Desempenho de Multicast em redes altamente
interconectadas
Fernando Teubl Ferreira1, Sergio Takeo Kofuji1
1
PAD-LSI, Escola Politécnica da USP – Universidade de São Paulo São Paulo – SP – Brasil
{ftf, kofuji}@lsi.usp.br
Resumo. A utilização de redes Multicast proporciona uma significativa diminuição de banda em aplicações que exigem que a mesma informação seja distribuída para múltiplos usuários. Destarte, a utilização de redes multicast vem sendo estendida para muitos outros cenários, como por exemplo, redes ad-hoc. Ambientes que permitem diversas interconexões entre agentes, no entanto, podem tornar o Multicast menos eficiente, e em certos casos o desempenho do Multicast pode ser até inferior ao do Unicast. Este artigo contrasta esta diferença, demonstrando por simulações a relação entre topologias altamente interconectadas com o desempenho Multicast e Unicast
1. Introdução
O aumento de aplicações multimídia, tais como áudio, vídeo conferência e webTV, levou a um significativo aumento da transmissão de dados sobre a Internet. Aplicativos multimídia têm como característica a necessidade de uma grande banda, e geralmente estes dados são simplesmente replicados para diversos usuários de interesse, causando uma redundância no uso da rede.
O protocolo Multicast diferencia-se do Unicast por possibilitar o envio de informações idênticas para um grupo de usuários, sem haver a necessidade de replicar individualmente as informações endereçadas para cada um. Isto reduz a banda necessária no servidor, e supõe-se habitualmente que o uso de Multicast é consideravelmente mais eficiente do que Unicast.
Em topologias tradicionais (árvore, anel e estrela), o desempenho da utilização de redes Multicast se mostra, em geral, superior ao equivalente grupo de conexões individuais Unicast, uma vez que se espera, no caso ideal, que a rede Unicast tenha o crescimento de banda em relação ao número de usuários comportando-se como O(n), enquanto o Multicast teria O(1). Considerando aplicações como, por exemplo, WebTV, no qual pode atingir milhares de usuários, as vantagens do Multicast muitas vezes não só melhora drasticamente o desempenho mas também pode viabiliza a sua utilização.
Em alguns cenários, as topologias empregadas podem variar drasticamente dos modelos tradicionais. Um exemplo é o uso de redes sem fio (Wireless) do tipo ad-hoc, ou uma rede de sensores (sensor network). Este tipo de redes possibilita o estabelecimento de conexões entre os agentes dinamicamente, e a quantidade de conexões entre agentes pode ser variável e configurável conforme demanda, necessidades e capacidades.
Grahl, E. A; Hübner, J. F. (Eds.). Anais do XV Seminário de Computação, Blumenau, 20-22 de Novembro, 2006. p 189-200.
Este artigo explora redes altamente interconectadas e estáticas, apresentando uma relação entre a quantidade de nós, número de usuários e número de conexões – ou distância média entre nós –, com o desempenho do aplicativo.
2. Revisão bibliográfica
A busca de melhor desempenho em transmissão de vídeo em tempo real utilizando redes
Multicast ou Unicast em redes sem fio ad hoc tem sido o foco de diversas pesquisas
[Wei e Zakhor 2004b]. O desafio de reduzir a quantidade de informação necessária para a transmissão de dados e controle para um determinado grupo de usuários tem promovido o uso de redes Unicast, uso de redes Multicast, e até mesmo soluções híbridas [Majumdar et al. 2002].
Redes ad hoc, devido à alta mobilidade dos agentes durante a transmissão de dados, geralmente são propícias a ter conexões instáveis, ocasionando súbitas interrupções ou corrompimento de dados em determinado segmento da rede no qual um agente qualquer se desloca ou desconecta. Este fato pode proporcionar quebras de conexões, forçando um restabelecimento de rotas alternativas, caso possível, para garantir a continuidade da entrega dos pacotes para todos os usuários pertencentes a um determinado grupo Multicast.
Algumas propostas têm sido levantadas para contornar a falta de confiabilidade destes cenários supra-expostos. Uma das técnicas é a realização de múltiplos caminhos
Multicast entre o servidor e os seus clientes, utilizando múltiplas conectividades e
múltiplas rotas [Wei e Zakhor 2004a; Rajendran et al. 2004; Viswanath, e Obraczka 2005; Viswanath, Obraczka e Tsudik 2004].
Estudos comparativos entre redes Multicast e Unicast [Legout, Nonnenmacher, e Biersack 2001] apontam diferenças de desempenho sobre estes tipos de redes. As análises são muito dependentes dos algoritmos dos protocolos Multicast utilizados. Análises e comparações entre protocolos Multicast também vêm sendo muito estudados [Lee et al. 2000].
