一個能夠達到最短延遲時間的anycast 路由協定

國立中山大學 黃偉程

資碩一 學生：鍾澤華 96356015授課老師：郭育政 副教授

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Outline

• Anycast 介紹• Anycasting 的服務分類• 網路層 anycasting 的方法• 本文方法• 模擬結果• 結論

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Anycast

• Anycasting 的意義：– 由 IETF 所提出。– Client 送出含有 anycast 位址的封包時，則網際網路會將該封

包送至所有 anycast group member 中的一部– 動機為：當 client 對 server 提出要求，若有多個 server 可

提供相同的服務給 client ，則 client 可以不需要去在乎是那一部server 被使用。

– 可有效地簡化使用者在找尋最適當的 server 方面的問題，提供使用者更佳的方法性。

– 例如，當多部內容相同的 FTP Server 使用相同的 anycast 位置，則使用者只要連接至該 anycast 位置，便可以直接連接到和使用者位置最接近的 FTP 伺服器。

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Anycast

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網路層上的 anycast 服務• 大致可分成兩大方向：應用層和網路層。• 網路層上的服務是將 anycast routing 做在網路層上 :

- Router 必須支援 anycast 位置及 anycast protocol- 在既有的 IP address 上另外分配給 anycasting 服務 .

• 網路層 anycast 相關的方法 :- 考慮權重- Shortest-Shortest Path Method(SSP)- Source-Based Tree Method(SBT)- Core-Based Tree Method(CBT)

• 優點 :- 方便 . 對使用者來說不用決定 anycast group member 的標準 .- 減少傳送前等待時間 : 不用向 ANR 做查詢動作 .

• 缺點 : 相對缺乏彈性 .

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網路層上的 anycast 服務• 權重考慮：

– 計算 anycast group member 中所有的權重值 (weight) 。– 權重值越大該 member 被選中的機率也越大。– 得到權重 ( Wi ) 後，再根據過去該 member 之 flow 建立成

功或失敗的個數來調整 weight 值。• 當建立 flow 失敗次數增加時，則降低其權重。• 當建立 flow 成功次數增加時，則增加其權重。

– 將 anycast 封包送至離 router 最接近的 member 機率最大，若最接近的 member 已超過負載，則變成次接近的 member 被選到的機率最大。

其中 Wi 為 member i 的權重值， i D 為 router 到 member i 的distance ， k 為 anycast group

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網路層上的 anycast 服務• Shortest-Shortest Path Method(SSP) ：

– 在所有的最短路徑中選出最短的路徑來作為傳送的路徑。指的是，從 router 到所有 anycast group member 間 distance 最小的路徑。

– 當得到自 router 到所有 member 間的最短路徑後，選擇其中distance 最小的路徑即為要傳送 anycast 封包的路徑。

當 Client 要經過 R1 ，傳送給 GroupA 時，R1->R5 為最短路徑，且 R5->member1為最短路徑，所以當透過 R1 到 GroupA的 SSP 為 {R1-R5->member1}

圖 1.SSP 示意圖

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網路層上的 anycast 服務• Shortest-Based Tree Method ( SBT ) ：

– 是一個理論上理想的方法。– 以 source 作為 tree 的樹根， anycast group 的

member 為樹葉，從樹根到樹葉的路徑為兩者間的shortest path 。

– 優點：• 每一路徑皆為最短路徑。• 理論上， SBT 應該是最佳方法。

– 缺點：• 需要資訊太過龐大。若有 N 個 sources 及 M 個 member

時，則使用 SBT 方法的 router 之 routing table 中需要有 O(NM) 個 entry 。

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網路層上的 anycast 服務• Core-Based Tree Method(CBT) ：

– 為了解決 SSP routing table 太過龐大的問題所衍生。– 作法：在網路上選擇一個 router 作為 core ，把 core 當作

CBT 的樹根， anycast 的 member 為樹葉，樹根到樹葉為最短距離。

• 在 CBT 網路中的 router ：– 在 tree 中，稱為 on-CRT router ：考慮權重，選出最近的

member 。– 在 tree 外，稱為 off-CRT router ：使用 SSP 選徑。

• 優點：只需要建立一棵樹。

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本文方法• 網路層的 anycast 服務在選擇 anycast group

member 時多半以距離為考量。– 缺失：離 client 最近的伺服器，未必是 delay time 最小的伺服器。– 反應時間 = 網路傳輸時間 + member 處理資料時間。

