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グローバルインターネット（インターネット）の急速な発展に伴い、インターネットを利用する人の数は飛躍的に増加し、通信事業全体に占めるインターネット技術によるデータ通信の割合は急速に高まっています。インターネット事業はマルチメディア通信業界の発展になっています。最速かつ最も競争力のある分野。インターネットネットワークの送信および処理機能の大幅な改善により、オンラインアプリケーションサービス、特にビデオおよびオーディオ圧縮テクノロジーの開発と成熟がますます進んでおり、オンラインビデオおよびオーディオサービスはインターネット上で最も重要なサービスの1つになっています。
一般的なサービスと比較して、ビデオオンデマンド（VOD）、ビデオテレフォニー、インターネットに実装されたビデオ会議などのビデオおよびオーディオサービスは、データ量が多く、遅延感度が高く、継続時間が長いという特徴があります。したがって、最小限の時間とスペースで送信し、ビデオおよびオーディオサービスに必要な高いネットワーク使用率、高速送信速度、および強力なリアルタイムパフォーマンスの問題を解決するには、従来のユニキャストおよびブロードキャストメカニズムとは異なる転送テクノロジとQoSサービス保証を採用する必要があります。達成するためのメカニズム、およびIPマルチキャスト技術は、これらの問題を解決するための重要な技術です。
1.IPマルチキャストテクノロジーの概念
IPマルチキャスト（マルチキャストまたはマルチキャストとも呼ばれる）テクノロジは、1つ以上のホスト（マルチキャストソース）が単一のデータパケットを複数のホストに（一度に同時に）送信できるようにするTCP / IPネットワークです。技術。ポイントツーマルチポイント通信として、マルチキャストはネットワーク帯域幅を節約する効果的な方法の1つです。ネットワークオーディオ/ビデオブロードキャストのアプリケーションでは、ノードの信号を複数のノードに送信する必要がある場合、それが繰り返しのポイントツーポイント通信方式であろうとブロードキャスト方式であろうと、ネットワーク帯域幅を大幅に浪費します。マルチキャストのみが最適です。 ■選択。マルチキャストを使用すると、1つ以上のマルチキャストソースが特定のマルチキャストグループにのみデータパケットを送信でき、マルチキャストグループに参加しているホストのみがデータパケットを受信できます。現在、IPマルチキャスト技術は、ネットワークオーディオ/ビデオ放送、AOD / VOD、ネットワークビデオ会議、マルチメディア距離教育、「プッシュ」技術（株価情報など）、および仮想現実ゲームで広く使用されています。
2.IPマルチキャストテクノロジーの基本的な知識
1.1。IPマルチキャストアドレスとマルチキャストグループ
IPマルチキャスト通信はIPマルチキャストアドレスに依存する必要があります。IPv4では、224.0.0.0から239.255.255.255の範囲のクラスD IPアドレスであり、ローカルリンクマルチキャストアドレス、予約済みマルチキャストアドレス、および管理に分けられます。承認マルチキャストアドレスには3つのタイプがあります。その中で、ローカルリンクマルチキャストアドレス範囲は224.0.0.0〜224.0.0.255であり、ルーティングプロトコルやその他の目的のために予約されています。ルーターはこの範囲に属するIPパケットを転送しません。予約されたマルチキャストアドレスは224.0.1.0〜です。 238.255.255.255は、グローバル規模（インターネットなど）またはネットワークプロトコルで使用できます。管理機関のマルチキャストアドレスは239.0.0.0〜239.255.255.255で、組織内で使用できます。プライベートIPアドレスに似ており、インターネットでは使用できません。放送範囲。
同じIPマルチキャストアドレスを使用してマルチキャストパケットを受信するすべてのホストは、マルチキャストグループとも呼ばれるホストグループを形成します。マルチキャストグループのメンバーはいつでも変更できます。ホストはいつでもマルチキャストグループに参加または脱退できます。マルチキャストグループのメンバーの数と地理的な場所も制限されません。ホストは複数のマルチキャストグループに属することもできます。 。さらに、特定のマルチキャストグループに属していないホストも、データパケットをマルチキャストグループに送信できます。
