MBONE
Internet à l'oeil

par Georges Aubry, e-mail: aubry@sic.epfl.ch & Richard Timsit, e-mail: timsit@sic.epfl.ch, Téléinformatique, EPFL-SIC

Table des matières


MBONE (Multicast Backbone) est un réseau virtuel qui utilise Internet pour véhiculer un trafic multicast IP. Cette technique de communication permet à un même paquet d'information émis par une source d'être reçu par plusieurs destinataires. La vidéoconférence en est une application spectaculaire. Cet article décrit les moyens mis en oeuvre sur le réseau EPNET pour supporter MBONE.

En ces temps, consacrer de l'énergie pour offrir un nouveau service dans l'Ecole qui ne pourra qu'augmenter le trafic Internet peut paraître absurde. Vous découvrirez vite en lisant cet article que cette technologie permet d'économiser un trafic colossal dès qu'un grand nombre d'utilisateurs est intéressé par une même conférence. Un inscrit à une conférence sur un site et tous les autres peuvent en profiter à l'oeil...

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Qu'est-ce que MBONE?

Le réseau MBONE permet à la communauté des utilisateurs reliés au réseau Internet de participer à des conférences audio/vidéo à partir de leur poste de travail.

MBONE est un réseau virtuel. Il se situe au-dessus de la couche IP du réseau Internet pour supporter le routage multicast IP entre des machines. En utilisant l'infrastructure des réseaux actuels, MBONE évite le besoin d'avoir des réseaux dédiés pour la communication multimédia. Il y a à ce jour 1100 sous-réseaux de diffusion MBONE dans 26 pays.

Etant donné que les équipements routeurs ne supportent pas actuellement le routage de paquets multicast IP, il est donc nécessaire de les encapsuler dans des paquets unicast IP pour les transmettre au moyen d'une liaison dite tunnel. L'ordinateur destinataire, équipé d'un logiciel supportant le routage multicast IP, est chargé de la diffusion de ces paquets entre le réseau local et le réseau distant. L'ensemble des ordinateurs des divers sites reliés entre eux par des liaisons tunnel forme le réseau MBONE. L'information transmise par MBONE est acheminée dans le réseau Internet de manière standard.

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Multicast IP

La technique du multicast IP permet la transmission d'une ou plusieurs sources à plusieurs destinations. La vidéoconférence est une application basée sur cette technique. Mais nous le verrons plus loin, ce n'est pas la seule...

MBONE est une implémentation du système de multicast IP permettant de partager des informations entre quiconque raccordé à Internet et à l'intérieur d'un groupe donné. Le réseau ainsi réalisé est dit virtuel dans la mesure où il n'y a plus de lien avec l'adressage direct d'Internet. Le multicast IP est basé sur le protocole IGMP (Internet Group Management Protocol). Ce protocole permet à une station de s'enregistrer dynamiquement pour recevoir différents types de trafic multicast IP. Toute station voulant accéder à un groupe prend l'adresse multicast IP de ce groupe et appartient à ce pseudo réseau, tant qu'elle ne le quitte pas. L'adresse de groupe multicast IP utilise la zone d'adresses de 224.0.0.0 à 239.255.255.255.

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Tunnel et routage MBONE

Les stations tunnel ont un rôle particulier sur MBONE: elles font le lien entre le réseau Internet, dont le mode de fonctionnement reste fondamentalement l'unicast, et les réseaux locaux.

Il faut une station tunnel par subnet relié à MBONE. Il ne doit y avoir qu'une seule station tunnel sur le site reliée à une autre station tunnel en dehors. La station tunnel déballe les trames contenant des multicast IP qui lui parviennent de son ou ses tunnels et les émet sur son réseau local. Symétriquement elle emballe les multicast IP qui ont une valeur de propagation supérieure à un seuil donné et les expédie dans un paquet unicast IP destiné au tunnel qui offre la meilleure route. La valeur de propagation permet de limiter volontairement la diffusion d'une vidéoconférence à un site ou à une partie du réseau Internet.

