Agrégation des communications multicast

Agrégation des communications multicast

Soutenance de thèse Joanna MOULIERAC

Encadrement : Miklós MOLNẢR

Direction : Gerardo RUBINO

Le multicast

Proposé par Steve Deering en 1991

Communication de groupes sur Internet Une seule copie du message par lien

Applications : vidéoconférences, jeux vidéos en ligne, diffusion de vidéos…

Le multicast

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

b b₁₁ source

@g

(g)

(g)

(g)

Le multicast

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

b b₁₁ source

@g@g

@g

(g)

(g)

(g)

Le multicast

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

b b₁₁ source

(g)

(g)

(g)

O1 I1

O2

(source,@g) : I1Æ{O1,O2}

Passage à l’échelle du multicast IP

Un groupe g ↔ un arbre t ↔ |t| entrées de routage

Le nombre d’entrées de routage croît linéairement avec le nombre de groupes

Le nombre important d’entrées de routage implique :

Mémoire des routeurs saturée

Routage ralenti, temps d’accès aux entrées de routage Nombre de messages de contrôle important

Plan de la soutenance

I. L’agrégation multicast

• Principe et fonctionnement

• Algorithme d’agrégation

II. DMTA : l’agrégation multicast distribuée dans un petit domaine

III. TALD : l’agrégation multicast dans un grand domaine IV. Bilan et perspectives

Agrégation multicast

Entrée de routage pour g₁ Entrée de routage pour g₂ Entrée de routage pour g₃

Table de routage

b b₁₁

bb₂₂

bb₃₃

(g₁, g₂, g₃)

bb₄₄ (g₁, g₂, g₃)

g₁ g₂ g₃

Avec le multicast traditionnel

g₁ = (b₁,b₂,b₄) g₂ = (b₁,b₂,b₄) g₃ = (b₁,b₂,b₄)

(g₁, g₂, g₃)

b₁

b b₃₃

bb₄₄ Table de routage

(g₁, g₂, g₃)

(g₁, g₂, g₃) bb₂₂

Entrée de routage pour t₁

(g₁, g₂, g₃) bb₁₁

Avec l’agrégation multicast

t₁

g₁ = (b₁,b₂,b₄) g₂ = (b₁,b₂,b₄) g₃ = (b₁,b₂,b₄)

Agrégation multicast

Entrée de routage pour g₁ Entrée de routage pour g₂ Entrée de routage pour g₃

Table de routage

b b₁₁

bb₂₂

bb₃₃

(g₁, g₂, g₃)

bb₄₄ (g₁, g₂, g₃)

g₁ g₂ g₃

b₁

b b₃₃

bb₄₄ Table de routage

(g₁, g₂, g₃)

(g₁, g₂, g₃) bb₂₂

Entrée de routage pour l₁

(g₁, g₂, g₃) g₁ Æ l(t₁) g₂ Æ l(t₁) g₃ Æ l(t₁)

bb₁₁

t₁ Table groupes-labels

g₁ = (b₁,b₂,b₄) g₂ = (b₁,b₂,b₄) g₃ = (b₁,b₂,b₄)

g₁ = (b₁,b₂,b₄) g₂ = (b₁,b₂,b₄) g₃ = (b₁,b₂,b₄)

Avec le multicast traditionnel Avec l’agrégation multicast

(g₁, g₂, g₃)

Agrégation avec pertes

b₁

bb₃₃

bb₄₄

Table de routage

(g₁, g₂, g₃) bb₂₂

Entrée de routage pour t₁

b b₁₁

t₁

Table groupes-labels

g₁ = (b₁,b₂,b₄) g₂ = (b₁,b₂,b₄) g₃ = (b₁,b₂,b₄)

Un nouveau groupe g₄ arrive

g₁ Æ l(t₁ ) g₂ Æ l(t₁) g₃ Æ l(t₁ )

(g₁, g₂, g₃) (g₁, g₂, g₃)

(g₁, g₂, g₃, g₄)

(g₁, g₂, g₃, g₄)

Agrégation avec pertes

g₁ = (b₁,b₂,b₄) g₂ = (b₁,b₂,b₄) g₃ = (b₁,b₂,b₄)

b₁

bb₃₃

bb₄₄

Table de routage

(g₁, g₂, g₃) bb₂₂

Entrée de routage pour t₁ Entrée de routage pour g₄

b b₁₁

t₁

Table groupes-labels

g₁ = (b₁,b₂,b₄) g₂ = (b₁,b₂,b₄) g₃ = (b₁,b₂,b₄) g₄ = (b₁,b₄)

