（控制理论与控制工程专业论文）基于主动网的大规模可靠多播研究.pdf

修复主机完成。修复主机与路由器之间的关联是动态的，它可以根据网络拓 扑结构的改变和多播会话成员的变动而动态更新。修复主机的引入可以将恢 复重传工作分散到网络中的多个节点中完成，减轻了发送者的负担，缩短了 恢 复 响 应 时 间 ， 同 时 也 避 免 了 路 由 器 存 储 ” 源 的 过 渡 消 耗 。 y, 提 出 了 基 于 速 率 的 t c p 友 好 多 播 拥 挤 控 ， 。模 型 ( r t m c c ) d 在 该 模 型 中 ， 。 用 t c p的长期通信量模型直接控制发送者的传输速率。r t mc c 没有模仿 t c p的短期行为，而是从长期平均吞吐率角度保持与丁 c p友好，与t c p相 比 ， r t m c c 提 供 了 更 为 平 稳 的 ” 输 率 变 化 。 方 今 提出了局部往返时间累计测量方法 返时间的测量，该方法不需要维护 路由器辅助下完成接收者到发送者往 同步时钟，同时也不会引入过多的带 宽 消 耗 和 反 馈 爆 炸 。 y . 提出了基于层次的反馈信息汇聚，以及基于最小传输速率的反馈信息抑制和 基 于 随 机 定 时 器 的 反 馈 信 息 抑 伟 。等 策 略 。 冬 证 具 有 最 低 传 输 速 率 的 接 收 者 的 反馈能够到达接收者， 并将到达发送者的反馈信息控制在较小的数量。 同时， 我们引入了拥挤控制指定接收者 c c d r )的概念， 利用c c d r的反馈信息及时提高发送者的传输速率。 在网络拥挤状况缓解时 t . 论文采用了基于主动网的解决方案， 通过在路由器中增加主动应用来执行逻 辑树的创建与维护、 反馈信息的汇聚与抑制、 重传报文的选择性多播等功能， 为可靠多播协议的快速升级和部署提供了有效的方法。 关键词:主动网络，可靠多播，差错控制， 、又 / 拥挤控制， / i p 多 择 、 了 ab s t r a c t i p m u lt i c a s t p r o v i d e s a n e f f i c ie n t c o m m u n i c a t i o n m e t h o d f o r o n e - t o - m a n y a n d m a n y - t o - m a n y n e t w o r k a p p l i c a t i o n s , b u t l i k e t r a d i t i o n a l i p , it g u a r a n t e e s o n l y b e s t e ff o r t d e l i v e r y a n d a l s o d o e s n o t i m p o s e a n y r e s t r i c t i o n s o n t h e d a t a r a t e . t h i s g i v e s r i s e t o t w o p r o b l e m s . f i r s t , s o m e o f t h e p a c k e t s s e n t f r o m t h e s e n d e r m a y n o t r e a c h a l l t h e r e c e i v e r s , w h i c h i s t h e p r i m e r e q u i r e m e n t f o r m a n y i m p o r ta n t a p p l i c a t i o n s , s u c h a s , d i s t r i b u t io n o f s o f t w a r e , d i s t r i b u t e d c a c h e , i n f o r m a t i o n d i s s e m i n a t i o n , s h a r e d w h i t e b o a r d , a n d d i s t r i b u t e d i n t e r a c t i v e s i m u l a t i o n , e t c . s e c o n d , m u l t i c a s t a p p l i c a t i o n s t r a n s m i t t i n g d a t a a t u n c o n t r o l l e d r a t e s c a n o v e r w h e l m n e t w o r k r e s o u r c e s , c a u s i n g c o n g e s t i o n , a n d m a y s t a r v e e x i s t i n g u n i c a s t a p p l i c a t i o n s o f a v a i l a b l e n e t w o r k b a n d w i d t h , r e s u l t i n g i n u n f a i r s h a r i n g o f a v a i l a b l e n e t w o r k b a n d w i d t h a m o n g c o m p e t i n g m u l t i c a s t a n d u n i c a s t s e s s i o n s . t h e r e f o r e i t i s n e c e s s a r y t o p r o v i d e r e l i a b l e d e l i v e r y a n d c o n g e s t i o n c o n t r o l m e c h a n i s m s o n t o p o f i p mu l t i c a s t . b u t t h e