【ネットワーク入門】マルチキャストの代表的なプロトコル（PIM-SM）について

2023年1月18日2024年11月14日

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はじめに

こんにちは、ネットワークエンジニアの「だいまる」です。

前回の記事ではマルチキャストの基本となる「IGMP」について、説明しました。

今回は、マルチキャストの根幹となる「PIM-SM」と呼ばれるプロトコルについて説明したいと思います。

そもそもPIM-SMとは？

PIM-SMとは、「Protocol Independent Multicast Sparse Mode」の略称です。

名前の通り、マルチキャストのSparseモードでマルチキャストネットワークの構築を行うプロトコルが「PIM-SM」になります。

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いきなり出てきたSparseモードとは?

マルチキャストネットワークを構築する「PIM」には、「Sparse Mode」と「Dense Mode」の2種類が存在します。

Sparse Modeは、「マルチキャストで利用するディストリビューションツリーが2種類あり、帯域に余裕がないネットワークで用いるモード」になります。

また、2種類のディストリビューションツリーとは「送信元ツリー」と「共有ツリー」と呼ばれるツリーになります。

このモードでは、「Explicit Join（明示的な参加）」という「マルチキャストグループへの参加は明示する必要がある」特徴があります。

一方、Dense Modeは、「送信元ツリーのみを利用し、帯域に余裕のあるネットワークで用いるモード」になります。

また、Sparse Modeの「Explicit Join」とは異なり、定期的にマルチキャストグループへの参加確認を実施するモードになります。

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更なる深掘り！3種類のツリーについて

マルチキャストのプロトコルである「PIM」には、「Sparse Mode」と「Dense Mode」の2種類があると説明したと思います。

その際に出てきた「ディストリビューションツリー」、「送信元ツリー」、「共有ツリー」について、この章では説明したいと思います。

①：ディストリビューションツリーとは？

ディストリブーションツリーとは、「送信元を根（Root）とし、受信者を葉（Leaf）として構成されるマルチキャストのツリー」になります。

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②送信元ツリーとは？

送信元ツリーとは、「名前の通り送信元（Sender）ごとに生成され、受信者（Receiver）と最短経路で結ぶディストリビューションツリー」となります。

以下の図の場合、「Group1」と「Group2」の2つのグループに分かれていますが、「緑のツリー」と「赤のツリー」が送信者（Sender）ごとに生成されています。

これが「送信元ツリー」です。

このツリーは「最短経路」で生成されるのですが、「最短経路」とはOSPFやIS-IS等のメトリックを基に算出された経路が用いられます。

このツリーのメリットは、各送信者から受信者への通信が最短経路になるため、遅延値の最小化やピンポン（同じ区間の往復）することがなくなります。

厳密にはメトリックと物理構成（ケーブルの距離等）に影響されます

一方、デメリットは、各送信者ごとにツリーが生成されるため、数が多くなるとルータの負荷が増大します。

③共有ツリーとは？

共有ツリーとは、「RP（ランデブーポイント）を根（Root）として生成されるディストリビューションツリー」になります。

「RP（ランデブーポイント）」とは、マルチキャスト通信の起点となるルータになります。

このルータは自動、手動、どちらでも設定することができます。

このツリーの特徴は、１つしか生成されないため、ルータの負荷を抑えることができます。

一方、送信元のマルチキャストパケットは必ずRP（ランデブーポイント）を経由するため、最短経路ではなくなります。

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基本を押さえた後は、PIM-SMの仕組みと動作確認をしよう！

ここまでSparseとDenseの2つのモード、3種類のディストリビューションツリーについてまとめました。

PIM-SMの概要がわかった次は、理論と実機で確認していきましょう。

①：PIM-SMのディストリビューションツリーの作成

Step1：マルチキャストグループへのルータ登録

最初に実施すべきことは、マルチキャストグループに参加させるルータや機器の追加です。

この部分に関しては、IGMPによる追加となります。（以下記事でまとめています）

Step2：送信者（Sender）の登録

Step1でも触れた通り、送信者（Sender）を登録するためには送信元ツリーを利用し、（S,G）Register（PIM Register）メッセージを送信し、RPに登録依頼を行います。

Step3：受信者（Receiver）の登録

ラストホップルータ（LHR）が、IGMP reportを受信者（Receiver）から受信し、LHRからRPに（*,G） Join（PIM Join）メッセージを送信し、RPに登録します。

