（应用数学专业论文）主动层次小组多播体系结构研究及应用.pdf

主动层次小组多播体系结构研究及应用 专业：应用数学 博士生：李拥军 指导老师；朱思铭教授 摘要 在研究了多播组成员管理协议以及当今多播路由协议的基础上，提出一种 新型动态组管理策略。在一个网络中，尽管在某一时间范围内一个特定的组成 员数量为0 时，多播路由器不是简单地把该多播组从多播路由器中分离，而是 采取一种智能的相关因子的方式决定多播路由器是否从特定的多播组中分离， 从而可以减少在组成员维护时的代价。用p e t r i 网对新策略进行了描述并证明了 该策略构成的系统具有活性以及循环的；应用随机服务系统理论对该策略进行 了建模并进行了理论分析，最后我们得有用的数值解。 在多播路由方面，多播数据分发的过程应该从带宽与计算两方面来衡量。 动态层次多播路由的核心思想是：多播源不是一定按组的方式分发多播数据， 它即可以用单播的方式发送多播数据，亦可以用组播的方式发送多播数据。也 就是说，对于某一个自治系统a s 来讲，如果其多播数据接收者的数量较少，用 单播的方式，根据请求接收多播报文的接收者的i p 地址，作为多播源发送多播 送数据的i p 头部的目的地址，从而在路由器转发时与单播方式一样；而当某一 个自治系统中接收者较多时，用组地址的方式转发多播数据。多播数据源端可 以根据a s 中接收者的多少动态决定发送多播数据的方式：同样，在a s 中的分 枝节点，亦可以根据该策略，构造以分枝节点为根的动态管理方式，从而可以 动态地构造层次多播体系结构。定义了动态层次多播路由算法的数据结构以及 功能模块。在动态层次多播路由的具体实现中我们引入了a g e n t 和主动网络的概 念，从而可以动态的加载多播路由，使得网络体系结构灵活与可编程。 由于多播网络体系结构在多播过程中参入数据发送的对象不是点对点的方 式，所以传统的端到端的安全不适合多播网络体系结构。多播源控制与管理数 据发送的安全，根据安全的级别以及策略动态的变化，可以实现安全的智能化 管理。该策略解决了在多播数据发送过程以前必须知道一个共同的组密码的问 题。在多播数据发送前，多播数据的接收者是无须知道多播源发送数据的密钥， 它只要公布自己的公私钥对中的公钥以及在发送加入组成员消息时告诉多播数 据的发送者它的一个密钥；多播数据发送者在每一次发送多播数据时，随机地 选出一个加密数据的密钥对发送的信息进行加密，但加密数据的密钥不是直接 告诉多播数据接收者；接收者在进行解密数据时，首先必须求得加密数据的密 钥，然后才能进行解密原文。 高层体系结构h l a 已经成为分布式仿真领域的热门技术，h l a 规范的核心 是基于“公布定购”关系基础之上的盟员间的数据交换策略，多播技术能够有 效地适应这一需求并在众多的r t 软件中得到了广泛的应用。具有高可靠性要 求的时间管理服务是r t i 软件设计的难点，然而多播技术本质上是一种不可靠 的u d p 数据传输方式，提出了一种使用多播技术来实现时间管理中最大可用逻 辑时间g a l t 计算的机制。 关键词：多播组成员管理、多播路由、主动网络、多播安全、高层体系结构 i f r e s e a r c h i n g a r c h i t e c t u r eo fa c t i v el a y e r e ds m a l lg r o u p m u l t i c a s ta n di t sa p p l i c a t i o n s m a j o r ：a p p l i c a t i o nm a t h e m a t i c s n a m e ：l iy o n g j u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h us i m i n g a b s t r a c t s t u d y i n gi n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l sa n dt o d a y s m u i t i c a s tr o u t i n g p r o t o c o l s ，w ep r o p o s ean e ws t r a t e g y , w h i c hw h e nt h en u m b e ro fs o m em u l t i c a s t g r o u p i s0 ，t h em u l t i c a s tr o u t e rd o e s n ts i m p l ys e p a r a t et h em u l t i c a s tg r o u pf r o mi t s e l f a n di t a d o p tai n t e l l i g e n t f a c t o rw h i c hd e c i d et h em u l t i c a s tr o u t e rt os e n dp r u n e i n f o r m a t i o no rn o t ，i fs o ，t h em u l t i c a s tr o u t e rw i l ld e c r e a s et h ec o s tf o