Skalierbare Multicast Konzepte

Skalierbare Multicast Konzepte

IP Multicast

• Ein Sender, mehrere Empfänger

• Nachricht wird im Netzwerk dupliziert

• Klassische (theoretische) Anwendung:

– IPTV

– Internetradio

– Multiplayer-Spiele

• IGMP: Internet Group Management Protocol

18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller.

Universität Stuttgart 2

Internet Group Management Protocol

Group1

report membership

Group Membership Table:

Group1

query membership

set query response timer

timer active

Group1



• Nachrichten an Multicast-IP

adressieren

• Router regelt Weiterleitung

• Netzwerk-Interface filtert

ungewollte Nachrichten

• Problem: Gruppenstatus

zwischen Multicast-Routern

Multicast im Einsatz



RFC-1112: „The algorithms and protocols used within and between multicast routers are

transparent to hosts and will be specified in separate documents.”

Agenda

1. Einführung in IP Multicast

2. Herkömmliche Multicast-Algorithmen

1. Simple Explicit Multicast

2. REUNITE

3. Dr. Multicast für Datencenter

4. SDN als alternativen Ansatz

5. Resümee



Skalierbarkeit?

1. Anzahl beigetretener Empfänger

2. Anzahl der Quellen

3. Die Anzahl der Router in einem minimalen Spannbaum, der alle

Empfänger verbindet

4. Die Anzahl der Multicast-Gruppen während die Empfänger identisch

bleiben

5. Die Häufigkeit von join/leave Operationen

6. Die übermittelte Datenmenge



Agenda




2. REUNITE



5. Resümee



• Quellenbasierter Algorithmus

• Quelle verwaltet Empfängerliste

• Jeder verzweigende Router kennt

seinen Vorgänger

• Jeder verzweigende Router kennt

seine direkten Nachfolger

• Nutzt IGMP zwischen den Hosts

und ihrem „Designated Router“



Simple Explicit Multicast

SEM - Beispiel



B

C

A

F

E

D

S

R1 R2 R3

R4

R5 R6 R7

R8

R9

Router Previous Next

S / R3

R1 / /

R2 / /

R3 S R4, R7

R4 R3 /

R5 / /

R6 / /

R7 R3 R8, R9

R8 R7 /

R9 R7 /

join branch

previous_branch alive

SEM – Skalierbarkeit?


Skaliert recht gut in zerstreuten Netzen


Benötigt pro Quelle einen Multicast-Baum

3. Die Anzahl der Router in einem minimalen Spannbaum, der alle Empfänger verbindet

Gut, solange zusätzliche Router nicht-verzweigend sind



SEM – Skalierbarkeit?

4. Die Anzahl der Multicast-Gruppen während die Empfänger identisch bleiben

Benötigt pro Gruppe einen Baum


Skaliert nicht, denn der Baum muss von neuem aufgebaut werden


Der Datenoverhead durch SEM ist geringer als 10%



Agenda




2. REUNITE



5. Resümee



REUNITE

• Algorithmus für einen gemeinsam genutzten Baum

• Unterstützt:

– mehrere Quellen

– Load Balancing

– gemischte Netztopologien

• Benötigt zwei Tabellen in jedem Router:

– Multicast Control Table (MCT): REUNITE spezifische Strukturinformationen

– Multicast Forwarding Table (MFT): Daten-Weiterleitung

• Nutzt ausschließlich Unicast :-)



REUNITE - Beispiel



REUNITE – Skalierbarkeit?


Mitgliedschaft wird in Routern im Netzwerk gespeichert


Zusätzliche Quellen werden durch die Wurzel getunnelt


Nicht-verzweigende Router benötigen MCT Einträge



REUNITE – Skalierbarkeit?


Benötigt pro Gruppe einen Baum


Betrifft nur einen Teilbaum


Nur verzweigende Router müssen einmal in ihren MFT schauen



SEM vs. REUNITE

SEM

• Nutzt teilweise Multicast

• Zentrale Mitgliederliste

• Auf reiner SEM-Topologie

• Keine Tabelle in nicht-

verzweigenden Routern

REUNITE

• Nutzt ausschließlich Unicast

• Dezentrale Mitgliederliste

• Auf gemischter Topologie

• Load Balancing

• Access Control

• Mehrere Quellen



Agenda




2. REUNITE



5. Resümee



Dr. Multicast (MCDC) – Data Center Multicasting

Warum benötigen wir eine neue Lösung?

• In Datencentern gibt es nur verzweigende Router

• Hohe Skalierbarkeit gefordert – dynamische Auslastung

• Fehlertoleranz bei vielen Multicast-Gruppen

Lösung:

• sockets.h Bibliothek austauschen

• Anwendungsentwickler nutzen ausschließlich IPMC

• Multicast-Steuerung aus dem Netzwerk nehmen



• Jeder Knoten hat eine konsistente

Sicht auf das Netzwerk und die

Mitgliedschaften

• Ein „Leiter“-Knoten kann

Multicast-Adressen vergeben

• Synchronisierung durch den

Gossip Layer



MCDC - Funktionsweise

MCDC – Skalierbarkeit?


Alle Empfänger müssen in jedem Knoten gespeichert sein


MCDC kann zwischen Multicast und Unicast je nach Last wechseln


MCDC sitzt nur auf den Knoten – kein Einfluss auf Transport im Netz



MCDC – Skalierbarkeit?


