（教育技术学专业论文）基于二次择优技术的应用层组播优化研究.pdf

q + 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：教育学教育技术学 研究方向：网络教育技术及知识工程 作者：周筠 指导教师：张宗橙教授 题目：基于二次择优技术的应用层组播优化研究 英文题e l ：s t u d yo ft h eq u a d r a t i co p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yb a s e d a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t 主题词：应用层组播，二次择优，节点浮动算法，最短路径优先 k e y w o r d s ：a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ，q u a d r a t i co p t i m i z a t i o n ，d y n a m i c a l f l o a t i n ga l g o r i t h m ，s h o r t e s tp a t hf i r s t 南京邮电k 学硕士研究生学位论文摘要 摘要 利用现有网络带宽，以最小的网络资源开销为前提，达到最好的应用效果，是 现阶段组播研究的重要方向之一。i p 组播技术致力于多媒体数据在有限的网络带宽 条件下获得较高效率的数据传输，在一定范围内得到了实际应用，但由于受到某些 因素制约，i p 组播在i n t e r n e t 中并没有得到充分应用。 应用层组播( a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ，a l m ) 技术，针对i p 组播进行改进，逐 渐成为i n t e m e t 服务中针对组播的主要方案。应用层组播通过单播连接方式构成一个 逻辑上的覆盖网络，并转发数据给其他端系统。目前，应用层组播在多媒体文件分 发、视频会议、视频点播等方面，得到了广泛应用，并由于a l m 不受网络架构限制、 资源丰富等优势，受到了越来越多用户的喜爱。但同时，由于大量的组播应用充斥 i n t e r n e t ，该应用对网络传输也带来了巨大压力。 本文提出一种基于二次择优技术的覆盖网模型，能够满足用户数据得到高效有 序的传输，保证在不增加节点运算额外开销的情况下，减轻链路传输时延及控制开 销。文章通过对应用层组播模型及相关组播技术研究，取得以下成果： 1 引入一种动态节点浮动算法。该算法通过计算每个节点的性能参数，如资源 量、传输速率、生命周期等因素，调整节点在逻辑拓扑上的相应位置。将性能较好 的节点优选出来，放在较为重要的传输位置上。实验表明，经过优化的应用组播系 统，具有控制开销小、数据传输效率高、扩展性能好、结构相对稳定、且不需要底 层拓扑信息等优点。 2 引入一种基于最短路径优先的生成树算法。对每个区域内节点采用基于s p f 的算法进行传输路径的再次优化，两次择优后，最终达到a l m 拓扑结构的整体优化 的目的。系统可以对自身模型参数进行调整，满足模型针对不同类型网络业务均能 有效地缓解拥塞，较好地保证端到端数据传输。 文章通过仿真测试了模型性能，证明了相关结论，仿真结果表明：该模型在减 轻系统数据包丢失率、路径平均时延、控制开销，以及提高带平均数据传输率等方 面均存在一定的优势，对目前管理混乱、任意抢占网络资源的组播技术有了一定的 改进，具备较好的理论研究与实际应用价值。 关键词：应用层组播，二次择优，节点浮动算法，最短路径优先 l _ ， 南京邮电大学硕士研究生学位论文abs昀ct a b s t r a c t i ti sq u i t ev i t a lt ot r a n s m i td a t ae f f e c t i v e l ya n d r a p i d l yi nt h ei n t e r n e tf o r t h e r e a l t i m em u l t i m e d i aa n dn o n - r e a l t i m ef i l e d o w n l o a d i n gs e r v i c e s a c h i e v i n gt h eb e s t r e s u l tw i t hm i n i m u mr e s o u r c eo v e r h e a da n de x i s t i n gn e t w o r kb a n d w i d t h ，i so n eo ft h e h i n g er e s e a r c ha r e a st o d a y i pm u l t i c a s tp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yt