Routage multicast : gestion des petits groupes et ingénierie de trafic
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28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 1
Routage multicast : gestion des petits groupes et ingénierie de trafic
Soutenance de Thèse
Ali Boudani
* Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires ** I.R.I.S.A *
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 2
Plan
Le routage multicast Le protocole GXcast Le protocole SEM Le protocole MMT Conclusion
Le routage multicast Le protocole GXcast Le protocole SEM Le protocole MMT Conclusion
•Les types d’arbres multicast•Les protocoles de routage multicast •Les nouveaux services
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 3
Unicast et Multicast
G G G G
D1 D2 D4D3
Source (S)
Destinataires D1, D2, D3, D4 membres du groupe G
unicast
G G G G
D1 D2 D4D3
Source (S)
Destinataires D1, D2, D3, D4 membres du groupe G
multicast
Paquet
G Destinataire appartenant à un groupe G
Routeur
Une copie pour chaque destinataire Une copie sur chaque brancheUn arbre est construit
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 4
Les types d’arbres multicast
Arbre partagé
Source (S1)
G
G
G
G
Point de rendez-vous
S1,G
Sou
rce
(S2)
S1,GS2,G
Source (S1)
G
G
G
G
*,G
Sou
rce
(S2)
Source (S1)
G
G
G
G
*,G
Sou
rce
(S2)
Arbre basé à la source
Arbre des plus courts chemins inversesArbre des plus courts chemins inverses
Arbre réduitArbre réduit
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 5
Les protocoles de routage multicast
IGMP (Internet Group Management Protocol)
Les protocoles de routage Intra-domaine– DVMRP
– MOSPF
– PIM-DM
– PIM-SM
– CBT
Les protocoles de routage Inter-domaine
protocoles à forte densité de membres•Arbre basé à la source•Inondation
protocoles à forte densité de membres•Arbre basé à la source•Inondation
protocoles à membres épars•Arbre partagé•Messages d’adhésion explicites•Point de rendez-vous
protocoles à membres épars•Arbre partagé•Messages d’adhésion explicites•Point de rendez-vous
Problème de résistance au facteur d’échelleProblème de résistance au facteur d’échelle
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 6
PIM-SM / MBGP / MSDP– PIM-SM (Protocol Independent Multicast-Sparse Mode)
• Protocole de routage multicast chargé de construire l’arbre multicast entre les domaines
– MBGP (Multi-protocol extensions to BGP4)• Utilisé pour décrire la topologie multicast d’un domaine
– MSDP (Multicast Source Discovery Protocol)• Annonce les sources actives dans les différents réseaux
BGMP / MASC– MASC (Multicast Address Set Claim)
• Allocation d’adresse stricte
– BGMP (Border Gateway Multicast Protocol)• Construction d’un arbre partagé bidirectionnel
Les protocoles de routage Inter-domaine
Protocoles en mode dense ne sont pas adaptés aux groupes ayant des membres épars
Protocoles en mode dense ne sont pas adaptés aux groupes ayant des membres épars
Limitations•Allocation d’adresses•Complexité•Sécurité
Limitations•Allocation d’adresses•Complexité•Sécurité
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 7
Les nouveaux services
SSM (Source Specific Multicast)– Notion de canal : <S,G>– Source spécifique
Xcast (Explicit Multicast)– Grand nombre de petits groupes
Un seul protocole ?Un seul protocole ?