この登録の際は、LHRが保持する共有ツリーを利用します。

②マルチキャストルータのネイバー確立はどうなっているの？

ネイバー確立の仕組み

マルチキャストを利用するルータ間のネイバー確立は「Helloパケットを利用し、30秒ごとに224.0.0.13宛に送信」します。

このネイバーを確立させるためには「マルチキャストを利用するInterfaceでPIM-SMの有効化」を行う必要があります。

このネイバー確立は動作確認を行います。

ちなみに構成は以下の通りです。

動作確認（Config/Showコマンド編）

STEP

マルチキャスト有効化

マルチキャストの有効化を行うために、以下Configを投入します。

ip multicast-routing

上記コマンドを投入すると、以下の状態に変化します。

Router1#show ip multicast
  Multicast Routing: disabled
  Multicast Multipath: disabled
  Multicast Route limit: No limit
  Multicast Fallback group mode: Sparse
  Number of multicast boundaries configured with filter-autorp option: 0
  MoFRR: Disabled
Router1#conf t
Router1(config)#ip multicast-routing
Router1(config)#end
Router1#show ip multicast
  Multicast Routing: enabled
  Multicast Multipath: disabled
  Multicast Route limit: No limit
  Multicast Fallback group mode: Sparse
  Number of multicast boundaries configured with filter-autorp option: 0
  MoFRR: Disabled

この設定変更の前後状態を確認すると「Multicast Routing」が「Disable」から「Enablle」に変化したことがわかります。

STEP

PIM-SMの有効化

マルチキャストルーティングの有効化を行った後は、「PIM-SMを有効化」する必要があります。

「PIM-SM有効化」のコマンドは以下のとおりとなります。

interface gigbatiEthernet 0/X
 ip pim sparse-mode
!

今回は、Router1上での設定追加で動作確認を行いたいと思います。

設定前の状態では、「neighbor」や「RP」が出力されていません。

Router1#show ip pim neighbor
PIM Neighbor Table
Mode: B - Bidir Capable, DR - Designated Router, N - Default DR Priority
      P - Proxy Capable, S - State Refresh Capable, G - GenID Capable,
      L - DR Load-balancing Capable
Neighbor          Interface                Uptime/Expires    Ver   DR
Address                                                            Prio/Mode

では、先程のコマンドを利用し、設定追加します。

まずはRouter1での設定です。

Router1#conf t
Router1(config)#interface gigabitEthernet 0/1
Router1(config-if)#ip pim sparse-mode
Router1(config-if)#end

この段階では、ネイバーが確立されていないため、何も起きないのでRouter2にも設定を追加します。

Router2#conf t
Router2(config)#interface gigabitEthernet 0/1
Router2(config-if)#ip pim sparse-mode
Router2(config-if)#end

Router1とRouter2に設定を終えた後、Router1の状態を見ていきましょう。

Router1#show ip pim neighbor
PIM Neighbor Table
Mode: B - Bidir Capable, DR - Designated Router, N - Default DR Priority,
      P - Proxy Capable, S - State Refresh Capable, G - GenID Capable,
      L - DR Load-balancing Capable
Neighbor          Interface                Uptime/Expires    Ver   DR
Address                                                            Prio/Mode
192.168.2.2       GigabitEthernet0/2       00:00:09/00:01:36 v2    1 / DR S P G
192.168.1.2       GigabitEthernet0/1       00:01:02/00:01:43 v2    1 / DR S P G

Router1でPIMネイバーが検出されたのがわかります。

STEP

RP（ランデブーポイント）の指定

Step1・Step2を終えた後に、最後に実施することは「RP（ランデブーポイント）の指定」です。

今回、「RP（ランデブーポイント）」の指定は「Static（手動）」で実施します。

動作確認の環境では、「Router1」を「RP（ランデブーポイント）」と設定するため、Router1のLoopbackアドレスを以下のコマンドで指定します。

ip pim rp-address <RP（ランデブーポイント）のIPアドレス>

実際に投入したコマンドは以下のとおりとなります。

Router1#conf t
Router1(config)#ip pim rp-address 10.1.0.1
Router1(config)#end

投入後の状態を確認してみます。

Router1#show ip pim rp
Group: 224.0.1.40, RP: 10.1.0.1, next RP-reachable never

RP（ランデブーポイント）の指定後、showコマンドで確認できるようになりました。

動作確認（パケットキャプチャ編）

「動作確認（Config/Showコマンド編）」で設定した後は、ルータ間で流れるHelloパケットの中身を見ていきましょう。

パケットの中身を見ると送信元がRouterのInterfaceに設定したアドレスに対し、宛先は「224.0.0.13」になっていることがわかります。

また、パケットタイプは「Helloパケットを示すType0」になっていることがわかります。

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③2種類のPIM-SMメッセージ

種類①：（※,G）メッセージ

(※,G）メッセージは「PIM Joinメッセージ」とも呼ばれ、LHR（ラストホップルータ）で受信後、RPに送信することで共有ツリーに追加されます。

マルチキャストツリーの参加者を指す「エントリ」が作成される条件やマルチキャストの経路生成で利用されるRPF（Reverse Path Forwarding）の中身は以下のとおりとなります。

