Network Working Group                                           B. Quinn
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Category: Informational                                      K. Almeroth
                                                        UC-Santa Barbara
                                                          September 2001
                       IP Multicast Applications:
                        Challenges and Solutions

Status of this Memo


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Copyright Notice


Copyright (C) The Internet Society (2001). All Rights Reserved.




This document describes the challenges involved with designing and implementing multicast applications. It is an introductory guide for application developers that highlights the unique considerations of multicast applications as compared to unicast applications.


To this end, the document presents a taxonomy of multicast application I/O models and examples of the services they can support. It then describes the service requirements of these multicast applications, and the recent and ongoing efforts to build protocol solutions to support these services.

この目的を達成するために、文書は、マルチキャストアプリケーションのI / Oモデルとそれらがサポートできるサービスの例の分類法を提示しています。その後、これらのマルチキャストアプリケーション、およびこれらのサービスをサポートするために、プロトコル・ソリューションを構築するための最近の継続的な努力のサービス要件について説明します。

Table of Contents


   1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
     1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
     1.2 Focus and Scope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
   2. IP Multicast-enabled Network. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
     2.1 Essential Protocol Components. . . . . . . . . . . . . . . . 4
       2.1.1 Expedient Joins and Leaves . . . . . . . . . . . . . . . 5
       2.1.2 Send without a Join. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
   3. IP Multicast Application Taxonomy . . . . . . . . . . . . . . . 6
     3.1 One-to-Many Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
     3.2 Many-to-Many Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
     3.3 Many-to-One Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
   4. Common Multicast Service Requirements . . . . . . . . . . . . .13
     4.1 Bandwidth Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
     4.2 Delay Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
   5. Unique Multicast Service Requirements . . . . . . . . . . . . .14
     5.1 Address Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
     5.2 Session Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
     5.3 Heterogeneous Receiver Support . . . . . . . . . . . . . . .18
     5.4 Reliable Data Delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
     5.5 Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
     5.6 Synchronized Play-Out. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
   6. Service APIs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
   7. Security Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
   8. Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
   9. References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
   10. Authors' Addresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
   11. Full Copyright Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
1. Introduction
1. はじめに

IP Multicast will play a prominent role on the Internet in the coming years. It is a requirement, not an option, if the Internet is going to scale. Multicast allows application developers to add more functionality without significantly impacting the network.


Developing multicast-enabled applications is ostensibly simple. Having datagram access allows any application to send to a multicast address. A multicast application need only increase the Internet Protocol (IP) time-to-live (TTL) value to more than 1 (the default value) to allow outgoing datagrams to traverse routers. To receive a multicast datagram, applications join the multicast group, which transparently generates an [IGMPv2, IGMPv3] group membership report.


This apparent simplicity is deceptive, however. Enabling multicast support in applications and protocols that can scale well on a heterogeneous network is a significant challenge. Specifically, sending constant bit rate datastreams, reliable data delivery, security, and managing many-to-many communications all require special consideration. Some solutions are available, but many of these services are still active research areas.


1.1 Motivation

The purpose of this document is to provide a framework for understanding the challenges of designing and implementing multicast applications. In order to use multicast communications correctly, application developers must first understand the various I/O models and the network services (in addition to basic multicast communication) that are required. Secondly, application developers need to be aware of efforts underway to provide these services. Such efforts range in maturity from deployed commercial products to basic research efforts to evaluate feasibility.

このドキュメントの目的は、マルチキャストアプリケーションの設計および実装の課題を理解するためのフレームワークを提供することです。正しくマルチキャスト通信を使用するためには、アプリケーション開発者は、最初に必要とされている(基本的なマルチキャスト通信に加えて)、各種I / Oモデルとネットワークサービスを理解する必要があります。第二に、アプリケーション開発者は、これらのサービスを提供するために、進行中の努力を認識する必要があります。このような努力が展開され、市販の製品から実現可能性を評価するための基本的な研究努力に成熟度の範囲です。

Multicast-based applications and services will play an important role in the future of the Internet as continued multicast deployment encourages their use and development. It is important that developers be aware of the issues and solutions available--and especially of their limitations--in order to avoid protocols that negatively impact networks (thereby counter-acting the benefits of multicast) or wasting their efforts "re-inventing the wheel".

継続的なマルチキャスト展開は、その使用と発展を奨励として、マルチキャストベースのアプリケーションやサービスは、インターネットの将来に重要な役割を果たします。それを開発者が利用できる問題と解決方法を意識することが重要である - 特にその限界の - 負のネットワークに影響を与えるプロトコルを避けるために、(それによって、マルチキャストのメリットをカウンター作用)、または彼らの努力を無駄に「再発明しホイール"。

The hope is that by raising developers' awareness, we can adjust their expectations of finding solutions and lead them to successful, scalable, and "network-friendly" development efforts.

希望は、開発者の意識を高めることによって、我々は解決策を見つけることの彼らの期待を調整することができますし、成功スケーラブル、および 『ネットワークにやさしい』の開発努力にそれらを導くことです。

1.2 Focus and Scope

Our initial premise is that the multicast infrastructure is transparent to applications, so it is not directly relevant to this discussion. Our focus here is on multicast application protocol services, so this document explicitly avoids any discussion of multicast routing issues. We identify and describe the multicast-specific issues involved with developing applications.


We assume the reader has a general understanding of the mechanics of multicast, and in this respect we intend to compliment other introductory documents [BeauW, Maufer, Miller]. Since this is an introductory survey rather than a comprehensive examination, we refer readers to other multicast application requirements descriptions [RM, LSMA, Miller] for more detail.


In the remainder of this document we first define the term "IP multicast enabled network", the multicast infrastructure and essential multicast services. Next we describe the types of new functionality that multicast applications can enable and their requirements. We then examine the services that satisfy these requirements, the challenges they present, and provide a brief survey of the solutions available or under development. We wrap up with a discussion of application programming interfaces (APIs) for multicast services.


2. IP Multicast Enabled Network
2. IPマルチキャスト対応ネットワーク

An "IP multicast-enabled network" provides end-to-end services in the IP network infrastructure to allow any IP host to send datagrams to an IP multicast address that any number of other IP hosts widely dispersed can receive.


There are two kinds of multicast-enabled networks available. The first is based on the original multicast service model as defined in RFC 1112 [Deering]. In this model, a receiver simply joins the group and does not need to know the identity of the source(s). This model is known by a number of names including Internet Standard Multicast (ISM), Internet Traditional Multicast (ITM), Deering multicast, etc. The second kind of multicast modifies the original service model such that in addition to knowing the group address, a receiver must know the set of relevant sources. This type of multicast is called Source Specific Multicast (SSM) [SSM]. It becomes the application's responsibility to know what kind of multicast capability the network provides. Currently, the only way for an application to know the type of multicast is based on the group address. If the group is in the 232/8 range, the application should assume SSM is the service model. Otherwise, the application should assume source-generic multicast is the service model.