Allocation d’adresse simplifiéeAllocation d’adresse simplifiée
Quantité de données à mémoriser par les routeurs paraît coûteuse si les destinataires membres d’un groupe ne sont pas nombreux
Quantité de données à mémoriser par les routeurs paraît coûteuse si les destinataires membres d’un groupe ne sont pas nombreux
Différents types d’applications multicast
Différents types d’applications multicast
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 8
Le routage multicast Le protocole GXcast Le protocole SEM Le protocole MMT Conclusion
Plan
•Le multicast explicite•Les deux protocoles Xcast et Xcast+•Leurs limitations
•Le protocole GXcast
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 9
Xcast : multicast explicite
Domaine :
– Un très grand nombre de groupes multicast de petite taille dont les destinataires sont largement dispersés
– Là où le modèle de multicast traditionnel ne convient pas
Objectifs :
– Améliorer la résistance au facteur d’échelle en éliminant les états de routage multicast à sauvegarder dans les routeurs
– Eliminer les messages de contrôle et de maintenance d’arbres– Réduire les problèmes du multicast en problèmes unicast
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Le protocole Xcast
Sou
rce
(S)
G
G
G
G
G
G
R1 R2 R3
R4
R5 R6 R7
R8
R9
D3
D4
D1
D2
D5
D6
X2UData
UDP
IP
src=S
dst= D1
Data
UDP
Xcast
D1, D2
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
Xcast
D3, D4, D5
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
Xcast
D3, D4, D5, D6
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
Xcast
D1, D2, D3, D4, D5, D6
IP
src=S
dst= All_Xcast
S,G D1S,G D1, D2, D3, D4, D5, D6
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Le protocole Xcast+
Sou
rce
(S)
G
G
G
G
G
G
R1 R2 R3
R4
R5 R6 R7
R8
R9
D3
D4
D1
D2
D5
D6
X2MData
UDP
IP
src=S
dst= G
Data
UDP
Xcast
R4
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
Xcast
R8, R9
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
IP
src=S
dst= G
S,G R4S,G R4, R8, R9
Data
UDP
Xcast
R4, R8, R9
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
M2X
Data
UDP
IP
src=S
dst= G
X2M
Data
UDP
IP
src=S
dst= G
X2M
Data
UDP
Xcast
R8
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
Xcast
R9
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 12
Les avantages et les inconvénients de la technique Xcast
IP Xcast
Avantages– Gestion des états de routage et des messages de signalisation– Réaction automatique aux re-routage unicast et ingénierie de trafic simplifiée– Mécanisme simple d’allocation d’adresses multicast
Inconvénients– Baisse de la charge utile !!!
– Traitement complexe de l’en-tête– Changement des en-têtes des paquets à acheminer
Utilisation d’unicast plutôt que de Xcast ?
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 13
La fragmentation d’un paquet Xcast
Fragmentation IP
MTU
En-tête IP Dm+1..Dn
En-tête IP
En-tête IP En-tête Xcast D1 ….. Dn
En-tête IP
En-tête IP En-tête Xcast D1..Dm
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 14
Sou
rce
(S)
G
G
G
G
G
G
R1 R2 R3
R4
R5 R6R7
R8
R9
D3
D4
D1
D2
D5
D6
X2MData
UDP
IP
src=S
dst= G
Data
UDP
IP
src=S
dst= G
S,G R4S,G R4, R8, R9
Le protocole GXcast (Generalized Xcast) : une généralisation du protocole Xcast
M2X
Data
UDP
Xcast
R4, R8
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
Xcast
R9
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
Xcast
R4
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
Xcast
R8
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
Xcast
R9
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
IP
src=S
dst= G
X2M
Data
UDP
IP
src=S
dst= G
X2M
Data
UDP
Xcast
R8
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
Data
UDP
Xcast
R9
CI=G
IP
src=S
dst= All_Xcast
nM : nombre maximum de destinataires autorisées dans
un paquet Xcast
nM : nombre maximum de destinataires autorisées dans
un paquet Xcast
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 15
Comportement basique– En-tête IP et Gxcast E= 32 octets, MTU minimale = 576 octets, donc:
nmax = 135
Nombre de paquets générés admet un minimum nmax / 2
Etude du paramètre de GXcast
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 16