rm a n a g i n gt h e m u l t i c a s tg r o u p i no r d e rt op r o v et h es t r a t e g yi se f f i c i e n t ，w em a k eu s eo fp e t r in e t a n dd r a wac o n c l u s i o nw h i c ht h es y s t e mb a s e do no u rn e wp r o t o c o li sa l i v ea n d r e c u r r e n c e i na d d i t i o n ，a p p l i n gs t o c h a s t i cs e r v e rs y s t e mt h e o r y , w es e tu pt h em o d e l o ft h es t r a t e g ya n d g e tu s e f u ln u m e r i c a le x a m p l e s a b o u tm u l t i c a s t r o u t i n g ，f o r w a r d i n g m u l t i c a s td a t as h a l lb a l a n c en e t w o r k b a n d w i d t ha n dt h er o u t i n gc o m p u t i n g t h em a i ni d e ao f d y n a m i cl a y e r e dm u l t i c a s t r o u t i n gp r o t o c o l i st h a tm u l t i c a s ts o u r c ef o r w a r dm u l t i c a s td a t ab y u n i c a s t i n g o rg r o u p m u l t i c a s t i n ga n dd o e s n ts 0b e f o r eb yg r o u pm u l t i c a s t i n g i na na s ，i f t h en u m b e ro f m u l t i c a s tr e c e i v e r si sl e s s ，t h es o u r c ef o r w a r dm u l t i c a s td a t ab yu n i c a s t i n gw h i c h t h em u l t i c a s ts o b r c em a k ea ni pp a c k e tt h a th a v ead e s t i n a t i o na d d r e s sf r o mt h e r e c e i v e r sh e a d o nt h eo t h e rh a n d ，t h es o u r c ef o r w a r dm u l t i c a s td a t a b yg r o u p m u l t i c a s t i n g l i k et h et r a d i t i o n a l a p p r o a c h t h e m u l t i c a s ts o u r c e d y n a m i c a l l y d e t e r m i n et h e a p p r o a c h f r o f o r w a r d i n g m u l t i c a s td a t a a c c o r d i n g t h en u m b e ro f m u l t i c a s td a t ar e c e i v e r s a si st h ea b o v e ，t h eb r a n c hn o d e si na l la sc a ns e tu pa g r o u pm u l t i c a s t i n gw h i c ho ft h er o o ti si t s e l fa n ds ow ec a nc o n s t r u c tt h el a y e r e d m u l t i c a s ta r c h i t e c t u r e w ed e f i n et h ed a t as t r u c t u r e sa n df u n c t i o nm o d e l so ft h e l a y e r e dm u l t i c a s ta r c h i t e c t u r e w h e nw ei m p l e m e n tt h ea r i t h m e t i c ，w ei m p o r tt h e c o n c e p t so f a c t i v en e t w o r k sa n da g e n ts o f ta n dt h es y s t e mc a ni n s t a l lt h em o d u l e s i d y n a m i c a l l y