home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1997 December / Internet_Info_CD-ROM_Walnut_Creek_December_1997.iso / drafts / draft_ietf_j_p / draft-ietf-lsma-limitations-01.txt < prev    next >
Text File  |  1997-03-27  |  16KB  |  335 lines

  1.  
  2. INTERNET DRAFT                                       J.M.Pullen
  3. Expiration: 25 September 1997                          George Mason U.
  4.                                                      M.Myjak
  5.                                                        U.of Central Florida
  6.                                                      C.Bouwens
  7.                                                        SAIC, Inc.
  8.                                                      24 March 1997
  9.  
  10.  
  11.     Limitations of Internet Protocol Suite for Distributed Simulation
  12.                  in the Large Multicast Environment
  13.  
  14.                  draft-ietf-lsma-limitations-01.txt
  15.  
  16. Status of this Memo
  17.  
  18.      This document is an Internet-Draft.  Internet-Drafts are working
  19.      documents of the Internet Engineering Task Force (IETF), its
  20.      areas, and its working groups.  Note that other groups may also
  21.      distribute working documents as Internet-Drafts.
  22.  
  23.      Internet-Drafts are draft documents valid for a maximum of six
  24.      months and may be updated, replaced, or obsoleted by other
  25.      documents at any time.  It is inappropriate to use Internet-
  26.      Drafts as reference material or to cite them other than as
  27.      ``work in progress.''
  28.  
  29.      To learn the current status of any Internet-Draft, please check
  30.      the ``1id-abstracts.txt'' listing contained in the Internet-
  31.      Drafts Shadow Directories on ftp.is.co.za (Africa),
  32.      nic.nordu.net (Europe), munnari.oz.au (Pacific Rim),
  33.      ds.internic.net (US East Coast), or ftp.isi.edu (US West Coast).
  34.  
  35.  
  36. Abstract
  37.  
  38. The Large-Scale Multicast Applications (LSMA) working group was chartered to 
  39. produce two Internet-Drafts aimed at a consensus-based development of the 
  40. Internet protocols to support large scale, real-time distributed simulation.  
  41. This draft defines aspects of the Internet protocols that LSMA has found may 
  42. need further development in order to meet that goal.
  43.  
  44.  
  45. 1.  The Large Multicast Environment
  46.  
  47. The Large-Scale Multicast Applications working group (LSMA) was formed 
  48. to create a consensus-based requirement for Internet Protocols to support 
  49. Distributed Interactive Simulation (DIS), its successor the High Level 
  50. Architecture for simulation (HLA), and related applications.  The 
  51. applications are characterized by the need to distribute a real-time 
  52. application over a shared wide-area network in a scalable manner such that 
  53. numbers of hosts from a few to tens of thousands are able to interchange
  54. state data with sufficient reliability and timeliness to sustain a three-
  55. dimensional virtual, visual environment containing large numbers of moving 
  56. objects.  The network supporting such an system necessarily will be capable 
  57. of multicast.
  58.  
  59. Distributed Interactive Simulation is the name of a family of protocols 
  60. used to exchange information about a virtual environment among 
  61. hosts in a distributed system that are simulating the behavior of objects 
  62. in that environment.  The objects are capable of physical interactions 
  63. and can sense each other by visual and other means (infrared, etc.).  
  64. DIS was developed by the U.S. Department of Defense (DoD) to 
  65. implement system for military training, rehearsal, and other purposes.
  66. More information on DIS can be found in the references.
  67.  
  68. The feature of DIS that drives network requirements is that it is 
  69. intended to work with output to and input from humans across 
  70. distributed simulators in real time. This places tight limits on latency 
  71. between hosts.  It also means that any practical network will require 
  72. multicasting to implement the required distribution of all data to all 
  73. participating simulators.  Large DIS configurations are expected to 
  74. group hosts on multicast groups based on sharing the same sensor 
  75. inputs in the virtual environment.  This can mean a need for hundreds 
  76. of multicast groups where objects may move between groups in large 
  77. numbers at high rates.  The overall total data rate (the sum of all
  78. multicast groups) is bounded, but the required data rate in any particular
  79. group cannot be predicted, and may change quite rapidly during the
  80. simulation. 