Aggregiert Gruppen mit ähnlichen Zustellwegen


Skaliert gar nicht – nach jedem join/leave muss der konsistente Zustand

wiederhergestellt werden


MCDC optimiert die Bandbreitennutzung in Echtzeit



Agenda




2. REUNITE



5. Resümee



• Schnelles Baum-Wechseln

• Baum Caching im Controller

• Fehlertolerant

• Load Balancing

• Controller-Module:

– Mitglieder-Verwaltung

– Topologie-Verwaltung

– Baumerzeugung



Multicast in SDN

SDN: Zulieferungsbaum-Berechnung



SDN – Skalierbarkeit?


Benötigt mindestens einen Flow pro Switch, an dem Empfänger hängen


Benötigt mindestens einen Flow pro Switch, an dem Quellen hängen

3. Die Anzahl der Switch in einem minimalen Spannbaum, der alle Empfänger verbindet

Seit OpenFlow 1.3.0 können Gruppeneinträge verwendet werden



SDN – Skalierbarkeit?


Wenn die Gruppen aggregiert werden, kein Problem.


Baum-Caching ermöglicht schnelles Berechnen des Zulieferungsbaums


Die Grenze ist die Hardware selbst



Agenda




2. REUNITE



5. Resümee



Resümee

• SEM und REUNITE für spärliche Netze

• REUNITE für gemischte Topologien

• Dr. Multicast für dichte und beständige Netze

• SDN skaliert am Besten, aber teure Hardware

– Was fehlt: Gruppen-Aggregierung!



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Fragen?



Quellen

[1] Deering, S.: Host extensions for IP multicasting. RFC-1112 (1989)

[2] Hinden, R.; Nokia; Deering, S.; Cisco Systems: IP Version 6 Addressing

Architecture. RFC-4291 (2006) 5

[3] Ballardie, A.: Core Based Trees (CBT) Multicast Routing Architecture. RFC-

2201 (1997)

[4] Blazevi´c, L.; Boudec, J.Y.: Distributed Core Multicast (DCM): a multicast

routing protocol for many groups with few receivers. Newsletter ACM

SIGCOMM Computer Communication Review, Volume 29 Issue 5, October

1999, 6-21.

[5] Wong, T.; Katz, R.: An Analysis of Multicast Forwarding State Scalability.

Network Protocols, 2000. Proceedings. 2000 International Conference

on (2000) 105-115.

[6] Song, S.; Zhang, Z.L.; Choi, B.Y.; Du, D.: Protocol Independent Multicast

Group Aggregation Scheme for the Global Area Multicast. Global

Telecommunications Conference, 2000. GLOBECOM ’00. IEEE (Volume: 1)

370-375.

[7] Minoli, D.: Multicast Addressing for Payload. In: IP Multicast with

Applications to IPTV and Mobile DVB-H pp. 26-38. Wiley-IEEE Press, ISBN:

9780470260876. (2008)

[8] Stoica, I.; Eugene Ng, T.S.; Zhang, Hui: REUNITE: A Recursive Unicast

Approach to Multicast. INFOCOM 2000, Nineteenth Annual Joint Conference

of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings, IEEE

(Volume:3) (2000) 1644-1653.

[9] Boudani, A.; Cousin, B.: An hybrid explicit multicast/recursive unicast

approach for multicast routing. Journal Computer Communications, Volume

28 Issue 16, October 2005, 1814-1834.

[10] Cain, B.; Cereva Networks; Deering, S.; Kouvelas, I.; Cisco Systems;

Fenner, B.; AT&T Labs - Research; Thyagarajan, A.; Ericsson: Internet

Group Management Protocol, Version 3. RFC-3376 (2002)

[11] Vigfusson, Y.; Abu-Libdeh, H.; Balakrishnan, M.; Birman, K.; Tock, Y.: Dr.

Multicast: Rx for Data Center Communication Scalability. EuroSys’10

Proceedings of the 5th European conference on Computer systems

(2010) 349-362.

[12] Kotani, D.;Suzuki, K.; Shimonishi, H.: A Design and Implementation

of OpenFlow Controller Handling IP Multicast with Fast Tree Switching.

IEEE/IPSJ 12th International Symposium on Applications and the Internet

(2012) 60-67.

[13] Open Networking Foundation: OpenFlow Switch Specification, Version

1.3.0, June 25, 2012.



Weitere Multicast-Algorithmen

1988: Distance Vector Multicast Routing Protocol

1994: Multicast Open Shortest Path First

1996: Receiver-driven layered multicast

1997: Core-based trees

1998: Policy tree multicast routing

1999: Explicitly Requested Single-Source Multicast

2000: REUNITE

2001: Multicast Adaptive Multiple Constraints Routing Algorithm

2003: Source-specific multicast

2004: Border Gateway Multicast Protocol

2005: Protocol Independent Multicast – Dense Mode

2005: Simple Explicit Multicast

2006: Protocol Independent Multicast – Sparse Mode

2006: Hop-by-Hop Multicast

2007: Multiprotocol Extensions for BGP-4

2010: Dr. Multicast

2012: SDN Multicast

18.07.2013

Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart

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Fast Tree Switching



Software

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