b e c a u s ei nf o r w a r d i n gm u l t i c a s tt h ew a y o f s w i t c h i n gd a t ai sn o tp o i n tt op o i n t ， t h et r a d i t i o n a ls e c u r i t ym o d e lo ne n dt oe n di sn o tc o n f o r m a b l e t h es t r a t e g yo ft h e m u l t i c a s ts o u r c ec o n t r o l l i n ga n dm a n a g i n gt h es e c u r i t yo f m u l t i c a s td a t af o r w a r d i n gi s e f f i c i e n ta n da c c o r d i n gt os e c u r i t yl e v e l sa n dt h ec h a n g eo ft h es e c u r i t ys t r a t e g y , w e c a l li m p l e m e n ti n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ti nm u l t i c a s ts e c u r i t y t h ea p p r o a c h e ss o l v et h e p r o b l e m ，w h i c hf o r w a r d i n gm u l t i c a s td a t a , a l lo f m u l t i c a s tr e c e i v e r sm u s tk n o wa c o m m o nk e yc o d e b e f o r ef o r w a r d i n gs e c u r em u l t i c a s td a t a ，t h er e c e i v e rm a yn o t k n o wt h ep a s s w o r d ，w h i c ht h es o u r c ee n c r y p td a t aw i t h ，a n di to n l ya n n o u n c e si t s p u b l i ck e yc o d ea n dt h e s e s s i o np a s s w o r d ，w h i c ht h e yn e g o t i a t ea b o u tw h e nt h e r e c e i v e rj o i nam u k i c a s tg r o u p w h i l et h em u l t i c a s ts o u r c es e n dm u l t i c a s td a t a ，i t s t o c h a s t i c a l l y c h o i c et h es e s s i o n k e y , w h i c hi se n c r y p t e d m u l t i c a s td a t aa n di s i n f o r m e dt h er e c e i v e r sd i r e c t l y b e f o r et h er e c e i v e r sd e c r y p tt h ec r y p t o g r a p h ，t h e y m u s to b t a i nt h es e s s i o n k e y t h a ti se n c r y p t e dn m l t i c a s td a t a h i g hl e v e la r c h i t e c t u r eh a sb e e no n eo f t h eh o t t e s tt e c h n o l o g i e si nd i s t r i b u t e d s i m u l a t i o na r e a t h ek e yi d e ai nh l ai st h ep u b l i s h i n g s u b s c r i b i n gp o l i c yo fd a t a e x c h a n g ea m o n gf e d e r a t e s ，a n d m u l t i c a s t p r o t o c o l c a ne f f e c t i v e l y a d a p t t ot h i s d e m a n da n di nf a c th a sb e e n w i d e l ya p p l i e d i n t o m a n y r t is o f t w a r e t i m e m a n a g e m e n tw i t hh i g hr e l i a b i l i t y i so n ec h a l l e n g e a b l eq u e s t i o ni