Skalierbare Multicast Konzepte

There are many use cases where applied multicast concepts can have a huge impact on application performance. Especially in data centers huge amounts of data can be transferred through the network using multicast techniques. The problem with multicast is scalability - routers have to keep track of multicast forwarding states and often can’t handle huge amounts of multicast groups. In this paper we examine different approaches enhancing the overall performance of multicast and compare them to each other. First we are going to look at tree-building multicast algorithms like REUNITE operating from routers. Another approach is injecting the multicast logic into the sender right beneath the application layer like DR. MULTICAST does. Lastly we examine how multicast can be easily approached with software defined networking.

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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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 2
3. Internet Group Management Protocol Group1 report membership Group Membership Table: Group1 query membership set query response timer timer active Group1 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 3
4. • Nachrichten an Multicast-IP adressieren • Router regelt Weiterleitung • Netzwerk-Interface filtert ungewollte Nachrichten • Problem: Gruppenstatus zwischen Multicast-Routern Multicast im Einsatz 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 4 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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 5
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 6
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 7
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“ 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 8 Simple Explicit Multicast
9. SEM - Beispiel 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 9 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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 10
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% 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 11
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 12
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 :-) 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 13
14. REUNITE - Beispiel 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 14
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 15
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 16
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 17
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 18
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 19
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 20 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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 21
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 22
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 23
24. • Schnelles Baum-Wechseln • Baum Caching im Controller • Fehlertolerant • Load Balancing • Controller-Module: – Mitglieder-Verwaltung – Topologie-Verwaltung – Baumerzeugung 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 24 Multicast in SDN
25. SDN: Zulieferungsbaum-Berechnung 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 25
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 26
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 27
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 28
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! 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 29
30. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 30
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. 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 31
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 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 32
33. Fast Tree Switching 18.07.2013 Im Rahmen des Studienprojekts HP-MOM. Präsentiert von Fabian Keller. Universität Stuttgart 33