可能なマルチキャスト対応ネットワークの2種類があります。 RFC 1112で定義されるように最初は[デアリング]元のマルチキャスト・サービス・モデルに基づいています。このモデルでは、受信機は、単にグループに参加し、ソース(S)の身元を知る必要はありません。このモデルは、マルチキャストの二種類が元のサービスモデルを修正するなどのインターネット標準のマルチキャスト(ISM)、インターネット伝統的なマルチキャスト(ITM)、デアリングマルチキャスト、を含む名前の数で知られているようにグループアドレスを知ることに加えて、受信機は、関連するソースのセットを知っている必要があります。マルチキャストのこのタイプは、Source Specific Multicast(SSM)[SSM]と呼ばれています。これは、ネットワークが提供するマルチキャスト機能の種類を知るために、アプリケーションの責任となります。現在、マルチキャストの種類を知っているアプリケーションのための唯一の方法は、グループアドレスに基づいています。グループは232/8の範囲内にある場合、アプリケーションは、SSMは、サービスモデルであると仮定しなければなりません。そうでない場合、アプリケーションは、ソースの汎用マルチキャストサービスモデルであると仮定しなければなりません。

At the time of this writing, end-to-end "global" multicast service is not yet available, but the size of the "multicast-enabled" Internet is growing. Recent development and deployment of interdomain multicast routing protocols and multicast-friendly Internet exchanges have enabled peering between major ISPs. This, along with the increasing availability of compelling content, is spurring deployment and availability of the IP Multicast Enabled Network.


In the remainder of this document we assume that the multicast-enabled network is already ubiquitous. Since such a large and growing portion of the global Internet is IP multicast-enabled now, and many enterprise networks (intranets) are also, this perspective is relevant today.


2.1 Essential Protocol Components

An IP multicast enabled network requires two essential protocol components:


1) An IP host-based protocol to allow a receiver application to notify a local router(s) that it has joined the group, and initiate the data flow from all sender(s) within the scope


2) An IP router-based protocol to allow any routers with multicast group members (receivers) on their local networks to communicate with other routers to ensure that all datagrams sent to the group address are forwarded to all receivers within the intended scope


Ideally, these protocol components are transparent to multicast applications. However, there are two aspects of their functionality requirements that are worth mentioning specifically, since they affect application performance and design. These are the multicast application requirements for:


- Expedient Joins and Leaves - Sends without a Join

- 好都合なジョインや葉 - 参加せずに送信します。

2.1.1 Expedient Joins and Leaves

Some applications require expedient group joins and leaves, as their usability or functionality are sensitive to the latency involved with joining and leaving a group.


Join Latency: The time it takes for data to begin flowing after an application issues a command to join a multicast group


Leave Latency: The time it takes for data to stop flowing after an application issues a command to leave a multicast group [IGMPv2,IGMPv3]


For example, using distributed a/v as a multicast-based "television" must allow users to "channel surf"--changing channels frequently. Each channel change generates a group leave and group join, so delays in either will affect usability. In a sense, this is more of a user requirement than an application requirement.

例えば、マルチキャストベースとして配布されたA / Vを使用して、「テレビ」は、ユーザーが「チャンネルサーフィン」することを可能にしなければならない - 頻繁にチャネルを変更します。各チャンネルの変更がグループ離脱やグループが参加発生し、そのいずれかの遅れは、使いやすさに影響を与えます。ある意味で、これは、アプリケーション要件よりユーザの要求の詳細です。

The functionality of distributed interactive simulations [DIS] is often sensitive to join/leave latency. This is particularly true when trying to exchange information to represent fast moving objects that quickly enter and exit the scope of a simulated environment (e.g., low-flying, fast-moving aircraft). If the join latency is too long, the information provided may be old by the time it is received.


A fast leave phase is highly desirable both for effective congestion control mechanisms, to stop undesirable flows quickly, and for the network in general, to better filter unwanted traffic [Rizzo]. Applications cannot affect control over either join or leave latency, but are dependent on the multicast infrastructure to enable expedient operations. This is a basic multicast service requirement.


2.1.2 Sends without a Join

Applications that send to a multicast address should be able to start sending immediately, without having to join the destination group first. This is important for embedded devices and bursty-source applications with low-delay delivery requirements.


The current IGMP-based multicast host model and all current implementations allow senders to send to a group without joining it as a standard feature.


3. IP Multicast Application Taxonomy
3. IPマルチキャストアプリケーションの分類

With an IP multicast-enabled network available, some unique and powerful applications and application services are possible. "Multicast enables coordination - it is well suited to loosely coupled distributed systems (of people, servers, databases, processes, devices...)" [Estrin].

利用可能なIPマルチキャスト対応ネットワークでは、いくつかのユニークかつ強力なアプリケーションおよびアプリケーション・サービスが可能です。 「マルチキャストをコーディネートできます - それは疎結合分散システムに適しています(ユーザー、サーバー、データベース、プロセス、デバイスの...)」[Estrin]。

A "multicast application" is simply defined as any application that sends to and/or receives from an IP multicast address. These may or may not also reference IP unicast addresses, as we describe later.


What differentiates IP multicast applications from one-to-one unicast applications are the other sender and receiver relationships multicast enables. There are three general categories of multicast applications:


One-to-Many (1toM): A single host sending to two or more (n) receivers


Many-to-Many (MtoM): Any number of hosts sending to the same multicast group address, as well as receiving from it


Many-to-One (Mto1): Any number of receivers sending data back to a (source) sender via unicast or multicast


                            |        Host 2->n ("many")         |
                            |   One-Way   |       Two-Way       |
                            |  A      B   |   C      D      E   |
                |    I/O    |             |  S(m)/  S(u)/  S(m)/|
                | Operations| S(m)   R(m) |  R(m)   R(m)   R(u) |
    |       | 1 | S(m)      |        1toM |  MtoM               |
    | Host  | 2 | R(m)      | Mto1        |  MtoM               |
    |       +---+-----------+-------------+                     |
    |  1    | 3 | S(m)/R(m) | Mto1   1toM    MtoM               |
    |       | 4 | S(m)/R(u) |                       Mto1        |
    |("one")| 5 | S(u)/R(m) |                              Mto1 |
          Legend:    S: "Send"          (u): "unicast"
          ------     R: "Receive"       (m): "multicast"

Table 1: Application types characterized by I/O relationships and destination address types (multicast or unicast)

表1:I / O関係によって特徴付けられるアプリケーションの種類と宛先アドレスタイプ(マルチキャストまたはユニキャスト)

Table 1 defines these application types in terms of the I/O relationships they represent. These categories are defined in terms of the combination of communication mechanisms they use. At the IP level, all multicast I/O is only 1toM or MtoM and unicast is always one-to-one (1to1). The Mto1 category, for example, refers to several possible combinations of IP-level relationships, including unicast. We created the Mto1 category to help differentiate between the many applications and services that use multicast.

表1は、それらが表すI / O関係の観点から、これらのアプリケーションの種類を定義します。これらのカテゴリは、彼らが使用する通信メカニズムの組み合わせで定義されています。 IPレベルでは、すべてのマルチキャストは、I / Oは1toMまたはMTOMおよびユニキャスト(1to1)は、常に1対1です。 Mto1カテゴリは、例えば、ユニキャストを含むIPレベルの関係のいくつかの可能な組み合わせを指します。私たちは、マルチキャストを使用する多くのアプリケーションやサービスを区別するために役立つMto1カテゴリを作成しました。

                 1toM:           MtoM:            Mto1:
                  R1             S1/R1             S1
                 /               / | \               \
                S-R2         S2/R2-+-S3/R3         S2-R
                 \...            \ | /            .../
                  Rn             Sn/Rn             Sn
                Legend:  S: "Sender"
                ------   R: "Receiver"

Figure 1: Generalization of the three application categories


Figure 1 illustrates the general model for each of the three multicast application categories. Again it is worth emphasizing that Mto1 is an artificial category defined by the application-level relationship between sender(s) and receiver. At the IP-level, multicast does not provide an Mto1 I/O mechanism, since it does not allow senders to limit receivers, nor even know who they are. Receiver information and limitations are enabled at the application level, as required by the multicast application.

