Multicast 2

23年 4月 22日 1 SNU INC LabSNU INC Lab

Multicast 2

2002 년 4 월 2 일

Jeong Ji-Woong


Outline Introduction

Overview of IP Multicast

Hop By Hop Multicast End System Multicast Conclusion


What is multicast? Delivery of Data

one-to-many, many-to-many

Application 인터넷 방송 ftp Video-conferencing, shared whiteboard

benefit Reducing network load Reducing server overhead

Single transmission


Multicast vs Unicast

Server

Server Network

Network

Client

Client


Class D address

Class D : 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 Well known address

Reserved : 244.0.0.0~224.0.0.255(topology discovery,maintenance) 224.0.0.1 : all multicast systems on subnet 224.0.0.2 : all routers on subnet

Map into Ethernet:01.00.5E.00.00.00+lower 23bits 224.10.8.5 → 01005E.0A0805


Fundamental algorithms Multicast Routing algorithm

Reverse Path Broadcasting(RPB) Truncated Reverse Path Broadcasting(TRPB)

RPB+truncated group member 를 가지지 않은 leaf 로는 forwarding 하지 않음

Reverse Path Multicasting(RPM) TRPB+prune TRPB 를 이용하여 multicast packet 을 forwarding member 가 없는 leaf router 는 source 를 향하여 prune 메시지를 전송


Fundamental algorithms join algorithm

Implicit join: source 로부터 multicast packet 이 도착 후 tree 형성

explicit join: host 가 router 또는 source 를 향해 join message 를 전송함으로써 트리 형성


Example


IP Multicast Routing Protocol DVMRP(Distance Vector Multicast Routing Protocol) MOSPF(Multicast Extensions to OSPF) PIM-DM(Protocol Independent Multicast-Dense Mode

) CBT(Core Based Tree) PIM-SM(Protocol Independent Multicast-Sparse Mod

e)


Source Based Tree(SBT) DVMRP

Operation RPM + grafting DVMRP router 간의 주기적인 routing table update

PIM-DM Similar to DVMRP

MOSPF OSPF link state routing protocol 에 의해서 topology 파악 Explicit join

Drawback 주기적인 multicast traffic 이 전체 network 으로 전송 Not scalable(member 수가 증가함에 따라 )


Center Based Tree(CBT) CBT

group 내의 모든 member 는 같은 tree 를 공유 (shared tree) Bidirectional tree Explicit Join

PIM-SM Similar to CBT Unidirectional tree

source 에서 RP 로 tunneling

Drawback Multicast packet 을 전송할 때 delay 가 커진다 . core 또는 Rendezvous Point 근처에서 bottleneck


Example JOIN REQUEST


Example CBT Forwarding


Outline Introduction Hop By Hop Multicast

REUNITE HBH

End System Multicast Conclusion


IP Multicast component Service Model

여러 Receiver 들이 하나의 주소를 가지는 Group 으로 Aggregate 됨

어떤 호스트도 Receiver 들의 Group 으로 전송가능 Receiver 들은 Dynamic 하게 Join 과 Leave 가 가능

Routing Protocol Membership Information 의 유지 Multicast Distribution Tree 의 형성


Problem of IP Multicast 기존 Service Model 의 문제점

일반적인 ISP 의 Billing Model 과 맞지 않음 Sender 를 제한할 수 있는 방법이 없음 Globally Unique 한 Multicast 주소 할당의 어려움

기존 Routing Protocol 의 문제점 모든 Router 는 Distribution Tree 가 자신을 지나가는 모든

Group 에 대한 Forwarding Entry 를 가지고 있어야 함 Incremental Deployment 의 어려움


REUNITE 기존 Routing Protocol 의

문제점 모든 Router 는 Distribution

Tree 가 자신을 지나가는 모든 Group 에 대한 Forwarding Entry 를 가지고 있어야 함

Assuming Multicast Group 들의 수는

많아도 대다수의 Group 들은 대단히 Sparse 할 것


Forwarding Algorithm Multicast Forwarding Table

Key : <root_addr, root_port, dst> Value : <rcv1, rcv2, …, rcvn> Branching Router 에 존재

Forwarding Algorithm MFT 에 Entry 가 존재하면 Recei

ver List 에 있는 Receiver 에게 Packet 을 복사해서 전송

단순한 Unicast Packet 처럼 전송


Tree Maintenance Multicast Control Table

Format : <root_addr, root_port><dst> Non-Branching Router 에 존재

Question 결국 REUNITE 도 MFT 나 MCT 둘 중의 하나를 모든 R

outer 들이 가지고 있는데 왜 더 Scalabe 한가 ?