n d e s i g n i n gr t i s o f t w a r e ，b u tm u l t i c a s tp r o t o c o li san o n r e l i a b l eu d pd a t a e x c h a n g i n gm e c h a n i s m e s s e n t i a l l y i n t h i s p a p e r , ar e l i a b l ei m p l e m e n t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nm u l t i c a s t p r o t o c o li sp u tf o r w a r di nc o m p u t i n gg a l t ( g r e a t e s t a v a i l a b l el o g i c a lt i m e ) i nt i m e m a n a g e m e n t k e y w o r d s ：m u l t i e a s tg r o u pm a n a g e m e n t ，m u l t i c a s tr o u t i n g ，a c t i v en e t w o r k ， m u l t i c a s ts e c u r i 吼h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e i v 第一章综述 第一章综述 计算机网络技术的发展与应用密切相关，在网络发展的初期，网络的主要 目的是进行数据传递，i n t e m e t 早期的应用如：文件传输、电子邮件等是通讯 双方以点到点的方式进行交换数据。随着通讯技术、多媒体技术、以及计算机 软件技术的发展，网络的应用突破传统的应用模式，一些新的应用比如：网络 电视会议 7 0 l 、分布式网络游戏、大规模协作计算 5 2 1 以及远程教育都依赖于从 一个主机向多个主机或者从多个主机向多个主机发送数据的能力。于是，一种 新型的多播应用 8 7 】，成为互连网技术发展的一种方向。 美国国防部高级研究计划署d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t a g e n c y ) 资助研究的网络体系结构是因特网t c p i p 网络体系结构的前身。 d a r p a 网络体系结构在网络发展的初期发展得比较好，然而该体系结构自身的 一些设计缺陷限制了它得发展 1 0 7 1 1 1 0 2 1 ：首先，口报文的头部过于复杂，增加 了路由器处理的负担。在网络发展的初期，由于网络数据传输的速度比较慢， d a r p a n e t 工作在5 6 k b s 的速度，网络的瓶颈主要在线路而不是路由器；而现 在由于通信技术的发展，网络的主干速度可以达到g b s 级的数据传输速率，要 求路由器在处理报文的速度要足够的快，过于复杂的头部降低路由器处理报文 的速度，从而影响网络的吞吐量。另外，由于网络体系结构相对稳定，一些新 的应用要形成标准往往需要较长的时间。为了克服这些困难，d a r p a 研究协会 1 9 9 5 年提出了主动网络 8 3 1 的概念。主动网络的方案是网络节点不仅能够转发 报文而且可以通过附加代码来对报文进行处理，整个网络上的节点是可编程的， 可以执行用户定义的报文处理程序，可以加速新的网络应用的推广。 a g e n t 是人工智能领域研究的热门话题，国内有人把它翻译为智能体，也有 人把它翻译为代理。s t u a r tr u s s e l l 把a i ( a r t i f i c ei n t e l l i g e n c e ) 定义为：设计和建 造理性的a g e n t ，并把a g e n t 行为的合理性作为评判智能的标准。m i n s k y 从社 会智能的角度做了一种解释，他认为单个的智能体a g e n t 只能完成简单的工作， 如果采用一些方法组织成一个a g e n t 群体，而这个群体能完成单个a g e n t 所不能 完成的复杂工作，于是便产生了真正的智能。从以上两种针对a g e n t 的解释不 难看出a g e n t 智能体之间的合作相当重要。 第1 页共7 8 页 第一章综述 软件a g e n t 9 6 的特点可以从两方面阐述：a g e n t 的心智模型和a g e n t 的社会 模型。a g e n t 心智模型包括：信念、能力、承诺、意图等伪人类的心智成分；a g e n t 的社会模型包括：a g e n t 之间具有通讯、交互以及协商等社会行为特征。 因特网的网络体系结构包括多层对等的网络实体 2 8 1 1 7 7 】，对等的网络实体 在数据驱动下，遵循事先的约定与标准，完成相应的功能。对等实体之间的协 商是事先约定的，很难根据实际情况进行动态的定制。为了使计算机网络有更 大的使用性和灵活性，智能软件的思想正逐步引入网络体系结构，智能的实体 可以具有信念、能力、承诺、意图以及通讯、交互以及协商特征。 