(g₁, g₂, g₃, g₄)

(g₁, g₂, g₃, g₄)

Deux possibilités :

1. Un nouvel arbre est construit

g₁ Æ l(t₁ ) g₂ Æ l(t₁) g₃ Æ l(t₁ )

g₁ Æ l(t₁ ) g₂ Æ l(t₁) g₃ Æ l(t₁ )

Agrégation avec pertes

g₁ = (b₁,b₂,b₄) g₂ = (b₁,b₂,b₄) g₃ = (b₁,b₂,b₄)

b₁

bb₃₃

bb₄₄

Table de routage

(g₁, g₂, g₃) bb₂₂

Entrée de routage pour t₁ g₁ Æ l(t₁ )

g₂ Æ l(t₁ ) g₃ Æ l(t₁ )

g₄ Æ l(t₁) bb₁₁

t₁

Table groupes-labels

g₁ = (b₁,b₂,b₄) g₂ = (b₁,b₂,b₄) g₃ = (b₁,b₂,b₄) g₄ = (b₁,b₄)

(g₁, g₂, g₃, g₄)

(g₁, g₂, g₃, g₄) Deux possibilités :

1. Un nouvel arbre est construit

g₁ Æ l(t₁ ) g₂ Æ l(t₁) g₃ Æ l(t₁ )

Agrégation avec pertes

g₁ = (b₁,b₂,b₄) g₂ = (b₁,b₂,b₄) g₃ = (b₁,b₂,b₄)

b₁

bb₃₃

bb₄₄

Table de routage

(g₁, g₂, g₃) bb₂₂

Entrée de routage pour t₁ g₁ Æ l(t₁ )

g₂ Æ l(t₁ ) g₃ Æ l(t₁ )

g₄ Æ l(t₁) bb₁₁

t₁

Table groupes-labels

g₁ = (b₁,b₂,b₄) g₂ = (b₁,b₂,b₄) g₃ = (b₁,b₂,b₄) g₄ = (b₁,b₄)

(g₁, g₂, g₃, g₄)

(g₁, g₂, g₃, g₄) Perte de bande-passante sur ce lien pour les messages du groupe g₄

Agrégation avec pertes

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

bb₁₁

@g₄ g₁ Æ l(t₁)

g₂ Æ l(t₁ ) g₃ Æ l(t₁ ) g₄ Æ l(t₁ )

Table groupes-labels

Le paquet pour g₄ arrive au routeur b₁

Agrégation avec pertes

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

bb₁₁

@t₁ @g₄

@t₁ @g₄ g₁ Æ l₁

g₂ Æ l₁ g₃ Æ l₁ g₄ Æ l₁

Table groupes-labels

Le paquet est encapsulé avec @t₁ g₁ Æ l(t₁)

g₂ Æ l(t₁ ) g₃ Æ l(t₁ ) g₄ Æ l(t₁ )

Agrégation avec pertes

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

bb₁₁

@g₄

@g₄

Table groupes-labels

Le routeur b₂ détruit le paquet car il n’a pas de membres appartenant à g₄ g₁ Æ l(t₁)

g₂ Æ l(t₁ ) g₃ Æ l(t₁ ) g₄ Æ l(t₁ )

Algorithme d’agrégation

Algorithme AM [Cui et al., 2001] centralisé géré par une entité d’agrégation

Données :

Topologie du domaine G=(V,E) Un groupe g

Tolérance de bande-passante t_b (0%, 10%, 20%...)