• 提出一個針對以上兩點的方法改善反應時間：– 找出 router 到 member 傳輸的最短路徑：最短延遲時間路徑

(minimum delay pathmethod) 。– 找出負擔最輕的 member ：最小延遲及負載平衡 (minimum

delay and load balancing) 。

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本文方法• Routing Protocol ：定義 router 在執行 routing 時的相關操作，設計時要考慮兩個因素：– QoS– Overhead

• 此兩因素通常難以兩全，互相衝突，考慮平衡問題。• Routing protocol 分為兩個部分：

– Routing Table Establishment protocol ：收集交換網路 topology 及網路資源的資訊，建立或更新 routing table 。作為 packet forwarding 之用。

• 1. 產生 candidate entries 。• 2. 找出合格的 entry 。• 3. 根據合格 entry 建立 routing table 。

– Packet Forwarding protocol ：• 轉傳 (forward) 封包時使用。

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本文方法• Candidate entries 建立：採用 Minimum delay path method ：

– 產生從 router 到接收端延遲時間最小的路徑。– 優點：避免將資料傳送到擁擠的網路中，使網路的負載能夠較為平衡，並改善網路的 QoS 。

– 作法：• 使用探測訊息， TRACE 。將 TRACE 訊息傳送到整個網路中，找尋延遲時

間最短的路徑。此訊息包含 sequence number 及該訊息經過的所有節點。• 當 router D 接收到多個來自 router S 的 TRACE 訊息時，則最先接收的

TRACE 訊息中的路徑即為從 router S 到 router D 延遲時間最小的路徑。• 反向 TRACE 訊息： ACK 。包含 TRACE 訊息中所經過的路徑及 TRACE

的延遲時間。而 ACK 的傳送訊息是沿著反方向的 TRACE 路徑傳送。– Router D總共接收到三個來自 router S 的 TRACE 訊息，假設

TRACE(S,R1, … , RN) 是三個 TRACE 訊息中最先接收到的訊息，則代表從 router S 到 router D 的最短延遲時間路徑為 D -> R1->…-> RN -> D 。

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本文方法 -Trace 封包傳送

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Updating Algorithm of TRACE message

• Link 的延遲時間隨著資料量改變而變動，為了確保最短路徑的準確性。- 當延遲時間改變，的 TRACE 訊息，導致 overhead 。- 將 TRACE 訊息傳送間隔加長，會降低最短延遲時間的準確性。

• 當 link 的延遲時間變動超過 threshold 時，再送出新的 TRACE 訊息。以減少控制訊息的 overhead(公式 2) 。及動態的調整 threshold(公式 3) ，到當 link 的更新頻率高於上限時，我們調高 threshold 來降低 link 更新頻率；反之，若 link 的更新頻率低於下限，則調低threshold 來提高 link 更新頻率。

其中 Bij ,Tk, 為在時間 TK 時從節點 i 到節點 j 之 link 的剩餘頻寬， H 為 threshold 。

其中 Hi 為時間在第 i個 interval 的threshold ， a 為介於 0 至 1 的值，Ui 為時間在第 i個 interval 的 link更新頻率， Uu 為更新頻率的上限，而 Ui 則為更新頻率的下限112/04/20 14網路路由技術

Updating Algorithm of ACK message

• 若 router 一接收到 TRACE 訊息，就傳回 ACK 訊息，將產生可觀的 overhead 。若 TRACE 訊息中的路徑與延遲時間沒有變化的話，則傳回的 ACK 訊息會造成額外的 overhead 。

• 加上一些條件來減少傳回的 ACK 訊息：– 若接收端的 router 自傳送端傳來的新的 TRACE 訊息中的路徑與

上一個 TRACE 路徑不同，代表最短延遲時間的路徑已經改變，則重傳 ACK 給傳送端，通知傳送端最短延遲時間路徑改變。

– 若路徑相同，但延遲時間變化超過 threshold 則也會傳送 ACK訊息，通知路徑中 router 更新其 routing table 資料。

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TRACE 及 ACK 訊息的演算法

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本文方法• Eligible Entries 的選擇：

– 建立 core-based tree• 在 tree 中，稱為 on-CRT router ：在 on-CRT router 的 eligible

entries 選擇中，該 router 的所有 son都為 eligible entries 。考慮權重，選出最近的 member 。

• 在 tree 外，稱為 off-CRT router ：選出延遲時間最短的路徑為eligible entry 。

• Core selection algorithm 建立 CRT 。

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本文方法• Routing table 的建立：

– Anycast entry 之搜尋：• 1.讀出封包 headrer各個欄位。如 des, source, flow.• 2.比對封包與 routing table 之 entry 。

