1 UVOD
Z razmahom interneta in širokopasovnih omrežnih
povezav v zadnjem desetletju se je izoblikovalo veliko
novih in naprednih internetnih storitev. Med te
uvrščamo prenos televizije, videa ali zvoka. Za uspešno
delovanje internetne televizije se uporablja prenosni
način multicast [1] [2], ki omogoča oddajanje več
prejemnikom hkrati.
Internetna televizija (IPTV) je tipičen primer uporabe
prenosnega načina multicast preko protokola IPv4 (ang.
internet protocol version 4). Problem hitrega razmaha
interneta je pomanjkanje naslovnega prostora protokola
IPv4, zato so razvili in standardizirali protokol IPv6
(ang. internet protocol version 6). Prehod IPTV na
protokol IPv6 še ni zaživel, se pa tehnologija uporablja
v testnih omrežjih.
Tehnologijo multicast, usmerjevalne protokole
multicast [3] in protokol IPv6 podpira večina
usmerjevalnih naprav različnih proizvajalcev (npr.
Cisco, Juniper). Poleg komercialnih obstajajo tudi
odprtokodne rešitve (npr. XORP, Vyatta, Quagga) [4]
[5], katerih uporaba je tako tehnično kot finančno
upravičljiva.
2 ODDAJANJE VEČ PREJEMNIKOM
Tehnologija oddajanja več prejemnikom (ang.
multicast) se uporablja za prenos živih vsebin. Ključne
prednost tehnologije, so:
• manjša obremenitev strežnikov in omrežnih
vozlišč,
• učinkovita izraba pasovne širine in
• optimalna izraba virov podatkov.
Prejet 16. oktober, 2011
Odobren 24. oktober, 2011
212 RUGELJ, STERLE, KOS
2.1 Arhitektura tehnologije multicast
Osnovna gradnika, ki sestavljata omrežje multicast, sta
dostopovno in distribucijsko omrežje (slika 1).
Dostopovni del omrežja sestavljajo odjemalci in
strežniki vsebin multicast in robni usmerjevalniki.
Odjemalci na tem segmentu uporabljajo protokola
IGMP (ang. internet group management protocol) [1]
[6] in MLD (ang. multicast listener discovery) [7].
Distribucijsko omrežje sestavljajo robni in hrbtenični
usmerjevalniki, ki morajo podpirati enega izmed
usmerjevalnih protokolov multicast (npr. PIM sparse
mode, PIM dense mode, BIDIR-PIM) [3].
Slika 1: Arhitektura tehnologije multicast
3 ODPRTOKODNE USMERJEVALNE REŠITVE
Zaradi slabosti komercialnih rešitev, kot so odvisnost od
proizvajalca, zaprta arhitektura in visoka cena, so se
razvile odprtokodne rešitve:
• XORP (eXtensible Open Router Platform) [4],
• Quagga [5],
• Vyatta.
Omenjene rešitve uporabljajo za usmerjanje iste
oziroma njim prilagojene odprtokodne implementacije
usmerjevalnih protokolov. Predstavljene rešitve se tako
razlikujejo le v dodatnih funkcionalnostih, ki jih
prikazuje tabela 1.
3.1 XORP
XORP je razvit za operacijski sistem UNIX, vendar ima
vso podporo tudi za sistem Linux. Odlikujejo ga
naslednje lastnosti:
• razširljiva arhitektura,
• visoka zmogljivost posredovanja paketov ter
• robustnost sistema.
Glavna pomanjkljivost sistema sta strojna in
programska oprema, saj je razvit za tipično računalniško
arhitekturo. Preobremenitev CPU in velika zakasnitev
branja podatkov iz računalniškega pomnilnika lahko
omejujeta visoko zmogljivost usmerjanja in
posredovanja paketov. V raziskavah [8] [9] je bilo
dokazano, da omenjena težava lahko pomeni 90
odstotkov celotne zakasnitve paketov.
XORP podpira vse tipične usmerjevalne protokole
(tabela 1) za IPv4 in IPv6 in je edina odprtokodna
rešitev, ki podpira protokol PIM-SM (ang. PIM sparse
mode).
