# Multicast: Mehrpunktverbindungen für effiziente Datenübertragung

Für die Radio- und Fernsehübertragung spielt es keine Rolle, wie viele Nutzer zugeschaltet sind und das Angebot in Anspruch nehmen. Bei der **Übertragung von Nachrichten in IP-Netzwerken** sieht dies gänzlich anders aus: Sollen beispielsweise mehrere verschiedene User auf einen Livestream zugreifen können, würde die standardmäßig angewendete Unicast-Kommunikation via IP voraussetzen, dass die sendende Station die entsprechenden Pakete separat an jeden Adressaten sendet. Da dies die zur Verfügung stehende Bandbreite innerhalb kürzester Zeit auslasten würde, hat man schon früh die **Routing-Technik Multicast** (auch: IP-Multicast) entwickelt und implementiert. Diese ermöglicht es einem Sender, IP-Datenströme in einem einzelnen Schritt an viele Empfänger gleichzeitig auszuliefern.

## Was ist IP-Multicast?

Das [Internet Protocol](https://www.ionos.at/digitalguide/server/knowhow/was-ist-das-internet-protocol-definition-von-ip-co/ "Was ist das Internet Protocol? – Definition von IP & Co.") ist das Standardprotokoll für die Kommunikation in Computernetzwerken. Ob Internet oder lokales Netzwerk – der **Versand elektronischer Nachrichten** mithilfe von IP-Adressen usw. ist aus der modernen Netzwelt nicht wegzudenken. Der standardmäßig genutzte [Protokollstack TCP/IP](https://www.ionos.at/digitalguide/server/knowhow/tcpip-vorgestellt/ "TCP/IP vorgestellt") hält eine Reihe von Protokollen und Methoden bereit, die die unterschiedlichsten Anforderungen abdecken.

Eine elementare Rolle nehmen dabei z. B. die verfügbaren **Kommunikationsformen** ein, von denen dem sogenannten Multicasting insbesondere in jüngster Zeit eine immer höhere Bedeutung zukommt. Dieses Konzept, das auch als IP-Multicasting bekannt ist, ermöglicht die Übertragung von einem Punkt zu mehreren Empfängern. Aus diesem Grund bezeichnet man Multicast-Verbindungen auch als **Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung**.

[YouTube video](https://www.youtube.com/watch?v=ghRtPxQTTG8)Mit der Möglichkeit, einen einzigen Datenstrom an mehrere Adressaten zu schicken, grenzt sich Multicasting klar von der standardmäßigen Unicast-Übertragung ab, bei der IP-Pakete via Direktverbindung zwischen den kommunizierenden Systemen übermittelt werden. Von dem sehr ähnlichen Broadcasting unterscheidet sich IP-Multicasting dahingehend, dass die Datenströme nicht an alle **Teilnehmer** im Netzwerk gesendet werden, sondern nur an solche, die sich zuvor **beim Sender angemeldet** haben und somit Teil der entsprechenden Multicast-Gruppe sind. Über eine zugeordnete Multicast-Adresse kann der Sender die Gruppe dann gleichzeitig mit dem jeweiligen Datenstrom versorgen. In der Internet-Protocol-Version **IPv4** ist hierfür der Adressbereich zwischen *224.0.0.0* und *239.255.255.255* reserviert, während für Multicast-Adressen in **IPv6** der Beginn *FF00::/8* vorgesehen ist.

## Wie funktioniert die Multicast-Adressierung?

Die zuvor angesprochene Gruppen-Adressierung ist eine der entscheidenden Eigenschaften von IP-Multicasting und als solche elementar für die Funktionsweise des Kommunikationskonzepts. Dabei gibt es seinerseits die Möglichkeit einer **statischen Adressierung**, bei der beispielsweise eine **Verbindung zu einem Multicast-Server** aufgebaut wird, der den entsprechenden Service anbietet. Andererseits können Multicast-Adressen auch **dynamisch bezogen** werden, da die dahintersteckenden Multicast-Gruppen nicht dauerhaft existieren müssen. Auf diese Weise lassen sich auch **private Gruppen** problemlos erstellen und ebenso leicht **wieder auflösen**. Unabhängig davon, ob die Adresszuteilung statisch oder dynamisch stattfindet, ist in IP-Netzwerken der bereits vorgestellte Adressbereich 224.0.0.0 bis 239.255.255.255 (bzw. FF00::/8), der auch als **Class-D-Adressraum** bezeichnet wird, für diese reserviert.

