Doctoral Thesis DIS-2002-02

BibliographyMaihöfer, Christian: Skalierbare und zuverlässige Gruppenkommunikation im Internet.
University of Stuttgart, Faculty of Computer Science, Electrical Engineering, and Information Technology, Doctoral Thesis (2002).
236 pages, german.
CR-SchemaC.2.2 (Network Protocols)
Abstract

Multicast erlaubt die bandbreitenschonende Auslieferung einer Nachricht an eine Gruppe von Empfängern. Anwendungen wie Informations- und Softwareverteilung an große Empfängergruppen, Audio- und Videokonferenzen, verteiltes Rechnen und verteilte Spiele lassen sich mit einem Multicast-Dienst effizient realisieren. Eine Reihe von Anwendungen erfordert dabei eine zuverlässige Nachrichtenauslieferung, die über den im Internet verfügbaren unzuverlässigen IP-Multicast-Dienst hinausgeht. Aufbauend auf IP-Multicast wird eine zuverlässige Nachrichtenauslieferung mittels Empfangsbestätigungen und Übertragungswiederholungen durch nicht-hierarchische oder hierarchische Transportprotokolle erreicht.

Wie sich im Verlauf der Arbeit zeigen wird, erlauben lediglich hierarchische Transportprotokolle die skalierbare Realisierung eines zuverlässigen Multicast-Diensts zur Gruppenkommunikation. Diese ordnen alle Gruppenmitglieder in eine Hierarchie ein, die Kontrollbaum genannt wird. Durch den Kontrollbaum können notwendige Übertragungswiederholungen lokal begrenzt werden und müssen nicht mehr notwendigerweise vom ursprünglichen Sender durchgeführt werden. Die Verteilung dieser Last auf andere Gruppenmitglieder ermöglicht einen mit der Mitgliederzahl skalierbaren Dienst. Die Voraussetzung für den praktischen Einsatz ist ein skalierbares Verfahren zum Aufbau der Kontrollbäume.

Mit dem Token-Repository-Service (TRS) wird in dieser Arbeit ein effizientes Verfahren zum Aufbau der Kontrollbäume vorgestellt. Drei Realisierungsvarianten des TRS-Diensts, TRS-R, TRS-K und TRS-M, erlauben unterschiedlichste Anforderungen zu berücksichtigen. Das wesentliche Entwurfskriterium aller Varianten ist eine skalierbare und effiziente Realisierung. Vergleichende Berechnungen und Simulationen mit alternativen Ansätzen unterstreichen nicht nur die Tragfähigkeit des TRS-Diensts. Dieser stellt momentan die einzige skalierbare Lösung zum Aufbau von Kontrollbäumen dar. Aufgrund der Unabhängigkeit des TRS-Diensts von einem Multicast-Routing-Protokoll ist es zudem die einzige Lösung, die durchgängig im gesamten Internet eingesetzt werden kann.

Zur Erleichterung der Auswahl eines geeigneten zuverlässigen Multicast-Transportprotokolls und zur optimalen Konfiguration eines ausgewählten Transportprotokolls mit dem TRS-Dienst wird eine ausführliche probabilistische Analyse durchgeführt. Ausgangspunkt der Analyse ist nicht die Untersuchung konkreter Protokolle, sondern die Identifizierung wichtiger generischer Protokollklassen und deren anschließende Beurteilung. Dabei ergeben sich bedeutende Unterschiede bezogen auf den Bandbreitenbedarf, den Durchsatz und die Nachrichtenverzögerungen. Die Evaluation zeigt vielfache Vorteile für hierarchische Verfahren. Diese bieten nicht nur Skalierbarkeit, auch bezüglich des verursachten Nachrichtenaufwands, des Durchsatzes und der erzielbaren Nachrichtenverzögerung sind sie durch eine Verteilung der Last und kürzere Kommunikationswege gegenüber nicht-hierarchischen Protokollen im Vorteil.

Als ein wesentlicher Parameter zur Konfiguration hierarchischer Transportprotokolle wird der Verzweigungsgrad des Kontrollbaums identifiziert werden. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren ermöglicht es der TRS-Dienst den Verzweigungsgrad flexibel zu konfigurieren. Die Analysen und Simulationen zeigen, dass bei einer geeigneten Wahl des Verzweigungsgrads der Durchsatz und die Verzögerung des zuverlässigen Transportprotokolls beträchtlich verbessert werden kann. Zusammenfassend erlaubt es der vorgestellte Token-Repository-Service durch seinen skalierbaren Kontrollbaumaufbau erstmals, zuverlässige Multicast-Kommunikation auch für große Gruppen zu etablieren. Durch die flexible Wahl des Verzweigungsgrads der entstehenden Kontrollbäume ist zudem eine beträchtliche Leistungsoptimierung des zuverlässigen Transportprotokolls sowie eine entscheidende Verringerung der Netzbelastung mit dem TRS-Dienst möglich.

Department(s)University of Stuttgart, Institute of Parallel and Distributed Systems, Distributed Systems
Entry dateSeptember 29, 2004
   Publ. Computer Science