Tabela 1: Funkcionalna primerjava usmerjevalnih rešitev
Funkcionalnost
XORP
1.8.3
Vyatta
Core
6.2
Quagga
0.99.18
Cisco
2811
Usmerjevalni protokoli
multicast
PIM-SM � �
PIM-SM,
PIM-DM
BI-PIM,
MBGP
Upravljalni protokoli
multicast
IGMP,
MLD � �
IGMP,
MLD
SSM multicast � � � �
Statično usmerjanje � � � �
RIPv2, RIPng � � � �
OSPFv2, OSPFv3 / IS-IS � / � � / � � / � �
BGPv4, BGPv6 � � � �
MPLS � � � �
VLAN (802.1Q) � � �1 �
VPN IPSec, VPN SSL �1 � �1 �
DHCP
Server/Client/Relay �
1 � �1 �
Mehanizmi usmerjevalne
politike (Route maps)
Omejena
podpora �
Omejena
podpora �
Zagotavljanje kakovosti
storitev (VLAN Tag,
Priority Queuing)
� � � �
Mehanizmi visoke
zmogljivosti (VRRP) � � �
1 �
3.1.1 Arhitektura sistema XORP
Sistem je razdeljen na dva podsistema [10]. Višji
podsistem (uporabniški nivo) sestavljajo usmerjevalni
protokoli in različni procesi, ki zagotavljajo podporo
delovanju protokolov. Nižji podsistem, ki deluje znotraj
jedra (ang. kernel) operacijskega sistema, je namenjen
obdelavi in posredovanju paketov.
Sistem sestavlja na uporabniški ravni večprocesna
arhitektura z enim procesom za vsak usmerjevalni
protokol in drugimi procesi za upravljanje,
konfiguriranje in koordiniranje sistema. Slika 2
prikazuje arhitekturo sistema.
Slika 2: Arhitektura sistema XORP
1 Z dodatnimi programi je funkcionalnost okvirno podprta v
operacijskem sistemu Linux.
FUNKCIONALNA IN ZMOGLJIVOSTNA PRIMERJAVA ODPRTOKODNIH IN KOMERCIALNIH MULTICAST REŠITEV 213
3.1.2 XRLs in Click
Razširljivost sistema XORP omogoča mehanizem za
komunikacijo med procesi imenovan XRLs (ang. XORP
Resource Locators) [4] in posebno modularno orodje
Click modular router oziroma Click [10]. Click
uporablja nižji podsistem in omogoča hitro procesiranje
ter posredovanje paketov. Click gradi posredovalno
tabelo na principu povezovanja elementov, kjer vsak
element pomeni preprosto funkcijo procesa.
Mehanizem XRLs omogoča učinkovito integracijo
več ločenih komponent v en koherenten sistem. Oblika
naslavljanja je podobna internetnim naslovom URL.
Primer naslavljanja za proces FEA (Forwarding Engine
Abstraction) prikazuje slika 3.
Slika 3: Naslavljanje XRLs [4]
4 IMPLEMENTACIJA SISTEMA XORP
Pri implementaciji sistema XORP smo zagotovili
ustrezno podporo usmerjanja multicast (MROUTE) in
protokola PIM-SM v jedro operacijskega sistema Linux.
Uporabili smo Ubuntu server 10.04 LTS ter z
rekonfiguracijo (ang. compile) jedra vključili omenjeno
podporo za protokol IPv6. Pri tem smo uporabili jedro
Linux 2.6.38.4 (vanilla kernel). Z odprtokodnim
vmesnikom smo zagotovili kompatibilnost med
protokolom PIM-SM za IPv6 in sistemom XORP. S
pomočjo različnih funkcij XRLs smo vzpostavili
komunikacijo med odprtokodnim vmesnikom ter
procesom PIM-SM sistema XORP. Sistem smo na
koncu optimizirali z odstranitvijo nepotrebnih modulov
in podpornih dodatkov iz jedra operacijskega sistema.
5 TESTIRANJE IN ANALIZA ZMOGLJIVOSTI
Opravili smo tri zmogljivostne teste z vidika
funkcionalnosti multicast [11] med sistemom XORP in
napravo Cisco 2811:
• test maksimalnega števila skupin multicast
(ang. multicast group capacity),
• test zakasnitve paketov multicast (ang.
multicast packet latency),
• test zakasnitve prijave v skupino multicast
(ang. group join delay).
Testi vključujejo meritev izključno določenih
lastnosti zmogljivosti naprav in ne omogočajo meritev
parametrov specifičnih komponent multicast (npr.
hitrost gradnje distribucijskega drevesa multicast), ki bi
lahko posledično vplivali na rezultate. V tem primeru
gre za meritev ene same naprave in ne skupine naprav,
zato je vpliv specifičnih komponent multicast
zanemarljiv.
