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Conception de protocoles pour la gestion de groupe
et la mobilité en environnement multicast
Soutenance de thèse
Rolland VIDA
Directeur de thèse : Serge Fdida
LIP6, Université Pierre et Marie Curie
13 décembre 2002, Paris
Introduction



De plus en plus d’applications Internet reposent sur le
concept de communication de groupe :
 forum de discussion, jeux interactifs, vidéoconférences,
etc.
Deux composants essentiels :
 Gestion de groupe
 L’acheminement des données
Nouveaux mécanismes pour améliorer chacun de ces
composants :
 le protocole MLDv2 – permet la gestion de groupe avec le
filtrage des sources multicast, élément essentiel du
modèle SSM en IPv6
 le protocole M-HBH – permet une gestion transparente et
efficace de la mobilité des sources et des récepteurs
multicast
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Communication de groupe

Différentes technologies pour implémenter ce service abstrait :
 Communications point-à-point, entre la source et les
récepteurs
• Pas efficace, ni pour la source, ni pour le réseau
• Consommation inutile de temps CPU et de bande passante
 Multicast au niveau applicatif
• Communications point-à-point entre les systèmes finaux
• Construction d’un arbre couvrant virtuel
• Déploiement facile, pas de support réseau nécessaire
• Acheminement peu efficace, gaspillage de la bande
passante
 IP Multicast
• Construction d’un arbre multicast au niveau réseau
• Un paquet traverse un lien physique une seule fois
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Le model traditionnel d’IP Multicast

IP Multicast a été défini il y a une dizaine d’années, dans la
thèse de doctorat de Steve Deering

ASM (Any Source Multicast)

Modèle de service ouvert :
 N’importe qui peut devenir membre du groupe, sans
autorisation
 Le même récepteur peut être membre de plusieurs
groupes
 Une source peut envoyer des données vers un groupe
multicast, sans en être membre
 La composition du groupe est dynamique
 Nul ne connaît la taille du groupe ni l’identité de ses
membres.
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Distribution multicast le long d’un arbre partagé ASM
IGMP (*, G) Join
R1
Data (G) sent by S1
Data (G) sent by S2
S2
R2
Internet
RP
R4
S1
R3
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Inconvénients du modèle ASM





Le déploiement à grande échelle d’IP Multicast (ASM) a été
retardé pour diverses raisons techniques et économiques
Le mécanisme d’allocation d’adresses est très complexe
Pas de solution "scalable" pour le routage multicast interdomaine
Le modèle ouvert n’est pas adapté à des services
commerciaux
 Pas de contrôle strict des émetteurs et des récepteurs
multicast
 Facturation difficile à gérer
Un modèle de service simplifié était donc nécessaire
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Le modèle SSM






SSM – Source-Specific Multicast
Inspiré d’Express [Holbrook & Cheriton, Sigcomm ’99]
Les groupes multicast sont remplacés par des canaux
multicast
Un canal est identifié par la paire d’adresses (S, G) :
 S – adresse unicast de la source
 G – adresse multicast du groupe
Seulement la source S peut envoyer des données sur le
canal (S, G)
Les canaux (S1, G) et (S2, G) sont différents par définition
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Distribution multicast le long des arbres SSM
Join (S1, G)
Join (S2, G)
Join ((S1, S2) G)
R1
R2
S2
Internet
R4
S1
R3
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Gestion de groupe avec filtrage des sources

Les récepteurs spécifient non seulement les
groupes qu’ils veulent joindre, mais aussi les
sources qu’ils veulent écouter

En IPv4, le filtrage de sources est assuré par le
protocole IGMPv3

Pas de support équivalent en IPv6
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Le protocole MLDv2

MLDv2 – Multicast Listener Discovery version 2

Composant essentiel du modèle SSM en IPv6

Utilisé par un routeur IPv6 pour découvrir la
présence des récepteurs multicast sur ses liens
directement attachés

Protocole asymétrique, car il spécifie des
comportements différents pour les routeurs et
pour les récepteurs finaux
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Le routeur MLDv2

Le routeur MLDv2 envoie trois types de messages :
 Requête générale – envoyée régulièrement, pour
apprendre les adresses multicast écoutées par les
récepteurs attachés sur le lien
 Requête spécifique à l’adresse multicast – envoyée pour
vérifier si une adresse multicast donnée est encore
écoutée, ou non
 Requête spécifique à l’adresse et à la source multicast –
envoyée pour vérifier si une source multicast donnée
est encore écoutée, ou non

Le routeur garde des états pour chaque source et chaque
adresse multicast écoutée
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Le récepteur MLDv2

Le récepteur MLDv2 envoie deux types de messages :
 Rapport d’état actuel – envoyé en réponse aux requêtes
générales régulières du routeur
 Rapport de changement d’état – envoyé dans le cas d’un
changement :
• de filtre (Include ou Exclude)
• dans la liste des sources écoutées
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Complexité du protocole





