する必要があり、送信するには、そのアドレスがどこにあるかを知る必要があることです。 RPはあります。 典型的な鶏が先か卵が先かの問題。 この問題を解決するために、PIM Sparse-Dense-Mode が発明されました。 ルータが RP を認識しない場合はデンス モードで動作し、RP を認識している場合はスパース モードで動作します。 PIM スパース モードと ip pim autorplistener コマンドが通常のルータのインターフェイスに設定されている場合、ルータは Auto-RP プロトコル（40-XNUMX）から直接マルチキャストする場合にのみデンス モードで動作します。
ブートストラップ ルーター (BSR)。
この機能は Auto-RP と同様に機能します。 各 RP はマッピング エージェントにメッセージを送信します。マッピング エージェントはマッピング情報を収集し、他のすべてのルータに通知します。 Auto-RP と同様にプロセスを説明しましょう。
1) R3 を RP の候補として設定したら、次のコマンドを使用します。

ip pim rp-候補ループバック 0

この場合、R3 は何もしません。特別なメッセージの送信を開始するには、まずマッピング エージェントを見つける必要があります。 したがって、第 XNUMX ステップに進みます。
2) R2 をマッピング エージェントとして構成します。

ip pim bsr-候補ループバック 0

R2 は、自身をマッピング エージェントとして示す PIM ブートストラップ メッセージの送信を開始します。

このメッセージはアドレス 224.0.013 に送信され、PIM プロトコルは他のメッセージにもこのアドレスを使用します。 それらを全方向に送信するため、Auto-RP のような鶏が先か卵が先かの問題はありません。
3) RP は BSR ルーターからメッセージを受信するとすぐに、BSR ルーターのアドレスにユニキャスト メッセージを送信します。

その後、RP に関する情報を受信した BSR は、RP に関する情報をマルチキャストでアドレス 224.0.0.13 に送信し、すべての PIM ルーターがこの情報を受信します。 したがって、コマンドの類似物は、 ip pim autorp リスナー BSR にない通常のルーターの場合。
マルチキャスト ソース ディスカバリ プロトコル（MSDP）を使用したエニーキャスト RP。
Auto-RP と BSR を使用すると、次のように RP 上の負荷を分散できます。各マルチキャスト グループには、アクティブな RP が 255.255.255.255 つだけあります。 XNUMX つのマルチキャスト グループの負荷を複数の RP に分散することはできません。 MSDP は、マスク XNUMX を持つ同じ IP アドレスを RP ルーターに発行することでこれを行います。 MSDP は、静的、Auto-RP、BSR のいずれかの方法を使用して情報を学習します。

この図では、MSDP を使用した Auto-RP 構成が示されています。 両方の RP は、ループバック 172.16.1.1 インターフェイス上の IP アドレス 32/1 で設定され、すべてのグループに使用されます。 RP-Announce を使用すると、両方のルーターがこのアドレスを参照して自身をアナウンスします。 情報を受信した Auto-RP マッピング エージェントは、アドレス 172.16.1.1/32 の RP に関する RP-Discovery を送信します。 IGP を使用してネットワーク 172.16.1.1/32 についてルーターに伝えます。 したがって、PIM ルーターは、ネットワーク 172.16.1.1/32 へのルート上のネクストホップとして指定された RP からのフローを要求または登録します。 MSDP プロトコル自体は、RP 自体がマルチキャスト情報に関するメッセージを交換できるように設計されています。
次のトポロジを考えてみましょう。

Switch6 はトラフィックをアドレス 238.38.38.38 にブロードキャストします。これについては、これまでのところ RP-R1 だけが知っています。 Switch7 と Switch8 がこのグループを要求しました。 ルータ R5 と R4 は、それぞれ R1 と R3 に PIM Join を送信します。 なぜ？ R13.13.13.13 の 5 へのルートは、R1 の場合と同様に、IGP メトリックを使用して R4 を参照します。
RP-R1 はストリームについて知っており、R5 に向けてブロードキャストを開始しますが、R4 は単にストリームを送信しないため、R1 はストリームについて何も知りません。 したがって、MSDP が必要です。 R1 と R5 でこれを構成します。

ip msdp ピア 3.3.3.3 R1 の接続元ループバック 1

ip msdp ピア 1.1.1.1 R3 の接続元ループバック 3

これらは相互にセッションを確立し、フローを受信すると、それを RP ネイバーに報告します。
RP-R1 は Switch6 からストリームを受信するとすぐに、(S, G) (マルチキャストの送信元と宛先に関する情報) などの情報を含むユニキャスト MSDP Source-Active メッセージを送信します。 RP-R3 はスイッチ 6 などの送信元を認識しているため、R4 からこのフローの要求を受信すると、ルーティング テーブルに従ってスイッチ 6 に PIM Join を送信します。 その結果、そのような PIM Join を受信した R1 は、RP-R3 に向けてトラフィックを送信し始めます。
MSDP は TCP 上で実行され、RP はお互いにキープアライブ メッセージを送信して、稼働状態を確認します。 タイマーは60秒です。
キープアライブおよび SA メッセージはどのドメインのメンバーシップも示さないため、MSDP ピアを異なるドメインに分割する機能は不明のままです。 また、このトポロジでは、異なるドメインを示す構成をテストしましたが、パフォーマンスに違いはありませんでした。
誰かが明確にできる場合は、コメントで読んでいただければ幸いです。

出所： habr.com