Evaluation et simulation du protocole GXcast – taux de surcoût engendré par GXcast
Le nombre de paquets générés par GXcast par rapport au multicast, n nM
Le nombre de paquets générés par GXcast par rapport au multicast, n nM
Le nombre de paquets générés par GXcast par rapport au multicast, n > nM
Le nombre de paquets générés par GXcast par rapport au multicast, n > nM
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 17
Evaluation et simulation du protocole GXcast – taux de surcoût engendré par GXcast
Taux de surcoût GXcast par rapport à Xcast
Taux de surcoût GXcast par rapport à Xcast
Taux de surcoût unicast par rapport à GXcast
Taux de surcoût unicast par rapport à GXcast
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 18
Le simulateur du multicast explicite dans NS
d 80, 130, 250, 1000
Taille de données à transmettre à chaque destinataire
n 80, 90, 100, 110, 120, 130
Nombre de destinataires par groupe
nM70 Nombre de destinataires maximum
dans un paquet GXcast
Le simulateur du multicast explicite http://www.irisa.fr/prive/aboudani/research/xcast/index.htm
Le scénario de simulation– Jeux en réseaux– DIS (Distributed
Interactive Simulation)
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lsim
N
iipaq
Nt
lNl
*
)(1
lsim
N
i l
N
jpj
Nt
D
Ll
i
ilpaq
*
)(1
1
)(
Evaluation et simulation du protocole GXcast
La distribution de paquets sur les liens
La distribution de paquets sur les liens
Le surcoût dû aux paquets générés
Le surcoût dû aux paquets générés
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 20
Nombre de paquets et volume transmis
- +Destinations
-+Cœur
Proche de celui d’Xcast
+Source
volumeNb paquets
GXcast par rapport à Xcast
+-Destinations
- (12 fois)-Cœur
- (20 fois)-Source
volumeNb paquetsGXcast par rapport à Unicast
GXcast est toujours meilleur en termes de délai (incluant le délai induit par la file d’attente et le temps de traitement)
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 21
Le compromis entre GXcast, multicast et unicast
Multicast ExpliciteMulticast ExpliciteMulticastMulticastUnicastUnicast
•Gaspillage de la bande passante
•Gaspillage de la bande passante
•Etats de routage•Maintenance de l’arbre
•Etats de routage•Maintenance de l’arbre
•Temps de traitement•Fragmentation
•Temps de traitement•Fragmentation
GXcast•Avantages en termes de délai et de coût
GXcast•Avantages en termes de délai et de coût
•Le besoin de chercher de nouveaux protocoles•Les nœuds de branchement et l’arbre réduit
•Le besoin de chercher de nouveaux protocoles•Les nœuds de branchement et l’arbre réduit
•Charge utile : le débit est divisé par 2
•Charge utile : le débit est divisé par 2
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 22
Le routage multicast Le protocole GXcast Le protocole SEM Le protocole MMT Conclusion
Plan
•Les nœuds de branchement et l’arbre réduit•Le protocole SEM
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 23
Les nœuds de branchement et l’arbre réduit
Source (S)
R1
R2
R3
R4
R5R6
G
S,G
G
•Des études montrent que le pourcentage de nœuds de branchement sur un arbre est petit :(8 %, 13 %)
•Des études montrent que le pourcentage de nœuds de branchement sur un arbre est petit :(8 %, 13 %)
S,G
S,G
S,G
Source (S)
R1
R2
R3
R4
R5R6
G G
S,G
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 24
Le protocole HBH
Source
S
H1
R1
MFT : Multicast Forwarding TableMCT: Multicast Control Table
MFT
MCT
H4
H3H2
R2
R3R1
R1
MCT
R1
R2
MCT
R2
R3
R1
MFT
R3
MFT
R3R1R1 R3
R1 R3
H3
H1 R2 Message joinMessage tree
Message fusion
•Utilise l’infrastructure unicast pour la transmission des paquets multicast•Utilise un canal (S, G) pour définir un groupe•Des MFT et des MCT existent encore ?•Trop de messages de contrôle (tree)
•Utilise l’infrastructure unicast pour la transmission des paquets multicast•Utilise un canal (S, G) pour définir un groupe•Des MFT et des MCT existent encore ?•Trop de messages de contrôle (tree)
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 25
Message JoinS
ourc
e (S
)
G
G
G
G
G
G
G
R1 R2 R3
R4
R5 R6 R7
R8
R9
S,G R4R4, R8R4, R8, R9
TCM
Le protocole SEM (Simple Explicit Multicast)