La station tunnel remplit d'autres fonctions. Elle conserve les adresses multicast IP des stations de son réseau afin de ne déballer que les trames qui les concernent. Ainsi, dès qu'un client "s'inscrit" à une conférence en lançant une application, une nouvelle adresse va rentrer dans la table du routage du tunnel et va se propager de tunnel en tunnel dans tout le réseau.

Le routage multicast IP est basé sur le protocole DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol). Des implémentations de ce protocole sont disponibles dans le domaine public pour différentes plate-formes. DVMRP procède par diffusion systématique pour atteindre les destinataires de multicast IP. Les stations tunnel, jouant le rôle de routeurs, effectuent cette inondation en utilisant le chemin inverse le plus court entre un émetteur particulier et ses destinataires.

A la terminaison d'un tunnel MBONE, la station tunnel sait si des stations appartenant à un groupe multicast IP donné existent sur le même réseau. La station tunnel qui reçoit un paquet multicast IP pour un groupe auquel aucune station n'appartient, retournera un message à l'émetteur du paquet pour l'informer de cet état. Chaque station tunnel enregistre cet état et passe le message en amont à toutes les sources multicast IP qu'elle a enregistrées. Ainsi, les paquets suivants n'emprunteront plus les zones de réseau où il n'y pas de membres pour ce groupe.

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MBONE pour quoi faire?

Les équipes qui travaillent sur des projets scientifiques ambitieux sont de plus en plus souvent éparpillées géographiquement mais bien équipées du point de vue informatique et donc reliées à Internet. Le besoin de communiquer reste grand, les voyages coûtent cher (temps, énergie etc.).

Voila pourquoi l'idée de réaliser des conférences en utilisant Internet qui existe et qui raccorde déjà tous les sites concernés a pris forme.

On peut dire aujourd'hui que MBONE est opérationnel et qu'il peut rendre de très grands services pour diffuser des informations à grande échelle sur Internet (vidéoconférences de meeting IETF, INET, WWW, retransmission des missions de la navette spatiale de la NASA) ou à l'échelle d'un site ayant un réseau assez performant.

Il est essentiel de noter que l'avènement de cette technologie est aussi importante que celle du modèle client-serveur que nous préconisions vivement ces dernières années. Dès qu'un groupe de stations doit échanger entre elles des informations qui concernent tout le groupe, il peut être avantageux d'utiliser les multicast IP plutôt que d'envoyer l'information à un serveur qui la rediffusera ensuite à tous les clients!

Tous les mécanismes de notre informatique distribuée reposent sur le modèle client-serveur. On connaît bien toutes les difficultés de nommage et de recherche des serveurs de ressources inhérentes à cette technologie. MBONE va révolutionner tout cet aspect de l'informatique. Lancer une application et prendre une adresse multicast IP revient à entrer dans une communauté où doivent se trouver toutes les ressources nécessaires: du serveur de licences aux serveurs de fichiers spécifiques à cette application.

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Les applications

Des applications existent pour réaliser des audioconférences (VAT ).

VAT (Visual Audio Tool) logiciel audio de LBL (Lawrence Berkeley Laboratory)

Des vidéoconférences (NV [illust. ci-après], IVS, TELESIA - logiciels audio & vidéo de l'INRIA -) ont eu lieu et elles ont surpris par la relativement bonne qualité des images et du son et la facilité avec laquelle elles pouvaient être suivies.

NV (Network Video): logiciel vidéo de Xerox PARC

La possibilité de partager la lecture et l'écriture d'un tableau commun (WB [illustration ci-après]) est d'un grand secours pour échanger l'information entre les participants d'une conférence. Cette application est la moins critique car le problème du temps d'acheminement de l'information est relativement secondaire.