5.1 Poenostavitve pri testiranju naprav
Pri analizi rezultatov je treba upoštevati naslednje
predpostavke [12]:
• metodologija predvideva enoten in
nespremenljiv medij med testno napravo in
testno merilno opremo,
• vse teste smo izvedli pri privzeti nastavitvi
usmerjevalnika Cisco 2811,
• funkcionalnosti, kot so kontrola pretoka,
mehanizem zagotavljanja kakovosti storitev ter
protokol CDP (ang. cisco discovery protocol),
smo izključili iz privzete nastavitve zaradi
morebitnega vpliva na rezultate testa,
• nepotrebne module in druge nekoristne
funkcionalnosti smo odstranili iz jedra sistema.
5.2 Parametri izvajanja meritev
Teste smo opravili za en vhodni in en izhodni vmesnik
testne naprave, za oba internetna protokola (IPv4 in
IPv6) na vmesniku Ethernet ter za različne velikosti
okvirjev:
• za internetni protokol IPv4 (64, 128, 256, 512,
1024, 1280 ter 1518 oktetov),
• za internetni protokol IPv6 (86, 128, 256, 512,
1024, 1280 ter 1518 oktetov).
Za IPv6 smo izbrali drugačno velikost najmanjšega
okvirja (86 oktetov). Najmanjša velikost okvirja z
dodano glavo UDP (ang. user datagram protocol) in
podpisom paketa Spirent Test Centra [13], ki omogoča
verifikacijo, je 86 oktetov.
Pri izvajanju testov smo uporabili protokol IGMPv2
za IPv4 in protokol MLDv1 za IPv6.
5.3 Postavitev testnega omrežja
Testno omrežje smo postavili v nadzorovanem
laboratorijskem okolju, s čimer smo izločili zunanje
dejavnike, ki bi lahko vplivali na rezultate testov.
Testno omrežje prikazuje slika 4.
Slika 4: Testno omrežje
214 RUGELJ, STERLE, KOS
Teste smo izvedli z uporabo testne merilne opreme
Spirent Test Center [13]. Naprava Spirent je delovala
hkrati kot izvor in ponor prometa multicast.
Lastnosti in karakteristike testnih naprav:
1. Odprtokodna rešitev XORP na sistemu Linux:
• Operacijski sistem: Ubuntu server 10.04,
LTS 32-bit,
• Jedro Linux: Linux 2.6.38.4-kernel,
• CPU: Intel Pentium 4 CPU 3.20 GHz,
• Pomnilnik: DDR2 (2 GB),
• Programska oprema: XORP 1.8.3.
2. Usmerjevalnik Cisco 2811 ISR:
• IOS: C2800NM-ADVENTERPRISEK9-
M, version 12.4(24)T1, release software
(fc3),
• CPU: Nepoznan podatek
• Pomnilnik: DRAM (512 MB).
5.4 Test maksimalnega števila skupin multicast
Cilj testa je določiti največje število skupin multicast ob
uspešnem posredovanju paketov multicast vsem
skupinam multicast.
5.4.1 Rezultati testa
Rezultate testa prikazuje tabela 2. Uporabili smo
naslednje nastavitvene parametre:
• čas trajanja testa: 60 sekund,
• število izhodnih vmesnikov testne naprave: 1,
• verzija uporabljenega protokola: IGMPv2
(IPv4) in MLDv1 (IPv6),
• obremenitev vmesnika (ang. offered load): 100
Mbit/s.
Tabela 2: Rezultati testa maksimalnega števila skupin
multicast
Velikost
okvirja
[oktet]
Maksimalno število
multicast skupin
(XORP)
Maksimalno število
multicast skupin
(Cisco)
IPv4 IPv6 IPv4 IPv6
64 86 122 138 98 115
128 164 154 116 134
256 223 190 165 179
512 260 212 181 210
1024 283 234 201 231
1280 310 281 231 283
1518 360 344 285 319
5.4.2 Analiza rezultatov testa
Iz tabele 2 je razvidno, da sistem XORP podpira več
skupin multicast za protokol IPv4 v primerjavi s
protokolom IPv6 za vse velikosti okvirjev. Rezultat je
pričakovan, saj je samo naslov protokola IPv6 štirikrat
večji od naslova IPv4, kar posledično vpliva tako na
velikost kot na procesno moč obdelave unicast in
usmerjevalne tabele multicast. Naprava XORP podpira
v povprečju 24 skupin multicast več (kar pomeni ~11
odstotkov) za IPv4 v primerjavi s protokolom IPv6.
Iz grafa (slika 5) je razvidno, da naprava Cisco
podpira večje število skupin multicast (v povprečju za
27 skupin multicast, kar pomeni ~15 odstotkov) za IPv6
v primerjavi s protokolom IPv4. Vzrok je v manjšem
številu izgubljenih paketov multicast, saj manj
izgubljenih paketov poveča verjetnost uspešnosti
iteracije pri določenem številu skupin multicast.