Answer Data Packet 은 Forwarding 시 MFT 만을 참조 MCT 는 Tree 유지를 위한 Control 목적으로만 사용


Tree Maintenance Two Control Messages

JOIN (Receiver->Root) : MFT 의 Receiver Entry 를 만들고 갱신

TREE (Root->Distribution Tree) : MFT 와 MCT 의 Group Entry 를 만들고 갱신

두 가지 Control Message 를 쓰는 이유 Asymmetric Unicast Routes

S

RR

1

2


Tree Maintenance


Advantages Enhanced Scalability

Non-Branching Router 에는 Forwarding State 를 유지하지 않음

Incremental Deployment Unicast Address 를 사용하기 때문에 Multicast 가 구현되지

않은 Router 가 Tree 에 참여 가능

Load Balancing Overload 된 Router 는 JOIN Message 를 무시할 수 있음


Advantages Unique Group Identification

Root 가 Locally Unique 한 Port Number 를 만들면 Globally Unique 한 Group Address 가 됨

Support for Access Control Root 만이 Multicast Traffic 을 Inject 할 수 있기 때문에

Access Control 이 용이

Shortest Path Tree JOIN 과 TREE 의 두 Message 를 사용함으로써

Asymmetric Routes 가 존재하는 경우에도 SPT 를 구성


REUNITE’s Problem Addressing

Group Identifier 로 Class-D Address 를 쓰지 않음

Member Departure 의 효과 첫 번째로 JOIN 한 Receiv

er 가 Deparutre 할 경우 그 파급 효과가 큼


REUNITE’s Problem Asymmetric Routes 에 의한

Packet Duplication 한 Link 로 같은 Packet 을

두 번 전송하는 경우가 발생 RPF 기반 Algorithm 에

비해 Cost 가 클 수 있음


HBH’s Addressing REUNITE 와 차이점

Data Packet 의 Destination Address 가 첫 번째의 Receiver의 Address 가 아닌 다음 Branching Router 의 Address

Multicast Group Identifier EXPRESS 의 Channel Abstraction 을 사용 <Source IP Address, Class D address>


HBH’s Tree Management Three Control Messages

JOIN (Receiver->Source) : MFT 의 Receiver Entry 를 만들고 갱신

TREE (Sender->Distribution Tree) : MFT 와 MCT 의 Group Entry 를 만들고 갱신

FUSION (Branching Router->Source) : Tree 구조를 정제

REUNITE 와 차이점 첫 번째 JOIN Message 를 Intercept 하지 않음 같은 Source 에게 다른 TREE Message 를 받으면 Source 에게

FUSION Message 를 보냄


HBH’s Tree Management


HBH’s Tree Management Member Departure 의 효과

첫 번째로 JOIN 한 Receiver 가 Departure 할 경우에도 작은 파급 효과

Worst Case 에는 REUNITE보다 하나 많은 Change 필요

Asymmetric Routes 에 의한 Packet Duplication FUSION Message 로 해결


Outline Introduction Hop By Hop Multicast End System Multicast Conclusion


Key Concerns with IP Multicast group 의 수에 따른 scalability

Router 는 per-group state 를 유지

higher level functionality 를 지원하기가 어려움 IP Multicast : best-effort multi-point delivery service

Deployment 가 어렵고 느리다


IP Multicast

routersend systemsmulticast flow

아주 효율적 Good delay


What is End System Multicast?

multicast 와 관련된 functionality (group management, packet replication) 가 End System 에서 구현

A

C

D

F

Overlay TreeB

E

C

D

E

F

B

A


End System Multicast Efficient overlay tree

low stress low resource usage the out-degree of each member must reflect the bandwidth

of connection to Internet

E

“Efficient” overlay

A

F

C

B

DD

High degree (unicast)

F

E

BA

C

B

High latency

A

F

E

C

D


End System Multicast Self-organizing 의 two component

group management component overlay 는 dynamic change 와 failure 에도 robust

overlay optimization component quality of overlay remains good


NARADA Design First,

“Mesh”: Richer overlay that may have cycles and includes all group members

Second, Source rooted shortest path

spanning trees of mesh 를 구성


NARADA Design Group Management

각각의 member 는 주기적으로 refresh message 를 발생 Optimizing mesh quality

addition of link member 는 주기적으로 다른 member(at random) 를 probe Utility Gain of adding link > Add Threshold 이면 link 추가

dropping of link member 는 주기적으로 existing links 를 감시 Cost of dropping link < Drop Threshold 이면 link drop