White Board: logiciel d'intercommunication (dessin, texte, graphique) de LBL

Enfin tous ces produits ne seraient pas d'une grande utilité s'il manquait une application qui permette de réaliser les annonces de conférences sur tout le réseau, de les diffuser et de les tenir à jour. Cette application (SD [illustration ci-après]) existe et donne parfaitement satisfaction.

SD (Session Directory): logiciel pour l'annonce et la sélection des conférences de LBL

Toutes les applications citées ci-dessus sont du domaine public. Il existe d'autres applications semblables développées par les constructeurs, telles que INPerson de SiliconGraphics et ShowMe de SUN.

Les applications MBONE sont disponibles pour les plates-formes suivantes:

De manière à pouvoir recevoir les multicast IP, le logiciel de communication des stations doit pouvoir les comprendre. Certains systèmes tels que SUNOS 4.1.3, HPUX 9.01, ont besoin d'être modifiés (patch) pour supporter le multicast IP, d'autres tels que SOLARIS 2.4 ou IRIX 5.3 disposent de cette possibilité.

Les machines servant de tunnel doivent être équipées d'un logiciel "mrouted". Les paramètres tels que le metric, le seuil de propagation et l'adresse d'aboutissement du tunnel, sont à définir dans un fichier de configuration.

La sortie d'applications MBONE pour les plates-formes PC/Windows devrait être effective au moment où cet article paraîtra. Et pour MAC/MACOS elles seront annoncées.

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Expérimentation MBONE sur EPNET

Dès décembre 1993, la STI s'est engagée dans une expérimentation du réseau virtuel MBONE. Pour cela, nous avons installé un logiciel de routage multicast IP appelé "mrouted" sur une station SUN/SOLARIS qui nous permet de faire du tunneling. Puis, nous avons installé des applications telles que SD, VAT, IVS, IMM, WB, NV et TELESIA.

Nous nous sommes mis en relation avec l'université de Genève et avons déclaré une de nos machines pour faire du tunneling avec le reste de MBONE. Ensuite, dès que SWITCH a offert le service, la station tunnel de l'EPFL est devenue cliente d'une machine de SWITCH.

Après une période d'essais concluants, un rapport a été présenté à la CTI qui a approuvé dans sa séance du 24.1.95 l'introduction de MBONE sur le réseau EPNET. La CTI demande que soit portée une attention particulière à la sécurité dans ce domaine. Elle laisse, aux départements qui le souhaitent, la liberté de ne pas être desservis en multicast.

Fin juin 95 le trafic MBONE reçu de SWITCH était propagé par tunneling aux réseaux suivants: DGR, LTS, IMHEF, LRC, LIA, LIG, LSP, IMT et TCOM.

Sur l'épine dorsale FDDI de l'EPFL, une station équipée du logiciel de routage multicast IP, communique avec le réseau MBONE par l'intermédiaire d'une liaison tunnel établie avec une station se trouvant sur le réseau SWITCH. A partir de la station principale de l'EPFL, des tunnels sont ouverts vers des stations d'unités. A l'EPFL, seules les stations se trouvant connectées sur les segments de réseaux d'unités sont pour le moment irriguées par les multicast IP de MBONE.

Le schéma ci-après montre la topologie du réseau MBONE qui est utilisée à l'EPFL en juin 95.

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Déploiement de MBONE à l'EPFL

Pour une mise en exploitation étendue de MBONE à l'EPFL, nous avons retenu comme solution, dans l'attente que le routage multicast IP soit pris en charge par les routeurs CISCO, la topologie représentée sur le schéma ci-après.

La station qui doit établir un tunnel avec le reste du monde (vers Switch) doit être bien placée (sur l'épine dorsale) afin de limiter ce type de trafic. Cette station doit tunneler à son tour vers une machine par département qui, à son tour, devra encore tunneler vers une machine par unité. Ces stations devront être correctement configurées. Une station SUN SS-20/50 de la STI, servant aussi comme serveur de noms DNS, est utilisée pour offrir la fonction de station TS (Tunnel Site) avec le réseau SWITCH. Cette station appelée stisun2 est connectée sur l'épine dorsale FDDI de l'EPFL.