図1は、3つのマルチキャストアプリケーションカテゴリの各々のための一般的なモデルを示します。再びそれはMto1送信者(S)と受信機との間のアプリケーションレベルの関係によって定義された人工的なカテゴリであることを強調する価値があります。 IP-レベルでは、マルチキャストは、送信者が受信者を制限することができないので、Mto1 I / Oメカニズムを提供し、またしても彼らが誰であるかを知りません。マルチキャストアプリケーションによって必要とされる受信者情報および制限は、アプリケーションレベルで有効になっています。

We describe each of these general application types in more detail and provide application examples of each in the sub-sections below. The list of examples is not comprehensive, but attempts to define the prominent multicast application and service types in each of the three general categories. We reference the items in these lists in the remainder of this document as we describe their specific service requirements, define the challenges they present, and reference solutions available or under development.


3.1 One-to-Many Applications

One-to-Many (1toM) applications have a single sender, and multiple simultaneous receivers. Entry B1 in Table 1 represents the classic 1toM relationship. Entry B3 differs only slightly, as the sender also acts as receiver (i.e., it has loopback enabled).


When people think of multicast, they most often think of broadcast-based multimedia applications: television (video) and radio (audio). This is a reasonable analogy and indeed these are significant multicast applications, but these are far from the extent of applications that multicast can enable. Audio/Video distribution represents a fraction of the multicast application possibilities, and most do not have analogs in today's consumer broadcast industry.


a) Scheduled audio/video (a/v) distribution: Lectures, presentations, meetings, or any other type of scheduled event whose multimedia coverage could benefit an audience (i.e. television and radio "broadcasts"). One or more constant-bit-rate (CBR) datastreams and relatively high-bandwidth demands characterize these applications. When more than one datastream is present--as with an audio/video combination--the two are synchronized and one typically has a higher priority than the other(s). For example, in an a/v combination it is more important to ensure an intelligible audio stream, than perfect video.

a)のスケジュールオーディオ/ビデオ(/ v)の分布:講義、プレゼンテーション、会議、またはマルチメディア報道観客(すなわち、テレビやラジオ「放送」という。)利益を得ることができるスケジュールされたイベントの他のタイプ。一つ以上の定ビットレート(CBR)データストリームと、比較的高い帯域幅の要求は、これらのアプリケーションを特徴付けます。オーディオ/ビデオの組み合わせと同様に - - 複数のデータストリームが存在するときに、2つが同期され、1つは、典型的には、(複数の)他のより高い優先度を有しています。例えば、A / Vの組み合わせで、完璧なビデオよりも、明瞭な音声ストリームを確保することが重要です。

b) Push media: News headlines, weather updates, sports scores, or other types of non-essential dynamic information. "Drip-feed", relatively low-bandwidth data characterize these applications.

ニュースヘッドライン、天気情報、スポーツのスコア、または非必須の動的情報の他のタイプ:b)のメディアを押してください。 「ドリップ・フィード」、比較的低帯域幅のデータは、これらのアプリケーションを特徴づけます。

c) File Distribution and Caching: Web site content, executable binaries, and other file-based updates sent to distributed end-user or replication/caching sites


d) Announcements: Network time, multicast session schedules, random numbers, keys, configuration updates, (scoped) network locality beacons, or other types of information that are commonly useful. Their bandwidth demands can vary, but generally they are very low bandwidth.


e) Monitoring: Stock prices, Sensor equipment (seismic activity, telemetry, meteorological or oceanic readings), security systems, manufacturing or other types of real-time information. Bandwidth demands vary with sample frequency and resolution, and may be either constant-bit-rate or bursty (if event-driven).


3.2 Many-to-Many Applications

In many-to-Many (MtoM) applications two or more of the receivers also act as senders. In other words, MtoM applications are characterized by two-way multicast communications.


The many-to-many capabilities of IP multicast enable the most unique and powerful applications. Each host running an MtoM application may receive data from multiple senders while it also sends data to all of them. As a result, many-to-many applications often present complex coordination and management challenges.


f) Multimedia Conferencing: Audio/Video and whiteboard comprise the classic conference application. Having multiple datastreams with different priorities characterizes this type of application. Co-ordination issues--such as determining who gets to talk when--complicate their development and usability. There are common heuristics and "rules of play", but no standards exist for managing conference group dynamics.

f)はマルチメディア会議:オーディオ/ビデオとホワイトボードには、古典的な会議アプリケーションを含みます。優先度の異なる複数のデータストリームを持つことは、このタイプのアプリケーションを特徴づけます。コーディネーションの問題 - その開発とユーザビリティを複雑に - な時に話すことを誰が決定するなど。そこ共通ヒューリスティックと「遊びのルールは」ですが、何の基準は会議グループダイナミクスを管理するために存在しません。

g) Synchronized Resources: Shared distributed databases of any type (schedules, directories, as well as traditional Information System databases).


h) Concurrent Processing: Distributed parallel processing.


i) Collaboration: Shared document editing.


j) Distance Learning: This is a one-to-many a/v distribution application with "upstream" capability that allows receivers to question the speaker(s).

j)の遠隔学習:これは、受信機は、スピーカー(複数可)を質問することを可能にする「上流」能力を持つ1対多のA / V配信アプリケーションです。

k) Chat Groups: These are like text-based conferences, but may also provide simulated representations ("avatars") for each "speaker" in simulated environments.


l) Distributed Interactive Simulations [DIS]: Each object in a simulation multicasts descriptive information (e.g., telemetry) so all other objects can render the object, and interact as necessary. The bandwidth demands for these can be tremendous, as the number of objects and the resolution of descriptive information increases.


m) Multi-player Games: Many multi-player games are simply distributed interactive simulations, and may include chat group capabilities. Bandwidth usage can vary widely, although today's first-generation multi-player games attempt to minimize bandwidth usage to increase the target audience (many of whom still use dial-up modems).


n) Jam Sessions: Shared encoded audio (e.g., music). The bandwidth demands vary based on the encoding technique, sample rate, sample resolution, number of channels, etc.


3.3 Many-to-One Applications

Unlike the one-to-many and many-to-many application categories, the many-to-one (Mto1) category does not represent a communications mechanism at the IP layer. Mto1 applications have multiple senders and one (or a few) receiver(s), as defined by the application layer. Table 1 shows that Mto1 applications can be one-way or use a two-way request/response type protocol, where either senders or receiver(s) may generate the request. Figure 2 characterizes the I/O relationship possibilities in Mto1 applications:

一対多および多対多のアプリケーションカテゴリとは異なり、多対一(Mto1)カテゴリは、IPレイヤで通信メカニズムを表すものではありません。アプリケーション層によって定義されるようMto1アプリケーションは、複数の送信者および1つ(または少数の)受信機(複数可)を有します。表1は、Mto1アプリケーションが一方向であるか、送信者または受信機(複数可)のいずれかが要求を生成することができる双方向リクエスト/レスポンス型プロトコルを使用することができることを示しています。図2は、Mto1アプリケーションでI / O関係の可能性を特徴付けます:

Mto1 applications have many scaling issues. Too many simultaneous senders can potentially overwhelm receiver(s), a condition characterized as an "implosion problem". Another considerable scaling problem is the large amount of state in the network that having many multicast senders generates. This is largely transparent to applications and the effect may be diminished in the future with the use of bi-directional trees in multicast routing protocols, but nonetheless it should be considered by application designers.


