Multicast und IGMP

Was ist Multicast, was macht IGMP damit — und warum bringt ein Multicast-Strom manche Netzwerke zum Erliegen und andere nicht?

Multicast ist eine von drei Arten, ein IP-Paket zuzustellen. Bei Unicast hat das Paket genau einen Empfänger. Bei Broadcast geht es an alle im Netzabschnitt. Bei Multicast geht es an eine Gruppe — an alle Geräte, die sich für eine bestimmte Gruppenadresse angemeldet haben, und nur an diese. Der Sender schickt jedes Paket dabei genau einmal los, egal ob ein Empfänger zuhört oder zwanzig.

IGMP ist das Protokoll, mit dem sich ein Gerät für eine Gruppe an- und wieder abmeldet. Es regelt die Anmeldung, nicht den Transport.

Stell Dir vor, ein Zuspieler im Technikraum soll sein Bild auf drei Fernseher gleichzeitig bringen. Er könnte es dreimal einzeln losschicken — dann liegt dreimal so viel auf der Leitung. Er könnte es an alle im Haus schicken — dann bekommt es auch der Drucker, der nichts damit anfangen kann. Multicast ist der dritte Weg: einmal losschicken, und die Verteilung übernimmt das Netz. Damit das funktioniert, muss der Verteilerkasten im Technikschrank aber mitbekommen, wer zuhören will. Kann er das nicht, schickt er alles an alle — und dann ist das Netz voll. Der Fehler liegt dann nicht am Verfahren, sondern am Kasten.

Wie eine Gruppe entsteht

Eine Multicast-Gruppe ist zuerst einmal nur eine Adresse. Sie liegt im Bereich 224.0.0.0 bis 239.255.255.255 — historisch die Klasse-D-Adressen, festgeschrieben 1989 von Steve Deering in Stanford, der IP-Multicast in seiner Dissertation entwickelt und als RFC 1112 veröffentlicht hat. Eine Gruppe hat keine feste Größe und keine Mitgliederliste beim Sender: Der Sender kennt seine Zuhörer nicht und muss sie nicht kennen.

Wer zuhören will, meldet sich an. Genau das macht IGMP, und der Ablauf besteht in der Fassung 2 aus drei Nachrichten:

Membership Query — die Frage „Wer hört hier noch zu?", regelmäßig gestellt von einem Router. Vorgabewert: alle 125 Sekunden.
Membership Report — die Antwort eines Geräts, zugleich die Anmeldung. Ein Gerät antwortet nicht sofort, sondern nach einer zufälligen Wartezeit innerhalb von zehn Sekunden, und schweigt, wenn ein anderes für dieselbe Gruppe schon geantwortet hat. Das hält den Antwortsturm klein.
Leave Group — die Abmeldung. Sie kam erst mit der Fassung 2 dazu und ist der Grund, warum eine Abmeldung heute schnell geht statt bis zum Ablauf des nächsten Zeitfensters zu dauern.

Die Fassung 3 kommt aus dem Jahr 2002 und fügt eine Sache hinzu, die im Wohnhaus selten gebraucht wird, in gemischten Netzen aber hilft: Ein Gerät kann sagen, von welchen Absendern es die Gruppe hören will — über eine Einschluss- oder eine Ausschlussliste. Router mit Version 3 müssen die älteren Fassungen weiterhin beherrschen.

Der Querier: eine Instanz, und nur eine

Damit das Frage-Antwort-Spiel läuft, muss jemand fragen. Diese Rolle heißt Querier, und sie ist in einem reinen AV-Netz der Punkt, an dem Planungen scheitern — denn dort steht oft gar kein Router.

Die Rollenverteilung regelt IGMP selbst: Alle Multicast-Router starten als Querier. Hört einer eine Anfrage von einem Gerät mit niedrigerer IP-Adresse, wird er still. Am Ende bleibt genau einer übrig. Das funktioniert, solange die Beteiligten dasselbe Verfahren umsetzen — und es geht schief, wenn zwei Geräte in verschiedenen Netzsegmenten oder mit unterschiedlichen IGMP-Fassungen nebeneinander fragen.

Gibt es keinen Router im Segment, gibt es auch keine Fragen. Dann laufen die Anmeldungen der Endgeräte nach kurzer Zeit ab, die Weiterleitungstabellen der Switches leeren sich, und der Strom geht wieder an alle Ports. Deshalb verlangen Hersteller von AV-over-IP-Plattformen ausdrücklich, dass mindestens ein Gerät im Netz die Querier-Rolle übernimmt — bei Crestron etwa ein Switch mit IGMPv2-Querier. Bei einer Anlage, die nach einigen Minuten Betrieb zusammenbricht statt sofort, ist das die erste Vermutung.