Un ensemble d’arbres déjà configurés MTS (Multicast Tree Set)

Résultat :

Trouver un arbre t dans MTS couvrant le groupe g dont le coût respecte le seuil t_b

Algorithme d’agrégation

Calcul d’un arbre natif t_g pour le groupe g Pour chaque arbre t dans MTS

• Si (^{t couvre g}) ^{et si} ( )

• Alors t est candidat pour l’agrégation

Choisir pour g l’arbre t de coût minimum parmi les candidats Si pas de candidat, ajout de t_g dans MTS

Entrée g → label(t) dans les tables groupes-labels des routeurs de bordures

b g

g t

t c

t c t

c − ≤

) (

) ( ) (

Nombre d’entrées de routage

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

0 10000 20000 30000 40000 50000

Nom bre de groupe s concurre nts

Nombre d'entrées de routage

t_b = 0%

t_b = 10%

t_b = 20%

Sans agrégation

Réduction de 36%

Simulations dans le réseau Eurorings (43 nœuds, 55 arêtes) pour 45000 groupes dynamiques

STA (Scalable Tree Aggregation) [Guitton et al, 2004]

rapidité d’agrégation

● Évaluer un sous-ensemble d’arbres

Q-STA (QoS Scalable Tree Aggregation) [Moulierac et al, 2004]

agrégation sous contraintes de bande-passante

● Utiliser au mieux les ressources du réseau

DMTA (Distributed Multicast Tree Aggregation) [Moulierac et al, 2005]

agrégation distribuée

● Agrégation robuste avec peu de messages de contrôle

● Configuration initiale d’un ensemble d’arbres

TALD (Tree Aggregation in Large Domains) [Moulierac et al, 2006]

agrégation dans les grands domaines

Contributions principales

Plan de la soutenance

I. L’agrégation multicast

II. DMTA : l’agrégation multicast distribuée dans un petit domaine

• L’algorithme distribué BEAM

• Notre algorithme distribué DMTA

• Configuration d’un ensemble d’arbres

III. TALD : l’agrégation multicast dans un grand domaine

L’agrégation multicast distribuée

Distribuer la charge d’agrégation Robustesse en cas de pannes

Algorithme BEAM

Les entités d’agrégation gardent une copie partielle du MTS

⋃

L’agrégation multicast distribuée

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

b b₁₁

1. Join message pour le groupe g

@entité = modulo(@g,#entités) MTS₁

MTS₂

MTS₄

MTS₃

MTS₁ ⋃ MTS₂ ⋃ MTS₃ ⋃ MTS₄ = MTS

L’agrégation multicast distribuée

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

b b₁₁

1. Join message pour le groupe g

2. Requête d’agrégation

MTS₁

MTS₂

MTS₄

MTS₃

L’agrégation multicast distribuée

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

b b₁₁

1. Join message pour le groupe g

3. Choix d’un arbre pour le groupe g 2. Requête d’agrégation

MTS₁

MTS₂

MTS₄

MTS₃

L’agrégation multicast distribuée

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

b b₁₁

1. Join message pour le groupe g

2. Requête d’agrégation

MTS₁

MTS₂

MTS₄

MTS₃

4. Requête d’agrégation

3. Choix d’un arbre pour le groupe g

L’agrégation multicast distribuée

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

b b₁₁

1. Join message pour le groupe g

3. Choix d’un arbre pour le groupe g 2. Requête d’agrégation

5. Choix d’un arbre pour le groupe g

MTS₁

MTS₂

MTS₄

MTS₃

4. Requête d’agrégation

L’agrégation multicast distribuée

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

b b₁₁

1. Join message pour le groupe g

3. Choix d’un arbre pour le groupe g 2. Requête d’agrégation

5. Choix d’un arbre pour le groupe g

6. Arbre trouvé

MTS₁

MTS₂

MTS₄

MTS₃

4. Requête d’agrégation

L’agrégation multicast distribuée

Problèmes de l’algorithme BEAM :

Nombreuses requêtes entre les entités d’agrégation

Temps de latence pour l’agrégation Nombreux messages de contrôle

Problème de robustesse (panne des entités)

L’agrégation multicast distribuée

Proposition de l’algorithme DMTA :

Pré-configuration d’un ensemble d’arbres

Les entités d’agrégation stockent le même ensemble d’arbres

Requêtes d’agrégation supprimées entre les entités

L’agrégation multicast distribuée

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂

b b₁₁

1. Join message pour le groupe g

3. Choix d’un arbre pour le groupe g 2. Requête d’agrégation

MTS

MTS

MTS

MTS

L’agrégation multicast distribuée

Changement de groupes (arrivée ou départ d’un membre)

Choix d’un nouvel arbre sans reconfiguration

Changement d’entrées dans les tables groupes-labels

Panne d’une des entités d’agrégation

Détection de pannes puis entité de remplacement Le MTS est conservé

L’agrégation multicast distribuée

Algorithme DMTA :

