In spite of its efficient way of data distribution, multicast communication is inherently greedier in bandwidth than unicast communication. Furthermore, multicast flows insensitive to congestion are likely to cause simultaneous congestion collapse in many parts of the networks. Therefore, the design of a multicast congestion control scheme is very important. In the case of a unicast session, a window-based scheme as in TCP achieves multiple time scales of congestion control, i.e., dynamic control combined with quasi-static control. For reliable multicast, the sender needs to receive immediate feedback about the status of all receivers in order to respond quickly to congestion occurring at many parts of a multicast tree. However, because of the large number of receivers involved, feedback packets from the receivers should be consolidated by designated members of the multicast group to reduce the overload at the sender. There is additional delay with aggregating feedback information. Therefore, it is unfeasible to employ a simple window-based mechanism to achieve multiple time scales of congestion control in reliable multicast.
In this thesis, we propose a hierarchical congestion control (HMCC) framework for reliable multicast and evaluate its performance with respect to scalability and fairness. The main objective of the proposed framework is to achieve multiple times scales of control while satisfying the scalability and fairness of multicast congestion control. We developed two schemes of the HMCC framework: HMCC-CMFC and HMCC-PTC. The high-level component, TCP-friendly Traffic Volume Regulation (TTVR), is common in both schemes. The high-level control uses an end-to-end window-based mechanism, and control actions take place in a medium-term scale. It regulates average transmission rates of the sender by determining the amount of data packets to be transmitted for a certain time interval.
The low-level control part of the HMCC framework uses either hop-by-hop credit flow control extended to multicast communication or per-packet transmission control at transport layer. The credit-based multicast flow control (CMFC)
mechanism decomposes multiple control loops of a multicast flow into a set of local and individual control loops composed of adjacent pairs of network nodes. Thus, it can achieve a scalable feedback-based flow control, which is a difficult task to obtain using only an end-to-end feedback mechanism. We designed the CMFC mechanism so that it employs application-specific processing at routers by adopting active networking technology. The experimental results with prototype implementation in an active network environment confirmed the feasibility of the CMFC mechanism in practice. If the per-packet transmission control (PTC) mechanism is used as a low-level component, per-packet acknowledgments from the most congested receiver identified by the high-level component regulates the instantaneous transmission rate.
We have conducted a variety of simulations to investigate the responsiveness, fairness, and scalability of the HMCC framework. The simulation results showed that both HMCC schemes had desired characteristics and performed well in various network configurations. It was also confirmed that the TTVR mechanism played an important role in achieving TCP-friendly fairness, especially for the HMCC-CMFC scheme.
멀티캐스트 통신은 데이터 전송에 있어서 그 효율적인 방식에도 불구하고, 본질적으로 일대일 통신보다는 더 많은 대역폭을 사용한다고 볼 수 있다. 특히 혼잡(congestion)에 무관하게 행동하는 멀티캐스트 플로우(flow)는 네트워크의 여러 부분에서 동시에 심각한 혼잡상태(congestion collapse)를 야기시킬 수 있기 때문에, 멀티캐스트 혼잡제어의 설계가 매우 중요한 문제로 다뤄지고 있다. 일대일 통신의 경우에는 TCP 등에서와 같이, 윈도우 기반의 방법을 통해 혼잡제어를 다중 시간단위(multiple time scale)로 할 수 있다. 다중 시간단위의 혼잡제어란 동적인 제어 (dynamic control)와 준-정적인 제어(quasi-static control)를 동시에 하는 것으로서 서로 다른 시간 단위의 제어를 통해 다중의 효과를 얻는 것을 말한다. 그런데, 신뢰성 있는 멀티캐스트에서는 수많은 수신자들로부터 모든 패킷마다 피드백을 받는 것이 확장성에 있어서 문제가 있기 때문에, 일대일 통신과 같이 단순한 윈도우 기반의 방법으로 다중 시간단위의 혼잡제어를 하는 것은 거의 불가능한 것으로 보인다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 시간단위에 대해 계층적으로 문제를 해결하는 계층적인 멀티캐스트 혼잡제어 틀(HMCC framework)을 제안하고 있다. 제안하는 틀의 주 목적은 멀티캐스트 혼잡제어의 중요한 이슈인 확장성과 공정성을 만족시킴과 동시에 다중 시간단위로 제어하도록 하여 혼잡제어에 있어서 좋은 성능을 나타내도록 하는 것이다. 이러한 틀 안에서 구체적인 구현으로서 HMCC-CMFC와 HMCC-PTC라는 두 가지 방법을 제안하고 있다. 두 방법 모두에는 high-level 메커니즘으로서 트랜스포트 계층에서 TTVR 이라고 하는 TCP-호환의 트래픽량 조절 메커니즘이 사용되고 있다. 이것은 단말간의 윈도우 기반 메커니즘을 통해 전체적으로 TCP-호환의 행동을 나타내도록 하고, 중기적인(medium-term) 시간단위로 혼잡제어를 하여 준-정적인 제어, 즉 일정시간 동안에 전송될 데이터량을 조절하는 역할을 수행한다.
한편, HMCC framework의 low-level 로는 크레디트 기반의 멀티캐스트 흐름제어(CMFC)를 사용하거나, 트랜스포트 계층에서 동작하는 패킷별 전송제어(PTC)를 사용한다. CMFC 메커니즘은 네트워크의 인접한 노드마다 제어 루프를 형성하기 때문에, 확장성 있고 지연시간이 짧은 효과적인 동적 제어를 수행하게 된다. 또한, 능동네트워킹 (active networking) 기술을 적용하여 어플리케이션별로 특화된 처리를 할 수 있음으로 인해, 보다 융통성 있는 방법을 제공할 수 있게 하였다. 이것은 향후 인터넷에서의 배치를 염두에 두고 설계되었으며, 그 프로토타입을 구현하여 가능성을 확인하였다. 만일, low-level로서 PTC 메커니즘이 사용되면 단말간의 프로토콜로서 현재 인터넷 환경에 적용이 용이하며, 송신자는 high-level 메커니즘을 통해 확인된 가장
혼잡이 심한 수신자로부터 패킷별 acknowledgment를 받아서 순간적인 패킷의 전송 제어를 수행하게 된다.
또한, 본 논문에서는 제안된 HMCC framework의 두 가지 장치인 HMCC-CMFC와 HMCC-PTC에 대해 여러 상황에서의 응답성, 공정성, 그리고 확장성을 알아 보기 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과로부터 high-level 부분인 TTVR 메커니즘은 HMCC-CMFC와 HMCC-PTC에서 모두 TCP-호환의 공정성을 위한 매우 중요한 역할을 수행하고 있음을 알 수 있었으며, 네트워크의 여러 상황에 대해 두 장치 모두 우수한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