n a t u r e o f mu l t i c a s t c o mmu n i c a t i o n i n t r o d u c e s n e w c o n s i d e r a t i o n s a n d p r o b l e m s i n t h e d e s i g n o f r e l i a b l e m u l t i c a s t t r a n s p o rt p r o t o c o l s , e s p e c i a l l y f o r t h e l a r g e - s c a le m u l t i c a s t s e s s i o n . mo s t o f t h e k n o w n r e l i a b l e m u l t i c a s t p r o t o c o l s p r o v i d e e f fi c i e n t m e t h o d f o r f e e d b a c k i m p l o s i o n , d u p l i c a t e r e p l y , a n d e f f i c i e n t d i s t r i b u t i o n o f l o s s r e c o v e r y b u r d e n , b u t n o t g i v e r e a s o n a b l y e f f i c i e n t s o l u t i o n f o r r e t r a n s m i s s i o n s c o p i n g , w e l l - s u i t e d g r o u p m e m b e r s h i p c h a n g e s d y n a m i c a l l y , s c a l a b l e o f r e l i a b l e m u l t i c a s t p r o t o c o l , a n d f a i r c o n g e s t i o n c o n t r o l t h i s d i s s e rt a t i o n p r e s e n t s t h e r o u t e r - a s s i s t e d e r r o r c o n t r o l m e t h o d a n d t h e r a t e - b a s e d t c p - f r i e n d l y m u l t i c a s t c o n g e s t i o n c o n t r o l m e t h o d o n t h e l a r g e - s c a l e m u l t i c a s t s e s s i o n , w h i c h s o l v e s s o m e p r o b l e m o n r e l i a b l e m u l t i c a s t e f f i c i e n t l y . o u r m a i n a c h i e v e m e n t i n c l u d e : . . we p r e s e n t t h e r o u t e r - a s s i s t e d h i e r a r c h y m o d e l , w h i c h t a k e s a d v a n t a g e o f l o c a t i o n a n d k n o w l e d g e o f t o p o l o g y o f r o u t e r s t o b u i l d a h i e r a r c h y b e i n g c o n g r u e n t w i t h m u l t i c a s t d i s t r i b u t i o n t r e e . t h i s h i e r a r c h y m o d e l c a n c o n t r o l m u l t i c a s t r e t r a n s m i s s i o n e f f i c i e n t l y , i m p l e m e n t s e l e c t e d s u b t r e e m u l t i c a s t , s c o p i n g r e t r a n s m i s s i o n , a n d a v o i d r e t r a n s m i s s i o n e x p o s u r e . a t t h e s a m e t i m e i t c a n a l s o s u i t t h e d y n a m i c c h a n g e o f g r o u p m e m b e r s h i p a n d n e t w o r k t o p o l o g y v e ry w e l l . i n r o u t e r - a s s i s t e d h i e r a r c h y m o d e l , w e i n t r o d u c e t h e c o n c e p t o f t h e r e p a i r h o s t s ( r h ) . r o u t e r s n e v e r b u f f e r d a t a p a c k e t . r e p a i r h o s t s a s s o c i a t e d w i t h r o u t e r s a r e r e s p o n s i b l e f o r b u f f e r i n g d a t a p a c k e t a n d