[YouTube video](https://www.youtube.com/watch?v=xmaWdSoUg3g)Der **Beitritt in IP-Multicast-Gruppen** wird standardmäßig durch die eingebundenen Netzwerkrouter und das [Internet Group Management Protocol (IGMP)](https://www.ionos.at/digitalguide/server/knowhow/igmp-internet-group-management-protocol/) geregelt. Hierfür stellt das Protokoll, das Mitglied der Internetprotokollfamilie ist, verschiedene **Nachrichtentypen** zur Verfügung, mit denen Hosts den lokalen Router über den Beitrittswunsch informieren und Router die entsprechenden IP-Multicast-Datenströme beziehen und weiterleiten können. Ausgangspunkt der IGMP-Kommunikation ist dabei immer der Router, über den der **Multicast-Sender** mit dem Netzwerk verbunden ist. Der Sender selbst leitet die Pakete eines Datenstroms nur ein einziges Mal weiter, wobei er die Adresse der Multicast-Gruppe als Empfängeradresse angibt. Wie viele Endstationen er damit erreicht, erfährt er nicht.

## IP-Multicast: Routing-Techniken und -Protokolle im Überblick

Das Routing, also den Transport der Multicast-Pakete über die einzelnen Router und Netzwerke hinweg, regeln beim Multicasting spezielle Routing-Protokolle. Diese arbeiten **mit verschiedenen Algorithmen**, um den Datenstrom möglichst effizient und schnell an die alle Mitglieder der entsprechenden Multicast-Gruppe weiterzuleiten. Ein Standardprotokoll gibt es dabei nicht, da die existierenden Protokolle jeweils für andere Aufgaben konzipiert wurden. So haben einige Vertreter ihre Stärken, wenn die **Gruppenmitglieder** nahe beieinander liegen, während andere wiederum dann im Vorteil sind, wenn die Empfänger möglichst weit voneinander entfernt sind. Zudem existieren verschiedene Routing-Algorithmen, wobei sich insbesondere **Reverse Path Forwarding** (RPF) und **Truncated Reverse Path Forwarding** (TRPF) etabliert haben.

### Reverse Path Forwarding (RPF)

Reverse Path Forwarding ist eine Methode, die eine **kreisfreie Weiterleitung** von IP-Multicasting-Paketen gewährleistet, bei der kein Host mehrfach besucht wird. Entscheidend für die Weitersendung des Datenstroms sind dabei dessen Quelladresse sowie die zuvor **im Netzwerk passierte Schnittstelle**. Sobald ein Multicast-Paket die Schnittstelle eines Routers erreicht, gleicht dieser beides mit einer [Routing-Tabelle](https://www.ionos.at/digitalguide/server/knowhow/routing-tabelle/ "Routing-Tabelle") ab, die zuvor entweder automatisch per [Broadcast](https://www.ionos.at/digitalguide/server/knowhow/broadcast/ "Broadcast") ermittelt oder manuell konfiguriert wurde. Gibt es einen Eintrag für die Quelladresse, der die zuvor passierte Schnittstelle bestätigt, ist der RPF-Check erfolgreich und der **Router leitet den Multicast-Strom an alle anderen verfügbaren Schnittstellen weiter**. Andernfalls verwirft er die Pakete.

RPF überprüft also rückwärtsgerichtet den **Weg der Pakete**. Um Router auf dem kürzesten Weg miteinander zu verbinden, kommen zudem Unicast-Routingverfahren zum Einsatz. Das Routing-Konstrukt wird auch als **Multicast-Baum** bezeichnet, wobei der Sender bzw. dessen Router die Wurzel, also den Ausgangspunkt, darstellt.

### Truncated Reverse Path Forwarding (TRPF)

Beim Truncated Reverse Path Forwarding handelt es sich um eine Erweiterung des RPF-Konzepts, bei der die Multicast-Pakete lediglich an Router weitergeleitet werden, die mindestens ein Mitglied der Multicast-Gruppe bedienen. Zunächst findet die normale, rückwärtsgerichtete Überprüfung von Quelladresse und Empfangsschnittstelle statt. Im Anschluss überprüft TRPF der Reihe nach die **nächstmöglichen Schnittstellen** und entscheidet dann, welche Stellen bedient werden. Das entscheidende Kriterium ist dabei, ob eine Schnittstelle Hosts beherbergt, die **für die Multicast-Gruppe eingetragen** sind, an die sich der empfangene Datenstrom richtet. Ist dies der Fall, werden die Pakete weitergeleitet, andernfalls nicht.