1) S1 2) S1 3) S1 4) S1 \ \ \ \ S2-R S2-R S2-R S2-R .../ .../ .../ .../ Sn Sn Sn Sn

1)S1 2)S1 3)S1 4)S1 \ \ \ \ S2-R S2-R S2-R S2-R ... / ... / ... / ... / SNのSnのSnのSn

      Data(m)     Request(m)       Request(m)       Request(u)
      ------>     ---------->     <----------       ---------->
                  Response(u)      Response(u)      Response(m)
                 <-----------      ----------->    <----------

Figure 2: Characterization of Mto1 I/O possibilities

図2:Mto1 I / Oの可能性のキャラクタリゼーション

No standards yet exist for alternate and equivalent Mto1 application designs, but there are a number of possibilities to consider [HNRS]. Since the main advantage of using multicast in a Mto1 application is that senders need not know the receiver(s) unicast address(es), one alternative is for each receiver to advertise its unicast address via multicast. However, since this strategy still leaves the potential for implosion on each receiver, additional strategies may be needed to distribute the load. For example, it may be possible to increase the number of receivers (in a "flat" receiver topology) or establish localized receivers (in a "hierarchical" topology) as used in "local recovery" (section 5.3). Such methods have coordination issues, and since standard solutions have not yet been identified, Mto1 application developers should consider their alternatives carefully.

いいえ基準はまだ代替と同等のMto1アプリケーションの設計のために存在しませんが、[HNRS]考慮すべき多くの可能性があります。 Mto1アプリケーションでマルチキャストを使用することの主な利点は、送信者が受信機(複数の)ユニキャストアドレスを知る必要がないことであるため、一つの代替は、マルチキャストを介してユニキャストアドレスをアドバタイズするために、各受信機のためのものです。この戦略は、まだ各受信機の爆縮の可能性を残ししかし、さらなる戦略を負荷を分散するために必要とされ得ます。例えば、「ローカル回復」(セクション5.3)に使用される(「フラット」受信機トポロジにおける)受信機の数を増やすか(「階層」トポロジーに)局在受信を確立することが可能であってもよいです。このような方法は、調整の問題があり、標準のソリューションは、まだ特定されていないので、Mto1アプリケーション開発者は慎重に彼らの選択肢を検討すべきです。

o) Resource Discovery: Service Location, for example, leverages IP Multicast to enable something like a "host anycasting service" capability [AnyCast]: A multicast receiver to send a query to a group address, to elicit responses from the closest host so they can satisfy the request. The responses might also contain information that allows the receiver to determine the most appropriate (e.g., closest) service provider to use.


            In Table 1, this application is entry D4.  It is also
            illustrated in Figure 2 by possibility number 3.
            Alternately, the response could be to a multicast rather
            than unicast address, although technically that would make
            it an MtoM application type (this is how the Service
            Location Protocol [SLP] operates, when a user agent attempts
            to locate a directory agent).

p) Data Collection: This is the converse of a one-to-many "monitoring" application described earlier. In this case there may be any number of distributed "sensors" that send data to a data collection host. The sensors might send updates in response to a request from the data collector, or send continuously at regular intervals, or send spontaneously when a pre-defined event occurs. Bandwidth demands can vary based on sample frequency and resolution.


This is illustrated in Table 1 by entries A1 and A3, the only difference being that A3 has a loopback interface. In Figure 2, this is possibility number 1. Since the number of receivers can easily be more than one, this is really an MtoM application.


q) Auctions: The "auctioneer" starts the bidding by describing whatever it is for sale (product or service or whatever), and receivers send their bids privately or publicly (i.e., to a unicast or multicast address).


This is possibility number 2 in Figure 2, and D5 in Table 1. The response could be sent to a multicast address, although technically that would make it an MtoM application.


r) Polling: The "pollster" sends out a question, and the "pollees" respond with answers. This is possibility number 2 in Figure 2, and could also be characterized as an MtoM application if the response is to a multicast address.


s) Jukebox: Allows near-on-demand a/v playback. Receivers use an "out-of-band" protocol mechanism (via web, email, unicast or multicast requests, etc.) to send their playback request into a scheduling queue [IMJ].

S)ジュークボックス:ニアオンデマンドのA / V再生ができます。受信機は、スケジューリングキュー[IMJ]にその再生要求を送信する(ウェブ、電子メール、ユニキャストまたはマルチキャストの要求、等を介して)「アウトオブバンド」プロトコルメカニズムを使用します。

This is characterized by possibility number 4 in Figure 2, and entry D4 in Table 1. The initial unicast request is the only difference between this type of application and a typical 1toM. If that initial request were sent to a multicast address, this would effectively be an MtoM application.


t) Accounting: This is basically data collection but is worth separating since it is such an important application. In some multicast applications it is imperative to know information about each receiver, possibly in real-time. But such information can be overwhelming [MRM]. Current mechanisms, like RTCP (which is actually MtoM since it is multicast but could be made Mto1), use scaling techniques but trade-off information granularity. As a group grows the total amount of feedback is constant but each receiver sends less.

トン)会計:これは、基本的にはデータ収集であるが、それは重要なアプリケーションであるため、分離する価値があります。いくつかのマルチキャストアプリケーションでは、おそらくリアルタイムで、各受信機についての情報を知ることが不可欠です。しかし、そのような情報は[MRM]圧倒的なことができます。 (それはマルチキャストであるため、実際にMTOMあるがMto1作ることができる)RTCP等現在のメカニズムは、スケーリング技術が、トレードオフ情報粒度を使用します。グループが大きくなるようなフィードバックの総量は一定であるが、各受信機は以下を送ります。

4. Common Multicast Service Requirements

Some multicast application service requirements are common to unicast network applications as well. We characterize two of them here-- bandwidth and delay requirements.


4.1 Bandwidth Requirements

Figure 3 shows multicast applications approximate bandwidth requirements.


Unicast and multicast applications both need to design applications to adapt to the variability of network conditions. But as we describe in section 5.3, it is the need to accommodate multiple heterogeneous multicast receivers--with their diversity of bandwidth capacity and delivery delays--that presents the unique challenge for multicast applications to satisfy these requirements.

ユニキャストとマルチキャストの両方のアプリケーションは、ネットワークの状態の変動に適応するためにアプリケーションを設計する必要があります。これらの要件を満たすためのマルチキャストアプリケーションのためのユニークな挑戦を提示 - 帯域幅容量と配達遅延の彼らの多様性 - 私たちはセクション5.3で説明するようにしかし、複数の異種マルチキャストレシーバーを収納することが必要です。

     1toM |     b, d          c, e               a
     MtoM |       k           g, i        f, h, j, l, m, n
     Mto1 |   o, q, r         p, t               s
            Low Bandwidth                  High Bandwidth

Figure 3: Bandwidth Requirements of applications


4.2 Delay Requirements

Aside from those with time-sensitive data (e.g., stock prices, and real-time monitoring information), most one-to-many applications have a high tolerance for delay and delay variance (jitter). Constant bit-rate (CBR) data--such as streaming media (audio/video)--are sensitive to jitter, but applications commonly counteract the effects by buffering data and delaying playback.

別に時間に敏感な(例えば、株価、およびリアルタイムモニタリング情報)データを持つものから、ほとんど1対多のアプリケーションでは、遅延および遅延変動(ジッタ)のために高い耐性を持っています。一定ビットレート(CBR)データ - このようなメディア(オーディオ/ビデオ)ストリーミングのような - は、ジッタに敏感であるが、アプリケーションは、一般的にバッファリングデータと遅延再生によって影響を打ち消します。

Most many-to-one and many-to-many multicast applications are intolerant of delays because they are bidirectional, interactive and request/response dependent. As a result, delays should be minimized, since they can adversely affect the application's usability.