ot r a n s m i tm u l t i m e d i a i nal i m i t e dn e t w o r kb a n d w i d t he n v i r o n m e n t ，a n dh a v ef o u n di t sa p p l i c a t i o n si nc e r t a i n f i e l d s ，b u td u et od i v e r s i f i e dl i m i t a t i o n s ，i pm u l t i c a s ti sn o tu s e dw i d e l yi nt h ei n t e r n e t a so n eo ft h eb e s ti m p r o v e dt e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o n l a y e rm u l t i c a s t ( a l m ) b e c o m e st h em a i ns c e n a r i ot op r o v i d em u l t i c a s ts e r v i c e si nt h ei n t e r n e t h e r e ，a l m t e r m i n a ln o d et r a n s m i t sd a t at oo t h e rn o d e s ，b ym e a n so fa l o g i c a lo v e r l a yn e t w o r kw h i c h i sc o n s i s t e do fu n i c a s t a l mo b t a i n s g r e a ta p p l i c a t i o n s i nt h ef i l e d i s t r i b u t i o n ， v i d e o o n - d e m a n d ，v i d e oc o n f e r e n c e r i c hi nn e t w o r kr e s o u r c e ，f r e eo fn e t w o r k a r c h i t e c t u r er e s t r i c t i o n ，a n dt o g e t h e rw i t hf a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d ，a l mi sw e l c o m e db y m o r ea n dm o r eu s e r s h o w e v e r , a tt h es a m et i m e ，p l e n t yo fa l m a p p l i c a t i o n sa r e f l o o d i n ga n db r i n g i n gh e a v ys t r e s st ot h en e t w o r k t oi m p r o v ei t se f f i c i e n c ya n dr e d u c e t h en e t w o r kp r e s s u r e ，i so n eo ft h ek e yr e s e a r c hf i e l d a i m sa td i f f e r e n tt y p eo fa p p l i c a t i o n s ，t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sa ne f f i c i e n ta l m m o d e lb a s e do nq u a d r a t i co p t i m i z a t i o n ，b yr e d u c i n gd a t at r a n s m i s s i o nd e l a ya n dc o n t r o l o v e r h e a dw i t h o u ti n c r e a s i n gc a l c u l a t i n go v e r h e a d ，t h i sm o d e lm e e t st h en e e do fv a r i o u s t y p e so fs y s t e m t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h i sm o d e l ，r e s u l t sw eh a v eg o ta sf o l l o w s ： 1 o n ed y n a m i cf l o a t i n ga l g o r i t h mi sg