エントリの作成条件
- ディストリビューションツリーの初期作成時
- ReceiverからIGMPメンバシップ受信時
- （※,G）Joinメッセージの受信
RPFの中身
- Incoming IF：RPのIPアドレスへの最短経路IF
- RPF Neighbor：Incoming IFのネイバアドレス
- Outgoing IF情報
  - Receiverが存在するIF
  - Joinメッセージを受信したIF

では、実機で確認しましょう。

設定が追加されていない状態をRouter3で確認します。

Cisco IOSでは「show ip mroute」を入力することでディストリビューションツリーを確認することができます。

事前確認では、何も表示されないことがわかります。

Router3#show ip mroute
IP Multicast Routing Table
Flags: D - Dense, S - Sparse, B - Bidir Group, s - SSM Group, C - Connected,
       L - Local, P - Pruned, R - RP-bit set, F - Register flag,
       T - SPT-bit set, J - Join SPT, M - MSDP created entry, E - Extranet,
       X - Proxy Join Timer Running, A - Candidate for MSDP Advertisement,
       U - URD, I - Received Source Specific Host Report,
       Z - Multicast Tunnel, z - MDT-data group sender,
       Y - Joined MDT-data group, y - Sending to MDT-data group,
       G - Received BGP C-Mroute, g - Sent BGP C-Mroute,
       N - Received BGP Shared-Tree Prune, n - BGP C-Mroute suppressed,
       Q - Received BGP S-A Route, q - Sent BGP S-A Route,
       V - RD & Vector, v - Vector, p - PIM Joins on route,
       x - VxLAN group
Outgoing interface flags: H - Hardware switched, A - Assert winner, p - PIM Join
 Timers: Uptime/Expires
 Interface state: Interface, Next-Hop or VCD, State/Mode

(*, 224.0.1.40), 00:07:19/stopped, RP 10.1.0.1, flags: SJCL
  Incoming interface: GigabitEthernet0/2, RPF nbr 192.168.2.1
  Outgoing interface list:

Router3の受信者（Receiver）向けのインターフェースGi0/1に「ip igmp join-group 224.0.1.40」を設定すると、マルチキャストグループに追加されるため、Outgoing Interfaceに出力されるようになります。

Router3#show ip mroute
IP Multicast Routing Table
Flags: D - Dense, S - Sparse, B - Bidir Group, s - SSM Group, C - Connected,
       L - Local, P - Pruned, R - RP-bit set, F - Register flag,
       T - SPT-bit set, J - Join SPT, M - MSDP created entry, E - Extranet,
       X - Proxy Join Timer Running, A - Candidate for MSDP Advertisement,
       U - URD, I - Received Source Specific Host Report,
       Z - Multicast Tunnel, z - MDT-data group sender,
       Y - Joined MDT-data group, y - Sending to MDT-data group,
       G - Received BGP C-Mroute, g - Sent BGP C-Mroute,
       N - Received BGP Shared-Tree Prune, n - BGP C-Mroute suppressed,
       Q - Received BGP S-A Route, q - Sent BGP S-A Route,
       V - RD & Vector, v - Vector, p - PIM Joins on route,
       x - VxLAN group
Outgoing interface flags: H - Hardware switched, A - Assert winner, p - PIM Join
 Timers: Uptime/Expires
 Interface state: Interface, Next-Hop or VCD, State/Mode

(*, 224.0.1.40), 00:07:19/stopped, RP 10.1.0.1, flags: SJCL
  Incoming interface: GigabitEthernet0/2, RPF nbr 192.168.2.1
  Outgoing interface list:
    GigabitEthernet0/1, Forward/Sparse, 00:00:29/00:02:37

この時、Router3とReceiver3の間ではIGMPメッセージのやり取りが行われています。

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（S,G）メッセージ

（S,G）メッセージは、「送信者の登録でFHR（ファーストホップルータ）からRP（ランデブーポイント）にメッセージを送信する際に利用するメッセージ（PIM Registerメッセージ）」です。