This need to minimize delays is most evident in (two-way) conference applications, where users cannot converse effectively if the audio or video is delayed more than 500 milliseconds. For this and other examples see Figure 4, which plots multicast applications on a (coarse) scale of sensitivity to delivery delays.


     1toM |     b, c         a, d                e
     MtoM |               g, i, j, k       f, h, l, m, n
     Mto1 |      r        o, p, s, t             q
            Delay Tolerant                Delay Intolerant

Figure 4: Delay tolerance of application types


For delay-intolerant multicast (or unicast) applications, quality of service (QoS) is the only option. IP networks currently provide only "best effort" delivery, so data are subject to variable router queuing delays and loss due to network congestion (router queue overflows). IP QoS standards do exist now [RSVP] and efforts to enable end-to-end QoS support in the Internet are underway [E2EQOS].

遅延を許容しないマルチキャスト(またはユニキャスト)のアプリケーションでは、サービスの品質(QoS)が唯一のオプションです。データは、ネットワークの輻輳(ルータのキューがオーバーフロー)に遅延や損失をキューイング変数ルータの対象となっているので、IPネットワークは現在、唯一「ベストエフォート」の配信を提供しています。 IPのQoS規格は現在、[RSVP]を存在しないとインターネットにエンドツーエンドのQoSサポートを有効にするための努力は、[E2EQOS]進行中です。

However, QoS support is an IP network infrastructure consideration. Although there are multicast-specific challenges for implementing QoS in the network for multicast flows, they are beyond the control of applications, so further discussion of the QoS protocols and services is beyond the scope of this document.


5. Unique Multicast Service Requirements

The three application categories described earlier are very general in nature. Within each category and even among each of the application types, specific application instances have a variety of application requirements. One-to-many application types are relatively simple to develop, but as we pointed out there are challenges involved with developing many-to-one and many-to-many applications. Some of these have requirements bandwidth and delay requirements, similar to unicast applications.


Multicast applications can be further differentiated from unicast applications and from each other by the services they require. In this section we provide a survey of the various services that have unique requirements for multicast applications.


    |                  Multicast Application                       |
    +--------------------------------------+   +-------------------+
    +-------------------------------------+|   |+--------++--------+
    |          Multicast Security         ||   ||        ||        |
    +----------------------+   +----------+|   || System ||        |
    +----------++---------+|   |+---------+|   ||  Time  || Codecs |
    | Reliable || Address ||   || Session ||   ||        ||        |
    | Delivery ||   Mgt   ||   ||   Mgt   ||   ||        ||        |
    |     Basic IP Multicast Service         ||     IP Unicast     |
    |       (e.g., UDP and IGMPv2/v3)        ||      Service       |

Figure 5: Multicast service requirements summary


Here's the list of multicast application service requirements:


Address Management - Selection and coordinated of address allocation. The need is to provide assurances against "address collision" and to provide address ownership.

アドレス管理 - 選択とアドレス割り当てのコーディネート。必要性は、「アドレス衝突」に対する保証を提供し、アドレスの所有権を提供することです。

Session Management - Perform application-layer services on top of multicast transport. These services depend heavily on the application but include functions like session advertisement, billing, group member monitoring, key distribution, etc.

セッション管理 - マルチキャスト輸送の上にアプリケーション層のサービスを実行します。これらのサービスは、アプリケーションに大きく依存しますが、セッションなどの広告、課金、グループのメンバーの監視、鍵配布、などの機能が含まれます

Heterogeneous Receiver Support - Sending to receivers with a wide variety of bandwidth capacities, latency characteristics, and network congestion requires feedback to monitor receiver performance.

ヘテロジニアスレシーバーサポート - 帯域幅容量、レイテンシーの特性、およびネットワークの混雑の多種多様な受信機への送信は、受信機の性能を監視するためのフィードバックが必要です。

Reliable Data Delivery - Ensuring that all data sent is received by all receivers.

信頼性の高いデータ配信 - 送信されたすべてのデータは、すべての受信機で受信されることを保証します。

Security - Ensuring content privacy among dynamic multicast group memberships, and limiting senders.

セキュリティ - ダイナミックマルチキャストグループメンバーシップの間でコンテンツのプライバシーを確​​保し、送信者を制限します。

Synchronized Play-Out - Allow multiple receivers to "replay" data received in synchronized fashion.

同期したプレイアウト - 複数の受信機は、「リプレイ」のデータが同期して受信できるようにします。

In the remainder of this section, we describe each of these application services in more detail, the challenges they present, and the status of standardized solutions.


5.1 Address Management

One of the first questions facing a multicast application developer is what multicast address to use. Multicast addresses are not assigned to individual hosts, assignments can change dynamically, and addresses sometimes have semantics of their own (e.g., Admin Scoping). Multicast applications require an address management service that provides address allocation or assignment queries. There are a number of ways for applications to learn about multicast addresses:


Hard-Coded: Software configuration, encoded in a binary executable, or burned into ROM in embedded devices. These applications typically reference IANA statically allocated multicast addresses (including relative addresses).


Advertised: Session announcements (as described in the next section), or via another "out-of-band" query or discovery protocol mechanism.


Algorithmically Derived: Using a programmatic algorithm to allocate a statistically random (unused) address.


   1toM |    c, e          a, b                d
   MtoM |               f, j, k, n        g, h, i, l, m
   Mto1 |    r            o, p, s             q, t
          Hard-Coded       Advertised      Algorithmic

Figure 6: Multicast address usage for application types


In almost all cases, application designers should assume that multicast addresses are to be dynamic. Very little of the multicast address space is available for static assignment by IANA [MADDR]. Also, given the host-specific addressing available with SSM, Internet-wide, static address assignment is expected to be very rare.

ほとんどの場合、アプリケーション設計者は、マルチキャストアドレスが動的であることをしていることを前提とすべきです。マルチキャストアドレス空間の非常に少ない[MADDR] IANAによって静的割り当てのために利用可能です。また、ホスト固有のSSMで利用可能なアドレス指定を与えられ、インターネット全体で、静的アドレスの割り当ては非常にまれであることが期待されます。

5.2 Session Management

Session management is one of the most misunderstood services with respect to multicast. Most application developers assume that multicast will provide services like security, encryption, reliability, session advertisement, monitoring, billing, etc. In fact, multicast is simply a transport mechanism that provides end- to-end delivery. All of the other services are application-layer services that must be provided by each particular application. Furthermore, in most cases there are not defined standards for how these functions should be provided. The particular functions are dependent on the particular needs of the application, and no single method (or standard) can be made to be sufficient for all cases.


While there are no generic solutions which provide all session management functions, there are some protocols and common techniques that provide support for some of the functions. Techniques for congestion control and heterogeneous receiver support are discussed in Section 5.3. Protocols for reliability are discussed in Section 5.4. Security considerations are discussed in Section 5.5.


With respect to session advertisement, there are a number of mechanisms for advertising sessions. One commonly used technique is to advertise sessions via the WWW. Users can join a group by clicking on URLs, and then having a response returned to the user that includes the group address and maybe information about group source(s). Another mechanism is the session description protocol [SDP]. It provides a format for representing information about sessions, but it does not provide the transport for dissemination of these session descriptions, nor does it provide address allocation and management. SDP only provides the syntax for describing session attributes.