  81.  
  82. DIS real time flow consists of packets of length around 2000 bits at 
  83. rates from .2 per second per simulator to 15  per second per simulator.  
  84. This information is intentionally redundant and is normally 
  85. transmitted with a best-effort transport protocol (UDP), and in some 
  86. cases also is compressed.  Required accuracy both of latency and of 
  87. physical simulation varies with the intended purpose but generally 
  88. must be at least sufficient to satisfy human perception, for example in 
  89. tightly coupled simulations such as high performance aircraft 
  90. maximum acceptable latency is 100 milliseconds between any two 
  91. hosts.  At relatively rare intervals events (e.g. collisions) may occur 
  92. which require reliable transmission of some data on a unicast basis, to 
  93. any other host in the system.
  94.  
  95. DoD has a goal to build DIS systems with up to 100,000 simulated 
  96. objects, many of them computer-generated forces that run with 
  97. minimal human intervention, acting as opposing force or simulating 
  98. friendly forces that are not available to participate.  DoD would like to 
  99. carry out such simulations using a shared WAN.  Beyond DoD many 
  100. people see a likelihood that DIS-like capabilities may be 
  101. commercialized as entertainment.  The scope of such an entertainment 
  102. system is hard to predict but conceivably could be larger than the DoD 
  103. goal of 100,000.
  104.  
  105. The High Level Architecture (HLA) is a development beyond DIS that aims
  106. at bringing DIS and other forms of distributed simulation into a unifying 
  107. system paradigm.  Thus HLA has network requirements at least as 
  108. demanding as DIS.  HLA is still under development, however it is clear that
  109. its network requirements will be similar to those of DIS because it must
  110. achieve the same functions as DIS.
  111.  
  112.  
  113. 2.  DIS network requirements.
  114.  
  115. a.  real-time packet delivery, with low packet loss (less than 2%), 
  116. predictable latency on the order of a few hundred milliseconds, after
  117. buffering to account for jitter (variation of latency) such that less
  118. than 2% of packets fail to arrive within the specified latency, in
  119. a shared network
  120.  
  121. b.  multicasting with thousands of multicast groups that can sustain 
  122. join/leave in less than one second at rates of hundreds of join/leaves 
  123. per second
  124.  
  125. c.  multicasting using a many-to-many paradigm in which 90% or more
  126. of the group members act as receivers and senders within any given 
  127. multicast group
  128.  
  129. d.  support for resource reservation because of the impracticality
  130. of over-provisioning the WAN and the LAN; it is important to be able 
  131. to reserve an overall capacity that can be dynamically allocated among
  132. the multicast groups
  133.  
  134. e.  support for secure networking, needed for classified military 
  135. simulations
  136.  
  137.  
  138. 3.  Internet Protocol Suite facilities needed and not yet available 
  139. for large-scale DIS in shared networks.  These derive from the need 
  140. for real-time multicast with established quality of service in a 
  141. shared network.
  142.  
  143. 3.1 Resource reservation available in production systems
  144.  
  145. The standardized portion of the Internet protocol suite has featured 
  146. only best effort protocols, which do not entail a commitment on the 
  147. part of the network to perform particular quality of service. It is 
  148. likely that simulation exercises using the Internet protocols would 
  149. need to reserve a maximum overall networking capacity that would 
  150. could be dynamically shared among various groups of information 
  151. flows. Information flows will need to be dynamically grouped in 
  152. relation to multicast groups, regions of interest, or some possibly 
  153. some other paradigm as the exercise evolves.  
  154.  
  155. The Resource reSerVation Protocol (RSVP) is aimed at providing setup 
  156. and flow-based information for managing information flows at pre-
  157. committed performance levels.  This capability is generally seen as 
  158. needed in real-time systems such as the HLA Run Time Infrastructure 
  159. (RTI).  However, RSVP is not fully available in production routers, 
  160. nor has the current experimental version been approved as a Proposed 
  161. Standard protocol within the IETF. The current experimental version of 
  162. RSVP that is available in some routers does not support aggregation 
  163. of reservation resources for groups of flows, nor does it support 
  164. highly dynamic flow control changes.