Este artigo, porém, busca cenários e aspectos específicos em favor de múltiplas conexões Unicast, visando delinear um perfil extremo de redes onde a utilização de protocolos Multicast deve ser cuidadosamente analisada.
3. Fatores de diminuição de desempenho em Multicast
O uso de Multicast contribui para a diminuição de pacotes trafegados em quase todos os cenários onde se exige que múltiplos usuários recebam ou troquem as mesmas informações entrem si. Porém, em alguns casos particulares, o Multicast pode oferecer um desempenho inferior ao Unicast.
Para compreender o conceito de tais características, iremos apresentar dois casos extremos.
3.1. Número de usuários
Em um cenário onde existam poucos usuários (ou apenas um único usuário) no grupo de receptores, o desempenho do Unicast será, ao menos, igual ao Multicast. Na prática,
com os overheads gerados pelos protocolos de roteamento e controle, o Multicast torna inferior ao Unicast em termos de desempenho de rede.
3.2. Distância média entre servidor e clientes
Se conseguirmos estabelecer conexões entre o servidor e todos os demais usuários, sem a necessidade de roteamento em nós intermediários, novamente observaremos que a quantidade de informações necessárias para o Multicast será similar à quantidade de informações do Unicast, já que não há aproveitamento de canal. De mesma forma, o
overhead proporcionado pelo Multicast, no qual adicionalmente haverá um maior
controle por oferecer uma topologia mais complexa do que no caso anterior (apenas um usuário), por ter que verificar inúmeras rotas possíveis entre cada servidor e usuário, torna o Multicast pouco eficiente.
Este artigo foca o desempenho Multicast em cenários com excesso de conexões, onde o número médio de nós entre o servidor e seus clientes é baixo ou nulo.
4. Metodologia e escopo do experimento
O presente artigo tem como foco avaliar o desempenho de redes Multicast altamente conectadas. A primeira característica importante é que as redes analisadas neste artigo são estáticas, ou seja, nenhum link é interrompido ou criado em tempo de simulação, e nenhum nó se move sobre a rede. Tal característica foi fixada para evitar uma grande variação do comportamento das simulações para cada ambiente específico, mantendo o foco especificamente em redes com grande número de conexões.
Uma segunda característica do cenário em estudo é o protocolo usado. Dentre diversos protocolos existentes, tais como MOBICAST [Hung, Lu, e Roman 2003], AMRoute [Xie, Talpade, e Liu 2002], ODMRP [Lee., Su, e Gerla 200], AMRIS, CAMP, entre outros, para redes dinâmicas, e os protocolos DVMRP [RFC 1988], PIM-DM [RFC 2005], PIM-SM [Deering, Estrin, Farinacci, Jacobson, Liu e Wei 1996], MOSPF [RFC 1994], CBT [RFC 1997], entre outros, para redes estáticas, foram selecionado os protocolos PIM-DM e DVMRP. A escolha se justifica por serem estes os protocolos mais difundidos e aplicados em redes estáticas.
5. Modelo de simulação
Todas as simulações foram realizadas através do simulador NS2 [Ns-2], com um tempo total de simulação de 10 segundos.
Nas simulações, não é considerado a perda de pacotes, atribuindo em todas as conexões uma capacidade irrestrita de troca de informação. Esta característica é desejável uma vez que, o foco deste artigo é para avaliar o desempenho global do sistema, de forma genérica, sem envolver cenários específicos com suas limitações. O
delay entre cada conexão é de 10 µs.
Com apenas uma fonte de dados, o servidor envia com taxa constante (CBR –
Constant Bit Rate) pacotes de 500 kb, em intervalos regulares de 0,03 s, gerando um
throughput de 16 Mbps. O modelo CBR, ao contrário da distribuição exponencial,
proporciona uma melhor estabilidade na rede, permitindo uma análise mais precisa do comportamento da simulação.
5.1. Topologia
Os cenários de análise são gerados da seguinte forma: Partindo de uma rede tipo token
ring (anel), onde todos os clientes e o servidor encontram-se distribuídos aleatoriamente,
adiciona-se N novas conexões em pares aleatórios de nós, porém igualmente distribuídos entre os nós. Partir de uma rede token ring garante que não há sub-redes isoladas, e a adição de conexões extras leva a uma rede mesh. Levando em conta que o objetivo deste artigo é a simulação de redes altamente interconectadas, há pouca influência da topologia inicial. A figura abaixo (figura 1) ilustra o algoritmo de geração da rede.