i v e no u t h e r e d u r i n gs o m ep e r i o do fat i m e ， w ec a l c u l a t ee a c hn o d e sp e r f o r m a n c e ，l i k et h er e s o u r c ec a p a c i t y t r a n s m i t t i n gs p e e d ，l i f e c y c l ea n do t h e rf a c t o r s ，w es e l e c tt h en o d e sw h i c hp o s s e s sr i c h r e s o u r c e ，s t a b l es t a t ea n d f a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d u n d e rt h e o p t i m i z a t i o n ，t h es y s t e mp r o c e s st h ea d v a n t a g eo fl o w o v e r h e a d ，h i g ht r a n s m i t t i n gs p e e d ，s t a b l e ，f l e x i b i l i t y , a n dn e e dn ot o p o l o g yi n f o r m a t i o n o fl o w e rl a y e r s 2 as h o r t e s t 。p a t h f i r s ta l g o r i t h mi sp r o p o s e dh e r et ob u i l das p a n n i n gt r e ew i t h i n e a c hr e g i o n a f t e rt h eq u a d r a t i co p t i m i z a t i o n ，t h es y s t e ma c h i e v e sa ni d e a ls t a t e s i n c e t 南京邮电大学硕士研究生学位论文abstract w ef o c u so nn o d e sp e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n ，w ec o u l dm o d i f yt h ep a r a m e t e r st om e e tt h e n e e d so fv a r i o u st y p e so fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n f i n a l l y , s i m u l a t i o ni sd o n et op r o v et h er e l a t i o n a lc o n c l u s i o n s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s r e v e a lt h a t ，t h e s et e c h n o l o g i e sc o u l dr e d u c ed a t ap a c k e t sl o s s ，a v e r a g ep a t hd e l a y , c o n t r o l o v e r h e a d ，a n di m p r o v et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , i tt u r n st h es y s t e mm u c hb e t t e ri nt h i s d i s o r d e r e da l ms i t u a t i o n sa n dp r o v i d e sh i g ht h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lc o s t k e y w o r d s ：a l m ，q u a d r a t i co p t i m i z a t i o n , d y n a m i c a lf l o a t i n ga l g o r i t h m ，s h o r t e s tp a t hf i r s t i i i 南京咖；f 1 1 大学硕士研究生学位论文目录 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 目录1 1 0 r 第一章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 主要研究工作2 