送信者の登録条件となる「エントリ作成条件」や「RFP情報」は以下のとおりとなります。

エントリ作成条件
- FHR（ファーストホップルータ）が送信者からマルチキャスト宛のパケットを受信時
- Join or Pruneメッセージの受信時
- RP（ランデブーポイント）に限り、PIM Registerメッセージの受信時
RPF情報
- Incoming IF：SenderのIPアドレスへのIF
- RPF neighbor：SenderのIFへのネイバアドレス
- Outgoing IF：Joinを受け取ったIFやReceiverが存在するIF

Senderから「240.0.1.40」宛にPingを送信する前の状態は以下の通りとなります。

Router2#show ip mroute
IP Multicast Routing Table
Flags: D - Dense, S - Sparse, B - Bidir Group, s - SSM Group, C - Connected,
       L - Local, P - Pruned, R - RP-bit set, F - Register flag,
       T - SPT-bit set, J - Join SPT, M - MSDP created entry, E - Extranet,
       X - Proxy Join Timer Running, A - Candidate for MSDP Advertisement,
       U - URD, I - Received Source Specific Host Report,
       Z - Multicast Tunnel, z - MDT-data group sender,
       Y - Joined MDT-data group, y - Sending to MDT-data group,
       G - Received BGP C-Mroute, g - Sent BGP C-Mroute,
       N - Received BGP Shared-Tree Prune, n - BGP C-Mroute suppressed,
       Q - Received BGP S-A Route, q - Sent BGP S-A Route,
       V - RD & Vector, v - Vector, p - PIM Joins on route,
       x - VxLAN group
Outgoing interface flags: H - Hardware switched, A - Assert winner, p - PIM Join
 Timers: Uptime/Expires
 Interface state: Interface, Next-Hop or VCD, State/Mode

(*, 224.0.1.40), 06:29:28/00:02:52, RP 10.1.0.1, flags: SJCL
  Incoming interface: GigabitEthernet0/1, RPF nbr 192.168.1.1
  Outgoing interface list:
    GigabitEthernet0/2, Forward/Sparse, 02:10:59/00:02:01

SenderからのPing送信後、想定通り（172.168.1.2,224.0.1.40）が作成されます。

このSenderが「172.168.1.2」になっているため、このアドレスが追加されています。

Router2#show ip mroute
IP Multicast Routing Table
Flags: D - Dense, S - Sparse, B - Bidir Group, s - SSM Group, C - Connected,
       L - Local, P - Pruned, R - RP-bit set, F - Register flag,
       T - SPT-bit set, J - Join SPT, M - MSDP created entry, E - Extranet,
       X - Proxy Join Timer Running, A - Candidate for MSDP Advertisement,
       U - URD, I - Received Source Specific Host Report,
       Z - Multicast Tunnel, z - MDT-data group sender,
       Y - Joined MDT-data group, y - Sending to MDT-data group,
       G - Received BGP C-Mroute, g - Sent BGP C-Mroute,
       N - Received BGP Shared-Tree Prune, n - BGP C-Mroute suppressed,
       Q - Received BGP S-A Route, q - Sent BGP S-A Route,
       V - RD & Vector, v - Vector, p - PIM Joins on route,
       x - VxLAN group
Outgoing interface flags: H - Hardware switched, A - Assert winner, p - PIM Join
 Timers: Uptime/Expires
 Interface state: Interface, Next-Hop or VCD, State/Mode

(*, 224.0.1.40), 06:31:18/stopped, RP 10.1.0.1, flags: SJCLF
  Incoming interface: GigabitEthernet0/1, RPF nbr 192.168.1.1
  Outgoing interface list:
    GigabitEthernet0/2, Forward/Sparse, 02:12:48/00:02:09

(172.168.1.2, 224.0.1.40), 00:00:20/00:02:39, flags: LFT
  Incoming interface: GigabitEthernet0/3, RPF nbr 0.0.0.0
  Outgoing interface list:
    GigabitEthernet0/1, Forward/Sparse, 00:00:20/00:03:09
    GigabitEthernet0/2, Forward/Sparse, 00:00:20/00:02:39

では、SenderとRouter2間でのICMP送信後のRouter2とRouter1間のPIMメッセージを見てみましょう。

以下の画像の通り、Registerメッセージが飛んでおり、172.168.1.2から224.0.1.40宛のパケットとなっております。

このメッセージにより送信元ツリーが作成されるのです。