Une station TD (Tunnel Département) devra aussi être prévue pour chaque réseau de département dans lequel il y a plus d'un réseau d'unité à recevoir MBONE.

Une station TU (Tunnel Unité) devra être choisie pour servir de tunnel MBONE dans chaque unité qui désire accéder à MBONE.

La fonctionnalité de stations TD et TU doit être installée sur des machines existantes (par exemple serveurs de département ou d'unité).

Les stations TU et TD ne seront plus nécessaires lorsque le logiciel des routeurs CISCO supportera le routage multicast IP, c'est-à-dire vers fin 95.

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Trafic MBONE

L'utilisation d'Internet pour la diffusion de conférences vidéo et audio est un atout mais Internet n'a pas du tout été pensé pour remplir de telles fonctions. La bande passante n'est pas toujours très grande entre les différents sites. Aucun mécanisme de réservation de bande passante n'existe. Aucune garantie n'est donnée par le réseau lui-même sur le délai et la qualité de l'acheminement des informations confiées. Pour la transmission des données nous considérons le réseau fiable car nous faisons de l'accusé de réception (utilisation de TCP), mais pour une application où la vitesse de transmission est critique, il n'est pas possible de mettre en oeuvre une technique aussi lourde. Par conséquent, en cas de perte de paquets, il n'y a pas de retransmission possible. Malgré tous ces inconvénients, les résultats des applications permettant de réaliser des audioconférences sont surprenants.

De manière générale, on peut dire que la qualité des images et du son dépend de plusieurs facteurs (limitation volontaire de la bande passante, congestion réseaux Internet, délais de transmission, etc).

Le tableau donne quelques valeurs mesurées lors de diverses vidéoconférences.

Remarque:
A titre de comparaison, la bande passante utilisée par un transfert de fichiers FTP entre un SUN SS 20/50 et un SUN SS10 est de 7 Mbits/s et représente une charge de 70% d'un réseau Ethernet.

Il est possible et fortement conseillé de limiter volontairement l'utilisation de la bande passante du côté de l'émetteur de la vidéoconférence.

Actuellement, la bande passante utilisée par conférence audio/vidéo varie le plus souvent entre 60 à 300 Kbits/s. Le trafic MBONE d'une conférence donnée est propagé uniquement aux endroits où il existe au moins un participant. Le trafic d'une conférence qui reste ouverte (application vidéo-conférence en activité sur une station) alors qu'il n'y a plus aucun utilisateur qui y participe, contribuera à augmenter inutilement le volume de trafic entre Switch et l'EPFL. Pour une diffusion d'une vidéo-conférence à 100 Kbits/s, il en découle une consommation de trafic de 45 Mbytes/heure.

Jusqu'à ce jour, mise à part la possibilité de quelques diffusions expérimentales disponibles en permanence, il y a rarement eu plus de deux conférences internationales diffusées simultanément. En outre la diffusion de conférences utilisateurs à l'EPFL est encore très rare.

Pendant la journée, la charge moyenne du trafic MBONE en provenance du réseau SWITCH est d'environ 0.2% (200 Kbits/s) de la bande passante de l'épine dorsale FDDI de l'EPFL (EDAFO). Lorsque MBONE est disponible en permanence, le trafic MBONE global provenant de Switch est d'environ 1 Gbytes/jour.

Quant à la charge locale provenant de conférences audio/vidéo entre participants sur le site de l'EPFL, elle sera probablement encore faible dans l'année qui suit. Par la suite, son évolution est plus difficile à prévoir et dépendra de l'introduction sur le site de la nouvelle génération de stations multimédia qui permettra à l'avenir de rendre ce mode de communication aussi indispensable et répandu que le téléphone actuel.