p e r f o r m in g r e t r a n s m i s s i o n r e c o v e r y t a s k s . r e p a i r h o s t s a r e a s s o c i a t e d w i t h r o u t e r s d y n a m i c a l l y , w h i c h c a n b e u p d a t e d a c c o r d i n g t o t h e d y n a m i c c h a n g e o f g r o u p m e m b e r s h i p a n d n e t w o r k t o p o l o g y . t h e i n t r o d u c t io n o f r e p a i r h o s t s c a n d i s t r i b u t e r e c o v e r y t a s k o v e r m a n y n o d e s , l i g h t e n t h e b u r d e n o f s e n d e r , a n d m a i n t a i n l o w r e c o v e r y l a t e n c y . a s t h e s a m e t i m e i t a l s o a v o i d t h e a d d i t i o n a l c o n s u m e o f t h e s t o r a g e r e s o u r c e o f r o u t e r s , . 今 we p r e s e n t t h e r a t e b a s e d t c p - f r i e n d l y m u l t i c a s t c o n g e s t i o n c o n t r o l m o d e l ( r t mc c ) . i n t h i s m o d e l , t h e s e n d in g r a t e i s a d j u s t e d d i r e c t l y b y t c p a v e r a g e l o n g - t e r m t h r o u g h p u t m o d e l . r t mc c d o e s n o t s i m u l a t e t c p s h o r t - t e r m b e h a v i o r a n d k e e p t c p - f r i e n d l y i n a v e r a g e l o n g - t e r m t h r o u g h p u t . a s c o m p a r e d w i t h t c p , r t mc c p r o v i d e r e l a t i v e l y s m o o t h c o n g e s t i o n c o n t r o l . we p r e s e n t t h e s c a l a b l e r o u n d - t r i p t i m e m e a s u r e m e t h o d , w h i c h c a l c u l a t e s t h e r t t f r o m s e n d e r t o r e c e i v e r u s i n g t h e s u m o f l o c a l r o u n d - t r i p t i m e . i t d o s e n o t r e q u i r e t h e g l o b a l s y n c h r o n i z e d c l o c k s a n d a l s o d o e s n o t c a u s e e x c e s s i v e t r a f f i c a n d f e e d b a c k i m p l o s i o n 今 we p r e s e n t t h e h i e r a r c h y - b a s e d f e e d b a c k a g g r e g a t i o n , t h e m i n i m u m r a t e f e e d b a c k s u p p r e s s i o n , a n d t h e r a n d o m t im e r f e e d b a c k s u p p r e s s i o n . i t e n s u r e s t h a t t h e s e n d e r c a n a l w a y s g e t f e e d b a c k f r o m t h e r e c e i v e r h a v i n g t h e m i n i m u m e x p e c t e d t h r o u g h p u t w i t h o u t b e i n g o v e r w h e l m e d b y f e e d b a c k f r o m a l l t h e o t h e r r e c e i v e r s . i n a d d i t i o n , w e i n t r o d u c e t h e c o n c e p t o f t h e c o n g e s t i o n c o n t r o l d e s ig n a t e r e c e i v e r ( c c d r ) , t h e s e n d e r c a n u s e t h e c c d r s f e e d b a c k t o i n c r e a s e t h