Robustesse

Temps de latence diminué

Moins de messages de contrôle

Pré-configuration de l’ensemble d’arbres

Nombre d’arbres dans un domaine

Agrégation multicast

Elimination des arbres redondants

Nombre d’arbres différents << 2ⁿ

Dépend de la topologie et de l’algorithme de routage Nombre d’arbres ~ Espace d’adressage multicast

2²⁸ pour IPv4 et 2^{112 pour IPv6}

Nombre d’arbres ~ Combinaison de tous les groupes possibles 2ⁿ (n = nombre de routeurs)

Nombre d’arbres dans un domaine

Algorithme de routage connu et fixé : CBT, PIM-SM, MST…

Trouver un ensemble d’arbres de cardinalité

minimale couvrant n’importe quel des 2ⁿ groupes multicast

Problème d’optimisation NP-Difficile : Minimum Set Cover

MTS ← ∅

Pour i ← 1 à 2ⁿ

Générer le i^ème groupe g_i

Construire avec l’algorithme A l’arbre t_i couvrant g_i Si (t_i∉ MTS) alors ajouter t_i dans MTS

Si t_b >0% :

Considérer les arbres dans l’ordre décroissant de leur coût

Si ∃t tel que t est couvert par t_i et c(t)≤c(t_i)*(1+t_b)) Alors Éliminer t de MTS

Données : Domaine avec n routeurs, algorithme de routage A, seuil t_b

Résultat : L’ensemble MTS des arbres couvrant tous les groupes possibles:

Nombre d’arbres dans un domaine

Nombre d’arbres dans un domaine

C A B

D

11 groupes différents, 6 arbres différents Groupes Æ Arbres

1. (AB) Æ AB

2. (AC) Æ AC

3. (AD) Æ ABD

4. (BC) Æ ABC

5. (BD) Æ BD

6. (CD) Æ ABCD

7. (ABC) Æ ABC

8. (ABD) Æ ABD

9. (ACD) Æ ABCD

10. (BCD) Æ ABCD

11. (ABCD) Æ ABCD

Il y a n*(n-1)/2 arbres différents dans une chaîne de n routeurs

Nombre d’arbres dans un domaine

C A B

D

Il y a 2ⁿ-n-1 arbres différents dans un graphe complet de n routeurs

11 groupes différents, 11 arbres différents Groupes Æ Arbres

1. (AB) Æ AB

2. (AC) Æ AC

3. (AD) Æ AD

4. (BC) Æ BC

5. (BD) Æ BD

6. (CD) Æ CD

7. (ABC) Æ ABC

8. (ABD) Æ ABD

9. (ACD) Æ ACD

10. (BCD) Æ BCD

11. (ABCD) Æ ABCD

Nombre d’arbres dans un domaine

La topologie influe sur le nombre total d’arbres

Sur un réseau de n routeurs : Chaîne : n*(n-1)/2

Graphe complet : 2ⁿ - n -1 Roue : 2^n-1 - 1

Arbre : ∀i∈fils(racine), (∏(#arbres_{racine i} (arbre_i)+2) +∑#arbres(arbre_i) -1)

L’algorithme de routage utilisé influe aussi sur le nombre d’arbres

Nombre d’arbres total dans un domaine

20%

0%

20%

0%

20%

0%

t_b

23449 4126

2486 549

230 104

48942 8222

262125

Geant

18 routeurs, 30 liens

4785 958

16369

Nsfnet

14 routeurs,21 liens

370 131

Abilene 2036

11 routeurs, 14 liens

MST CBT

Nombre de groupes possibles

Nombre d’entrées de routage par routeur

Nombre d’entrées de routage par routeur

CBT-Fixe CBT-Premier CBT-Aléa MST

Réseau Abilene

Nombre d’arbres dans un domaine

Pour les petits domaines :

Le nombre d’arbres différents est relativement faible Æ configuration de tous les arbres possible

Nombre d’entrées de routage par routeur faible

Pour les grands domaines : Deux possibilités :