Iz tabele 2 je razvidno, da naprava XORP podpira
večje število skupin multicast kot naprava Cisco:
• v povprečju za 63 skupin multicast (kar
pomeni ~35 odstotkov) za protokol IPv4 in
• v povprečju za 11 skupin multicast (kar
pomeni ~6 odstotkov) za protokol IPv6.
Slika 5: Maksimalno število skupin multicast (100 Mbit/s)
5.5 Test zakasnitve paketov multicast
Cilj testa je ugotoviti povezavo med zakasnitvijo
paketov, velikostjo okvirja multicast in številom skupin
multicast.
5.5.1 Rezultati testa
Rezultate testa prikazujeta sliki 6 in 7. Test smo izvedli
pri 10 in 100 skupinah multicast. Uporabili smo
naslednje nastavitvene parametre:
• čas trajanja testa: 120 sekund,
• število izhodnih vmesnikov testne naprave: 1,
• verzija uporabljenega protokola: IGMPv2
(IPv4) ter MLDv1 (IPv6),
• obremenitev vmesnika: 10 Mbit/s.
5.5.2 Analiza rezultatov testa
Grafa prikazujeta, da naprava XORP doseže najmanjšo
zakasnitev paketov pri velikosti okvirja 64 oktetov (10
skupin multicast, IPv4), in sicer 17.214 us. Maksimalno
zakasnitev paketov doseže pri velikosti 1518 oktetov
(100 skupinah multicast, IPv6), in sicer 429.355 us.
Iz rezultatov na slikah 6 in 7 je razvidno, da je
zakasnitev paketov multicast pri napravi XORP
0
50
100
150
200
250
300
350
400
64 | 86 128 256 512 1024 1280 1518
Š
te
vi
lo
s
k
u
p
in
m
u
lt
ic
a
st
Velikost okvirja (oktet)
XORP IPv4
XORP IPv6
Cisco IPv4
Cisco IPv6
FUNKCIONALNA IN ZMOGLJIVOSTNA PRIMERJAVA ODPRTOKODNIH IN KOMERCIALNIH MULTICAST REŠITEV 215
neodvisna od števila skupin multicast (največja razlika
zakasnitve paketov med 10 in 100 skupinami multicast
je pri velikosti okvirja 1518 oktetov in protokolu IPv6
in znaša 6.423 us, kar pomeni ~1.5 odstotka povprečne
zakasnitve za 1518 oktetov). Na zakasnitev paketov
multicast pri napravi XORP v manjši meri vpliva
internetni protokol (zakasnitev paketov za IPv6 pri 100
skupinah multicast je v povprečju večja za ~2.512 us od
rezultatov za IPv4, kar pomeni ~2 odstotka povprečne
zakasnitve). Največji vpliv ima velikost okvirja, kar je
sicer pričakovan rezultat (razlika zakasnitve pri 100
skupinah multicast in protokolu IPv6 je med velikostjo
okvirja 86 oktetov in 1518 oktetov in znaša 407.454 us).
Slika 6: Zakasnitev paketov multicast (10 skupin multicast)
Slika 7: Zakasnitev paketov multicast (100 skupin multicast)
Naprava Cisco ima v povprečju večje zakasnitve
paketov od naprave XORP. Manjšo zakasnitev paketov
doseže le pri velikosti okvirjev 1280 in 1518 oktetov.
Razvidno je tudi, da ima število skupin multicast
majhen vpliv na zakasnitev paketov. Večji vpliv ima
internetni protokol, vendar precej manj kot velikost
okvirja.
Največje odstopanje zakasnitve paketov med
napravama (~2.46-krat) je pri velikosti okvirja 1518
oktetov (10 skupin multicast, protokol IPv4).
5.6 Test zakasnitve prijave v skupino multicast
Cilj testa je določiti zakasnitev, ki ga potrebuje testna
naprava, da posreduje paket multicast v izbrano skupino
multicast, potem ko je uspešno prejela sporočilo IGMP
Group Membership Report za prijavo v izbrano skupino
multicast. Na rezultate testa vpliva stanje posredovalne
tabele multicast2 (ang. multicast forwarding database).
Zakasnitev prijave pomeni razliko med časom
zadnjega bita sporočila IGMP Group Membership
Report in časom prejetja prvega bita okvirja multicast
na ponorni vmesnik testne merilne opreme.
Test smo opravili za metodo A2 pri 10 in 100
skupinah multicast in obremenitvi linije 10 Mbit/s.