TCM: Table de contrôle multicast
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 26
S,G R3 --
TRM
Sou
rce
(S)
G
G
G
G
G
G
G
R1 R2 R3
R4
R5 R6 R7
R8
R9
S,G R4, R8, R9
TCM
Message branch et previous_branch
S,G -- R3
TRM
S,G R7
TRM
S,G R7
TRMS,G R3 R8, R9
S,G R3
TRM
Le protocole SEM (Simple Explicit Multicast)
Branch
Previous_branch
TRM: Table de routage multicast
S,G S --
TRM
S,G S R4, R7
TRM
S,G S R4
TRM
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 27
Paquet de données SEM
Sou
rce
(S)
G
G
G
G
G
G
G
R1 R2 R3
R4
R5 R6 R7
R8
R9
S,G R4, R8, R9
TCM
S,G -- R3
TRM
S,G R7
TRM
S,G R7
TRMS,G R3 R8, R9
TRM
S,G S R4, R7
TRM
S,G R3
TRM
Le protocole SEM (Simple Explicit Multicast)
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 28
Message Alive
Sou
rce
(S)
G
G
G
G
G
G
G
R1 R2 R3
R4
R5 R6 R7
R8
R9
S,G R4, R8, R9
TCM
S,G -- R3
TRM
S,G R7
TRM
S,G R7
TRMS,G R3 R8, R9
TRM
S,G S R4, R7
TRM
S,G R3
TRM
Le protocole SEM (Simple Explicit Multicast)
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 29
Evaluation du protocole SEM
Réseau dense40 % de réduction
Réseau dense40 % de réduction
Réseau clairsemé80 % de réduction
Réseau clairsemé80 % de réduction
Taille globale des tables de routageTaille globale des tables de routage
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 30
Topologie MCITopologie MCI
Evaluation du protocole SEM
Surcoût de HBH par rapport à SEM (paquets de contrôle)
Surcoût de HBH par rapport à SEM (paquets de contrôle)
Nombre moyen d’états de routageNombre moyen d’états de routage
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 31
Par rapport à GXcast :
•Plus de charge utile dans un paquet
•Temps de traitement réduit
Par rapport à GXcast :
•Plus de charge utile dans un paquet
•Temps de traitement réduit
•Les limitations du modèle best effort de l’Internet
•Problématique de qualité de service avec l’ingénierie de trafic
•Les limitations du modèle best effort de l’Internet
•Problématique de qualité de service avec l’ingénierie de trafic
Par rapport à PIM et HBH :
•Diminution en taille des tables de routage
Par rapport à PIM et HBH :
•Diminution en taille des tables de routage
Par rapport à HBH :
•Diminution en nombre de messages de contrôle
Par rapport à HBH :
•Diminution en nombre de messages de contrôle
Résumé
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 32
Le routage multicast Le protocole GXcast Le protocole SEM Le protocole MMT Conclusion
Plan
•L’ingénierie de trafic avec MPLS•La difficulté de servir de l’IP multicast dans un domaine MPLS•Le protocole MMT
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 33
R1 Routing TableDestination Next-hop Router192.26.57/24 R2
R3 Routing TableDestination Next-hop Router192.26.57/24 R4
R2 Routing TableDestination Next-hop Router192.26.57/24 R3
192.26.57.6
192.26.57.6
192.26.57.6
192.26.57.6R1
R2
R3 R4
R1 Routing TableDestination Port Label192.26.57/24 2 7
R3 Routing TablePort Label Next-hop Router 1 8 R4
MPLS Routing TablePort Label Port Label 1 7 2 8
192.26.57.6
192.26.57.6
192.26.57.6
192.26.57.6
8
7
R1
R2
R3 R4
Routage IP
Routage MPLS
L’ingénierie de trafic avec MPLS
1
2
2 2
1
1
R5
3
Chemin explicite
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 34
Les Difficultés de servir de l’IP multicast dans un domaine MPLS
La construction du LSP (Label Switched Path) L’agrégation de trafic Passage du routage de la couche « Liaison de données » au routage
de la couche « Réseau » dans les LSR
•Framework for MPLS and multicast (RFC 3353)•MPLS and PIM-SM (Internet Draft)•Aggregated Multicast (Journal of Networks, Software and Applications)
•arbre agrégé
•Framework for MPLS and multicast (RFC 3353)•MPLS and PIM-SM (Internet Draft)•Aggregated Multicast (Journal of Networks, Software and Applications)
•arbre agrégé
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 35
Le protocole MMT (Multicast MPLS Tree)
Le NIMS (Network Information Manager System) collecte les messages d’adhésion et calcule ainsi l’arbre multicast Les messages branch envoyés par le NIMS vers tous les routeurs de branchement Les MPLS LSP entre les routeurs de branchement sont utilisés pour le routage multicast MPLS