1 1 多播以及多播技术 1 9 8 8 年s t e v ed e e r i n g 首次在他的博士论文中提出了i p 多播的概念 3 4 1 ， 1 9 9 2 年3 月i e t f 在因特网范围内首次实验i e t f 会议声音的多播，当时有2 0 个网点可同时听到会议室的声音。现在i p 多播己成为因特网的一个热门话题。 i p 多播应用大致可以分为三类：点对多点应用，多点对点应用以及多点对 多点应用。 点对多点是指一个发送者，多个接收者的应用形式，这是最常见的多播应 用形式。典型的应用包括：媒体广播、媒体推送、信息缓存、事件通知和状态 监视。其中，事件通知：如网络时间、组播会话日程、随机数字、密钥、配置 更新、有效范围的网络警报或其他有用信息。它们对带宽的需求有所不同，但 是一般都比较低，对延时的要求也一般。状态监视：如股票价格、传感设备、 安全系统、生产信息或其他实时信息。这类带宽要求根据采样周期和精度有所 不同，可能会有恒定速率带宽或突发带宽要求，通常对带宽和延时的要求一般 【1 2 5 3 1 1 7 0 】。 多点对点应用是指多个发送者，一个接收者的应用形式。通常是双向请求 响应应用，任何一端( 多点或点) 都有可能发起请求。典型应用包括：资源查 找、数据收集、网络竟拍、信息询问等。其中：数据收集是点对多点应用中状 态监视应用的反向过程。它可能由多个传感设备把数据发回给一个数据收集主 机。带宽要求根据采样周期和精度有所不同，可能会有恒定速率带宽或突发带 宽要求，通常这类应用对带宽和延时的要求一般。网络竞拍：拍卖者拍卖产品， 而多个竞拍者把标价发回给拍卖者。 第2 页共7 8 页 第一章综述 多点对多点应用是指多个发送者，多个接收者的应用形式。通常在网络中 存在逻辑上对等的节点，它们之间通常要交换数据，协同完成一定的功能，这 类对带宽和延时要求一般，最重要的是要保持数据的一致性。分布式网络游戏、 计算机协同计算多采用这种模式 4 9 1 1 5 0 1 1 5 1 1 1 5 2 1 a i p 多播技术的研究主要包括两方面的问题：一是组成员的管理和维护；另 一个是如何构建多播生存树。在本地局域多播传输是利用物理层多播功能。 1 1 1 多播组成员管理协议 在因特网体系结构中，多播组成员管理与维护由i g m p 定义的。 g m p 目 前具有三个兼容的版本：d e e r i n gs e 提出的 g m pv l 是基础 3 5 1 ；f e n n e rw 在 g m p v 2 增加低延迟离开机f f 4 4 1 1 ；c a i nb 等在i g m pv 3 增加了源筛选机制和 服务 2 1 】。在以上定义的i g m p 多播组管理协议中，复杂的机制主要集中在主 机部分；为了抑制“响应爆炸”，主机采用了“逐组响应”、“延迟发送”、“抑制 响应”等复杂的方法；而i g m p 中的路由器部分的机制极其简单。 多播路由器可以判断出在它所直接相连的网段中是否存在多播组的成员。 如果存在多播组成员，多播路由器就可以向上级多播路由器发送消息，申请加 入一个多播组，并将上级多播路由器发送过来的多播数据包转发给多播成员主 机。 多播路由器状态可以分为“查询者”和“非查询者”两种。 “查询者”，该路由器设计为判断出在它所直接相连的网段中是否存在多 播组的成员，在此网络上传送i g m p 成员关系查询时的状态。 “非查询者”该路由器设计为在此网络上传送i g m p 成员关系查询的状 态。它们之间状态可以在下面条件发生时相互转变。 查询定时器超时：发生在定时器设为查询传送超时。 收到其它路由器的查询报文：发生在从在同一个网络上其它路由器上接收 到i g m p 成员查询。 其它路由器出现定时器：发生在当定时器设为提示其它路由器查询者超时。 多播路由器应该在所有的邻接网络上开始于初始状态，并且立即移到查询 者状态。 第3 页共7 8 页 第一章综述 从多播路由器保持和那些有成员的组的联系来看，一个路由器可处于四个 可能状态： 无成员存在：当已发送该多播组报告的网络上没有主机存在时。 成员存在：当已发送该多播组报告的网络上有一个主机存在时。 检测成员关系：当路由器已接收到了一个离开组消息，多播组的成员报告。 向上一级路由器发送剪枝信息：当多播路由器确信没有该组的成员时，就 向上一级路由器发送剪枝信息。 为发送i p 多播数据，发送者需要确定一个合适的多播地址，这个地址代表 一个组。i p v 4 多播地址采用d 类i p 地址确定多播的组。在i n t e m e t 中，多播地 址范围是从2 2 4 0 0 0 到2 3 4 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。在本地局域网多播实现i p 多播，一 般是利用本地局域网的多播功能，把i p 多播报文转变为本地局域网的多播报 文。比如：在e t h e r n e t 中i p 多播的低2 4 位填入e t h e m e t 多播地址的低2 4 位， 从而利用物理硬件完成i p 报文的多播。 在最广泛的i p 多播模型里【3 4 】：任何人可以属于一个多播组，不需要授权 认证；非多播组成员可以向多播组成员发送多播数据报文：多播组是动态的， 任何主机可以随时加入和退出；而且主机可以加入多个多播组：源或者接受者 都不知道多播组的成员数量。 