Data Delivery NARADA run distance vector protocol on top of mesh The per-source tree used for delivery tree are constructed fr

om the reverse shortest path between each S and R


Supporting Conferencing app.

conference app. 의 작은 그룹 크기와 지속적인 session 의 특성은 overlay design 에 적합

framework 각 overlay link 상에 Unicast congestion control packet drop 정책을 사용하여 data rate 를 adapt


Enhancements of Overlay Design Optimizing Overlay for dual metric

latency 보다는 bandwidth(widest) 에 더 우선순위를 부여 같은 bandwidth 를 가진 multiple path 가 있다면 , lowest l

atency(shortest path) 를 선택 Optimizing for dynamic metric

Adapt overlay trees to changes in network condition Monitor bandwidth and latency of overlay links

Link measurements can be noisy Aggressive adaptation may cause overlay instability transient: do not react persistent: react

Capture the long term performance of a link Exponential smoothing, Metric discretization


Experiment Methodology adopt following strategy

Interleave experiments with various protocol schemes Repeat same experiments at different time of day Average results over 10 experiments

For each experiment 모든 member 들은 동시에 join Single source, CBR traffic Each experiment lasts for 20 minutes


Mean Bandwidth averaged over all receivers 처음 몇 분간 overlay 는 많은 topology 변화 overlay 의 quality 를 향상시키기 위해 더 많은 정보를 획득

Reach a stable overlay• Acquire network

information• Self-organization

Adapt to network congestion


Performance metric Application Level Metrics

Bandwidth: throughput observed by each receiver Latency: RTT between source and each receiver along

overlay

Network perspective resource usage

consumption of network resource of overlay tree Overlay link RU = propagation delay Tree RU = sum of link RU

protocol overhead (total non-data traffic) / (total data traffic)


BW, Primary Set, 1.2 Mbps Random’s poor performance: because of the inherent variability

in Internet path characteristics


BW, Extended Set, 2.4 Mbps Optimizing only for latency has poor bandwidth performance no strong correlation between latency and bandwidth


RTT, Extended Set, 2.4Mbps Optimizing only for bandwidth has poor latency performance Bandwidth-Only cannot avoid poor latency links or long path

length


Protocol overhead Results

Average overhead : 10~15% Overhead 의 약 90% 이상이 bandwidth probe 때문이다

Current scheme employs active probing for available bandwidth Simple heuristics to eliminate unnecessary probes


Adapting to network dynamic Primary Set, CBR traffic at 1.2 Mbps parent 와 victim 간에 congestion 발생


Adapting to network dynamic Recovery time

Detection time Reaction time Repair time

Detection time 이 recovery time 의 가장 중요한 fraction 이다 overlay 의 빠른 adapt : unstable 을 초래할 수 있음 overlay 의 느린 adapt : 일시적인 시간 동안 performance

penalty


Outline Introduction Hop By Hop Multicast End System Multicast Conclusion

Summary References


Summary Hop By Hop Multicast

REUNITE Recursive Unicast 라는 개념을 제안 기존의 Routing Protocol 보다 Scalability 향상

Hop By Hop Multicast EXPRESS + 개선된 REUNITE

End System Multicast dynamic 하고 heterogeneous 한 Internet 환경에서 confe

rencing app. 이 수행될 수 있음 Overlay 를 구성하는데 있어서 bandwidth 와 latency 는

중요한 metric 이다 . sparse 하고 작은 size 의 group 에 적당


References Ion Stoica, T. S. Eugene Ng, Hui Zhang “REUNITE:

A Recursive Unicast Approach to Multicast”, IEEE INFOCOM, March 2000

Luis Henrique M. K. Costa, Serge Fdida, Otto Carlos M. B. Duarte “Hop By Hop Multicast Routing Protocol”, ACM SIGCOMM, August 2001

Yang-hua Chu, Sanjay G. Rao, Hui Zhang “A Case for End System Multicast”, SIGMETRICS 2000

Yang-hua Chu, Sanjay G. Rao, Srinivasan Seshan, Hui Zhang “Enabling Conferencing Applications on the Internet Using an Overlay Multicast Architecture”, SIGCOMM, August 2001


References Chuck Semeria, Tom Maufer, “Introduction to IP Multi

cast Routing”, Internet-Draft, July 1997. Stephen E. Deering, “Multicast Routing in Internetwor

ks and Extended LANs”, ACM SIGCOMM 1988

Multicast 2

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