Multi-media application services are sensitive to loss, delay and delay jitter. The router and link failure may induce the packet losses.There are many studies for reliable multicast service. The fundamental bases of reliable multicast protocols is loss recovery. Traditionally there are two different ways of recovering missing packets; Forward error correction (FEC)and Automatic repeat request(ARQ) or retransmission. The behind using ARQ is to retransmit a packet only if it is loss. The main advantage of this scheme is bandwidth conservation because on redundant packets are transmitted. However, the disadvantage of retransmission based recovery mechanism is the increase in end-to-end latency because at least a rout-trip time elapses between the time a receiver sends a retransmission request and actually receives the retransmitted packet from the sender. Forward error correction-based recovery takes a different approach. Redundant packets are sent together with regular data packets from the sender to the receiver. Depanding on how many redundant packets are sent and how many packets are lost at the receiver. It is possible to recover missing packets based on the received packets. Thus FES-based approach reduces the end -to-end latency at the cost of additional bandwidth However FEC alone is not enough to guarantee complete reliability in practice . In order to improve these problems, we can consider estimation mechanism before actual fault happens in nodes or links.
Anoop proposed fault isolation mechanism which detects fault routes and links by using Mtrace(Multicast Traceroute). This technique uses path probe history, and shared learning of probe results to scale well and infer the location of route changes, router failure, or loss link. However the fault isolation need additional bandwidth to periodically trace multicast path from each group member to source. Also Sylvia showed multicast tree based inference model is applicable to estimate the bottleneck node. This mechanism can detect the fault node. However it is difficult to exactly estimate bottleneck location and use the multicast probe packets .
The Bottleneck Location Estimator easily estimate the bottleneck nod among every internal nodes using power spectral analysis. BLE infers the exact location of the bottleneck in the multicast tree based on spectral differences . The advantage of utilizing the Bottleneck Location estimator is to reduce the overhead of measuring all nodes which form a multicast tree. Also the tree formation is forward. That is, the multicast group server can know the state of nodes which comprise of multicast tree. This estimation schemes give efficient background for design of reliable multicast network.
In this paper, we propose the reliable multicast scheme using a Bottleneck Location Estimator . First we determine two thresholds for classifying the node state from experimental results. Comparing the power spectral information of each node with these thresholds, the BCS induces Bottlenneck Index(BI)that indicates bottleneck state of node, And then, Designated Router(DR) which constructs the multicast routing tree using BI. The scheme satisfies the QoS constrains such as delay, delay variation and loss rate. And it reduces the loss rate and improves overload of lost packet recovery. Also it takes lower complexity than conventional core based tree when multicast tree is reconstructed.
멀티미디어 응용 서비스들은 손실, 지연, 지연 범위에 민감한 서비스들이다. 또한 멀티캐스트 트리에 잇는 특정 라우터와 링크의 문제로 인하여 패킷 손실이 발생한다. 이러한 환경에서, 신뢰성 있는 멀티캐스트 서비스들을 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 기존의 신뢰성 있는 멀티캐스트 서비스는 손실된 패킷을 복구하기 위한 방법으로 순방향에러 수정기법(Forward error corrction:FEC)고 재전송 기법(Automatic Repeat request:ARQ)으로 나누어 진다. 재전송 기법은 패킷이 손실되었을때, 그 패킷을 재전송하는 것으로 대역폭의 소모를 줄일 수 있지만, 재전송 고정에서 발생하는 종단간 지연이 증가하는 단점이 있다. 순방향 에러 수정 기법은 송신자가 수신자에게 패킷을 보낼 때, 수정을 위해 여분의 패킷(Parity packet)을 송신하는 방법으로 종단간 지연을 줄일 수 있지만, parity packet을 전송하기 위한 추가적인 대역폭이 필요하며, 완전한 신뢰성을 제공할 수 없기 때문에 재 전송 기법과 함께 사용하는 방법들도 제안되고 있다. 이러한 기법들은 모두 패킷의 손실률이 증가할 수록 망에 부하를 증가 시킨다.
이러한 문제점들을 개선하기 위해 심각한 혼잡이 발생하는 노드와 링크를 식별하여, 패킷이 손실되기 전에 우회경로를 설정하는 방법으로 Mtrace(Multicast Traceroute)을 사용하여 멀티캐스트 트리상에서 혼잡이 발생한 노드와 링크를 식별하는 기법과 probe 패킷을 사용하여 혼잡이 발생한 노드를 예측하는 기법이 제안되었으나, 송신자에서 모든 수신자까지의 경로를 추적하기 위한 대역폭 낭비와 확장성의 문제를 가진다. 또한 혼잡이 발생한 노드의 위치를 정확하게 알기 어려운 단점을 가진다.
반면, Bottleneck 위치 추정기(BLE)는 네트워크 상의 각 노드에서 관측되는 멀티캐스트 패킷의 지연 변이의 시간 변화량을 Fourier 변환을 통하여 전력 스펙트럼을 얻고, 구성된 멀티캐스트 상에서 송신 단으로부터 각 Child 노드의 depth에 따른 전력 스펙트럼의 차가 노드에 부가되는 부하량에 비례하는 특성에 근거하여 통계적인 변화율을 예측하는 방법으로 멀티캐스트 트리상에서 혼합이 발생한 위치를 정확하게 예측할 수 있다.
본 논문에서 이러한 Bottleneck 위치 추정기를 이용하여 특정 노드에서 Bottleneck 이 발생하더라도 우회 경로를 통하여 멀티캐스트 트리를 신속히 재 구성할 수 있는 기법을 연구하고, 이를 실현하기 위해 Bottleneck Calculation Server(BCS)를 제안한다. BCS는 각 노드에서 관측된 전력 스펙트럼을 DR(Designated Router)로 부터 얻고, 실험을 통하여 통계적으로 정해진 임계 값을 각 노드의 Bottleneck 추정치와 비교하여 Bottleneck 상태 표를 생성한 후 DR에게 전달한다. DR은 Bottleneck 상태 표의 Bottleneck지수를 바탕으로 혼잡이 발생하는 노드를 우회하는 멀티캐스트 경로를 재 구성한다. 이러한 방법은 종단간 지연과 지연 변위 QoS 제약 조건을 만족하는, 손실률을 줄면서 신속하게 우회경로를 설정하여 확장성을 제공할 수 있다.
실제의 망에 근접한 네트워크 모델과 비디오 트래픽의 모형을 사용하여, 다양한 환경에서 수행한 모의 실험의 결과는 제안한 알고리즘과 기존의 코어 기반의 공유 트리 생성 기법의 성능을 비교한다. 다양한 백그라운드 트래픽의 환경에서 실험한 결과는, 제안한 알고리즘이 기존의 알고리즘에 비해 종단간 지연과 지연의 변이에서 백그라운드 트래픽의 영향을 거의 받지 않음을 보여준다. 이로부터 제안 알고리즘이 기존의 알고리즘에 비해 종단간 지연과 지연 변이의 QoS를 보장한다는 것을 알 수 있다. 또한 혼잡이 발생한 노드에 의한 손실률이 감소 됨으로 신뢰성 잇는 멀티캐스트를 제공하며, 추가적인 망의 부하를 유도하는 재 전송에 의한 오버헤드가 개선된다.
멀티캐스트 그룹 멤버 수의 변화에 따른 멀티캐스트 트리 생성의 복잡도를 비교한 결과로부터 기존의 알고리즘에 비해 제안알고리즘이 복잡도를 줄이면서, 신속하게 멀티 캐스트 트리를 재 생성하여 멀티캐스트 그룹에 대한 확장성을 가짐을 알 수 있다.