5.6.1 Rezultati testa
Rezultate testa prikazujeta sliki 8 in 9. Uporabili smo
naslednje nastavitvene parametre:
• število izhodnih vmesnikov testne naprave: 1,
• verzija uporabljenega protokola: IGMPv2
(IPv4) in MLDv1 (IPv6),
• obremenitev vmesnika: 10 Mbit/s.
5.6.2 Analiza rezultatov testa
Iz rezultatov (sliki 8 in 9) je razvidno, da internetni
protokol in velikost okvirja pri napravi XORP relativno
malo vplivata na zakasnitev prijave. Največji faktor je
število skupin multicast, saj se zakasnitev pri 100
skupinah multicast (1518 oktetov in IPv4) poveča za
~4.22-krat glede na 10 skupin multicast.
Pri napravi Cisco je dodatni dejavnik internetni
protokol. Zasledimo lahko naslednje:
• pri velikosti okvirja 64|86 oktetov ter 10 skupin
multicast je razlika zakasnitve prijave med
uporabljenima protokoloma približno ~2.15-
krat in
• pri velikosti okvirja 64 oktetov in protokolu
IPv4 je razlika zakasnitve med 10 in 100
skupinami multicast približno ~6.54-krat.
Slika 8: Zakasnitev prijave v skupino multicast (10 skupin
multicast)
2 Metoda A: Metoda predvideva, da MFDB v začetnem stanju ne
vsebuje nobenega naslova skupine multicast.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
64|86 128 256 512 1024 1280 1518
Z
a
k
a
sn
it
ev
(
u
s)
Velikost okvirja (oktet)
XORP IPv4
XORP IPv6
Cisco IPv4
Cisco IPv6
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
64|86 128 256 512 1024 1280 1518
Z
a
k
a
sn
it
ev
(
u
s)
Velikost okvirja (oktet)
XORP IPv4
XORP IPv6
Cisco IPv4
Cisco IPv6
0
5
10
15
20
25
30
64|86 128 256 512 1024 1280 1518
Z
a
k
a
sn
it
ev
(
m
s)
Velikost okvirja (oktet)
XORP IPv4
XORP IPv6
Cisco IPv4
Cisco IPv6
216 RUGELJ, STERLE, KOS
Slika 9: Zakasnitev prijave v skupino multicast (100 skupin
multicast)
Razlika med napravama je precejšnja, saj naprava
XORP doseže manjše zakasnitve prijave v vseh
segmentih. Največjo razliko je mogoče opaziti pri
velikosti okvirja 86 oktetov (IPv6 in 100 skupin
multicast), kjer doseže naprava XORP kar ~17.75-krat
manjšo zakasnitev.
6 SKLEP
Vzpostavili smo učinkovito in zmogljivo usmerjevalno
napravo multicast na sistemu Linux. Z odprtokodnim
vmesnikom smo zagotovili združljivost med
protokolom PIM-SM (IPv6) ter sistemom XORP.
Odprtokodni vmesnik smo učinkovito po zgledu za
Unix integrirali v sistem Linux.
Rezultati testov prikazujejo, da je z vidika multicast
zmogljivejša naprava XORP v primerjavi z napravo
Cisco 2811. Z uporabo rešitve XORP, implementacijo
potrebnih funkcionalnosti v sistem Linux in
opravljenimi zmogljivostnimi testi smo dokazali, da je
odprtokodna rešitev XORP primernejša in boljša
alternativa z vidika multicast za uporabo v majhnih in
srednje velikih podjetjih.
Na rezultate testov vpliva tudi uporabljena strojna
oprema. Ne glede na to, da je strojna oprema naprave
XORP po specifikaciji zmogljivejša, se je izkazalo, da
pri maksimalnih obremenitvah CPU ne presega 10
odstotkov in zasedenost pomnilniškega prostora ne
presega 16 odstotkov razpoložljivega vira. Majhna
obremenitev in zasedenost virov nakazujeta verjetnost,
da bi naprava dosegla podobne rezultate tudi pri precej
slabši strojni opremi. Naprava XORP je poleg njene
primarne funkcije hkrati uporabna tudi za številne druge
večnamenske storitve.
Rezultati neposredno prikazujejo tudi primerjavo
med protokoloma IPv4 in IPv6. Testi prikazujejo
majhna odstopanja rezultatov med internetnima
protokoloma, kar pomeni zrel prehod tehnologije
multicast na novejši protokol IPv6.
Obstajajo tudi dodatne izboljšave (npr. optimizacija
predpomnilnika naprave), ki bi omogočile izboljšanje
delovanja naprav XORP in Cisco in bi lahko posledično
vplivale na rezultate testov.