セッション広告に関して、広告のセッションのためのメカニズムがいくつかあります。 1つの一般的に使用される技術は、WWW経由でセッションを宣伝することです。ユーザーは、URLをクリックした後、グループアドレスと、おそらくグループのソース(S)に関する情報が含まれてユーザーに返さ応答を有することにより、グループに参加することができます。別のメカニズムは、セッション記述プロトコル[SDP]です。これは、セッションに関する情報を表現するためのフォーマットを提供していますが、これらのセッション記述の普及のための輸送を提供していません。また、アドレスの割り当てと管理を提供しません。 SDPはセッション属性を記述するための構文を提供します。

SDP session descriptions may be conveyed publicly or privately by means of any number of transports including web (HTTP) and MIME encoded email. The session announcement protocol [SAP] is the de facto standard transport and many multicast-enabled applications currently use it. SAP limits distribution via multicast scoping, but the current protocol definition has scaling issues that need to be addressed. Specifically, the initialization latency for a session directory can be quite long, and it increases in proportion to the number of session announcements. This is to an extent a multicast infrastructure issue, however, as this level of protocol detail should be transparent to applications.

SDPセッション記述は、ウェブ(HTTP)およびMIMEエンコードされたメールを含むトランスポートの任意の数の手段により公的または私的に搬送することができます。セッション告知プロトコルは、[SAP]デファクトスタンダード輸送し、現在それを使用する多くのマルチキャスト対応のアプリケーションです。 SAPは、マルチキャストスコープを経由して配信を制限しますが、現在のプロトコルの定義に対処する必要のある問題をスケーリングしています。具体的には、セッションディレクトリの初期化待ち時間が非常に長くすることができ、セッション告知の数に比例して増加します。プロトコルのこのレベルの詳細は、アプリケーションに対して透過的でなければならないので、これは、しかし、程度にマルチキャストインフラストラクチャの問題です。

The session management service needs to:


- Advertise scheduled sessions - Provide a query mechanism for retrieving information about session schedules

- スケジュールされたセッションを宣伝 - セッションのスケジュールについての情報を取得するためのクエリメカニズムを提供します

5.3 Heterogeneous Receiver Support

The Internet is a network of networks. IP's strength is its ability to enable seamless interoperability between hosts on disparate network media, the heterogeneous network.

インターネットはネットワークのネットワークです。 IPの強みは、異種のネットワークメディア、異種ネットワーク上のホスト間のシームレスな相互運用性を可能にする能力です。

When two hosts communicate via unicast--one-to-one--across an IP network, it is relatively easy for senders to adapt to varying network conditions. The Transmission Control Protocol (TCP) provides reliable data transport, and is the model of "network friendly" adaptability.

一対一 - - 2つのホストが、ユニキャストを介して通信する際にIPネットワークを介して送信者は、様々なネットワーク条件に適応することが比較的容易です。伝送制御プロトコル(TCP)は、信頼性の高いデータ転送を提供し、「ネットワークにやさしい」適応性のモデルです。

TCP receivers send acknowledgements back to the sender for data delivered. A TCP sender detects data loss from the data sent that is not acknowledged. When it detects data loss, TCP infers that there is network congestion or a low-bandwidth link, and adapts by throttling down its send rate [SlowStart].

TCP受信機は配信データの送信者に確認応答を送信します。 TCPの送信者は、それが認められていない送信されたデータから、データの損失を検出します。それは、データの損失を検出すると、TCPは、ネットワークの輻輳や低帯域幅のリンクがあることを推測し、その送信レート[スロースタート]を下に絞ることによって適応します。

User Datagram Protocol (UDP) does not enable a receiver feedback loop the way TCP does, since UDP does not provide reliable data delivery service. As a result, it also does not have a loss detection and adaptive congestion control mechanism as TCP does. However, it is possible for a unicast UDP application to enable similar adaptive algorithms to achieve the same result, or even improve on it.

UDPは信頼性の高いデータ配信サービスを提供していないため、ユーザーデータグラムプロトコル(UDP)は、受信機のフィードバックループにTCPが行う方法を有効にしません。 TCPはありません結果として、それはまた、損失検出と適応輻輳制御機構を持っていません。しかし、それは同じ結果を達成するために同様の適応アルゴリズムを有効にする、あるいはそれを改善するために、ユニキャストUDPアプリケーションが可能です。

A unicast UDP application that uses a feedback mechanism to detect data loss and adapt the send rate, can do so better than TCP. TCP automatically reduces the "congestion window" when data loss is detected, although the updated send rate may be slower than a CBR audio/video stream requires. When a UDP application detects loss, it can adapt the data itself to accommodate the lower send rate. For example, a UDP application can:

データの損失を検出し、送信レートを適応させるためにフィードバック機構を使用するユニキャストUDPアプリケーションは、TCPよりもとても良く行うことができます。データの損失が検出されたときに更新され、送信レートはCBRオーディオ/ビデオストリームを要求するよりも遅いかもしれないが、TCPは自動的に、「輻輳ウィンドウ」を軽減します。 UDPアプリケーションが損失を検出した場合、それはより低いレートを送信対応するためにデータ自体を適応させることができます。たとえば、UDPアプリケーションことができます:

- Reduce the data resolution (e.g., send lower fidelity audio/video by reducing sample frequency or frame rate) to reduce data rate.

- データの解像度を減らし、データレートを低減するために(例えば、サンプル周波数またはフレームレートを低減することにより、より低い忠実度のオーディオ/ビデオを送信します)。

- Modify the data encoding to add redundant data (e.g., forward error correction) offset in time to avoid fate sharing. This could also be "layered", so a percentage of data loss will simply reduce fidelity rather than corrupt the data.

- 冗長データ運命の共有を避けるために、時間的にオフセット(例えば、順方向誤り訂正)を追加するデータのエンコードを変更します。データ損失の割合は、単純に忠実ではなく、破損以外のデータを削減しますので、これはまた、「レイヤード」である可能性があります。

- Reduce the send rate of one datastream in order to favor another of higher priority (e.g., sacrifice video in order to ensure audio delivery).

- (例えば、オーディオ配信を確保するためにビデオを犠牲に)より高い優先順位の他に有利にするために、1つのデータストリームの送信速度を低下させます。

- Send data at a lower rate (i.e., with a different encoding) on a separate multicast address and/or port number for high-loss receivers.

- 別のマルチキャストアドレスおよび/または高損失レシーバのポート番号に(すなわち、異なる符号を有する)より低いレートでデータを送信します。

However, with multicast applications--one-to-many or many-to-many-- which have multiple receivers, the feedback loop design needs modification. If all receivers return data loss reports simultaneously, the sender is easily overwhelmed in the storm of replies. This is known as the "implosion problem".

しかし、マルチキャストアプリケーションで - 1対多、または多対many--複数の受信機を持って、フィードバック・ループのデザインは変更を必要とします。すべての受信機が同時にデータ損失レポートを返した場合、送信者は回答の嵐で簡単に圧倒され。これは、「内破問題」として知られています。

Another problem is that heterogeneous receiver capabilities can vary widely due to the wide range of (static) network media bandwidth capabilities and dynamically due to transient traffic conditions. If a sender adapts its send rate and data resolution based on the loss rate of its worst receiver(s), then it can only service the lowest common denominator. Hence, a single "crying baby" can spoil it for all other receivers.


Strategies exist for dealing with these heterogeneous receiver problems. Here are two examples:


Shared Learning - When loss is detected (i.e., a sequenced packet isn't received), a receiver starts a random timer. If it receives a data loss report sent by another receiver as it waits for the timer to expire, it stops the timer and does not send a report. Otherwise, it sends a report when the timer expires. The Real-Time Protocol and its feedback-loop counterpart Real-Time Control Protocol [RTP/RTCP] employ a strategy similar to this to keep feedback traffic to 5 percent or less than the overall session traffic. This technique was originally utilized in IGMP.