1 3 论文的创新性3 1 4 论文结构安排3 第二章组播技术现状分析5 2 1 数据群组通信5 2 1 1 单播5 2 1 2 广播6 2 1 3 组播6 2 2i p 组播技术7 2 2 1 i p 组播技术综述7 2 2 2i p 组播常用协议7 2 2 3 实现p 组播的条件8 2 2 4i p 组播发展制约因素9 2 3 应用层组播技术10 2 3 1 应用层组播技术综述1 0 2 3 2 应用层组播相关概念10 2 3 3 应用层组播研究现状1 4 2 3 4 应用层组播优缺陷分析1 9 2 3 5 应用层组播性能评价标准21 第三章基于二次择优技术的应用层组播模型2 3 3 1 控制拓扑构建2 3 3 1 1 节点浮动算法2 3 3 1 2 拓扑结构维护。2 7 3 2 传输拓扑构建31 3 2 1a l m 网络路径参数3 1 3 2 2 基于最短路径优先的路径优化方法3 5 第四章模型性能分析3 7 4 1 模型性能参数介绍：3 7 4 2 仿真场景设置3 9 4 3 仿真结果分析一4 0 第五章总结与展望。4 4 i v 南京邮电大学硕：卜研究生学位论文 目录 。-。目_-。_。-_-_-_-_-_-_-_-_-_。-_i-_-_。-_-_l_-_-_-_一 5 1 论文总结一4 4 5 2 未来展望4 4 5 2 1 基于a l m 的视频点播4 5 5 2 2 安全问题4 5 5 2 3 跨层的应用层组播4 6 5 2 4 无线组播。4 7 致谢。4 8 参考文献4 9 硕士期间发表及录用论文5 2 v 南京邮电大学硕：上研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 伴随i n t e r n e t 的飞速发展和宽带城域网的兴起，语音、数据、视频等多种业务传 送需求高速增长，用户对于从网络下载资源的需求不断增大，通信业务传输环境也 发生了巨大变化。 在传统的客户机服务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式下，所有用户都必须连接服务器，从 服务器处获取资源。对服务器来说，越多机器的连接数目导致其负载越重；对客户 机来说，它们的下载速度基本依赖于网络带宽和地理位置，此外对网络状态的要求 也很高，如果在服务器到客户机之间的网络处于繁忙状态，则会严重影响客户机的 下载速度。 互联网中的多媒体应用逐渐增多，较为普及的多媒体应用，如网络直播( l i v e s t r e a m i n g ) 、视频点播( v i d e oo nd e m a n d ) 、媒体文件分发( m e d i af i l ed i s t r i b u t i o n ) 、视 频会议( v i d e oc o n f e r e n c e ) ，为用户带来丰富的视听体验，这些多媒体数据流量在目 前互联网承载的全部数据流中占了相当大的比重【1 1 。这些多媒体应用的共同特点是 数据业务量大、接收者众多、对服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 要求严格。若每 个终端用户同时发起至这些多媒体应用的独立单播连接，将会消耗大量网络带宽， 导致服务器性能下降。 为了解决上述困境，在互联网中需要使用可扩展的数据传输技术。组播 ( m u l t i c a s t ) ，是指在发送者和任一接收者间实现点对多点的网络连接。当一台发送者 给多个接收者发送相同数据，只需将数据包复制一份。组播提高了网络数据传送效 率，降低了骨干网络出现拥塞的可能性。 d e e r i n g 在1 9 8 8 年提出在i p 层实现组播功能的框架【2 1 。在该框架中，由支持组 播功能的路由器建立一个组播转发树，组播源只需发送一份数据拷贝，由组播路由 器负责对数据包进行复制和转发，最终到达每个接收终端。d e e r i n g 将数据报文的复 制转发交给路由器来处理，并不需要源节点一次复制多个同样的数据报文发送，同 一数据在物理链路中只要传输一次，从而减少了数据包在链路中的冗余传送，提高 了传输效率。 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 _ _ 。- 。- _ “。- _ - _ _ _ 。_ _ - 。_ _ _ 。_ _ _ - _ _ _ _ _ _ 。- 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ - _ 一 i p 组播一直都被认为是能够有效实现数据群发的技术，因为它能够将数据包的 复制减少到最小，但由于i p 组播本身所带来的各种难点和缺点【3 1 ，i p 组播技术虽 然经过十多年的研究和发展，仍然无法得到广泛部署和应用。 