2.2。マルチキャスト配信ツリー
マルチキャストデータをすべての受信ホストに送信するために、マルチキャスト配信ツリーを使用して、ネットワーク内のIPマルチキャスト送信のパスを記述します。マルチキャスト配信ツリーには、アクティブツリーと共有ツリーの2つの基本的なタイプがあります。
アクティブツリーは、マルチキャストソースをアクティブツリーのルートとして使用します。アクティブツリーのブランチは、ネットワークを介して受信ホストに到達する配布ツリーを形成します。アクティブツリーは、最短パスでネットワークを実行するため、最短パスツリーと呼ばれることがよくあります（ SPT）。共有ツリーは、マルチキャストネットワークで選択可能なマルチキャストルートの1つを、共有ツリーの共通ルートとして使用します。このルートは、ランデブーポイント（RP）と呼ばれます。共有ツリーは、一方向共有ツリーと双方向共有ツリーに分けることができます。一方向の共有ツリーとは、マルチキャストデータストリームをルートから共有ツリーを介してマルチキャストレシーバーに送信する必要があることを意味します。双方向共有ツリーは、マルチキャストデータストリームが共有ツリーを通過しない可能性があることを意味します。
3.3。リバースパス転送
リバースパス転送（RPF）は、マルチキャストルーティングプロトコルのマルチキャストデータ転送プロセスの基礎であり、その動作メカニズムは、マルチキャスト情報がアクティブツリーを通過するときに、マルチキャストルーターが到着するマルチキャストパケットのマルチキャスト送信元アドレスをチェックすることです。マルチキャストデータパケットが通過するインターフェイスがアクティブブランチ上にあるかどうかを判断するために、アクティブブランチ上にある場合、RPFチェックは成功し、マルチキャストデータパケットが転送されます。RPFチェックが失敗した場合、マルチキャストデータパケットは破棄されます。
4.4。インターネットマルチキャストバックボーン（MBONE）ネットワーク
インターネットマルチキャストバックボーン（MBONE）ネットワークは、IPマルチキャストをサポートする一連の相互接続されたサブネットホストと相互接続されたルーターで構成されます。これは、インターネット物理ネットワークの上位層に構築された仮想ネットワークと見なすことができます。この仮想ネットワークでは、マルチキャストソースから送信されたマルチキャスト情報ストリームを、IPマルチキャストをサポートするルーターグループ間およびマルチキャストルーターで直接送信できます。グループと非マルチキャストルーターグループ間の伝送は、ポイントツーポイントトンネリングテクノロジーを介して行われます。
3、IPマルチキャストルーティングとそのプロトコル
1.1。IPマルチキャストルーティングの基本的なタイプ
マルチキャストルーティングの一般的な考え方は、マルチキャストグループメンバー間で拡張された配布ツリーを構築することです。特定の「送信元、宛先グループ」ペアのIPマルチキャストトラフィックは、この拡張ツリーを介して送信元から受信者に送信されます。この拡張ツリーは、マルチキャストグループ内のすべてのホストを接続します。さまざまなIPマルチキャストルーティングプロトコルがさまざまなテクノロジーを使用して、これらのマルチキャスト拡張ツリーを構築します。ツリーが構築されると、すべてのマルチキャストトラフィックがツリーを介して伝播されます。
ネットワーク内のマルチキャストグループメンバーの分布によると、一般に、IPマルチキャストルーティングプロトコルは、次の2つの基本的なタイプに分類できます。1つ目は、マルチキャストグループメンバーがネットワーク内に密に分散していること、つまり、ネットワークのほとんどのサブネットに少なくとも1つのマルチキャストグループメンバーが含まれていて、ネットワーク帯域幅が十分に大きいことを前提としています。これは「密モード」と呼ばれます（高密度モード）マルチキャストルーティングプロトコルは、ブロードキャストテクノロジーに依存して、ネットワーク内のすべてのルーターにデータを「プッシュ」します。高密度モードルーティングプロトコルには、距離ベクトルマルチキャストルーティングプロトコル（DVMRP：距離ベクトルマルチキャストルーティングプロトコル）、マルチキャストオープン最短パスファースト（MOSPF：マルチキャストオープン最短パスファースト）、および高密度モード独立マルチキャストプロトコル（PIM-DM：プロトコル）が含まれます。 -独立したマルチキャスト-高密度モード）など。