  165.  
  166. 3.2  Resource-sensitive multicast routing
  167.  
  168. RSVP provides support only for communicating specifications of the 
  169. required information flows between simulators and the network, and
  170.  
  171. within the network.  Distributing routing information among the 
  172. routers within the network is a different function altogether, 
  173. performed by routing protocols such as Multicast Open Shortest 
  174. Path First (MOSPF). In order to make the overall network function, 
  175. it may be necessary to have a routing protocol that determines paths 
  176. through the network within the context of a quality of service 
  177. requirement.  An example is the proposed Quality Of Service Path 
  178. First (QOSPF) routing protocol.
  179.  
  180.  
  181. 3.3  IP multicast that is capable of taking advantage of all 
  182. multicast-capable data link protocols
  183.  
  184. Multicast takes advantage of the efficiency obtained when the network 
  185. can recognize and replicate information packets that are destined to a 
  186. group of locations. Under these circumstances, the network can take on 
  187. the job of providing duplicate copies to all destinations, thereby 
  188. greatly reducing the amount of information flowing into and through 
  189. the network.  
  190.  
  191. When IP multicast operates over Ethernet in a LAN and all subnets are 
  192. interconnected using the Internet Group Management Protocol (IGMP), 
  193. this is exactly what happens.  However, with the new high performance 
  194. wide-area technology Asynchronous Transfer Mode (ATM), the ability to 
  195. take advantage of data link layer multicast capability is not yet 
  196. available beyond a single LIS.  This appears to be due to the fact 
  197. that (1) the switching models of IP and ATM are sufficiently different 
  198. that this capability will require a rather complex solution, and (2) 
  199. there has been no clear application requirement for IP multicast over 
  200. ATM multicast that provides for packet replication across multiple Logical 
  201. IP Subnets (LIS).
  202.  
  203. 3.4  A hybrid transmission protocol 
  204.  
  205. In general the Internet protocol suite uses the Transmission Control 
  206. Protocol (TCP) for reliable end-to-end transport, and the User 
  207. Datagram Protocol (UDP) for best-effort end-to-end transport, 
  208. including all multicast transport services.  The design of TCP 
  209. is only capable of unicast use. 
  210.  
  211. In the HLA environment, three different transport needs have 
  212. been identified: best-effort multicast of most data, lightweight 
  213. reliable multicast of critical reference data, and low-latency, 
  214. reliable unicast of occasional data among arbitrary members of 
  215. the multicast group.  All this takes place with in the same 
  216. large-scale multicasting environment.  Cohen has shown the need 
  217. for these capabilities, while Pullen and Laviano have showed 
  218. the value of integrating these three transport types into a 
  219. single Selectively Reliable Transmission Protocol (SRTP) for 
  220. DIS multicast. Recently the IETF has seen proposals for several 
  221. reliable multicast transport protocols.  A general issue with 
  222. reliable transport for multicast is the congestion problem 
  223. associated with delivery acknowledgments, which has made 
  224. real-time reliable multicast transport infeasible to date.  
  225. Of the roughly 15 attempts to develop a reliable multicast 
  226. transport, all have shown to have some problem relating to 
  227. datagram receipt acknowledgments (ACK), or requesting datagram 
  228.  
  229. retransmissions through the selected use of negative acknowledgments 
  230. (NAK).  Approaches involving distributed logging seem to hold 
  231. promise for the distributed simulation application.  In any 
  232. event, its seems clear that there is not likely to be a single 
  233. solution for reliable multicast, but rather a number of solutions 
  234. tailored to different application domains.
  235.  
  236. 3.5  Network management for distributed systems 
  237.  