Gérer des récepteurs avec des filtres différents:
 Include (S, G) – écouter seulement la source S
 Exclude (S, G) – écouter toutes les sources,
sauf S
Gérer les départs explicites et silencieux
Garder la compatibilité de comportement avec
IGMPv3
Prendre en compte les spécificités de l’adressage
IPv6
Assurer l’interopérabilité avec les anciennes
versions (MLDv1)
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Standardisation IETF

R. Vida et L. Costa, "Multicast Listener Discovery version 2",
Internet Draft, draft-vida-mld-v2-06.txt
 En collaboration avec Steve Deering et Isidor Kouvelas
(Cisco), Bill Fenner (AT&T Labs), Brian Haberman
(Nortel Networks), Serge Fdida (LIP6)
 Première soumission en février 2001
 Présenté à la réunion de Minneapolis, mars 2001
 Mises à jour lors d’autres réunions (Salt Lake City,
London, Atlanta)

Le document a passé le "dernier appel pour commentaires"

Soumis à l’IESG – norme attendue fin décembre 2002
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Implémentation et impact de MLDv2








Première implémentation mondiale réalisée au LIP6, avec
LSIIT
FreeBSD 4.3
 Partie récepteur – LIP6
 Partie routeur – LSIIT
Tests de conformité et d’interopérabilité effectués avec
succès
http://mldv2.lip6.fr
MLDv2 a permis le déploiement du SSM en IPv6
Intégré ans la souche IPv6 KAME
Implémentation en cours chez Cisco
Choisi par le groupe Internet2 pour supporter le multicast
IPv6 dans le backbone Abilene
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La mobilité en environnement multicast




De plus en plus d’équipements mobiles
La gestion de la mobilité est devenue un besoin
important
L’intégration de la mobilité avec le multicast n’est
pas triviale
Comment assurer l’acheminement des données
multicast si …
 la source est mobile ?
ou
 le récepteur est mobile ?
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Approches traditionnelles (1)



Proposées par Mobile IP [Perkins, RFC 3220]
Tunnels bi-directionnels (BT)
 tunnel entre le réseau mère et le réseau visité du nœud
mobile
 source mobile : les données sont envoyées par le tunnel
au réseau mère, et retransmises après sur l’ancien arbre
 récepteur mobile : les données sont envoyées le long de
l’ancien arbre, et envoyées après par le tunnel au nœud
mobile
Inconvénients:
 routage triangulaire
 encapsulation / décapsulation des données
 convergence des tunnels (récepteurs mobiles)
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Exemple
S’
HA
S
R1
R2
R3
R5
r1
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R4
r3
r2
r4
Approches traditionnelles (2)


Enregistrement à distance (RS)
 reconfiguration de l’arbre multicast en fonction de la
nouvelle position du nœud mobile
 source mobile : les récepteurs redirigent leurs messages
d’enregistrement vers la nouvelle localisation de la source
 récepteur mobile : rejoint l’arbre à partir de sa nouvelle
position
Inconvénients :
 source mobile :
• L’arbre multicast doit être reconstruit dans son
intégralité
• La reconstruction est coûteuse, surtout pour une
source rapide
 récepteur mobile :
• Le coût est réduit, seulement une branche doit être
ajoutée
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Exemple
S’
S
R6
R1
R7
R2
R3
R5
r1
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R4
r3
r2
r4
Exemple
S’
S
R6
R1
R7
R2
R3
R5
r1
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R4
r3
r2
r4
Solutions hybrides

Commuter d’une technique à l’autre, en fonction
des différents critères

Mobile Multicast Protocol (MoM) [Harrison et al.,
Mobicom ’97]

Range-Based MoM [Lin et al., Infocom ’00]

Hierarchical Multicast Architecture
[Wang et al., ACM Mobile Networks and
Applications, 2001]
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HBH multicast



Dans les approches traditionnelles, le group multicast est
considéré comme une entité globale, identifiée par son
adresse
La mobilité d’un membre individuel est difficile à gérer
 Garder l’entité (l’arbre) + tunnel
 Reconstruire l’entité (l’arbre)
HBH – Hop-By-Hop Multicast Routing [Costa et al.,
Sigcomm ’01]
 Utilise un mécanisme d’adressage unicast récursif, pour
fournir le service multicast
 Les données ne sont pas envoyées au groupe, mais au
prochain nœud de branchement
 Les nœuds sont gérés comme des entités individuelles,
et non comme les membres d’un groupe
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Acheminement des données en HBH
MFT
S S H2
H1
Nœud de relais
H2
Nœud de branchement
MCT
S H2 H1
H2
MFT – Multicast Forwarding Table
MCT – Multicast Control Table
H3
r1
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MFT
S H 3 H4
MFT
S r1 r2
H4
MFT
S r3 r4
MCT
S r2 H5
r3
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r2
r4
Le protocole M-HBH