– Anycast entry 之選擇：• 1. 找尋到對應的 entry 。• 2.比對 entry 之權重值，選擇 W 最大作為傳送的目標。

– 傳送。

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本文方法• Anycast entry 之選擇：

– 希望能傳送至負載較輕的 member ，來達到 load balance 。– 利用最短延遲時間來傳送。– Weight 之及算公式如下：

• 如何將 member 的負載資訊傳送至 CBT 中：– member 將帶有負載資訊的封包傳送至 core 。– Core轉送給所有的 son ，直到所有 member 的 father知道為止。– 為了減少傳送負載所產生的 overhead ，只有當負載變化超過 threshold

時，才傳送負載資訊封包至 core 。112/04/20 19網路路由技術

(9)

(10)

(11)

(12)

router R->member S 在 Ti 時間的權重

router R->member S 的最短延遲時間

與 member S 負載相關的參數

所有 member S 負載

所有 member 的平均負擔

本文方法• 假設 Router2 到 group A 的

最短路徑為 { R2,R6,R9,

R12,R16}

• Member1~4 為 Group A 。• R1~R18為 Router 。• CBT 為 { R7, R9 ,R10, R11,

R12, R13, R14, R15,

R16, R17, R18}

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Group A

結論• 實驗比較：

– 實驗一：所有 member 處理能力相同，傳送資料前必須先建立connection 。隨時間增加 flow 個數。

• 此法平均延遲時間為 0.023秒，比 CBT 之 0.031快上 25％。– 實驗二：所有 member 處理能力皆不同，傳送資料前必須先建立

connection 。隨時間增加 flow 個數。• 此法平均延遲時間為 0.021秒，比 CBT 之 0.03快上 30％。

– 實驗三：情況同一，但 client 位置改變，假設 client 其中在某一區域。

• 此法平均延遲時間為 0.024秒，比 CBT 之 0.04快上 35％。– 實驗四：情況同一， client 位置同實驗三。

• 此法平均延遲時間為 0.024秒，比 CBT 之 0.039快上 38％。

• 在多種情況下，此方法的平均延遲時間比 CBT 為佳。

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附錄 1

• 大致可分成兩大方向：應用層和網路層。• 應用層上的 anycasting 服務的優點：

– (1) 有較大的彈性：可依據使用者不同的需求來訂定選擇的規則，例如：選擇距離最近的 member 或是反應時間最短的 member ，再將所選擇的規則放在 anycast query 中的 filter specification 中。 anycast name resolvers 根據 filter specification 去找出使用者所需要的anycast group member 。

– (2) 容易提供 anycasting 服務：不需要更改到目前的 IP 位址、 routing protocol 。 router 即使不支援 anycast 位址亦能執行anycasting 服務。

• 網路層 anyc Anycast name resolvers 主要功能為將 ADN 轉換成為 IP 位址，需要有： (1) anycast group 所有 member 的 IP 位址。 (2) 所有 member 的相關資料，如： distance、反應時間(response time)、負載量等。

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附錄 2

• client 傳送 anycast query 給 anycast name resolvers 包含anycast domain name(ADN) 及選擇 anycast group member 標準。

• anycast query 送至 anycast nameresolvers 時， anycast name resolvers 根據 anycast query 中的 ADN 找出 metric database 中所有的 anycast group member 的資料。包括： member 的 IP 位址、 distance、反應時間等。

• 再根據選擇 member 的標準，由 resolver filter 選擇其中最佳的member 。將該 member 的 IP 位址放入 anycast response 中，並將 anycast response 傳送回 client 。

• 當 client 接收到 anycast response 時，由 client filter 讀出 anycast response 中的 IP 位址。接下來，若 client 要送封包至 anycast group member 時，以此 IP 位址為封包之目的位址，便可直接將封包送至 anycast name resolvers 所選擇之最佳 anycast group member 。

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附錄 3

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