Figura 1. Algoritmo de geração da rede altamente interconectada. A partir de uma rede token
ring, adiciona-se conexões entre nós aleatórios
5.2. Entrada e saídas de usuários
Há dois modelos de join (entrada) e leave (saída) de usuários: aleatório e constante. No modelo aleatório, os usuários entram e saem dos grupos Multicast com distribuição linear, sendo que a simulação sempre é iniciada e finalizada sem nenhum membro.
No modelo constante, um número pré-estabelecido de usuários permanece no grupo desde a inicialização até a finalização da simulação, sem variação. Este último modelo provê uma simulação mais direcionada ao escopo deste artigo, discriminando o processo de join e leave dos usuários, assim como não oferece variação do número de usuários em qualquer instante da simulação, o que permite analisar a rede em regime permanente.
5.3.
Métricas
As principais medidas utilizadas neste artigo são: taxa de envio total (dados +
overhead de controle) e contabilidade total de todos os dados enviados para todos os
nós. Espera-se com estas métricas uma contabilização total dos recursos utilizados da rede, servindo como base de comparação e análise durante toda a descrição deste artigo.
6. Simulações e Análises
6.1.
Simulação 1: Grande quantidade de nós com usuários aleatórios
Considerou-se três protocolos: Unicast, Multicast DVMRP e Multicast PIM-DM. Partindo de uma rede tipo token ring onde todos os clientes e o servidor encontra-se distribuídos aleatoriamente, adiciona-se N conexões entre dois nós aleatórios, e o número de conexões adicionais usado é {10, 200, 500, 1000, 2000 e 4000}. O número de usuários é de 60, em um total de 600 nós e um servidor. Os usuários entram e saem do grupo de forma aleatória.
Os gráficos representam a quantidade acumulativa total de dados enviado por todos os nós (dado + controle).
0 1E+0 7 2E+0 7 3E+0 7 4E+0 7 5E+0 7 6E+0 7 7E+0 7 0 0,6 1,2 1,8 2,4 3 3,6 4,2 4,8 5,4 6 6,6 7,2 7,8 8,4 9 9,6 Tempo A c u m u lo d e d a d o s t ra fe g a d o s ( k b ) Unicast DVMRP Pim-DM Figura 2. N = 10
Para poucas interconexões (figura 2), o desempenho Multicast mostra-se superior à múltiplas conexões Unicast. A diferença entre o Multicast DVMRP e
Multicast PIM-DM é decorrente das características de seus protocolos, que são
severamente afetadas pela topologia.
0 5E+0 6 1E+0 7 2E+0 7 2E+0 7 3E +07 0 0,6 1,2 1,8 2,4 3 3,6 4,2 4,8 5,4 6 6,6 7,2 7,8 8,4 9 9,6 Tempo A c u m u lo d e da d os t ra fe g a d os ( k b ) Unicast DVMRP Pim-DM Figura 3. N = 200
Conforme a quantidade de conexões adicionas sobe, como observado (figura 3), o desempenho de múltiplas conexões Unicast tem uma rápida reação.
0 2E+0 6 4E+0 6 6E+0 6 8E+0 6 1E+0 7 1E+0 7 1E+0 7 2E+0 7 2E+0 7 0 0,6 1,2 1,8 2,4 3 3,6 4,2 4,8 5,4 6 6,6 7,2 7,8 8,4 9 9,6 Tempo A c u m u lo d e d a d o s t ra fe g a d o s ( k b ) Unicast DVMRP Pim-DM Figura 4. N = 500
Para N=500 (figura 4), temos o número médio de nós entre dois pontos um pouco abaixo de 5, com a média de 3,6 conexões por nós. A queda do desempenho
Multicast em relação a múltiplas conexões Unicast torna-se evidente.
0 2E+0 6 4E+0 6 6E+0 6 8E+0 6 1E+0 7 1E+0 7 1E+0 7 2E+0 7 2E+0 7 0 0,6 1,2 1,8 2,4 3 3,6 4,2 4,8 5,4 6 6,6 7,2 7,8 8,4 9 9,6 Tempo A c u m u lo d e d a d o s t ra fe g a d o s ( k b ) Unicast DVMRP Pim-DM Figura 5. N = 1000
Uma característica própria do protocolo PIM-DM, é a carga inicial da rede. Como observado (figura 5), o valor inicial do protocolo PIM-DM cresce na medida em que se aumenta o número de conexões. Sem entrar em detalhes, fora do escopo deste artigo, este protocolo tem como característica assumir que todos os nós pertencem ao grupo de Multicast até receber uma requisição explícita de exclusão. Desta forma, com múltiplas conexões e inúmeros caminhos possíveis entre os nós, o protocolo PIM-DM tem uma sobrecarga no início da simulação.