Hinweis Um TRPF nutzen zu können, benötigt ein Multicast-Router zusätzlich zu der Routing-Tabelle auch eine **Auflistung aller Multicast-Gruppen**, die über die verschiedenen Netzwerkschnittstellen erreichbar sind.

### Welche Multicast-Routing-Protokolle gibt es?

Für IP-Multicasting gibt es kein Standard-Routing-Protokoll. Hintergrund sind der erwähnte Verteilungsradius sowie die Anzahl der Empfängerstationen, die maßgeblichen Einfluss auf die erforderliche Protokollbasis haben. Grob unterscheidet man daher die zwei Ansätze „**Dense-Mode**“ (Empfänger liegen „dicht“ aneinander) und „**Sparse-Mode**“ (Empfänger sind weit „zerstreut“). Allerdings unterscheiden sich die Protokolle auch in anderen Punkten wie die in den folgenden Abschnitten vorgestellten Vertreter **DVMRP**, **MOSPF** und **PIM** deutlich machen.

#### Distance Vector Multicast Routing Protocol (DVMRP)

Das Distance Vector Multicast Routing Protocol, kurz DVMRP, wurde 1988 in [RFC 1075](https://tools.ietf.org/html/rfc1075 "RFC 1075 – Distance Vector Multicast Routing Protocol") als **experimentelle Lösung** für das Routing von Multicast-Paketen in IP-Netzen vorgestellt. DVMRP wurde von einer Arbeitsgruppe der Stanford University entwickelt, wobei **RIP** (**R**outing **I**nformation **P**rotocol), ein Unicast-Routing-Protokoll auf Basis des Distanzvektoralgorithmus, als Grundlage diente.

Hinweis RIP wurde erstmals in [RFC 1058](https://tools.ietf.org/html/rfc1058 "RFC1058 – Routing Information Protocol") definiert. Seitdem wurde das Protokoll in mehreren Schritten überarbeitet. Mit [RIPng (RIP next generation)](https://tools.ietf.org/html/rfc2080 "RFC 2080 – RIPng for IPv6") existiert u. a. eine Version, die das Routing-Protokoll um die IPv6-Unterstützung erweitert.

Für die effektive Berechnung der Paketrouten implementierte das Team die Reverse-Path-Forwarding-Technik. Auf deren Basis erstellt ein Multicast-Router automatisch eine **eigene Routing-Tabelle**, in der er für alle anderen Router des Netzwerks einen sogenannten Distanzvektor speichert. Ein solcher Eintrag enthält **Angaben über die Kosten**, die mit der Datenübertragung zum jeweiligen Router verknüpft sind (z. B. Übertragungsverzögerung oder Anzahl der Zwischenstationen), sowie Angaben darüber, **an welchen benachbarten Router das Paket weitergegeben werden muss**, um diesen Zielrouter zu erreichen. Als Nachrichtenprotokoll für den Austausch zwischen den verschiedenen Routern kommt IGMP zum Einsatz.

#### Multicast Open Shortest Path First (MOSPF)

Bei Multicast Open Shortest Path First (MOSPF) handelt es sich um eine **Erweiterung des Routingprotokolls** [OSPF](https://tools.ietf.org/html/rfc2328 "RFC 2328 – OSPF Version 2"), die das Multicast-Routing innerhalb eines OSPF-basierten Netzwerks ermöglicht. So verwaltet jeder Router eine komplette **Datenbank der gesamten Netztopologie** (Anordnung der Geräte und Leitungen), die dank neuer „Group-Membership“-LSA (Nachrichten mit Informationen über die Gruppenmitgliedschaft) auch Einträge über den Standort aller Teilnehmer einer IP-Multicast-Gruppe enthalten kann. Die Feststellung der Mitgliedschaften gelingt durch die Router, die hierfür auf IGMP-Nachrichten zurückgreifen. Ausgehend von dem Router, hinter dem sich der Multicast-Sender befindet, kann also problemlos eine Baumstruktur erzeugt werden, die den jeweils kürzesten Paketweg ausweist.