这种广泛的模型尽管可以概括决大部分多播数据形式，但在实际实现的时 候，由于多播的策略不同，可能不会实现这种最广泛的多播，比如：在收费的 网络游戏、保证多播数据发送源固定以及多播数据的安全性，要对多播数据模 型进行改进 9 】 4 6 。 1 1 2 多播路由协议 多播路由的一种常见的思路就是在多播组成员之间构造一棵扩展分布树。 在一个特定的“发送源，目的组”对上的i p 多播流量都是通过这个扩展树从发送 源传输到接受者的，这个扩展树连接了该多播组中所有主机。不同的i p 多播路 由协议使用不同的技术来构造这些多播扩展树，一旦这个树构造完成，所有的 多播流量都将通过它来传播。 多播路由协议与单播路由协议样可以分为在一个自治系统 a s ( a u t o n o m o u ss y s t e m ) 的域内多播路由协议与在多个自治系统的域间多播 第4 页共7 8 页 第一章综述 路由协议。域内多播路由协议根据网络中多播组成员的分布，总的说来i p 多播 路由协议可以分为密集模式路由协议 3 】以及稀疏模式路由协议【1 1 】两种基本类 型，现在根据网络应用的发展，多又出现了小组多播的应用形式 1 3 1 4 1 6 】。 密集模式路由协议假设多播组成员密集地分布在网络中，也就是说，网络 大多数的子网都至少包含一个多播组成员，而且网络带宽足够大，这种被称作 “密集模式”( d e n s e m o d e ) 的多播路由协议依赖于广播技术来将数据“推”向网 络中所有的路由器。密集模式路由协议包括距离向量多播路由协议d v m r p ( d i s t a n c ev e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 8 8 1 、多播开放最短路径优先协议 m o s p f ( m u l t i c a s to p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 【6 8 】和密集模式独立多播协议 p i m d m ( p r o t o c o l i n d e p e n d e n t m u l t i c a s t - d e n s em o d e ) 3 】等。 w a i t z m a n d 和p a r t r i d g ec 等提出的d v m r p 由单播路由协议r i p 扩展而来， 两者都使用距离向量算法得到网络的拓扑信息，不同之处在于r i p 根据路由表 前向转发数据，而d v m r p 则是被称为“反向路径转发”r p f ( r e v e r s e p a t h f o r w a r d i n g ) 机制。为了使新加入的组播成员能及时收到组播数据，d v m p r 采 用定时发送数据包给所有的l a n 的方法，然而这种方法导致大量路由控制数 据包的扩散，这部分开销限制了网络规模的扩大。另一方面，d v m r p 使用跳 数作为计量尺度，其上限为3 2 跳，这对网络规模也是一个限制。目前提出了 分层d v m r p ，即对组播网络划分区域，在区域内的组播可以按照任何协议进 行，而对于跨区域的组播则由边界路由器在d v m r p 协议下进行，这样可大大 减少路由开销。由于新成员可以在任意时刻加入，并且这些新成员可能会依附 在那些被修剪了的分枝上接收多播消息，因此d v m r p 会周期性的重建扩展树。 对子网中密集分布的多播组来说d v m r p 能够很好的运作，但是对于在范围比 较大的区域上分散分布的多播组来说，周期性的广播行为会导致严重的性能问 题。另一个问题是需要在路由器中存储大量的多播路由状态信息。所有的多播 路由器都必须为每个“发送源、目的组”对维护这些多播路由状态信息，包括用 来发送多播数据包的被选定端口和修剪状态信息等。由于以上的原因，d v m r p 不能支持大型网络中稀疏分散的多播组。 1 9 9 4 年m o yj 把单播最短路径优先( o s p f ) 路由协议扩展到多播形成了 多播开放最短路径优先协议( m o s p f ) 。o s p f 使用分布式的链路状态协议，主 要有三个特点：l 、路由状态信息的交换向本自治系统中的所有路由器利用泛洪 ( f l o m i n g ) 的方法发送；2 、链路状态的信息可以是多元化，突破了在距离矢 第5 页共7 8 页 第一章综述 量路由算法中跳数的限制，可以是费用、距离、时延、带宽等量度，使得路由 选择策略更加灵活；3 、只有当链路状态发生变化时才使用泛洪法向所有的路由 器发送此信息。每个m o s p f 路由器都通过i g m p 协议周期性的收集多播组成 员关系信息。这些信息和这些链路状态信息被发送到其路由域中的所有其他路 由器。路由器将根据它们从临近路由器接收到的这些信息更新他们的内部连接 状态信息。由于每个路由器都清楚整个网络的拓扑结构，就能够独立的计算出 一个最小开销扩展树，将多播发送源和多播组成员分别作为树的根和叶。这个 树就是用来将多播流从发送源发送到多播组成员的路径。所有的路由器都会计 算出相同的扩展树，因为它们周期性的共享链路状态信息。 以上两种协议都与某个具体的路由协议有关，而p i m d m 是一种标准的组 播路由协议，并能够在i n t e m e t 上提供可扩展的域间组播路由而不依赖于任何单 播协议。