2番目のタイプのマルチキャストルーティングは、マルチキャストグループメンバーがネットワーク内にまばらに分散しており、ネットワークが十分な伝送帯域幅を提供できないことを前提としています。たとえば、インターネットは、ISDN回線を介してさまざまなエリアに散在する多数のユーザーを接続します。この場合、ブロードキャストは多くの不要なネットワーク帯域幅を浪費し、深刻なネットワークパフォーマンスの問題を引き起こす可能性があります。したがって、スパースモードのマルチキャストルーティングプロトコルは、マルチキャストツリーを構築および維持するために、ルーティング機能を備えたテクノロジに依存する必要があります。スパースモードには、主にコアツリーベースのマルチキャストプロトコル（CBT：コアベースツリー）とスパースモードに依存しないプロトコルマルチキャスト（PIM-SM：プロトコルに依存しないマルチキャスト-スパースモード）が含まれます。
2.2。高密度モードプロトコル
（1）距離ベクトルマルチキャストルーティングプロトコル（DVMRP）
マルチキャスト機能をサポートする最初のルーティングプロトコルは、距離ベクトルマルチキャストルーティングプロトコルです。マルチキャストバックボーンネットワークであるMBONEで広く使用されています。
DVMRPは、送信元および宛先ホストグループごとに異なる配布ツリーを構築します。各配布ツリーは最小限に拡張された配布ツリーであり、マルチキャストソースがルート、マルチキャスト受信先ホストがリーフです。この分散ツリーは、送信者とグループ内の各マルチキャスト受信者の間の最短パスを提供します。「ホップカウント」の単位でのこの最短パスは、DVMRPの測定値です。送信元がマルチキャストグループにメッセージを送信する場合、この要求に従って拡張配布ツリーが確立され、「ブロードキャストおよびプルーニング」テクノロジを使用して拡張配布ツリーが維持されます。
拡張配布ツリーの構築中にマルチキャストパケットを選択的に送信する特定の操作は次のとおりです。ルーターがマルチキャストパケットを受信すると、最初にユニキャストルーティングテーブルをチェックして、マルチキャストグループのソースへの最短パスインターフェイスを見つけます。このインターフェースがマルチキャストパケットが到着するインターフェースである場合、ルーターはその内部ルーティングテーブル（パケットのグループが送信されるインターフェースを示す）にマルチキャストグループ情報を記録し、マルチキャストパケットをに送信します。データパケットのルーター以外の隣接ルーターへの送信を継続します。マルチキャストパケットの到着インターフェイスが、ルーターから送信元への最短パスのインターフェイスでない場合、パケットは破棄されます。このメカニズムは「リバースパスブロードキャスティング」メカニズムと呼ばれ、構築されたツリーにループがないことを保証し、ソースからすべての受信者への最短パスです。
DVMRPは、サブネット内の密に分散されたマルチキャストグループに対しては適切に機能しますが、比較的広いエリアに分散して分散されたマルチキャストグループの場合、定期的なブロードキャスト動作によって深刻なパフォーマンスの問題が発生する可能性があります。DVMRPは、大規模なネットワークでまばらに分散したマルチキャストグループをサポートできません。
（2）マルチキャストオープン最短パスファースト（MOSPF）
Open Shortest Path First（OSPF）は、データパケットを最小コストのパスにルーティングするユニキャストルーティングプロトコルです。ここで、コストはリンク状態の尺度です。パス内のホップ数に加えて、パスコストに影響を与える可能性のある他のネットワークパフォーマンスパラメータには、アプリケーションに必要な負荷分散情報とQoSが含まれます。
MOSPFは、ユニキャストルーティングおよびマルチキャスト用に設計されています。DVMRPにも独自のユニキャストプロトコルが含まれているのと同様に、MOSPFはユニキャストルーティングプロトコルとしてOSPFに依存しています。OSPF / MOSPFネットワークでは、各ルーターが最新のネットワークトポロジ図を維持します。この「リンク状態」情報は、マルチキャスト配布ツリーを構築するために使用されます。
