[CISCO] Multicast 이론, Routing, 그리고 PIM Modes

1. Multicast란?

멀티캐스트는 네트워크 상에서 특정 그룹의 호스트들에게만 데이터를 전송하는 기술. 브로드캐스트가 네트워크 내의 모든 호스트에게 데이터를 전송하고, 유니캐스트가 하나의 호스트에게만 데이터를 전송하는 것과 달리, 멀티캐스트는 그룹에 가입한 호스트들에게만 데이터를 전송하여 네트워크 효율성을 극대화.

Multicast의 주요 개념

• 멀티캐스트 그룹: 특정 데이터를 받고자 하는 호스트들의 논리적 집합.
  • 그룹 주소는 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 
• IGMP (Internet Group Management Protocol):
  • 호스트가 멀티캐스트 그룹에 가입하거나 탈퇴할 때 사용하는 프로토콜.
• 멀티캐스트 전송:
  • 데이터는 송신자로부터 멀티캐스트 트리가 형성되어 필요한 호스트에게 전달

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Multicast의 심화 개념

멀티캐스트와 Unicast의 근본적 차이점

• Unicast는 단일 송신자-수신자 간 통신으로, 대량의 데이터 전송 시 트래픽이 기하급수적으로 증가.
• Multicast는 동일한 데이터를 한 번만 전송하며, 네트워크의 대역폭을 최적화

멀티캐스트 그룹 주소와 멤버십 관리

• 멀티캐스트 그룹 주소는 Class D (224.0.0.0 ~ 239.255.255.255) 대역을 사용합.
  • 224.0.0.x: 로컬 멀티캐스트 (IGMP/OSPF 등 프로토콜 용도).
  • 239.x.x.x: 사설 멀티캐스트.
• IGMP (Internet Group Management Protocol)를 통해 호스트가 그룹에 참여 혹은 탈퇴
  • IGMPv1: 기본 그룹 관리.
  • IGMPv2: 그룹 탈퇴 메시지 추가.
  • IGMPv3: 소스 기반 멀티캐스트(S,G) 지원.

[CISCO] IGMP (Internet Group Management Protocol)

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2. Multicast Routing

멀티캐스트 데이터를 효율적으로 전달하기 위해 멀티캐스트 라우팅 프로토콜이 사용되며, 멀티캐스트 트래픽은 최적의 경로를 통해 그룹에 가입한 리시버에게만 전달하는 방식

Multicast 라우팅의 주요 프로토콜

• DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol): RIP 기반 멀티캐스트 라우팅 프로토콜.
• MOSPF (Multicast Open Shortest Path First): OSPF 확장 프로토콜로 멀티캐스트를 지원.
• PIM (Protocol Independent Multicast): 라우팅 프로토콜에 의존하지 않고 멀티캐스트를 전달하는 핵심 프로토콜.

멀티캐스트 트리 구조

멀티캐스트 트리는 데이터를 최적화된 경로로 전달.

1. 공유 트리 (Shared Tree):
   • RP 중심으로 모든 그룹이 공유하는 트리.
   • PIM-SM에서 기본적으로 사용.
   • 트래픽 지연 가능성이 있으나, 관리가 용이.
2. 소스 트리 (Source Tree):
   • 각 송신자-수신자 간 독립된 트리.
   • PIM-SM에서 최적화를 위해 사용.
   • 트래픽 지연이 적고 효율적.

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3. PIM (Protocol Independent Multicast)

PIM은 네트워크 규모와 요구사항에 따라 두 가지 주요 모드로 분류:

*IM Sparse Mode (PIM-SM)와 PIM Dense Mode (PIM-DM).

PIM의 기본 동작

• Rendezvous Point (RP): PIM-SM에서 사용되며 중심 역할을 수행하며 송신자와 수신자를 연결.
• Flood-Prune 모델: PIM-DM에서 사용되며 멀티캐스트 트래픽을 모든 경로로 플러딩한 후 필요 없는 경로를 단절

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4. PIM Sparse Mode (PIM-SM)

PIM-SM의 특징

• 그룹 가입 요청 기반(Pull-based): 리시버가 명시적으로 요청(Join 메시지)을 보낸 경우에만 트래픽을 전달.
• Rendezvous Point (RP): 중심 노드로, 송신자와 수신자를 연결하는 허브 역할.
• 대규모 네트워크에서 적합하며, 네트워크 대역폭 사용이 효율적

PIM-SM의 장점

• 대역폭 효율적 사용.
• 대규모 네트워크에서 안정적인 트래픽 전달.

트래픽 전환 과정

1. Shared Tree 단계:
   • RP를 경유하여 트래픽 전달.
   • 송신자-수신자 간 간접 경로로 초기 연결.
2. 소스 트리 전환 (Switch to SPT):
   • 수신 라우터가 최적 경로를 계산.
   • RP를 우회한 다이렉트 경로(S,G)로 전환.

PIM-SM 트래픽 흐름

1. 송신자가 데이터를 RP에 전송.
2. 리시버가 Join 메시지를 보내 RP와 연결.
3. RP는 송신자와 리시버 간에 멀티캐스트 트리(Tree)를 생성.

PIM-SM에서 RP 선택

• Static RP: 수동으로 RP를 설정.
• Auto-RP: 멀티캐스트를 사용하여 RP를 동적으로 배포.
• Bootstrap Router (BSR): PIM 라우터 간 동적 RP 선출

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5. PIM Dense Mode (PIM-DM)

PIM-DM의 특징

• Flood-Prune 기반(Push-based): 송신자가 멀티캐스트 데이터를 모든 경로로 전송한 후, 필요 없는 경로에서 Prune 메시지를 전달
• RP 필요 없음: 네트워크 내 모든 경로로 멀티캐스트 데이터를 전달.
• 소규모 네트워크에 적합

PIM-DM의 장점

• RP 설정이 필요 없어 간단.
• 초기 설정 후 빠르게 작동.

Flood-Prune 메커니즘

1. 송신자가 데이터를 네트워크 전역으로 브로드캐스트.
2. 리시버가 없는 라우터가 Prune 메시지를 전송하여 트래픽 차단.
3. 특정 경로로만 트래픽 전달.

PIM-DM 트래픽 흐름

1. 송신자가 멀티캐스트 데이터를 모든 경로로 전송.
2. 필요 없는 경로의 라우터가 Prune 메시지를 통해 트래픽을 차단.
3. 최종적으로 멀티캐스트 그룹에 속한 리시버만 트래픽 수신.

특징	PIM-SM	PIM-DM
트래픽 전송 방식	요청 기반 (Pull)	브로드캐스트 기반 (Push)
RP 필요 여부	필수	불필요
적용 범위	대규모 네트워크	소규모 네트워크
대역폭 효율성	높음	낮음
적용 사례	IPTV, 비디오 스트리밍	소규모 사내 네트워크