IGMP-Snooping: der Teil, den der Switch macht

Hier liegt der eigentliche Kern, und er ist der Grund für den zweiten Namen in der Überschrift dieses Eintrags.

IGMP ist ein Protokoll zwischen Endgeräten und Routern — es arbeitet auf der IP-Ebene. Ein Switch arbeitet eine Ebene darunter und interessiert sich normalerweise nicht für IP-Adressen. Eine Multicast-Gruppenadresse wird beim Versand auf eine Ethernet-Adresse abgebildet, die für ihn wie eine Gruppenadresse aussieht und nicht wie das Ziel eines einzelnen Ports. Sein Standardverhalten dafür ist einfach: an alle Ports weitergeben.

IGMP-Snooping ist der Ausweg. Der Switch hört die IGMP-Nachrichten mit, die eigentlich nicht an ihn gerichtet sind, und merkt sich, welcher Port sich für welche Gruppe angemeldet hat. Danach schickt er den Strom nur noch dorthin. RFC 4541, das Dokument, das die Regeln dafür sammelt, sagt offen, was das bedeutet: Diese Geräte halten sich nicht an die strikte Schichtentrennung des ISO-Modells. Snooping ist eine gezielte Regelverletzung, kein sauber genormtes Protokoll — das Dokument ist ausdrücklich informativ und nicht normativ.

Ein paar Regeln daraus sind für die Fehlersuche nützlich:

Mitgliedschaftsberichte sollen nur an die Ports gehen, an denen ein Multicast-Router hängt — nicht an alle. Sonst würden sich Geräte gegenseitig die Antworten unterdrücken.
Verkehr an eine Gruppe, für die sich niemand angemeldet hat, geht trotzdem an die Router-Ports. Der Router soll mitbekommen, dass es diesen Strom gibt.
Pakete an Adressen im Bereich 224.0.0.x werden immer an alle Ports weitergegeben. In diesem Bereich liegen Steuerungsnachrichten von Protokollen, die sich nie anmelden — auch die Anfrage des Queriers an 224.0.0.1 und die Abmeldung an 224.0.0.2.

Dazu kommt Fast-Leave (auch Immediate Leave): Der Switch nimmt einen Port sofort aus der Gruppe, wenn von dort eine Abmeldung kommt, statt noch einmal nachzufragen. Ohne diese Einstellung läuft der alte Strom nach einem Umschalten am Bildschirm noch weiter — beim Zappen zwischen zwei Quellen summiert sich das binnen Sekunden zu mehreren Strömen auf einem Port, der für einen einzigen ausgelegt ist.

Häufiges Missverständnis

„Multicast überlastet das Netz." Dieser Satz begegnet einem regelmäßig, und er hat die Ursache genau verkehrt herum. Multicast ist das sparsamste der drei Verfahren: Ein Bildstrom von 800 Mbit/s liegt einmal auf der Leitung, egal ob zwei oder acht Bildschirme ihn zeigen. Bei Unicast läge er achtmal darauf.

Was tatsächlich passiert, ist etwas anderes: Ein Switch ohne IGMP-Snooping kennt keine Gruppen und behandelt den Strom wie einen Rundruf — er flutet ihn an alle Ports. RFC 4541 beschreibt genau das als den Zustand ohne Snooping: Pakete landen in Netzsegmenten, in denen sie niemand hören will. Rechnet man mit 800 Mbit/s — ein Wert aus dem Bereich, den Crestron für DM NVX dokumentiert —, ist ein Gigabit-Port damit zu vier Fünfteln belegt, und zwar auch der Port, an dem der Arbeitsrechner hängt. Das Netz steht — aber nicht wegen Multicast, sondern wegen eines Switches, der die Verteilung nicht macht.

Der Unterschied ist nicht akademisch, weil er die Gegenmaßnahme bestimmt. Wer glaubt, Multicast sei das Problem, kauft mehr Bandbreite oder schaltet Funktionen ab. Wer weiß, dass die Verteilerlogik fehlt, schaut in die Konfiguration des Switches — und das ist die Stelle, an der es tatsächlich zu beheben ist.

„Snooping ist eingeschaltet, also läuft es." Snooping ohne Querier hält nur so lange, wie die Anmeldungen gültig sind. Danach fällt der Switch in das Standardverhalten zurück. Beides gehört zusammen, und beides muss auch nach einem Neustart des Switches wieder aktiv sein — was sich mit einer schlicht gehaltenen Prüfung feststellen lässt: Anlage einschalten, Strom laufen lassen, zehn Minuten warten, dann an einem unbeteiligten Port die Auslastung ansehen.