Hinweis MOSPF benötigt kein weiteres Routing-Protokoll für die Berechnung des Multicast-Baums, da es zu diesem Zweck auf das Routing von OSPF zurückgreift.

#### Protocol Independent Multicast (PIM)

Protocol Independent Multicast (PIM) ist eine Routing-Protokollfamilie, die **keinen eigenen Mechanismus zum Erstellen von Routing-Tabellen** bereitstellt. Hierfür greift PIM auf die Informationen zurück, die von den im Netzwerk aktiven Unicast-Routing-Protokollen beschafft werden. Es spielt keine Rolle, um welches Protokoll es sich handelt, weshalb sich Protocol Independent Multicast sowohl **in Netzen mit hoher** als auch **in Netzen mit niedriger Teilnehmerdichte** einsetzen lässt. Zum Einsatz kommen dabei die beiden eingangs erwähnten Modi Dense-Mode (PIM-DM) und Sparse-Mode (PIM-SM).

In ersterem werden die Multicast-Datenströme an alle Netzwerkrouter gesendet, bis diese sich (aufgrund fehlender Gruppenmitglieder) **vom Multicast-Baum abmelden**. Im Gegensatz dazu dient im Sparse-Mode ein sogenannter Rendezvous-Punkt-Router als Schaltzentrale für das Handling der Multicast-Verbindungen. Dieser nimmt Multicast-Veröffentlichungen entgegen und leitet die Pakete an alle anfragenden Router weiter, in deren Teilnetzen sich mindestens ein Teilnehmer der Multicast-Gruppe befindet.

[YouTube video](https://www.youtube.com/watch?v=DlhCmqN2yBM)## Multicast vs. Broadcast: Das sind die Unterschiede und Gemeinsamkeiten

Broadcasting stellt nicht nur eine Alternative zu IP-Multicasting dar, sondern kann auch Teil eines Multicasting-Konzepts sein. Der Vergleich „Multicast vs. Broadcast“ zeigt grundsätzlich eine **wichtige Gemeinsamkeit** beider Verfahren auf: Sowohl Broadcasting als auch Multicasting ermöglichen es, **Mehrpunktverbindungen in IP-Netzen** aufzubauen, mit deren Hilfe ein Sender mehrere Empfänger gleichzeitig erreicht. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass ein Broadcast immer alle Endpunkte in einem Netzwerk bzw. Netzwerksegment zum Ziel hat, während ein Multicast die Daten nur an die Multicast-Gruppe, also bestimmte Empfänger, übermittelt (wahlweise über Netzwerkgrenzen hinaus).

[![Bild: Multicast vs. Broadcast: Übermittlungsstruktur](https://www.ionos.at/digitalguide/fileadmin/_processed_/b/3/csm_multicast-EN_27684998ee.webp "Multicast vs. Broadcast: Übermittlungsstruktur")](https://www.ionos.at/digitalguide/fileadmin/DigitalGuide/Screenshots_2019/multicast-EN.png) Multicast vs. Broadcast: Übermittlungsstruktur Da Broadcasts immer an alle Endpunkte gerichtet sind, bedarf es außerdem keines ausgeweiteten Adressbereichs, wie es bei Multicast der Fall ist. Ein gewöhnlicher **Broadcast** hat daher immer die **Ziel-IP-Adresse *255.255.255.255***, die für das Verfahren reserviert wurde. Optional sind direkte Broadcasts (auch lokale Broadcasts genannt) unter der Angabe der Subnetzmaske möglich. Broadcasting hat seine Vorteile, wenn Empfängeradressen unbekannt sind – beispielsweise bei der Datei- und Druckerfreigabe in Netzwerken oder bei der Vergabe von IP-Adressen via [DHCP](https://www.ionos.at/digitalguide/server/konfiguration/dhcp-das-client-server-protokoll-im-ueberblick/). Im Vergleich zu Multicasting erfordert das Verfahren aber wesentlich mehr Ressourcen, wobei überdies ein **Teil der Bandbreite verschwendet** wird.

Hinweis In IPv6 existiert der Broadcast als Nachrichtenformat nicht mehr. Die Funktion, Nachrichten bzw. Datenpakete gleichzeitig an alle Geräte eines Netzes zu schicken, übernehmen in der neueren Internet-Protocol-Version spezielle Multicast-Adressen.


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