共有学習 - 損失が検出された場合(すなわち、配列決定されたパケットを受信して​​いない)は、受信機は、ランダムタイマを起動します。それが期限切れになるようにタイマーを待ちなどの別の受信機によって送信されたデータの損失の報告を受けた場合は、タイマーを停止し、レポートを送信しません。それ以外の場合は、タイマーが満了したレポートを送信します。リアルタイムプロトコルとそのフィードバック・ループの対応リアルタイム制御プロトコル[RTP / RTCP] 5パーセントまたは全体のセッショントラフィック未満にフィードバックトラフィックを維持するためにこれと同様の戦略を採用しています。この技術は、もともとIGMPに利用されました。

Local Recovery - Some receivers may be designated as local distribution points or "transcoders" that either re-send data locally (possibly via unicast) when loss is reported or they re-encode the data for lower bandwidth receivers before re-sending. No standards exist for these strategies, although "local recovery" is used by several reliable multicast protocols.

ローカルリカバリ - のいずれかで再送信データ喪失を再送信する前に、低帯域幅受信機のためのデータを報告したり、再エンコードされている場合、一部の受信機は、(おそらく、ユニキャストを介して)ローカルに、ローカル配布ポイントまたは「トランスコーダ」として指定することができます。 「ローカル回復は」いくつかの信頼できるマルチキャストプロトコルによって使用されているが何の基準は、これらの戦略のために存在しません。

Adaptive multicast application design for heterogeneous receivers is still an active area of research. The fundamental requirements are to maximize application usability, while accommodating network conditions in a "network friendly" manner. In other words, congestion detection and avoidance are (at least) as important in protocol design as the user experience. The adaptive mechanisms must also be stable, so they do not adapt too quickly--changing encoding and rates based on too little information about what may be a transient condition--to avoid oscillation.

異種の受信機のための適応型マルチキャストアプリケーションの設計は、まだ研究の活発な領域です。 「ネットワークフレンドリー」な方法でネットワークの状況に適応しながら、基本的な要件は、アプリケーションの使いやすさを最大化することです。換言すれば、輻輳検出及び回避は、(少なくとも)ユーザーエクスペリエンスなどのプロトコルの設計における重要なようです。適応メカニズムも安定していなければならないので、彼らはあまりにも迅速に適応していない - 発振を避けるために - 過渡状態であるかもしれないものについてあまりにも少ない情報に基づいて変更するエンコーディングや料金。

This "feedback loop" service necessary for support of heterogeneous receivers is not illustrated in the services summary in Figure 4, although it could be added alongside "Reliable Transport" and the others. This service could be implemented within an application or accessed externally, as provided by the operating system or a third party. See [HNRS] for a taxonomy of strategies for providing feedback for multicast, with the ultimate goal of developing a common multicast feedback protocol.


5.4 Reliable Data Delivery

Many of the multicast application examples in our list--like audio/video distribution--have loss-tolerant data content. In other words, the data content itself can remain useful even if some of it is lost. For example, audio might have a short gap or lower fidelity but will remain intelligible despite some data loss.

オーディオ/ビデオ配信のように - - 私たちのリスト内のマルチキャストアプリケーションの例の多くは損失トレラントデータの内容を持っています。つまり、データの内容自体は、それの一部が失われても便利残ることができます。例えば、オーディオは短いギャップまたは低忠実度を持っているかもしれませんが、一部のデータの損失にもかかわらず、明瞭なままになります。

Other application examples--like caching and synchronized resources--require reliable data delivery. They deliver content that must be complete, unchanged, in sequence, and without duplicates. The "Loss Intolerant" column in Figure 7 shows a list of applications with this requirement, while the others can tolerate varying levels of data loss. The tolerance levels are typically determined by the nature of the data and the encoding in use.

他の応用例 - などのキャッシュと同期リソースは - 信頼性の高いデータ配信を必要とします。彼らは順番に、かつ重複せずに、そのまま、完全でなければならないコンテンツを配信します。他のものは、データ損失のさまざまなレベルに耐えることができながら、図7の「非許容損失」の欄は、この要件を有するアプリケーションのリストを示しています。許容レベルは、典型的には、データの性質及び使用中に符号化することによって決定されます。

   1toM |     b             a, d               c, e
   MtoM |             f, j, k, l, m, n       g, h, i
   Mto1 |                o, p, r, s, t          q
          Loss Tolerant                   Loss Intolerant

Figure 7: Reliability Requirements of Application types


Some of the challenges involved with enabling reliable multicast transport are the same as those of sending to heterogeneous receivers, and some solutions are similar also. For example, many reliable multicast transport protocols avoid the implosion problem by using negative acknowledgements (NAKs) from receivers to indicate what was lost. They also use "shared learning" whereby receivers listen to others' NAKs and then listen for the resulting retransmission of data, rather than requesting retransmission by sending a NAK themselves.


Although reliable delivery cannot change the data sent--except, perhaps, to use a loss-less data compression algorithm--they can use other adaptive techniques like sending redundant data, or adjusting the send rate.

が、信頼性の高い配信は、送信されたデータを変更することはできません - おそらく、を除いて、ロスレスデータ圧縮アルゴリズムを使用する - 彼らは、冗長データを送信、または送信速度を調節するような他の適応技術を使用することができます。

Although many reliable multicast protocol implementations exist [Obraczka], and a few are already available in commercial products, none of them are standardized. Work is ongoing in the "Reliable Multicast" research group of the Internet Research Task Force [IRTF] to provide a better definition of the problem, the multicast transport requirements, and protocol mechanisms.


Scalability is the paramount concern, and it implies the general need for "network friendly" protocols that detect and avoid congestion as they provide reliable delivery. Other considerations are protocol robustness, support for "late joins", group management and security (which we discuss next).


The current consensus is that due to the wide variety of multicast application requirements--some of which are at odds--no single multicast transport will likely be appropriate for all applications. As a result, most believe that we will eventually standardize a number of reliable multicast protocols, rather than a single one [BULK, RMT].

オッズであるそのうちのいくつかは - - 単一のマルチキャストトランスポートはおそらく、すべてのアプリケーションに適していないだろう、現在のコンセンサスが原因マルチキャストアプリケーション要件の多種多様なことです。その結果、ほとんどは、我々は最終的に信頼できるマルチキャストプロトコルの数ではなく、単一のもの[BULK、RMT]を標準化すると確信しています。

5.5 Security

For any IP network application--unicast or multicast--security is necessary because networks comprise users with different levels of trust.

ユニキャストまたはマルチキャスト - - 任意のIPネットワークアプリケーションのためのネットワークが信頼の異なるレベルを持つユーザを含むので、セキュリティが必要です。

Network application security is challenging, even for unicast. And as the need for security increases--gauged by the risks of being without it--the challenges increase also. Security system complexity and overhead is commensurate with the protection it provides. "No one can guarantee 100% security. But we can work toward 100% risk acceptance...Strong cryptography can withstand targeted attacks up to a point--the point at which it becomes easier to get the information some other way...A good design starts with a threat model: what the system is designed to protect, from whom, and for how long." [Schneier]

ネットワークアプリケーションのセキュリティでも、ユニキャストのため、困難です。そして、セキュリティが増加の必要性として - それなしであることの危険性によって評価 - 課題も増加します。セキュリティシステムの複雑さとオーバーヘッドは、それが提供する保護機能に見合いました。 。「誰もが100%のセキュリティを保証することはできません。しかし、我々は100%のリスクの受け入れに向けて努力することができます...強力な暗号化技術は、最大のポイントへの標的型攻撃に耐えることができます - それは情報にいくつかの他の方法を取得することが容易になる点を...良いデザインは、脅威モデルで始まる:システムは誰から、どのように長い間、保護するように設計されているもの「。 [シュナイアー]

Multicast applications are no different than unicast applications with respect to their need for security, and they require the same basic security services: user authentication, data integrity, data privacy and user privacy (anonymity). However, enabling security for multicast applications is even more of a challenge than for unicast. Having multiple receivers makes a difference, as does their heterogeneity and the dynamic nature of multicast group memberships.