各MOSPFルーターは、IGMPプロトコルを介してマルチキャストグループメンバーシップ情報を定期的に収集します。この情報とこれらのリンク状態情報は、ルーティングドメイン内の他のすべてのルーターに送信されます。ルーターは、隣接するルーターから受信した情報に基づいて、内部接続ステータス情報を更新します。各ルーターはネットワーク全体のトポロジを認識しているため、最小オーバーヘッド拡張ツリーを個別に計算し、マルチキャストソースとマルチキャストグループメンバーをそれぞれツリーのルートとリーフとして使用できます。このツリーは、ソースからマルチキャストグループのメンバーにマルチキャストストリームを送信するために使用されるパスです。
（3）独立したマルチキャスト高密度モードプロトコル（PIM-DM）
Multicast Protocol Independent（PIM）は、標準のマルチキャストルーティングプロトコルであり、ユニキャストプロトコルに依存することなく、インターネット上でスケーラブルなドメイン間マルチキャストルーティングを提供できます。PIMには2つの動作モードがあります。1つは密分散マルチキャストグループモード、もう1つは疎分散マルチキャストグループモードです。前者は独立マルチキャスト密モードプロトコル（PIM-DM）と呼ばれ、後者は独立多重モードと呼ばれます。ブロードキャストスパースモードプロトコル（PIM-SM）。
PIM-DMはDVMRPにいくぶん似ています。どちらのプロトコルも、リバースパスマルチキャストメカニズムを使用して配布ツリーを構築します。それらの主な違いは、PIMがネットワーク内のユニキャストルーティングプロトコルにまったく依存しないのに対し、DVMRPは関連するユニキャストルーティングプロトコルメカニズムに依存し、PIM-DMはDVMRPよりも単純であるということです。
PIM-DMプロトコルも、すべての高密度モードルーティングプロトコルと同様にデータ駆動型です。ただし、PIM-DMはユニキャストルーティングプロトコルに依存しないため、ルーターの特定の受信ポート（つまり、ソースに戻る最短のパスを持つポート）で受信したマルチキャストデータパケットは、からの不要な分岐まですべてのダウンストリームインターフェイスに送信されます。木は剪定されます。ツリー構築段階では、DVMRPはユニキャストプロトコルによって提供されるトポロジデータを使用して、データパケットを選択的にダウンストリームに送信できますが、PIM-DMは、パケットレプリケーションによって生じる追加のオーバーヘッドが増えるという犠牲を払っても、単純さと独立性に傾倒します。
2.2。スパースモードマルチキャストルーティングプロトコル
マルチキャストグループがネットワークに集中して分散している場合、またはネットワークが十分な帯域幅を提供している場合は、高密度モードのマルチキャストルーティングプロトコルが効果的な方法です。マルチキャストグループのメンバーが広範囲にまばらに分散している場合は、別の方法が必要です。つまり、スパースモードのマルチキャストルーティングプロトコルは、マルチキャストグループメンバーに接続されたリンクパス上のマルチキャストトラフィックを制御し、無関係のリンクパスに「リーク」しないため、データ送信の安全性が確保されるだけでなく、ネットワーク内の総トラフィックとルーターの負荷を効果的に制御できます。
（1）コアツリー（CBT）に基づくマルチキャストプロトコル
「送信元と宛先グループ」のペアごとに最短パスツリーを構築するDVMRPとMOSPFとは異なり、CBTプロトコルは、グループ内のすべてのメンバーが共有するツリーのみを構築します。このツリーは、共有ツリーとも呼ばれます。送信元の数や場所に関係なく、マルチキャストグループ全体のマルチキャストトラフィックがこの共有ツリーで送受信されます。この共有ツリーを使用すると、ルーターのマルチキャストステータス情報を大幅に減らすことができます。
CBT共有ツリーには、このツリーを構築するためのコアルーターがあります。参加するルーターは、このコアルーターに参加要求を送信します。コアルーターは参加要求を受信すると、リバースパスに沿って確認応答を返し、ツリーのブランチを形成します。参加要求パケットは、確認されるまでコアルーターに送信する必要はありません。参加要求パケットがコアルーターに到達する前にツリー上の特定のルーターに到着した場合、ルーターは要求パケットを転送して確認する代わりに、要求パケットを受信します。リクエストを送信したルーターは共有ツリーに接続されています。CBTは、送信元に基づく共有ツリーではなく、最小数のリンクにマルチキャストトラフィックを集中させます。コアルーターにトラフィックが集中すると、マルチキャストルーティングで問題が発生する可能性があります。CBTの一部のバージョンは、複数のマルチキャストコアの使用をサポートしており、マルチコアは、単一のマルチキャストコアよりも優れた負荷分散を実現できます。