Sur la base de cette mesure, nous estimons que le trafic MBONE pourra être supporté selon cette topologie hiérarchique jusqu'à la fin 95. Dès cette date, l'implémentation du routage multicast IP devrait fonctionner sur les routeurs CISCO, ce qui permettra de se passer des stations tunnel et par conséquent évitera la multiplication du trafic MBONE sur les épines dorsales.

Par la suite, une nouvelle infrastructure des réseaux basée sur la technologie de commutation (projet EPNET III), sera à même de supporter entre autres l'évolution du trafic MBONE.

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Support MBONE à l'EPFL

Le SIC définit la topologie du réseau MBONE pour l'EPFL. Il assure le support des liaisons tunnel avec les machines départementales équipées de la fonction de routage multicast IP (mrouted) et collabore avec les responsables de l'informatique de département et d'unité pour l'établissement de nouveaux tunnels. Le SIC définit les modalités de configuration des couches réseaux et contrôle le bon fonctionnement de MBONE.

Les applications MBONE sont mises à disposition dans la partition cognac du serveur nestor.
Les responsables systèmes de département et/ou d'unité pour lesquels une station tunnel est nécessaire, sont chargés de l'installation du logiciel selon les modalités d'utilisation définies par le SIC. Ces responsables veilleront à ce qu'il n'y ait pas d'autres stations tunnel que celles qui auront été convenues avec le SIC.

Tous les instituts du site ne pourront pas disposer des ressources matérielles et humaines permettant la mise en oeuvre de MBONE. Aussi, il serait souhaitable de mettre à disposition de ces instituts, en libre service dans une salle du SIC, une station équipée multimédia.

Une solution consistant en l'acquisition d'une station multimédia équipée d'une interface vidéo et d'une caméra est actuellement à l'étude. En plus du service de prestations pour vidéoconférence, cette station servirait aux démonstrations et au support des applications sur MBONE.

Responsabilité des utilisateurs

Les utilisateurs qui désirent obtenir les outils nécessaires à la participation ou à la création de conférences audio-vidéo sur MBONE, contacteront le responsable système de leur unité ou département. Les utilisateurs veilleront à suivre les règles suivantes dans l'utilisation de ces outils. Ceci afin de contribuer au bon fonctionnement de MBONE qui, rappelons le, est mis à disposition de la communauté internationale.

Règles d'utilisation de MBONE

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Conclusion

La possibilité offerte par MBONE de pouvoir participer à un choix toujours plus grand de conférences publiques proposées par des sites reliés à Internet, conduira nos utilisateurs à y participer de plus en plus. Il en est de même pour les groupes de travail, dont les membres sont géographiquement dispersés, et qui pourront créer leur propre téléconférence audio/vidéo.

L'évolution accrue de ces besoins nécessite d'organiser la diffusion optimum sur EPNET de ce type de trafic et de prévoir les moyens nécessaires pour le supporter.

Pour éviter les transmissions redondantes d'un même trafic, il faut prévoir une distribution hiérarchisée et basée sur des stations assurant la communication MBONE aux trois niveaux: épine dorsale de l'EPFL, épine dorsale de département et réseau d'unité. La future implémentation du routage multicast IP dans le logiciel des routeurs CISCO devrait permettre de résoudre ce problème sans avoir recours à plusieurs stations tunnel.

Un déploiement à grande échelle des applications multimédia sur MBONE nécessitera une adaptation de la bande passante réseau surtout au niveau des réseaux dorsaux d'Internet et probablement aussi au niveau du réseau local de l'EPFL. Cette démarche s'inscrira dans le cadre du projet EPNET III qui prévoit une extension de la bande passante au moyen d'une technologie de commutation.

La mise en place des inforoutes à l'échelle de la planète fera certainement le reste. Par contre il reste une grande énigme au sujet de leur péage!

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article paru dans le Flash informatique, numéro spécial-été du 5 septembre 1995