应用层组播( a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ，a l m ) 技术近年来获得业内广泛关注 【4 】【5 】【6 】【7 1 。与i p 组播相较而言，a l m 是在端系统实现组播转发，端系统间通过单播 连接，在应用层建立一个虚拟的覆盖网( o v e r l a yn e t w o r k ) ，部分接收者获取数据后， 再通过单播连接转给其它接收者。a l m 与i p 组播的根本区别在于，a l m 不需要路 由器提供i p 层组播功能，在端系统实现组播数据的复制转发，而i p 组播必须在路 由器上实现数据的复制转发。 应用层组播有很多优点。首先，a l m 无需修改现有的i n t e r n e t 底层，只需通过 端系统之问的协作，在应用层就可以实现组播。再者，现有单播技术中成熟的拥塞 控制、可靠性等特征完全可以移植到a l m 中。此外，因为端系统具有比路由器更多 的资源，如c p u 处理能力、存储容量等，a l m 可以利用这些资源对时延、吞吐率 等性能进行优化。 近年来应用层组播有了很大发展，但其作为一门新兴的技术仍不可避免地存在 很多缺陷，如组织混乱、带宽利用率低等，所以a l m 需要广大研究者继续对其进行 深入探索及改进。 1 2 主要研究工作 本文在对现有a l m 模型进行深入研究的基础上，提出新的应用层组播协议。该 协议具有较高的传输效率及良好的扩展性，主要面向实时应用，可根据系统内节点 进行数据传送时不同的q o s 需求，提供可靠的组播服务。论文的具体研究工作包括 以下方面： 1 阅读了大量的国内外a l m 相关文献，研究、分析，总结并归纳了现有的a l m 模型特征、优点及存在的问题，找出论文突破点。 2 针对现有a l m 模型的优缺点，设计了新的组播协议。考虑到实时应用对传 输时延和带宽的要求较高，该协议可针对用户对时延、带宽等不同应用需求进行参 数修改提供区分服务，此外，该协议同时具备高效的处理节点加入、离开的机制， 具有良好的扩展性。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 3 对本文设计的协议进行仿真，验证其性能。 4 总结新模型的优缺陷，思考进一步的研究方向。 1 3 论文的创新性 本文的创新之处在于： 1 提出了基于二次择优技术的应用层组播模型q o b ( q u a d r a t i co p t i m i z a t i o n b a s e d ) ，将属于同一个物理平面上的终端节点映射为网络二维逻辑结构，建立和维 护网络的逻辑层和域内树型拓扑结构。 2 采用一种节点浮动算法对系统拓扑中各域中心节点所在的逻辑层次进行调 整，以此达到a l m 拓扑网络传输性能的初步优化。 3 设计了一种基于最短路径优先的生成树算法，对区域内节点进行传输选路， 从而实现系统整体性能的优化。 1 4 论文结构安排 论文共分五章，每章的内容承上启下、相互衔接。文章首先阐述了应用层组播 产生的背景和现状，然后介绍目前主流模型存在的问题，在分析问题的同时提出解 决方案，最后对提出的方案加以论证。具体的内容安排如下： 第一章为绪论，回顾了组播技术在网络上的应用背景以及应用层组播与i p 组播 对比的优势和不足，分析了研究现状，接着阐述了本文所要研究和解决的问题以及 论文的组织和成果。 第二章介绍了组播的解决方案。组播最初建立在i p 层上，需要特定的设备支持， 由于i p 组播对网络的要求较高所以难以部署，引出了应用层的组播技术。本章将概 括性地对群组通信、i p 组播的原理进行描述，由此引出应用层组播技术。此外，本 章对应用层组播系统的体系结构进行研究，分析了应用层组播的结构特点，主要算 法，及主要性能评价标准。 第三章提出了一种二次择优技术的应用层组播模型。该模型在系统建立初始化 阶段，首先使用节点浮动算法对所有组员进行初次择优，将综合性能较优的节点放 到系统关键位置；之后，通过最短路径算法对传输路径进行二次调整，两次调整后， 3 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一章绪论 达到a l m 拓扑结构整体优化的目的。 第四章对第三章提出的模型进行仿真实验，首先介绍模型参数意义，接着详细 描述通过仿真平台建立的模型过程，最后分析结果，验证模型性能。 第五章为本文总结及展望，先总结新模型的观点，然后提出还有待深入研究的 问题。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章组播技术现状分析 2 1 数据群组通信 第二章组播技术现状分析 数据群组通信在八十年代的并行计算机系统及分布式系统中有较为广泛的应 用。群组的概念是动态的，可以创建新的组，也可以注销旧的组，与此同时，参与 者可以动态地加入或退出一个组，也可同时成为多个组的成员，所以，需要一种约 束机制来对组成员进行管理。