I propose an application layer multicast framework, Scalable Overlay Multicast (SOM), which is tailored to large-scale, limited-bandwidth streaming applications. The mechanism exploits AS (Autonomous System) information extracted from BGP (Border Gateway Protocol) routing table snapshots. A centralized server immediately identifies clusters on a basis of AS and build a inter-cluster data distribution tree. Within a cluster, a delivery tree is made in a distributed way based on round-trip-time estimates. By a hybrid tree building mechanism, stable data delivery paths on overlay networks can be determined quickly and efficiently. By simulation, our framework shows very quick convergence characteristics and efficient network usage.
Besides, a novel multicast routing protocol is proposed for one-to-many communication in ad hoc networks. ACMRP(Adaptive Core Multicast Routing Protocol) is on demand core-based multicast routing protocol that is based on a multicast mesh. In ACMRP, a core is not well-known and it adapts to the current network topology and group membership. The enhanced adaptivity minimizes the core dependency and, accordingly, improves performance and robustness of ACMRP. A multicast mesh is created and maintained by the periodic flooding of the adaptive core. Since the flooding traffic is evenly maintained and a mesh provides rich connectivity among group members, ACMRP can achieve efficiency, scalability, and effectiveness. I evaluate scalability and performance of ACMRP via simulation.
1988년부터 TCP/IP 망에서 일대다 통신을 위한 IP 멀티캐스트가 연구되었다.IP 멀티캐스트는 송신 호스트와 여러 수신 호스트간의 데이터 전송 경로를 하나씩으로 제한하여 기존의 유니캐스트나 브로드캐스트에 비해 대역폭 낭비를 크게 줄일 수 있었다. 그러나, IP 멀티캐스트는 여러 네트워크 환경에서 문제점을 보이며, 현재 사용되지 않고 있다. 일단, 유선망에서는 현재 대부분의 상용 라우터에 IP 멀티캐스트가 구현되어있음에도 여러 ISP들이 대역폭 이나 사용량 측정의 부재 등을 이유로 그 기능을 사용하지 않고 있다. 게다가, 유선망을 가정으로 만들어진 IP 멀티캐스트는 비트 손실이 잦은 무선망에서는 성능이 크게 떨어져 사용되기 힘들다. 본 학위 논문에서는 이러한 IP 멀티캐스트의 문제점을 해결하기 위해서 각각 네트워크 환경에 적합한 멀티캐스트 방법을 연구하고, 새로운 방법을 제안하였다.
유선망의 경우, IP 멀티캐스트의 실패로 인하여 라우터의 도움없이 어플리케이션 레벨에서의 멀티캐스트 방안에 대한 연구들이 활발히 진행되었다. 그 중에서 스트리밍 서비스를 위해서 제안되었던 Nice는 클라이언트들을 RTT를 기반으로 서로 가까운 노드들끼리 클러스터링한다. 각 클러스터의 대표들이 상위레이어의 클러스터를 구성하여 계층적 클러스터 구조 (Hierarchical Clustering)를 갖고, 이와 같은 방법을 사용하여 기존의 Application Layer Multicast (ALM) 방법에 비해 많은 수의 유저들을 관리할 수 있었다. 그러나, 이런 Round Trip Time (RTT) 기반의 클러스터링은 새로운 멤버가 조인할 때, 시간이 많이 걸리고, 최종적인 클러스터 구조로 느리게 수렴한다는 단점이 있다.
이 두 가지 단점은 스트리밍 서비스에는 유저들의 서비스 시간 지연, 잦은 데이터 전송 경로로 인한 서비스 품질 악화라는 문제점을 유발시킨다. 또한, 나이스에서는 특정 유저들에게만 큰 오버헤드가 걸리고, 그런 노드들 때문에 성능이 크게 떨어져 서비스를 제대로 제공하지 못 할 수 있다는 단점이 있다. Nice의 이런 문제점은 RTT를 기반으로 하여 가까운 노드들을 찾는 기본적인 과정에서 태생할 수 밖에 없는 것이다. 그런데, 실제로 대부분의 인터넷 호스트들은 하나의 Autonomous System (AS)에 속해있고, 한 AS에 속해있는 컴퓨터들은 서로 가깝다고 가정할 수 있다. 따라서, AS 단위로 유저들을 묶는다면, RTT를 측정하지 않고도 서로 가까운 노드들끼리 클러스터링 할 수 있다. 위와 같은 기본 가정에서 새로운 ALM을 제안한다.
제안한 Scalable Overlay Multicast (SOM)는 유저들을 AS 단위로 클러스터링하여 클러스터링데 소요되는 시간을 크게 줄여, 새로운 멤버들이 빨리 서비스 받을 수 있도록 하였다. Border Gateway Protocol (BGP) 라우터의 정보를 이용하면, 호스트들의 IP 주소만 가지고 어떤 AS에 있는지 판별할 수 있다. AS 기반의 클러스터링 장점은 오버레이 멀티캐스트 트리를 만들 때, 딜레이가 큰 AS간의 링크와 상대적으로 딜레이가 작은 AS 안에서의 링크를 따로 관리할 수 있다는 점이다. 즉, SOM에서의 오버레이 멀티캐스트 트리는 intEr-Cluster Tree (EC Tree)와 intrA-Cluster Tree (AC Tree)로 나뉘어서 관리된다. EC Tree는 하나의 집중된 서버에서 관리하여 보다 최적화된 트리를 만들도록 하였고, AC Tree는 distributed 방법을 사용하여 트리를 만드는 로드를 줄일 수 있었다. 또한, 오버레이 트리를 만들 때, 링크간의 딜레이 뿐만 아니라 링크 사용량을 고려하여 좀 더 효율적인 트리를 만들도록 하였다. 시뮬레이션을 통하여 SOM과 Nice를 비교한 결과, SOM이 스트리밍 서비스가 요구하는 여러가지 측면에 좋다는 것을 확인할 수 있었다.
멀티홉 무선망에서의 멀티캐스트를 위해서 제안한 Adaptive Core Multicast Routing Protocol (ACMRP)는 코어 (Core) 기반의 라우팅 프로토콜이다. 전송 매체의 브로트캐스트 성능을 이용하기 때문에 데이터는 메쉬 (Mesh) 형태로 전송된다. 하나의 그룹 당 하나의 코어만이 멀티캐스트 전송 경로를 관리하기 때문에 콘트롤 패킷이 그룹 멤버들의 갯수에 관계없이 거의 일정하게 유지된다. 또한, 보낼 데이터가 있을 때에만 전송 경로를 관리하여 불필요한 패킷들을 크게 줄일 수 있었다. 멀티홉 무선망에서는 각 노드들의 이동성 때문에 코어나 멤버들의 위치가 바뀌고, 그로 인해 코어가 멤버들과 멀리 떨어져있는 경우가 발생할 수 있다. 이런 경우, 전송 경로를 만들거나 데이터를 전송하는 오버헤드가 커지게 된다. 그래서, ACMRP에서는 주기적으로 코어를 바꾸어준다. 네트워크 토폴로지와 그룹 멤버들의 위치를 고려하여 가장 좋은 위치에 있는 노드로 코어가 바뀐다. 시뮬레이션 실험을 통하여 부분적인 네트워크 토폴로지 정보만 있더라도 충분히 코어가 좋은 노드로 바뀔 수 있고, 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실험 결과에서 ACMRP가 기존의 멀티캐스트 라우팅 프로토콜보다 더 효율적이고, 확장성이 크다는 것을 확인하였다.