组成员相对集中，采用广播剪枝机制。假定下游存在组成员，多播路 由器除非收到明确的剪枝消息，它会不停的向下游路由器链路转发多播分组。 被剪掉的分枝不会收到多播分组，但在有组成员加入后，分枝又可以嫁接( g r a f t ) 回多播生存树，重新执行广播剪枝。 域内稀疏模式路由协议则假设多播组成员在网络中是稀疏分散的，稀疏模 式默认所有机器都不需要收多播包，只有明确指定需要的才予以转发，这确实 能适用于“稀疏”的考虑。稀疏模式主要有基于核心树的多播协议c b t ( c o r e b a s e dt r e e ) 【4 】【5 】和稀疏模式独立协议多播p i m s m ( p r o t o c 0 1 i n d e p e n d e n t m u l t i c a s t s p a r s em o d e ) 【1 1 】。 b a l l a r d i e a 以减少网络中路由器组播状态为目标，以提供组播的可扩展性。 他在c b t 中使用双向共享树，双向共享树以某个核心路由器为根，允许组播信 息在两个方向流动。由于一个多播组的所有多播源共享同一棵生存树，源和组 成员都是连接到核心路由器，因此这种方式需要存储空间为d r ，比基于源的 最短路径需要的存储空间d 俗+ 回要小得多，其中，s 为每个多播组源的数量， g 为多播组数。基于核心树的多播协议能够节省存储空间，但从源到每个组成 员的路径不一定是最优的，因此可能时延大，并且在网络中某段路径业务集中 的链路容易形成瓶颈，某些版本的c b t 支持多个多播核心的使用，和单个多播 核心相比多核心更能达到负载平衡。 p i m - s m 与具体使用哪种单播路由协议无关，b i l lf r e n n e r 和m a r kh a n d l e y 第6 页共7 8 页 第一章综述 等在该协议中提出了汇点r p ( r e n d e z v o u sp o i n t ) 的思想，该点是参加多播的路由 器都知道的点，该汇点与c b t 中核心路由器的作用基本相同。但是p i m s m 比 c b t 更灵活，c b t 的树通常是多播组共享树，p i m s m 中的独立的接收者可以 选择是构建组共享树还是最短路径树。这共享树建立以后，一个接受者( 实际 上是最接近这个接收者的路由器) 可以选择通过最短路径树改变到发送源的连 接。这个操作的过程是通过向发送源发送一个p i m 加入请求完成的。一旦从发 送源到接收者的最短路径建立了，通过l i p 的外部分枝就被修剪掉了。 多播最开始在主干网上得到比较成功的应用 1 1 2 2 7 ，现在域间多播路由 协议研究也是一个热点c 6 0 1 1 6 4 1 1 6 9 1 1 3 2 1 ，与域间单播路由协议一样，只能力求 寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由，而并非要寻找一条最佳的路由。 m b g p p i m s m m s d p 是目前多播路由的解决方案，m b g p 用来交换域间 的m u l t i c a s t 路由，p i m s m 用于连接不同域的同一多播组成员，m s d p 用于不 同域间的r p 交换活动的m u l t i c a s t 发送者信息。 m b g p ( m u l t i e a s tb g p ) 6 运行于自治系统边界路由器，m b g p 用来提供域 间的“下一跳”信息，类似于b g p 为单播提供域间“下一跳”信息：向相邻的自治 系统通告“从我这里可以到达发送者s ”；当r p 或者多播组接收者试图向位于 其他a s 的多播发送者s 发送一个 j o i n 消息时，该消息需要沿着“逆向路径” 到达多播发送者s ，有了m b g p 提供的路由就可以做到这一点了；m b g p 并不 负责域间多播树的构造，用现有协议p i m s m 就可以胜任。 m s d p ( m u l t i c a s ts o u r c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 协议【5 l 】完成不同域间的r p 交换活动，从而从全局的观点看，个多播组有多个r p 同时存在于不同的域 中并且互不了解；接收者可以向r p 发送 j o i n 消息加入多播树，发送者可以向 同一r p 注册，从而向位于同一域的接收者发送多播数据。m s d p 运行在路由 器r _ p 之中，相邻域的m s d pp e e r 配置m s d ps e s s i o n sf t c p 连接1 通讯。 b g m p m a s c 边界网关多播协议是一个i e t f 提出的用作未来的域间多播 路协议 5 9 1 。其主要思想是根据c b t 、p i m s m 的思想，对于i n t e m e t 中活动的 任何多播组构建一个单独的双享的共享树，该共享树可以跨越包含该组所有成 员的所有自治系统。在b g m p 中，根不是单个的r p 路由器，而是整个交换区 称为根域，所有其他自治系统应向根域发送加入和剪枝消息。