目前的数据群组通信方式主要有以下三种： 2 1 1 单播 单播是指主机间一对一的通讯。如1 0 0 0 个客户机需要相同的数据，则服务器需 要逐一重复10 0 0 次相同的传输工作，服务器流量= 客户机数量x 客户机流量，在客 户数量大、客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负。但由于服务器针对每个 客户不通的请求可以发送不同的数据，容易实现个性化服务。 - 时p a c k e t sf o rr e c e i v e ra 一一p a c k e t s f o rr e c e i v e rc 图2 1 单播方式实现群发 如图2 - 1 所示，源主机向每个节点发送数据，在消耗巨大的服务器资源同时，客 户端却依然难以获得令人满意的服务质量。当一台服务器只需给少量接收者提供服 务时，客户端的服务质量能得到有效保证。但当有大量客户端主机向服务器提出需 5 南京帅乜人学硕士研究生学位论文第二章组播技术现状分析 求时，服务器主机网络负载愈发沉重，将导致出口堵塞的情况出现。与此同时，服 务器和客户端之间的网络链路易引发网络延迟增大、拥塞等问题。 2 1 2 广播 如图2 2 所示，在广播通信中，源主机只需发送一次数据包，而一个子网中的所 有主机都将接收地址为本子网广播地址的数据包。这种通过发送广播实现多点传送 的办法虽然最简单，但将强制子网内所有主机接收该广播。采用广播通信方式传送 数据包造成了局域网带宽的巨大浪费，极易造成路由环路，从而引起广播风暴。 2 1 3 组播 图2 - 2 广播方式实现群发 如图2 3 所示，组播是介于单播和广播间的一种数据传输方式，在发送者和任一 接收者间实现点对多点的网络连接。当一台服务器需要同时给多个终端发送相同数 据，只需复制一次数据包。它提高了数据传送效率，减少了骨干网络出现拥塞的可 能性。相较于前两种数据传输方式，组播可以更高效地利用网络带宽、降低网络流 量、提高数据传输效率。目前主流组播技术分为两种：种是在网络层实现的传统 i p 组播；另一种是在应用层实现的应用层组播。 6 南京邮电火学硕十研究生学位论文第二章组播技术现状分析 2 2i p 组播技术 2 2 1i p 组播技术综述 图2 3 组播方式实现群发 d e e r i n g 于1 9 8 8 年提出了将组播的功能机制添加到i p 层的组播结构，这种体系 结构称为i p 组播( i pm u l t i c a s t ) 。i e t fr f c l l l 2 对i p 组播业务的提供方式及形式进 行了描述定义，被认为是i p 组播的标准业务模型定义。 标准i p 组播模型定义了主机和i p 层应有的功能及上层所看到的业务形式。主 机组( h o s tg r o u p ) 是i p 组播概念的核心，是指多台主机所组成的主机组，用i p 组播 地址标识，组播数据以组地址为目标地址，采用i p 数据报的尽力发送( b e s te f f o r t ) 方 式转发至主机组包含的各台主机。组播路由器承担数据的所有寻址及转发控制功能， 所有的路由器及其链路在网络中形成控制组播数据传送的逻辑结构，称为组播转发 结构( d e l i v e r ys t r u c t u r e ) ，此结构一般是树形拓扑，称为转发树，转发树上的组播路 由器负责接收、复制、转发数据。 2 2 2i p 组播常用协议 i p 组播常用三种协议：i g m p ( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) i n t e r n e t 群组 管理协议，p i m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t ) 独立组播协议，d v m r p ( d i s t a n c e 7 南柬邮 l 尺学硕士研究生学位论文第二章组播技术现状分析 v 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 ) 距离矢量组播路由协议。 i g m p 协议主要运用于主机及与主机直连的组播路由器间，是i p 主机用来通知 多址广播组成员身份的协议。该协议一方面可以通过主机通知本地路由器希望加入 并接收某个特定组播组的信息；另一方面，路由器通过i g m p 协议可周期性检查局 域网内某个已知组的成员是否处于活动状态。i g m p 协议主要用途是用于解决网络上 广播时占用带宽的问题。 p i m 协议不依赖于某一特定的单播路由协议，它可利用各种单播路由协议建立 的单播路由表完成r p f ( r e v e r s e - p a t hf o r w a r d i n g ) 反向路径转发检查功能。由于该协 议无需收发组播路由更新，所以相较于其它组播协议，p i m 开销降低了很多。