  238. Coordinated, integrated network management is one of the more 
  239. difficult aspects of a large distributed simulation exercise.  The 
  240. Internet network management techniques have been used successfully to 
  241. support the growth of the Internet for the past several years.  The 
  242. technique is based on a primitive called a Management Information Base 
  243. (MIB) being periodically polled at very low data rates.  The receiver 
  244. of the poll is called an Agent and is collocated with the remote 
  245. process being monitored. The agent is simple so as to not absorb 
  246. very many resources.  The requesting process is called a Manager, 
  247. and is typically located elsewhere on a separate workstation.  The 
  248. Manager communicates to all of the agents in a given domain using 
  249. the Simple Network Management Protocol (SNMP). It appears that SNMP 
  250. is well adapted to the purpose of distributed simulation management, 
  251. in addition to managing the underlying simulation network resources.  
  252. Creating a standard distributed simulation MIB format would make it 
  253. possible for the simulation community to make use of the collection 
  254. of powerful, off-the-shelf network management tools that have been 
  255. created around SNMP.
  256.  
  257. 3.6  A session protocol to start, pause, and stop a distributed 
  258. simulation exercise in an IP network 
  259.  
  260. Coordinating start, stop, and pause of large distributed exercises 
  261. is a complex and difficult task.  The IETF has developed the 
  262. Multiparty MUltimedia Session Control (MMUSIC) protocol which 
  263. serves a similar purpose for managing large scale multimedia 
  264. conferences.  It is possible that MMUSIC's work could be adapted 
  265. to distributed simulation, although it was designed around a 
  266. multicast environment which requires principally a one-to-many 
  267. transport service.  If MMUSIC adaptation does not prove possible, 
  268. surely the lessons learned in developing MMUSIC could help to 
  269. develop a similar protocol for distributed simulation exercises.
  270.  
  271. 3.7  An integrated security architecture 
  272.  
  273. A shortcoming of the current Internet Protocol (IPv4) implementation 
  274. is the lack of integrated security. The new IPv6  protocol requires 
  275. implementers to follow an integrated security architecture that 
  276. provides the required integrity, authenticity, and confidentiality 
  277. for use of the Internet by communities with stringent security 
  278. demands, such as the financial community.  The possibility 
  279. that the IPv6 security architecture may meet military needs, 
  280. when combined either with military cryptography or government-
  281. certified commercial cryptography, merits further study.
  282.  
  283.  
  284. 4.  References
  285.  
  286. Cohen, D., "Back to Basics", Proceedings of the 11th Workshop on 
  287. Standards for Distributed Interactive Simulation, 1994
  288.  
  289. DIS Steering Committee, "The DIS Vision", Institute for Simulation 
  290. and Training, University of Central Florida, May 1994
  291.  
  292. IEEE 1278.1-1995, Standard for Distributed Interactive Simulation - 
  293. Application Protocols 
  294.  
  295. IEEE 1278.2-1995, Standard for Distributed Interactive Simulation - 
  296. Communication services and Profiles
  297.  
  298. Pullen, J. and V. Laviano, "A Selectively Reliable Transport 
  299. Protocol for Distributed Interactive Simulation" Proceedings 
  300. of the 13th Workshop on Standards for Distributed Interactive 
  301. Simulation, 1995
  302.  
  303. RFC1667, "Modeling and Simulation Requirements for IPng"
  304. August 1994
  305.  
  306. Seidensticker, S., W. Smith and M. Myjak, 
  307. draft-ietf-lsma-scenarios-00.txt, "Scenarios and Appropriate 
  308. Protocols for Distributed Interactive Simulation", work in progress 
  309. (companion Internet Draft)
  310.  
  311. Zhang, Z., C. Sanchez, W. Salkecicz, and E. Crawley, 
  312. draft-zhang-qos-ospf-00.txt, "Quality of Service Path 
  313. First Routing Protocol", work in progress
  314.  
  315.  
  316. 5.  Authors' Addresses
  317.  
  318.   J. Mark Pullen
  319.   Computer Science/4A5
  320.   George Mason University
  321.   Fairfax, VA 22032
  322.  
  323.   Michael Myjak
  324.   Institute for Simulation and Training
  325.   University of Central Florida
  326.   Orlando, FL
  327.  
  328.   Christina Bouwens
  329.   ASSET Group, SAIC Inc.
  330.   Orlando FL
  331.  
  332. Expiration: 25 September 1997                              
  333.  
  334.  
  335.