„Das ist doch dasselbe wie AirPlay-Erkennung." Nein, und die Verwechslung ist verständlich, weil beides mit Multicast arbeitet. Die Dienstsuche über Multicast DNS oder SSDP verschickt kleine Meldungspakete, damit Geräte einander finden — dort geht es um Sichtbarkeit. Bei AV over IP geht es um den Nutzdatenstrom selbst. Die Größenordnungen liegen um den Faktor tausend auseinander, und ein Netz kann das eine problemlos und am anderen scheitern. Was Discovery ist und woran sie scheitert, steht bei den Heimnetzwerk-Grundlagen.

Nicht zu verwechseln mit

Broadcast: der Rundruf an alle im Netzabschnitt, ohne Anmeldung. Multicast sieht für einen Switch ohne Snooping aus wie Broadcast — das ist der Grund für die ganze Mechanik, aber es sind zwei verschiedene Dinge.
Unicast: ein Strom je Empfänger. Bei zwei Zielen die einfachere Lösung, bei acht die teure.
Multicast DNS und SSDP: Dienstsuche. Nutzt Multicast als Transport, überträgt aber keine Nutzdaten.
IGMP-Proxy und Multicast-Weiterleitung: Funktionen, die Rundrufe über die Grenze zwischen zwei Netzabschnitten reichen. Sie lösen ein Sichtbarkeitsproblem und ersetzen kein Snooping.
PIM (Protocol Independent Multicast): das Routing zwischen Netzen. IGMP regelt, wer sich am eigenen Netz anmeldet; PIM regelt, wie ein Strom über Netzgrenzen hinweg dorthin kommt. In gerouteten Anlagen verlangen Hersteller beides.

In der Planung

Ein Haus mit Kino im Untergeschoss, drei weiteren Bildschirmen und einer Netzwerk-Audioverteilung in fünf Zonen. Der Elektriker hat einen Gigabit-Switch aus dem Fachhandel gesetzt, weil „Gigabit reicht doch".

Bevor über Geräte geredet wird, gehört eine Zahl auf den Tisch: Wie viele Ströme laufen gleichzeitig über dieses Netz, und was hängt sonst noch daran? Läuft ein einziger Strom auf ein einziges Ziel, ist Multicast eine Formalie. Sobald mehrere nebeneinander stehen und der Verkehr sich die Leitungen mit Rechnern, Telefonie und Haustechnik teilt, wird die Verteilerlogik zur entscheidenden Eigenschaft der Anlage.

Aus dieser Zahl ergeben sich drei Festlegungen, die zusammengehören. Bekommt der AV-Verkehr ein eigenes Segment — ein VLAN oder ein physisch getrenntes Netz? Wer im Segment übernimmt die Querier-Rolle, und ist es wirklich genau einer? Ist Fast-Leave dort aktiv, wo Ziele zwischen Quellen umschalten?

Der Switch ist die letzte Entscheidung, nicht die erste, und die Prüfliste ist kürzer als der Katalog: IGMP-Snooping vorhanden und einstellbar, Querier-Funktion vorhanden, Fast-Leave vorhanden, Einstellungen überstehen einen Neustart. Ein Gerät ohne diese vier Punkte ist im AV-Netz kein billigerer Switch, sondern der falsche.

Verknüpfte Inhalte

Was eine AV-Plattform sonst noch vom Netz verlangt — Uplink-Budget, nichtblockierende Backplane, PIM in gerouteten Netzen —, steht auf der Seite AV over IP; die Tonseite derselben Technik behandelt Audio over IP. Warum die Trennung in Segmente eine eigene Entscheidung ist und was sie kostet, klärt VLAN und Subnetz; wie ein Strom im überlasteten Netz Vorrang bekommt, QoS, DSCP und 802.1p. Die Alternative ohne Netzwerk ist die Matrix.

Quellen

Adressbereich, Gruppenbegriff und die Abbildung auf die Ethernet-Adresse stammen aus RFC 1112 von 1989. Nachrichtentypen, Zeitwerte und die Querier-Wahl über die niedrigste IP-Adresse stehen in RFC 2236; die Quellfilterung und die Pflicht zur Abwärtskompatibilität in RFC 3376. Die Regeln für Snooping-Switches einschließlich der Aussagen zum Fluten ohne Snooping, zur Behandlung unregistrierter Gruppen und zum Bereich 224.0.0.x stehen in RFC 4541; alle vier wurden für diese Seite im Volltext eingesehen. Dass Hersteller von AV-Plattformen Snooping, Querier und Fast-Leave verbindlich vorgeben, ist an Crestrons Leitfaden zum AV-over-IP-Netzwerkdesign belegt.