Multicast security requirements can include any combination of the following services:


Limiting Senders - Controlling who can send to group addresses

送信者を制限 - グループアドレスに送信できるユーザーを制御します

Limiting Receivers - Controlling who can receive

レシーバを制限する - 受信できるユーザーを制御

Limiting Access - Controlling who can "read" multicast content either by encrypting content or limiting receivers (which isn't possible yet)

アクセスの制限 - 制御(まだ不可能である)受信機を、コンテンツを暗号化するか、制限することにより、いずれかのマルチキャストコンテンツを「読む」ことができます

Verifying Content - Ensuring that data originated from an authenticated sender and was not altered en route

データは、認証済みの送信者から発信し、途中で変更されていないことを確認 - コンテンツの確認

Protecting Receiver Privacy - Controlling whether sender(s) or other receivers know receiver identity

レシーバプライバシーを保護する - 送信者(複数可)または他の受信機が受信機のアイデンティティを知っているかどうかを制御します

Firewall Traversal - Proxying outgoing "join" requests through firewalls, allowing incoming or outgoing traffic through, and (possibly) authenticating receivers for filtering purposes and security [Finlayson].

ファイアウォール越え - 、ファイアウォールを介して発信「結合」リクエストをプロキシを介して、着信または発信トラフィックを許可し、(おそらく)フィルタリングの目的及びセキュリティ【フィンレイソン]のための受信機を認証します。

This list is not comprehensive, but includes the most commonly needed security services. Different multicast applications and different application contexts can have very different needs with respect to these services, and others. Two main issues emerge, where the performance of current solutions leaves much to be desired [MSec].


Individual authentication - how is sender identity verified for each multicast datagram received?

個人認証 - どのように送信者の身元は、受信した各マルチキャストデータグラムのために検証されますか?

Membership revocation - how is further group access disabled for group members that leave the group (e.g., encryption keys in their possession disabled)?

さらにグループアクセスがグループを離れ、グループメンバーのために無効になっているか(例えば、その保有する暗号化キーは無効) - 会員失効?

Performance is largely a factor when a user joins or leaves a group. For example, methods used to authenticate potential group members during joins or re-keying current members after a member leaves can involve significant processing and protocol overhead and result in significant delays that affect usability.


Like reliable multicast, secure multicast is also under investigation in the Internet Research Task Force [IRTF]. Protocol mechanisms for many of the most important of these services--such as limiting senders--have not yet been defined, let alone developed and deployed.

信頼性の高いマルチキャストのように、安全なマルチキャストは、インターネットリサーチタスクフォース[IRTF]で調査中でもあります。このような送信者を制限するなど - - これらのサービスの中で最も重要なの多くのプロトコルメカニズムはまだ定義され、ましてや開発と展開されていません。

As is true for reliable multicast, the current consensus is that no single security protocol will satisfy the wide diversity of sometimes-contradictory requirements among multicast applications. Hence, multicast security will also likely require a number of different protocols.


5.6 Synchronized Play-Out

This refers to having all receivers simultaneously play-out the multicast data they received. This may be necessary for fairness-- playing-out prices for auctions, or stock-prices--or to ensure synchronization with other receivers, such as when playing music.

これは、すべての受信機が同時に遊ぶアウト、彼らが受信したマルチキャストデータを持つを指します。これはfairness--プレイアウトオークションの価格、または株式の価格のために必要があるかもしれない - あるいは、そのような音楽を演奏するときなど、他の受信機との同期を確保するために。

Here is an analogy to illustrate: Imagine a multi-speaker stereo system that is wired throughout a home (via analog). With the stereo playing on all speaker sets, you will hear continuous music as you walk from room-to-room.


Now imagine a house full of multi-media and network enabled computer systems. Although they will all receive the same music datastream simultaneously via multicast, they will provide discontinuous music playback as you walk room-to-room.


To provide synchronized playback that would enable continuous music from room-to-room would require three things:


1) system clocks on all systems should be synchronized 2) datastreams must be framed with timestamps 3) you must know the playback latency of the multimedia hardware


The third of these is the most difficult to achieve at this time. Hardware and drivers don't provide any mechanism for retrieving this information, although different audio and video devices have a wide-range of performance.


6. Service APIs

In some cases, the protocol services mentioned in this document can be enabled transparently by passive configuration mechanisms and "middleware". For example, it is conceivable that a UDP implementation could implicitly enable a reliable multicast protocol without the explicit interaction of the application.


Sometimes, however, applications need explicit access to these services for flexibility and control. For example, an adaptive application sending to a heterogeneous group of receivers using RTP may need to process RTCP reports from receivers in order to adapt accordingly (by throttling send rate or changing data encoders, for example) [RTP API]. Hence, there is often a need for service APIs that allow an application to qualify and initiate service requests, and receive event notifications. In Figure 5, the top edge of the box for each service effectively represents its API.


Network APIs generally reflect the protocols they support. Their functionality and argument values are a (varying) subset of protocol message types, header fields and values. Although some protocol details and actions may not be exposed in APIs--since many protocol mechanics need not be exposed--others are crucial to efficient and flexible application operation.

ネットワークAPIは、一般的に、彼らがサポートするプロトコルを反映しています。それらの機能及び引数の値は、プロトコルメッセージタイプ、ヘッダフィールドおよび値の(変化する)サブセットです。いくつかのプロトコルの詳細及び動作がAPIの内に露出されないかもしれないが - 多くのプロトコル力学が露出する必要がないため - 他のものは効率的で柔軟なアプリケーションの動作に重要です。

A more complete examination of the application services described in this document might also identify the protocol features that could be mapped to define a (generic) API definition for that service. APIs are often controversial, however. Not only are there many language differences, but it is also possible to create different APIs by exposing different levels of detail in trade-offs between flexibility and simplicity.

この資料で説明する応用サービスのより完全な検査はまた、そのサービスの(汎用)APIの定義を定義するためにマップすることができ、プロトコルの特徴を識別することがあります。 APIは、しかし、しばしば論争のです。だけでなく、そこには多くの言語の違いですが、柔軟性とシンプルさとのトレードオフで異なるレベルの詳細を暴露することによって異なるAPIを作成することも可能です。

7. Security Considerations

See section 5.4


8. Acknowledgements

The authors would like to acknowledge and thank the following individuals for their helpful feedback: Ran Canetti, Brian Haberman, Eric A. Hall, Kenneth C. Miller, and Dave Thaler.

著者は認め、その有益なフィードバックのために以下の個人に感謝したいと思います:カネッティ、ブライアンハーバーマン、エリック・A.ホール、ケネスC. Miller氏、およびデーブターラーを実行しました。

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10. Authors' Addresses

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ボブ・クインCelox Networksの2パークセントラルドライブサウスボロ、MA 01772

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電話:+1 508 305 7000 Eメール

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カリフォルニア州サンタバーバラのコンピュータサイエンス大学のケビン・Almeroth部門、CA 93106-5110

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