1.Configuration d’un sous-ensemble d’arbres

2.Proposition d’un nouvel algorithme

Plan de la soutenance

I. Le multicast et l’agrégation multicast

II. L’agrégation multicast distribuée dans un petit domaine

III. L’agrégation multicast dans les grands domaines

• Problématique

• Algorithme TALD

• Simulations

IV. Bilan et perspectives

Dans les grands domaines

Quand le réseau contient plus de 40 routeurs de bordure Æ

très peu d’agrégation Dans ce cas-là, même comportement que les

protocoles traditionnels de multicast

Réseau Exodus de 200 routeurs

Pour 10000 groupes dans le domaine :

Nombre de routeurs de bordure

Taux d’agrégation

23% d’agrégation 61% d’agrégation

Dans les grands domaines

Algorithme TALD :

Découper le domaine principal en plusieurs sous- domaines

Algorithme de découpage proposé

Agréger séparément les groupes dans chacun des sous-domaines

Relier les sous-arbres par des tunnels

Dans les grands domaines

bb₃₃

bb₄₄ bb₂₂ bb₁₁

bb₇₇

bb₈₈ b b₆₆ bb₅₅

b b₁₂₁₂

bb₁₁₁₁ bb₁₀₁₀

bb₉₉

Un groupe multicast Æ un ensemble d’arbres et des tunnels

Dans les grands domaines

Une entité supérieure est responsable de l’établissement des tunnels :

1. Pour chaque groupe, choix des représentants par les entités locales

2. Les entités locales envoient ces informations à l’entité supérieure

3. Ajout des entrées nécessaires à la configuration

Pas de connaissance globale de la topologie

Simulations

Réseau Exodus : 201 routeurs et 434 liens

STA : protocole de référence sans division du domaine TALD-2 : 2 sous-domaines

TALD-4 : 4 sous-domaines

Membres des groupes : choisis aléatoirement parmi 101 routeurs multicast

Taille des groupes : entre 2 et 20 membres

TALD-4 0%

TALD-4 20%

TALD-2 0%

TALD-2 20%

STA 0%, 20%

Réduction de 41%

Réduction de 52%

Nombre de groupes concurrents

Nombre d’entrées de routage

TALD-4 0%

TALD-4 20%

Nombre d’entrées de routage

TALD-4 0%

TALD-4 20%

Nombre de routeurs multicast

STA 0%, 20%

TALD-4 0%

TALD-4 20%

TALD-2 0%, 20%

Pourcentage d’agrégation

Pourcentage d’agrégation

TALD-4 0%

TALD-4 20%

30% d’agrégation 22% d’agrégation

Coût moyen des arbres

TALD-4 0%, 20%

STA 0%, 20%

TALD-2 0%, 20%

Nombre de groupes concurrents

Coût des arbres (nombre de liens)

TALD-4 0%, 20%

STA 0%, 20%

Arbres 30% plus gros

L’agrégation dans un grand domaine

Algorithme de découpage du domaine

Nombre de sous-domaines pour avoir un bon taux d’agrégation

Nombre de routeurs par sous-domaine

Connexion des sous-arbres

Choix des représentants pour les tunnels Connexion des sous-arbres par un arbre

Déploiement inter-domaine

Plan de la soutenance

I. Le multicast et l’agrégation multicast

II. L’agrégation multicast distribuée dans un petit domaine

III. L’agrégation multicast un grand domaine

IV. Bilan et perspectives

Bilan

Proposition d’algorithmes pour l’agrégation multicast selon plusieurs contraintes

Comparaison de nos algorithmes avec les algorithmes existants

Développement d’un outil de simulation pour les graphes disponible sur

http://www.irisa.fr/armor/lesmembres/Moulierac/outil.html

Bilan

Découpage du domaine en plusieurs sous domaines

Utilisation de tunnels Les grands domaines

TALD

Construction de tous les arbres possibles

Messages de contrôle enlevés Algorithme distribué

DMTA

Arbres maximisant la bande-passante disponible sur les liens

Contraintes de bande-passante Q-STA

Tri des arbres

Fonction de sélection des candidats rapide

Rapidité de l’agrégation STA

Problématique Idées principales

Perspectives

• Découpage du domaine

• Connexion des arbres (arbres ou tunnels ?)

• Inter-domaine TALD

• Étude dans les plus grands domaines

• Configuration d’un sous-ensemble d’arbres DMTA

• Plusieurs contraintes de QoS : proposition mQMA Q-STA

• Expérimentation de l’algorithme

• Étude du surcoût dû à l’encapsulation STA

Merci de votre attention!