m a s cfm u l t i c a s t a d d r e s s s e tc l a i m ) 是构成层次化多播地址分配的基础，为各个a s 域分配层次 第7 页共7 8 页 结构的多播地址，解决了多播地址冲突的问题。 现在多播研究中提出源特定组播s s m ( s o u r c es p e c i f i cm u l t i c a s t ) 9 】【4 6 【4 7 】 是一种区别于传统组播的新的业务模型，它使用组播组地址和组播源地址同时 来标识一个组播会话，而不是像传统的组播服务那样只使用组播组地址来标识 一个组播会话。s s m 保留了传统p i m s m 模式中的主机显示加入组播组的高效 性，但是跳过了p i m s m 模式中的共享树和r p 规程。 在多播的发展过程中，小组多播s g m ( s m a l lg r o u pm u l t i c a s t ) 【1 3 1 4 1 6 】 则是与以上介绍的完全不同的多播模式。通过把接收端的地址列表放在数据报 文中，从而减少了在传统多播组成员的管理以及多播分布树的维护的代价，但 增加了多播报文的头部以及路由器处理目的地地址列表的开销，这种机制比较 适合于接收多播数据目的地端分布又比较分散的网络拓扑结构。 1 。2 主动网络体系结构以及a g e n t 1 2 1 网络体系结构 从计算机网络发展历史看，总是先框定网络体系结构，然后才能具体实现 整个网络系统。而且，计算机网络系统的任何标准都是围绕计算机网络体系结 构以及派生的协议而制定的。计算机网络发展的不同阶段，对网络体系结构都 有不同方面、不同深度的研究。 在6 0 年代末到7 0 年代末，是计算机网络创立阶段，产生了多种网络体系 结构，具有代表性的是美国国防部高级研究计划署d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e d r e s e a r c h p r o j e c t s a g e n c y ) 资助的d a r p a 网络体系结构，即现在因特网t c p i p 网络体系结构的前身。7 0 年代末到8 0 年代末是计算机网络标准化和开发互联 的时期，主要产生了国际标准化组织i s o 制定开发系统互联o s i 这一标准的开 放体系结构，尽管国际标准化组织的宗旨是想建立个统一的七层协议模型， 但由于各种原因没有真正实现它 1 0 2 1 1 1 。 d a 褂) a 网络体系结构组成构件包括： 1 ) 虚拟网络，这是通过基于数据报交换技术的i p 协议而形成的一层虚拟 传输网络，提供独立于具体传输子网的网络服务。这种虚拟网络成功地实现了 不同网络的互联，i p 协议成为事实上的开放互联标准协议。 第8 页共7 8 页 第一章综述 2 、网络服务，在i p 协议之上，a r p a 网络设计了多种端到端的服务，包括 由t c p 提供的面向连接的服务，由u d p 协议提供的无连接服务，以及由r t p ( 实 时传输协议) 提供的具有时间参数处理能力的服务。这种基于i p 数据报设计的 多种网络服务，为高效使用互联网络提供了基础。 3 ) 网络应用，在网络服务之上，b a r p a 网络可以提供多种应用，例如远程 终端访问( t e l n e t ) ，文件传输( f t p ) ，网络管理( s n m p ) 以及在当今因特网上最流 行的万维网应用( h t t p ) 。满足多用途使用网络的需求。 d a r p a 网络体系结构在8 0 年代得到较好的发展，而它自身的一些设计缺 陷限制了它的发展 7 7 1 。以d a r p a 网络体系结构为基础的网联网的i p 协议称 为i d v 4 。i p v 4 的头部过于复杂，有一些部分重复定义比如校验和子段，实际在 链路层就进行了校验：i p v 4 头部最小长度为4 0 字节，而4 位的头部字段加重了 路由器的处理负担。在新一代i p 中，这些字段都省略掉了从而在数据传输过程 中，加快数据处理，减轻路由器的负担。 除了d a r p a 网络体系结构自身结构的缺陷外；由于网络应用以及通讯技 术的不断发展，当今计算机网络遇到很多问题，它们包括：网络资源预留、实 时数据( 视频、话音) 传输、网络拥挤和流量控制、网络安全管理、网络服务质 量保证、个人移动性、多点投递、新型网络服务提供、多方通信、新服务即时 生成和开通等网络难题。要解决这些网络难题必须改进现行的网络体系结构 5 7 。 1 2 2 主动网络体系结构 主动网络( a c t i v en e t w o r k s ) 是d a r p a 研究协会于1 9 9 5 年，针对当时网 络发展过程中遇到的几个问题提出的。主动网络方案是使网络节点不仅能转发 报文而且可以通过执行附加程序来对报文进行处理。整个网络上的节点也都是 可编程的，可以执行用户定义的报文处理程序 4 2 8 3 8 4 1 。 现有的网络由于不对报文进行处理或计算，因此可以称之为被动网络 ( p a s s i v en e t w o r k s ) 。虽然现有的网络中的路由器和交换机也可以改变报文的 报头，但它们对真正的用户数据却不做任何处理，原封不动地转发用户数据是 它们的宗旨。即使对报头的改变和相关路由处理也是独立于用户处理和