p i m 定义了密集模式( d e n s e - m o d e ) 和稀疏模式( s p a r s e m o d e ) 两种模式。p i m d m 采用了 “扩散剪枝”机制，同时假定了带宽不受限制，每个路由器都想接收组播数据包。该 模式适合于以下几种情况：组播源和接收者位置接近；发送者少，接收者多；高速 网络；组播数据流比较大且比较稳定。p i m s m 采用共享树进行组播数据包转发。 每一个组有一个r p ( r e n d e z v o u sp o i n t ) 汇聚点，组播源依照最短路径向r p 节点发 送数据，再由r p 节点沿最短路径将数据发送到各个终端，它适用于有多对组播数据 源和网络组数目较少的环境。 d v m r p 是一种互联网路由协议，为主机组提供一种面向无连接信息组播的有效 机制，它也是一个“内部网关协议”，只适合在自治系统内使用。 2 2 3 实现ip 组播的条件 实现i p 组播，除去组播源、接收者及两者之间的底层网络都需要支持组播， 即主机的t c p i p 支持i p 组播，主机的网络接口支持组播，此外还需要满足以下条 件： 1 具备完善的i p 地址分配策略，能够将三层i p 组播地址映射到二层m a c 地 址： 2 具备用于加入、离开及查询功能的组管理协议，即i g m p 协议； 3 具备支持i p 组播功能的应用软件； 4 具备所有用于组播源和接收终端之间的路由器、h u b 、交换机、t c p i p 协议 栈、防火墙等设备。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章组播技术现状分析 2 2 4ip 组播发展制约因素 从i n t e r n e t 发展进程及i p 网络的体系结构看，制约i p 组播业务发展的主要因素 包括如下： i p 组播的缺陷导致从9 0 年代初至今，i p 组播一直没有能够在i n t e r n e t 上得到 大规模应用。根据对i p 组播技术的分析，可以总结出i p 组播存在以下缺陷： 1 i p 组播是一种尽力而为的服务，因此当其需要面向高层提供应用时，如拥塞 避免、可靠传输、流量控制等，往往会比单播要难于控制。尽管目前已经出现了不 少针对以上性能要求的解决方案，但如果需要在大规模i p 组播中得到应用，仍需进 一步研究完善。 2 i p 组播要求路由器保留每个组播组的状态信息，因此路由器的路由及转发表 将需要为每个不同的组播地址保留相应表项，但由于组播地址并不像单播那样容易 集成，为了提供组播转发，我们需要在路由器上增加组播组管理协议，如i g m p ，来 维护组播接收终端的状态信息，此外还需要运行组播路由协议，如d v m r p 来进行 数据转发，路由器上的这些额外的开销使得i p 组播的扩展性交差。 3 i n t e r n e t 缺乏对于网络层的访问控制，i p 组播模型中也缺少有效的管理手段， 任何匿名用户均可加入某些特定的组会话。 4 由于存在安全隐患、运营成本过高等方面的制约，目前只有少数服务提供商 能够提供i p 组播业务，在很大程度上减缓了i p 组播应用的进一步普及，提高普及 率，需要针对现有网络进行较大规模改造。 5 i n t e r n e t 是一种异构网络，在异构环境中，i p 组播仍然存在某些问题。如，由 于多个用户共享同一网络通道，i p 组播虽然在网络传输效率上有较大提高，然而单 通道用户只能接收同样数据，不能同时满足不同用户的个性化需求，因此单通道组 播扩展性受到考验。 综上，由于i p 组播的服务模型仍存在的一些问题，使得其至今还未能在因特网 中得到广泛部署，只有当使用i p 组播节省的带宽大大超出它的管理开销时，i p 组播 才真正具备商业应用价值。 9 南期l i i l u ：净硕l 研究生学位论文第二章组播技术现状分析 2 3 应用层组播技术 2 3 1 应用层组播技术综述 a l m 是在端系统间实现组播转发的，端系统通过单播建立连接，尽量不改变原 有网络的结构，在应用层形成一个虚拟的覆盖网。部分接收者接收到数据后，再通 过单播转发给其它接收终端。a l m 与i p 组播的本质区别在于：a l m 在端系统完成 数据的复制转发，不需要路由器提供i p 层的组播功能；而i p 组播则必须在路由器 上实现组播数据的复制转发功能。由于对网络本身的改变很少，应用层组播具有很 好的灵活性。 i p 组播与a l m 的主要区别在于： 1 报文转发地点不同。i p 组播的报文转发须由系统的核心路由器来处理，而 a l m 的数据转发节点则是覆盖式网中的终端主机。 2 网络拓扑的创建不同。在i p 组播中，所有路由器需要预先部署，网络拓扑 难以改变，而a l m 是由节点问直连形成的一张有向或无向的虚拟图，完全屏蔽了底 层的物理网络拓扑，这种覆盖网的拓扑是完全可控的，并且易于利用一些额外的参 数对网络拓扑进行优化。 