（2）独立したマルチキャストスパースモードプロトコル（PIM-SM）
CBTと同様に、PIM-SMは、送受信が必要なルーターにマルチキャストを制限するように設計されています。PIM-SMは、ランデブーポイント（RP）と呼ばれるルーターの周りにマルチキャスト配信ツリーを構築します。この集中ポイントはCBTコアルーターと同じ役割を果たし、受信者は集中ポイントで新しいソースを見つけることができます。ただし、PIM-SMはCBTよりも柔軟性があります。CBTのツリーは通常、マルチキャストグループ共有ツリーです。PIM-SMの独立した受信者は、グループ共有ツリーまたは最短パスツリーの構築を選択できます。
PIM-SMプロトコルは、最初にマルチキャストグループ用のグループ共有ツリーを構築しました。このツリーは、CBTプロトコルのコアルーターを中心に構築された共有ツリーと同様に、集中ポイントに接続された送信者と受信者によって構築されます。共有ツリーが確立された後、受信者（実際には受信者に最も近いルーター）は、最短パスツリーを介して送信元への接続を変更することを選択できます。この操作のプロセスは、送信元にPIM参加要求を送信することによって完了します。送信者から受信者への最短パスが確立されると、RPを通る外側の分岐が削除されます。
第四に、IPマルチキャストルーティングのトンネル伝送メカニズム
マルチキャストのトンネルの概念は、マルチキャストをサポートしていないインターネットでのルーティング送信のために、マルチキャストパケットをIPデータパケットに再カプセル化することを指します。マルチキャストトンネルの最も有名な例はMBONEです（DVMRPプロトコルを使用）。データパケットのカプセル化はトンネルの入口で実行され、カプセル化解除はトンネルの出口で実行されます。トンネルメカニズムは、ローカルの全IPマルチキャスト構成送信メカニズムを実現するのに非常に役立ちます。
5.IPマルチキャストテクノロジーの適用
IPマルチキャストアプリケーションは、ポイントツーマルチポイントアプリケーション、マルチポイントツーポイントアプリケーション、マルチポイントツーマルチポイントアプリケーションの3つのカテゴリに大別できます。
1.1。ポイントツーマルチポイントアプリケーション
ポイントツーマルチポイントアプリケーションとは、1つの送信者と複数の受信者がいるアプリケーションフォームを指します。これは、マルチキャストアプリケーションの最も一般的な形式です。典型的なアプリケーションには、メディアブロードキャスト、メディアプッシュ、情報キャッシング、イベント通知、ステータス監視などがあります。
メディア放送：スケジュールに応じた講演会、発表会、会議などのイベント。その伝統的なメディア配信方法は通常、テレビとラジオを使用します。このタイプのアプリケーションでは通常、1つ以上の一定レートのデータストリームが必要です。複数のデータストリーム（音声やビデオなど）を使用する場合、それらを同期する必要があり、優先順位が異なることがよくあります。多くの場合、より高い帯域幅とより小さな遅延ジッタが必要ですが、絶対遅延の要件はそれほど高くありません。
メディアプッシュ：ニュースの見出し、天気の変化、スポーツスコア、その他の非商用の主要な動的変化など。それらはより低い帯域幅を必要とし、遅延の必要はありません。
情報キャッシュ：Webサイト情報、実行コード、その他のファイルベースの分散レプリケーションまたはキャッシュ更新など。帯域幅に関する一般的な要件と遅延に関する一般的な要件があります。
イベント通知：ネットワーク時間、マルチキャストセッションスケジュール、ランダム番号、キー、構成の更新、ネットワークアラームの有効範囲、またはその他の有用な情報など。帯域幅の要件は異なりますが、一般的に比較的低く、遅延の要件も平均的です。
ステータス監視：株価、検知機器、セキュリティシステム、生産情報、その他のリアルタイム情報など。このような帯域幅の要件は、サンプリング期間と精度によって異なり、一定レートの帯域幅またはバースト帯域幅の要件が存在する場合があります。一般に、帯域幅と遅延の要件は一般的です。
2.2。マルチポイントツーポイントアプリケーション