0 2E+0 6 4E+0 6 6E+0 6 8E+0 6 1E+0 7 1E+0 7 1E+0 7 2E+0 7 0 0,6 1,2 1,8 2,4 3 3,6 4,2 4,8 5,4 6 6,6 7,2 7,8 8,4 9 9,6 Te mpo A c u m u lo d e d a d o s t ra fe g a d o s ( k b ) Unicast DVMRP Pim-DM Figura 6. N = 2000
Com N = 2000 (figura 6), o desempenho Multicast encontra-se inferior à múltiplas conexões Unicast. Novamente, o número médio de usuários simultâneos é de 20, e tais características de desempenho estão restritas à topologia e conexões estabelecidas.
0 5E+0 6 1E+0 7 2E+0 7 2E+0 7 3E+0 7 0 0,6 1,2 1,8 2,4 3 3,6 4,2 4,8 5,4 6 6,6 7,2 7,8 8,4 9 9,6 Tempo A c u m u lo d e d a d o s t ra fe g a d o s ( k b ) Unicast DVMRP Pim-DM Figura 7. N = 4000
Quando o número de conexões média atinge um pouco mais de 15 conexões por usuário, com a distância média entre nós de 2,3 hops, o desempenho Multicast supera o desempenho Multicast nos protocolos PIM-DM e DVMRP nas condições estabelecidas (figura 7).
Como resumo das simulações, o gráfico abaixo (figura 8) apresenta a quantidade total de dados transmitidos em relação à quantidade de conexões:
0 1000 0000 2000 0000 3000 0000 4000 0000 5000 0000 6000 0000 7000 0000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Número de conexões adicionais
Q u a n ti d a d e t o ta l d e i n fo rm a ç õ e s t ra n s fe ri d a s ( k b ) UNICAST PIM_DM DVMRP
Figura 8. relação entre conexões e total de informações transferidas
Novamente, os dados analisados acima referem-se ao uso total da rede do sistema. Nota-se que o desempenho de múltiplas conexões Unicast tem uma rápida melhora em relação aos recursos totais da rede. Este fato é independente do comparativo com o Multicast.
Como complemento das simulações anteriores, o gráfico abaixo (figura 9) apresenta a taxa de envio dos servidores das simulações N = {10, 200, 500, 1000, 2000, 4000} respectivamente. 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 0 0,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 6,4 7,2 8 8,8 9,6 Tempo (s) D a d o s e n v ia d o s ( K b ) Unicast DVMRP Pim-DM 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 0 0,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 6,4 7,2 8 8,8 9,6 Tempo (s) D a d o s e n v ia d o s ( K b ) Unicast DVMRP Pim-DM
Figura 9(a) Figura 9(b)
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 0 0,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 6,4 7,2 8 8,8 9,6 Tempo (s) D a d o s e n v ia d o s ( K b ) Unicast DVMRP Pim-DM 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 0 0,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 6,4 7,2 8 8,8 9,6 Tempo (s) D a d o s e n v ia d o s ( K b ) Unicast DVMRP Pim-DM Figura 9(c) Figura 9(d) 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 0 0,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 6,4 7,2 8 8,8 9,6 Tempo (s) D a d o s e n v ia d o s ( K b ) Unicast DVMRP Pim-DM 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 0 0,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 6,4 7,2 8 8,8 9,6 Tempo (s) D a d o s e n v ia d o s ( K b ) Unicast DVMRP Pim-DM
Figura 9(e) Figura 9(f)
6.2.
Simulação 2: Relação número de usuário e quantidade de conexões
Completando as simulações anteriores, foram realizadas diversas simulações variando a quantidade média de nós intermediários e números de usuários. Todas as simulações a seguir têm características similares as simulações anteriores (delay de 10 µs entre nós; servidor com taxa constante de 16 mbps com pacotes de 500 kb e tempo total de simulação de 10 segundos). Porém, o número de usuários é constante, entrando no tempo 0 s da simulação e permanecendo até o tempo 10 s. Foram utilizados 60 nós.
Os protocolos utilizados nesta simulação foram o Multicast DVMRP e Unicast, este último como base de comparação. O protocolo PIM-DM, assim como demais protocolos Muticast convenientes a este cenário, não será utilizado nesta próxima simulação, devido estes apresentarem comportamentos similares ao protocolo DVMRP, principalmente para um cenário com o número pequeno de nós (no caso, 60), deixando desta forma a análise mais clara e simples para a avaliação e compreensão.
A tabela abaixo (Tabela 1) apresenta o total de dados, em kb, veiculados por todos os nós.