3 组成员关系维护方式不同。i p 组播的系统成员信息存储于组擂路由器中， 而a l m 的成员关系信息由各个节点自己保存或是由系统中的汇聚点集中控制，便于 灵活管理。 2 3 2 应用层组播相关概念 2 3 2 1 覆盖网络 在互联网层次化的结构模型中，应用层处于模型的最高层，基于传输层协议所 提供的服务应用层协议执行其相应功能。在网络技术迅猛发展的今天，相对稳定的 传输层所提供的服务早己不能满足互联网迅速膨胀的应用需求。覆盖网络技术的提 出为互联网研究指明了一个方向，覆盖网络简单说来就是应用层网络，它是面向应 用层的而基本不考虑网络底层，即物理层的问题。 l o 南京 j 1 i ；l 乜j ：。：硕 = 研究生学位论文第二章组播技术现状分析 图2 - 4 覆盖网协议位+ f 协议栈中的位置 覆盖网络允许传输没有i p 地址标识的终端节点的路由信息，如d h t ( d i s t r i b u t e d h a s ht a b l e ) 分布式哈希表，能够将路由信息发送到某个存储特定文件的结点，而事 先并不知道该结点的i p 地址，如p 2 p 就是一种覆盖网络。图2 4 所示为覆盖网协议 在t c p i p 协议栈中的所属位置。 覆盖网网络中的每个节点都是基础网络中端系统的主机或服务器，端系统在网 络层并没有分组转发功能，而是在应用层以特定方式进行分组的处理转发。覆盖网 络中节点之间的连接链路被当作为通过底层网络的隧道，这些逻辑链路也具备普通 网络的性能指标，如时延、带宽、误码率等，在相同的底层网络上可以同时存在多 个覆盖网络，每一张网络都可有其特定属性。 但覆盖网络也有其不足。根据互联网层次化的体系结构，上层协议无法获取底 层网络的拓扑及其性能参数，这为数据路径传递带来了相当难度，即便覆盖网中所 有节点可以完全掌握底层网络拓扑及链路性能参数，但因为端系统与其邻接路由器 间的迂回转发不可避免，使得覆盖网络的工作效率不及底层网络。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章组播技术现状分析 图2 - 5 位于物理网络上的覆盖网络 图2 5 为覆盖网络的逻辑示意图，底层网络中八个节点包含在两个子集中，子 集间通过彼此的单播连接，形成了星型及环型的两种拓扑的虚拟覆盖网络。 2 3 2 2 覆盖网络维护及优化算法 组播系统初始化阶段建立的覆盖网络结构往往不是性能最优的，原因在于，成 员节点的动态加入、退出进程，系统拓扑结构和链路状态的变动都将影响覆盖网络 的综合性能，此外，受系统控制策略的限制，覆盖网的拓扑需要实时维护，以反映 最新的网络动态。 应用层组播系统中，成员节点通常通过周期性的发送保持消息( k e e p a l i v e m e s s a g e ) 向邻居报告自身动态，或通过探针消息( p r o b e m e s s a g e ) 探测周围节点的链路 状态并对失效节点进行检测，如果系统需要，则将链路状态信息一并提交给相应节 点处理，在获取全局局部链路信息的基础上，系统节点执行规定的拓扑优化算法， 同时对新的邻居节点进行搜索。 当a l m 系统从旧的拓扑向新的拓扑结构转变的瞬间有可能造成覆盖网传输信 息的丢失，因此，覆盖网结构优化需要在系统的稳定性及传输效率之间进行平衡。 当改变拓扑带来的收益不足以抵消改变网络结构所花费的开销时不应该进行拓扑的 调整。a l m 主要通过两种方法选择拓扑优化的时机：一是概率控制，当成员节点发 现可以优化拓扑时并不是立即更新进行网络结构，而是以p 概率启动触发更新过程， p 值与拓扑优化所得利益成j 下比，比例系数k 由实际应用对系统的稳定性及传输效 率要求进行取值，较高的k 值代表用户对传输效率的关心优先于对数据传输可靠性 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章组播技术现状分析 的关心，低k 值则表示用户更希望拥有相对稳定的拓扑，保证数据的安全传输，提 高传输的可靠性能；二是预先设定阀值h 限制拓扑优化过程的发生，只有当计算出 拓扑优化后获取的利益超过h 时才允许启动优化进程，h 值同样反映了用户需求， 如对系统中某一节点而言，其出度的优化是有必要的。 当系统成员退出或是失效时，容易造成覆盖网络的割裂，甚至导致后继节点的 数据传送中断，因此覆盖网的割裂恢复机s t j ( p a r t i t i o nr e c o v e r y ) 是必须的，其关键在 于如何迅速发现失效节点并及时恢复数据传输服务。失效恢复需要依靠控制拓扑良 好的连通性，而连通性又与节点间状态信息的交换频度、强度有紧密联系，因此这 里存在组播系统性能和开销之间的折中问题【8 】。 2 3 2 3 最小生成树( m i n i m u ms p a n n i n gt r e e ，m s t ) 组播系统的一项重要工作就是构建生成树，使得组播