En HBH multicast, les nœuds sont traités comme
des entités individuelles, et non comme un groupe
La mobilité est plus facile à traiter
Mobile Hop-By-Hop Multicast Routing Protocol
Basé sur HBH
Gère à la fois la mobilité de la source et des
récepteurs
Nœud mobile
 Connectivité multicast – M-HBH
 Connectivité unicast – Mobile IP
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Mobilité de la source avec M-HBH
MFT
S S/S H2
MFT
S’ S/S’ H
2
MCT
S/S H2 H1
U1
U2
H2
U
Routeur unicast
H3
r1
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MFT
S/S’
S/S H3 H4
MFT
S/S’
S/S r1 r2
H4
MFT
S/S’
S/S r3 r4
MCT
S/S’
S/S r2 H5
r3
26
r2
r4
Mobilité des récepteurs avec M-HBH
MFT
S S H1 r3
H1
r1
MFT
S r1 rr22/r2’
MCT H2
S r3
MCT
S r2 H 3
U
MCT
S r2 H 4
r2
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HA
HA
r2’
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r3
Flux Multicast
BU (r2/r2’)
Agent Mère
Avantages de M-HBH





Réduit le routage triangulaire
 Meilleur chemin
Pas d’encapsulation, pas de tunnels
La mobilité est gérée d’une manière transparente
Préserve les avantages de HBH
 Permet un déploiement progressif, traverse des nuages
unicast
 Prend en compte les routes asymétriques
• l’arbre M-HBH est construit de la source vers les
récepteurs
• les données sont acheminées sur le chemin direct le
plus court
Limite la reconstruction des arbres…
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Le compromis de M-HBH

M-HBH représente un compromis entre :
 L’utilisation des chemins les plus courts
 La reconstruction de l’arbre

M-HBH réduit le routage triangulaire, mais…
 Passer par le premier (ou le dernier) nœud de
branchement de l’arbre original n’assure pas un
acheminement optimal
 Des reconfigurations périodiques de l’arbre sont
envisageables
 La fréquence de ces reconfigurations doit être limitée
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Routage triangulaire
Xs – No. de sauts entre S et P
yS
S’
P Premier nœud de branchement
D Dernier nœud de branchement
Xr – No. de sauts entre D et r
S
S
xS
zS
D
P
zr
xr
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yr
Analyse des performances

Modèles mathématiques
 Arbres k-aires
 Arbres auto-similaires

Simulations
 Topologie réaliste, construite à partir des
cartes Internet réelles
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Résultats des simulations – forme de l’arbre multicast

Longueur moyenne de Xs et Xr
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Résultats des simulations - mobilité de la source
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Délai moyen d’acheminement pour M-HBH, BT et RS
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Résultats des simulations - mobilité de la source

Les gains relatifs de délai moyen d’acheminement, offerts par MHBH par rapport au BT, sont proportionnels à la longueur
moyenne de Xs
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Résultats des simulations - mobilité des récepteurs

Délai moyen d’acheminement pour M-HBH, BT et RS
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Résultats des simulations - mobilité des récepteurs

Les gains relatifs de délai moyen d’acheminement, offerts par MHBH par rapport au BT, sont proportionnels à la longueur
moyenne de Xr
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Publications liées à M-HBH



R. Vida, L. Costa, and Serge Fdida, "M-HBH - Efficient Mobility
Management in Multicast", in Proceedings of NGC'02, Fourth
International Workshop on Networked Group Communication,
Boston, MA, ACM Press, October 2002, pp. 105-112.
R. Vida, L. Costa, and Serge Fdida, "Mobility and Multicast:
Protocol Design and Analysis", in Proceedings of ISCIS XVII,
Seventeenth International Symposium on Computer and
Information Sciences, Orlando, FL, CRC Press, October 2002,
pp. 372-376.
Aussi présenté à :
 WQoSM'2002, Workshop on Quality of Service and Mobility,
Angra dos Reis, Brazil, November 2002.
 RHDM'02, Reseaux Haut Debit Multimedia, École d’été,
Autrans, France, May 2002.
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Conclusions

De plus en plus d’applications reposent sur les
communications de groupe

Gestion de la composition du groupe :
 Auteur du protocole MLDv2
 Permet le déploiement du modèle SSM en IPv6
 Normalisation IETF aboutie
 Impact important (KAME, Cisco, Internet2)
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Conclusions (2)
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Gestion de la mobilité des nœuds multicast
 Le protocole M-HBH
• Mécanisme d’adressage unicast récursif
• Réduit le routage triangulaire
• Évite l’encapsulation et l’utilisation des tunnels
• Limite la reconstruction de l’arbre
• Permet un déploiement progressif
• Gains de performance significatifs
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Perspectives

Analyse plus approfondie des performances de
M-HBH
 Modèles mathématiques plus fins
 Scénarii de mobilité plus réalistes
 Évaluation du compromis entre l’utilisation
des chemins les plus courts et la
reconstruction de l’arbre
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Merci !
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