Considering the growing desire to interact with multiple users or processes in the Internet, it is well anticipated that a new, promising, and important class of the future Internet applications will require efficient multi-point communication beyond simple point-to-point or unicast communication. The emerging applications lie broadly between one-to-many dissemination-type applications, e.g., stock quotes or file transfer and many-to-many interaction-type applications, e.g., distributed virtual environments or replicated database update, and many of the applications could benefit from reliable multicast. Most existing reliable multicast protocols have focused on one-to -many multicast because the current set of multicast applications driving deployment typically involve a single sender and also it was implicitly expected that the protocols for one-to-many sessions would work effectively in many-to-many session as well, thereby causing many-to-many reliable multicast to receive little attention.
In this dissertation, we present a study on many-to-many reliable multicast. We first examine a fundamental question: which class of reliable multicast protocols is most scalable for many-to-many sessions? By developing a new analytical model that considers spatial packet loss correlation and introduces network bandwidth as a new performance measure and comparing more realistic behaviors of the generic reliable multicast protocols, we demonstrate that a key factor for the scalability of many-to many reliable multicast sessions is reducing exposure to retransmission rather than reducing acknowledgment implosion. We also identify a class of the generic reliable multicast protocols that is simple to implement yet the most efficient approach in the aspects of throughput, network bandwidth, and delay.
We next design, implement, and evaluate a scalable many-to-many reliable multicast protocol called Group-Aided Multicast (GAM) which is based on the tree-based approach with unicast feedback/retransmission. GAM addresses the core problem of tree-based many-to-many reliable: how to achieve the high quality of the ACK trees while keeping the maintenance overhead reasonably low? GAM fully uses a spectrum of policies that subsumes the shared tree approach and the per-source tree approach by introducing two key mechanisms: a tree configuration mechanism that maintains the logical trees congruent with the underlying multicast routing trees even in the presence of dynamic group membership and route change, and a group configuration mechanism that maintains a multicast session in the form of multiple distant groups in order to approximate backbone networks and regional networks of global multicast networks. Through numerical analyses and simulation experiments, we evaluate the scalability and efficacy of GAM.
We believe the most emerging many-to-many applications can benefit in practice from multiple application-layer servers dedicated for the purpose of coordination in term s of scalability, efficiency, and robustness. Designed on an end-to-end basis, the architecture of GAM could make good use of such application-aware servers, is easily deployable, and is independent of underlying multicast routing protocols, GAM can configure high-quality ACK trees whether a shared tree model or a per-source tree model is used for network-layer multicast, which is a practical and desirable feature because today's Internet topology is viewed as a collection of independent routing domains interconnected by a number of backbone networks.
본 논문은 다대다 신뢰적 멀티캐스트 문제에 대한 연구를 다룬다. 먼저 수학적 분석을 통해 어떤 부류의 신뢰적 멀티캐스트 프로토콜이 다대다 세션에서 가장 확장성 있는지에 대한 답을 구한다. 공간적 패킷 손실 상관관계를 고려하고, 네트워크 대역폭을 새로운 성능척도로 제사한, 현실적인 수학적 모델을 세우고, 이 모델에 기초하여 일반적인 신뢰적 멀티캐스트 프로토콜들의 성능을 비교 분석한다. 비교 결과에 의해, 다대다 멀티캐스트 세션의 확장성을 높이는 핵심은 피드백 폭주를 줄이는 것이 아니라 재전송 노출을 줄이는데 있음을 발견하고, 유니캐스트 피드백/재전송을 채택하는 트리 방식이 가장 효과적으로 재전송 노출을 줄일 수 있음을 확인한다. 이 방식은 처리율, 네트워크 대역폭, 지연 시간 등 모든 관점에서 다른 트리 방식보다 우월하고 또한 구현하기는 오히려 간단하기 때문에, 다대다 신뢰적 멀티캐스트 세션에 매우 유망하다고 판단된다.
위의 수학적 분석 결과에 기초하여, 유니캐스트 피드백/재전송 트리 방식을 채택한 다대다 신뢰적 멀티캐스트 프로토콜 GAM(Group-Aided Multicast)을 설계/구현하고 , 그 성능을 분석한다. 트리 방식은 ACK트리가 라우팅 트리와 유사하게 잘 구성될 때 최대의 프로토콜 성능을 성취할 수 있으며, 특히 다대다 멀티캐스트의 경우 트리 유지 오버헤드를 작게 하면서 좋은 품질의 ACK트리가 구성하느냐가 대단히 어려운 문제이다. GAM은 전체 세션을 먼저 그룹으로 나눈 다음 그룹내에서 공유 트리를 구성하고 그룹간에는 소스 트리를 구성하여 이 문제를 해결한다. 트기 구성 기법과 그룹 구성 기법이 핵심인데, 전자는 동적이 그룹 멤버쉽과 경로 변화 시에도 논리적 트리를 하부 멀티캐스트 라우팅 트리와 유사하게 유지시키도록 하며, 후자는 하나의 세션을 다수의 그룹 형태로 분할하는데, 현재 인터넷의 구조인 백본망과 지역망을 근사하기 위함이다. 수학적 분석과 시뮬레이션 실험을 통해, GAM의 확장성과 효율성을 검증한다.