マルチポイントツーポイントアプリケーションとは、複数の送信者と1つの受信者のアプリケーションフォームを指します。通常、双方向の要求応答アプリケーションでは、任意のエンド（マルチポイントまたはポイント）が要求を開始できます。典型的なアプリケーションには、リソース検索、データ収集、オンラインオークション、情報照会、ジュークボックスが含まれます。
リソース検索：たとえば、サービスの場所では、低帯域幅と平均遅延が必要です。
データ収集：これは、ポイントツーマルチポイントアプリケーションのステータス監視アプリケーションの逆のプロセスです。複数のセンシングデバイスによってデータをデータ収集ホストに送り返す場合があります。帯域幅の要件は、サンプリング期間と精度によって異なります。一定レートの帯域幅またはバースト帯域幅の要件がある場合があります。一般に、このようなアプリケーションには、帯域幅と遅延に関する一般的な要件があります。
オンラインオークション：競売人は製品を競売にかけ、複数の入札者が入札を競売人に送り返します。
情報照会：照会者は照会を送信し、照会されたすべての人がそれに応答します。通常、これには低帯域幅が必要であり、遅延の影響を受けにくくなります。
ジュークボックス：たとえば、ニアオンデマンド（ニアオンデマンド）のオーディオとビデオの逆再生をサポートします。通常、受信者は「帯域外」プロトコルメカニズム（HTTP、RTSP、SMTP、マルチキャストモードなど）を使用して、逆再生要求をディスパッチキューに送信します。帯域幅の要件が高く、遅延の一般的な要件があります。
3.3。マルチポイントからマルチポイントへのアプリケーション
マルチポイントからマルチポイントへのアプリケーションとは、複数の送信者と複数の受信者がいるアプリケーションフォームを指します。一般に、各受信者は複数の送信者から送信されたデータを受信でき、同時に各送信者は複数の受信者にデータを送信できます。典型的なアプリケーションには、マルチポイントミーティング、リソース同期、並列処理、共同処理、距離学習、ディスカッショングループ、分散インタラクティブシミュレーション（DIS）、マルチプレーヤーゲーム、ジャムセッションなどがあります。
マルチポイント会議：通常、オーディオ/ビデオおよびテキストアプリケーションはマルチポイント会議アプリケーションを構成します。マルチポイント会議では、データストリームが異なれば優先順位も異なります。従来のマルチポイント会議では、特別なマルチポイント制御ユニットを使用して調整および配布します。マルチキャストを使用すると、すべての送信者がすべての受信者に直接送信でき、マルチポイント制御ユニットを使用して現在の発言権を制御します。このようなアプリケーションには、帯域幅と遅延に対する比較的高い要件があります。
リソースの同期：スケジュール、ディレクトリ、情報などの分散データベースの同期。帯域幅と遅延に関する一般的な要件があります。
並列処理：分散並列処理など。帯域幅と遅延に対する要件は比較的高くなっています。
共同処理：共有ドキュメントの編集など。帯域幅と遅延に関する一般的な要件があります。
遠隔学習：これは実際にはメディアブロードキャストアプリケーションに加えて、アップストリームデータストリームのサポートです（学生が教師に質問できるようにします）。帯域幅と遅延に関する一般的な要件があります。
ディスカッショングループ：テキストベースのマルチポイント会議と同様に、いくつかのシミュレートされた表現を提供することもできます。
分散インタラクティブシミュレーション（DIS）：帯域幅と遅延の要件が高くなっています。
マルチプレイヤーゲーム：マルチプレイヤーゲームは、ディスカッショングループ機能を備えたシンプルな分散インタラクティブシミュレーションです。帯域幅と遅延に対する要件は比較的高くなっています。
ジャムセッション：これはオーディオコーディング共有アプリケーションです。帯域幅と遅延に対する要件は比較的高くなっています。
IPマルチキャストは多くの新しいアプリケーションをもたらし、ネットワークの輻輳とサーバーの負担を軽減します。現在、IPマルチキャストの適用範囲は十分ではありませんが、占有帯域幅の削減、サーバー負荷の軽減、送信データの品質向上が可能であり、オーディオやビデオなど、帯域幅を多く必要とするマルチメディアアプリケーションに特に適しています。この新しいテクノロジーは、現在のネットワークコミュニティで注目を集めており、ネットワークアーキテクチャを根本的に変えるでしょう。
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