Tabela 1. Total utilização dos recursos em relação às conexões e número de usuários
12 usuários 10 usuários 8 usuários 6 usuários
Conexões HOP Unicast DVMRP Unicast DVMRP Unicast DVMRP Unicast DVMRP
60 15,5 36.919.000 9.248.100 34.758.500 9.248.100 26.038.000 6.639.240 17.481.500 6.362.600 120 8 6.325.000 4.508.040 5.160.000 4.060.660 3.995.000 3.462.820 2.830.000 3.005.000 360 3 3.829.500 2.904.040 3.330.000 2.748.560 2.830.500 2.593.080 2.164.500 2.143.260 660 1,86 3.330.000 2.688.240 2.664.000 2.377.280 2.164.500 2.073.860 1.665.000 1.771.600 960 1,43 2.997.000 2.680.700 2.497.500 2.223.540 1.998.000 1.912.580 1.332.000 1.601.620 1260 1,21 2.497.500 2.515.940 1.998.000 2.204.980 1.665.000 1.894.020 1.332.000 1.592.340 1660 1,04 2.164.500 2.515.940 1.831.500 2.204.980 1.498.500 1.894.020 999.000 1.583.060
Pela tabela acima (tabela 1), gera-se o ganho proporcional (figura 10) do
Multicast sobre o Unicast pelo tráfego total da rede em relação ao número de usuários e
quantidade média de nós intermediários:
-100% -50% 0% 50% 100% 150% 200% 250% 300% 350% 15,5 8 3 1,86364 1,4375 1,21429 1,04217
Distância média entre nós
G a n h o 12 us uários 10 us uários 8 usuários 6 usuários
Complementando a simulação anterior, a tabela abaixo (tabela 2) apresenta o total de dados enviados pelo servidor.
Tabela 2. Utilização do servidor em relação às conexões e número de usuários
12 usuários 10 usuários 8 usuários 6 usuários
Conexões HOP Unicast DVMRP Unicast DVMRP Unicast DVMRP Unicast DVMRP
60 15,5 1.998.000 333.000 1.665.000 333.000 1.332.000 333.000 999.000 333.000 120 8 1.998.000 525.000 1.665.000 525.000 1.332.000 525.000 999.000 525.000 360 3 1.998.000 653.000 1.665.000 653.000 1.332.000 653.000 999.000 512.000 660 1,863636 1.998.000 1.030.000 1.665.000 1.030.000 1.332.000 881.500 999.000 733.000 960 1,4375 1.998.000 1.383.000 1.665.000 1.077.500 1.332.000 920.500 999.000 920.500 1260 1,214286 1.998.000 1.802.500 1.665.000 1.645.500 1.332.000 1.331.500 999.000 1.026.000 1660 1,042169 1.998.000 2.249.500 1.665.000 1.935.500 1.332.000 1.621.500 999.000 1.464.500
Pela tabela acima (tabela 2), novamente é demonstrado o ganho do Multicast em relação ao Unicast (figura 11):
-100% 0% 100% 200% 300% 400% 500% 600% 15,5 8 3 1,86364 1,4375 1,21429 1,04217
Distância média entre nós
G a n h o 12 usuários 10 usuários 8 usuários 6 usuários
Figura 11. Relação de ganho entre número de usuários e conexões (Servidor)
Como novamente observado (figura 11), conforme o aumento da complexidade (quantidade de conexões) da rede, o protocolo Multicast DVMPR tem o seu desempenho reduzido, tanto no aspecto geral da rede, quanto na taxa de envio do servidor (dados + controle), devido ao esforço (overhead) adicional de gerenciamento.
7. Conclusões
Neste artigo foram apresentadas algumas características de comportamento de protocolos Multicast em redes altamente interconectadas. Demonstrou-se com simulações que nestas redes a banda total de rede usada pelo Multicast pode ser maior do que usada, nas mesmas condições, por múltiplas conexões Unicast. Isto se deve ao aumento da informação necessária para o roteamento de mensagens pelo Multicast.
A busca por alcançar algoritmos e protocolos ótimos para o Multicast, tanto em redes dinâmicas (Wireless) quanto em redes estáticas (Wired), tem sido foco de grandes
esforços por pesquisadores e desenvolvedores. Este artigo não trás uma comparação entre múltiplas conexões Unicast e protocolos Multicast, mas sim um levantamento das dificuldades nos quais os protocolos Multicast apresentam em casos específicos e extremos.
Trabalhos futuros estenderão também as análises de piores casos em Multicast para redes dinâmicas, utilizando protocolos Multicast para redes ad-hoc, no qual levantar-se-á novas características de desempenhos em casos extremos.
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