Vorgetragen im Rahmen des Studienprojekets "High Performance Message-oriented Middleware" an der Universität Stuttgart im Sommersemester 2013. Mehr Informationen: http://www.fabian-keller.de/research/scalable-multicast-concepts

1. Skalierbare Multicast Konzepte

2. IP Multicast
• Ein Sender, mehrere Empfänger
• Nachricht wird im Netzwerk dupliziert
• Klassische (theoretische) Anwendung:
– IPTV
– Internetradio
– Multiplayer-Spiele
• IGMP: Internet Group Management Protocol
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Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller.
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3. Internet Group Management Protocol
Group1
report membership
Group Membership Table:
Group1
query membership
set query response timer
timer active
Group1
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4. • Nachrichten an Multicast-IP
adressieren
• Router regelt Weiterleitung
• Netzwerk-Interface filtert
ungewollte Nachrichten
• Problem: Gruppenstatus
zwischen Multicast-Routern
Multicast im Einsatz
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RFC-1112: „The algorithms and protocols used within and between multicast routers are
transparent to hosts and will be specified in separate documents.”

5. 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
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Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller.
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6. 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
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7. 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
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8. • 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“
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Simple Explicit Multicast

9. SEM - Beispiel
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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

10. SEM – Skalierbarkeit?
1. Anzahl beigetretener Empfänger
Skaliert recht gut in zerstreuten Netzen
2. Anzahl der Quellen
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
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11. SEM – Skalierbarkeit?
4. Die Anzahl der Multicast-Gruppen während die Empfänger identisch bleiben
Benötigt pro Gruppe einen Baum
5. Die Häufigkeit von join/leave Operationen
Skaliert nicht, denn der Baum muss von neuem aufgebaut werden
6. Die übermittelte Datenmenge
Der Datenoverhead durch SEM ist geringer als 10%
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12. 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
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13. 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 :-)
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14. REUNITE - Beispiel
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15. REUNITE – Skalierbarkeit?
1. Anzahl beigetretener Empfänger
Mitgliedschaft wird in Routern im Netzwerk gespeichert
2. Anzahl der Quellen
Zusätzliche Quellen werden durch die Wurzel getunnelt
3. Die Anzahl der Router in einem minimalen Spannbaum, der alle Empfänger verbindet
Nicht-verzweigende Router benötigen MCT Einträge
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16. REUNITE – Skalierbarkeit?
4. Die Anzahl der Multicast-Gruppen während die Empfänger identisch bleiben
Benötigt pro Gruppe einen Baum
5. Die Häufigkeit von join/leave Operationen
Betrifft nur einen Teilbaum
6. Die übermittelte Datenmenge
Nur verzweigende Router müssen einmal in ihren MFT schauen
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17. 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
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18. 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
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19. 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
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20. • Jeder Knoten hat eine konsistente
Sicht auf das Netzwerk und die
Mitgliedschaften
• Ein „Leiter“-Knoten kann
Multicast-Adressen vergeben
• Synchronisierung durch den
Gossip Layer
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MCDC - Funktionsweise

21. MCDC – Skalierbarkeit?
1. Anzahl beigetretener Empfänger
Alle Empfänger müssen in jedem Knoten gespeichert sein
2. Anzahl der Quellen
MCDC kann zwischen Multicast und Unicast je nach Last wechseln
3. Die Anzahl der Router in einem minimalen Spannbaum, der alle Empfänger verbindet
MCDC sitzt nur auf den Knoten – kein Einfluss auf Transport im Netz
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22. MCDC – Skalierbarkeit?
4. Die Anzahl der Multicast-Gruppen während die Empfänger identisch bleiben
Aggregiert Gruppen mit ähnlichen Zustellwegen
5. Die Häufigkeit von join/leave Operationen
Skaliert gar nicht – nach jedem join/leave muss der konsistente Zustand
wiederhergestellt werden
6. Die übermittelte Datenmenge
MCDC optimiert die Bandbreitennutzung in Echtzeit
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23. 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
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24. • Schnelles Baum-Wechseln
• Baum Caching im Controller
• Fehlertolerant
• Load Balancing
• Controller-Module:
– Mitglieder-Verwaltung
– Topologie-Verwaltung
– Baumerzeugung
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Multicast in SDN

25. SDN: Zulieferungsbaum-Berechnung
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26. SDN – Skalierbarkeit?
1. Anzahl beigetretener Empfänger
Benötigt mindestens einen Flow pro Switch, an dem Empfänger hängen
2. Anzahl der Quellen
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
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27. SDN – Skalierbarkeit?
4. Die Anzahl der Multicast-Gruppen während die Empfänger identisch bleiben
Wenn die Gruppen aggregiert werden, kein Problem.
5. Die Häufigkeit von join/leave Operationen
Baum-Caching ermöglicht schnelles Berechnen des Zulieferungsbaums
6. Die übermittelte Datenmenge
Die Grenze ist die Hardware selbst
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28. 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
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29. 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!
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30. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Fragen?
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31. 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.
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32. 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
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33. Fast Tree Switching
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