S
R4 R5
NIMS
R2
R6
R1R3
G
G
S,G R5, R6
S,G R4
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 36
L’entité de gestion (NIMS)
Domaine
Association des arbres aux LSPCalcul de l ’arbre multicast selon les ressources disponibles
IT multicast
Création de nouveaux LSPRe-routage LSPCapacité résiduelleRéservation de ressources
IT unicast
Configuration des routeurs de branchement
Collecte des adhésions aux groupes
Collecte des informations d’états de liens
Configuration des LSP
NIMS
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 37
La variante MMT2
S
R4 R5
NIMS
R2
R6
R1R3
G
G
Lg L2, L3
Lg L1
S,G Lg
Cas où un routeur de cœur est un routeur de branchement
Cas où un routeur de cœur est un routeur de branchement
La variante MMT2 et Les arbres agrégés
La variante MMT2 et Les arbres agrégés
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 38
Evaluation du protocole MMT
Le simulateur pour le multicast MPLS – MNS (MPLS Network Simulator)– http://www.irisa.fr/prive/aboudani/research/mmt/index.htm
Diminution en taille des tables de routage multicast– 3 réseaux (NSFNET, Abilene, MCI)
Temps de traitement des en-têtes multicast dans les routeurs– (moyen, max, min)
Coût de l ’arbre
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 39
Evaluation du protocole MMT
Diminution en taille des tables de routageDiminution en taille des tables de routageDélai global (moyen)Délai global (moyen)Le coût de l ’arbreLe coût de l ’arbre
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 40
Conclusion
Gestion de petits groupes– GXcast :
• Aucun état de routage• Pas de messages de signalisation• Permet un nombre élevé de petits groupes
– SEM :• Peu d’états de routage (uniquement dans les nœuds de branchement de l’arbre)• Inter-opérable avec les protocoles de routage multicast traditionnel
Ingénierie de trafic– MMT :
• La combinaison de multicast et de MPLS• Réduit l’IT multicast en une simple IT unicast• Réduction de temps de traitement (avec MPLS)• Arbre du meilleur chemin qui coïncide avec l’arbre des plus courts chemins en l’absence des contraintes d’ingénierie de trafic
Nos résultats montrent que l’IT bénéficie du développement de protocoles spécialisés
28/06/2004 Thèse - Ali Boudani - ARMOR 41
Publications Articles de Journaux
– A. Boudani, A. Guitton, B. Cousin. GXcast : une généralisation du protocole Xcast. Informations, Savoirs, Décisions et Médiations (ISDM), special issue on Majecstic (To appear), 2004. Conférences Internationales
– A. Boudani, A. Guitton, B. Cousin. GXcast: Generalized Explicit Multicast Routing Protocols. 9th IEEE Symposium on Computer and Communications (ISCC), Alexandria, Egypt, 2004. – A. Boudani, B. Cousin. SEM : A New Small Group Multicast Routing Protocol. 10th International Conference on Telecommunications (ICT), Tahiti, Papeete, France, 2003. – A. Boudani, B. Cousin. Multicast Routing Simulator over MPLS Networks. 36th Annual Simulation Symposium, Orlando, Florida, USA, 2003. – A. Boudani, B. Cousin, J. Bonnin. MPLS Multicast Traffic Engineering. IEEE ROC&C'2003, Acapulco, Mexique, 2003. – A. Boudani, B. Cousin. A New Approach to Construct Multicast Trees in MPLS Networks. Seventh IEEE Symposium on Computers and Communications (ISCC), Taormina, Italy, Juillet 2002.
Conférences Nationales– A. Boudani, A. Guitton, B. Cousin. GXcast : une généralisation du protocole Xcast. Manifestation des Jeunes Chercheurs STIC (Majecstic), Marseille, France, 2003.
Rapports de recherche– A. Boudani, B. Cousin. Using MPLS for Multicast Traffic Engineering. Rapport de Recherche IRISA, No1548, 2003. – A. Boudani, C. Jawhar, B. Cousin, M. Doughan. A Simulator for Multicast Routing over an MPLS Network. Rapport de Recherche IRISA, No1493, Octobre 2002.
Divers– A. Boudani, A. Guitton, B. Cousin. GXcast: Generalized Explicit Multicast Routing Protocol. draft IETF: draft-boudani-gxcast-00.txt, 2003. – A. Boudani, B. Cousin. The MPLS Multicast Tree (MMT). draft IETF: draft-boudani-mpls-multicast-tree-00.txt, Novembre 2001. – A. Boudani, B. Cousin. Simple Explicit Multicast (SEM). draft IETF: draft-boudani-simple-xcast-00.txt, Juin 2001.