e t r a n s m i s s i o n r a t e 今 w e i m p l e m e n t t h e r e l i a b l e m u l t i c a s t i n a c t i v e n e t w o r k , w h i c h u s e s t h e a c t i v e a p p l i c a t i o n i n r o u t e r t o b u i l d a n d m a i n t a i n t h e l o g i c a l t r e e , t o a g g r e g a t e a n d s u p p r e s s f e e d b a c k , a n d t o r e a l i z e s e l e c t e d s u b t r e e m u l t i c a s t o f r e t r a n s m i s s i o n p a c k e t . i t p r o v i d e s a n e f f i c i e n t m e t h o d f o r r a p i d l y u p d a t e a n d d e p l o y m e n t o f r e l ia b l e m u l t i c a s t p r o t o c o l . k e y w o r d : a c t i v e n e t w o r k , r e l i a b l e mu l t i c a s t , e r r o r c o n t r o l , c o n g e s t i o n c o n t r o l , i p mu l t i c a s t 第1 章 可靠多播研究概述 本章首先分析了i p多播服务的优势以及在i p多播服务之上提供可靠多播服务的 必要性，指出了在设计可靠多播协议时所面临的问题， 之后对差错控制策略和拥挤控 制策略进行了综述性分析， 并对相关的研究工作进行了简要介绍， 最后给出了我们系 统的设计目 标、设计方法、设计原则，以及论文的组织结构。 1 . 1 i p多播服务 随着 i n t e r n e t 的发展，要求一对多或多对多通信形式的网络应用迅速增长，如视 频会议、信息发布、软件升级、分布式高速缓存、共享白板、网络游戏、分布式交互 仿真等，这些网络应用的一个共同特点是通常拥有大量的接收者，如果仍然使用传统 的i p 服务进行通信，则会造成网 络资源的 极大浪费， 而i p多播服务h l 为这类网络应 用提供了一种有效的通信手段。 为了实现一对多或多对多通信，传统的 i p协议需要借助于多个单播通信或1播 通信来完成，这两种方式都会造成网络带宽的不必要消耗。图 1 . 1 所示的是一个一对 多通信示例，源节点s需要向9个接收者r 1 - r 9发送相同的数据。如果采用单播通 信方式 ( 图 1 . 1 a ) ,源节点s需要发出9 个相同的报文分别发送给9个接收者，相同 的报文在多数链路上会重复出现， 造成网络带宽的浪费， 特别是对于靠近源节点s的 链路将随着接收者数目的增多而成为网络带宽的瓶颈。同时，在单播通信方式中要求 源节点保存所有接收者的 i p地址，并向每个地址独立发送报文，这也给源节点带来 了额外的处理上的开销。因而这种方式限制了能够支持的接收者数目。如果采用广播 通信方式 ( 图 1 . 1 b ) ，源节点s只需要发出一个报文，该报文将沿着网络的所有路径 进行扩散，最终到达网络中的所有主机，而真正希望接收数据报文的接收者 ( 如 r 1 - r 9 )通常只是其中的一小部分，大量主机需要丢弃接收到的数据报文。这种方式 在 i n t e r n e t 这种互联网环境中是无法接受的，它一方面会造成网络带宽的大量浪费， 另一方面也给不希望接收数据报文的主机增加了不必要的处理开销。如果采用 i p多 播通信方式 ( 图1 . 1 c ) ,源节点s 也只需要发出一个报文，该报文沿多播分布树传递 基于主动网的人规模可靠多播研究 方面山于不提供任何拥挤控制机制， 多播应用将以没有任何控制的速率向网络中注 入数据，可能会淹没网络资源，引起网络拥挤，同时也会使存在的其他应用的可用网 络带宽极度缺乏， 造成网 络带宽使用的不公平性。 r f c 2 3 5 7 11 2 1 文档中指出 i n t o d a y s i n t e r n e t , r e li a b l e mu l t i c a s t p r o t o c o l s c o u l d d o g r e a t d a m a g e t h r o u g h c a u s i n g c o n g e s t i o n d is a s t e r s i f t h e y a r e w i d e ly u s e d a n d d o n o t p r o v i d e a d e q u a t e c o n g e s t i o n c o n t r o l . 这表明如果不提供适当的拥挤控制功能， 可靠多播协议将不能在i n t e r n e t 中被广泛 使用。由于多播通信的数据流沿着整个多播分布树传播， 可能会到达i n t e r n e t 中的大部 分区域， 如果没有有效的拥挤控制机制， 多播通信会比单播通信对i n t e r n e t 产生更大的 威胁。因而在i p 多播服务之上提供适当的可靠性保证机制和拥挤控制机制是十分必要 的。 1 .3 设计可靠多播协议面临的问题 保证多播通信的可靠性要比保证单播通信的可靠性复杂得多， 多播通信的本质使 在设计可靠多播传输协议时面临许多新的问题和挑战， 特别是对于大规模、可扩展的 多 播会话这些问 题会变得更加复杂。 1 .3 . 1 避免反馈爆炸 为了 保证多播通信的可靠性， 接收者需要向 源节点发送适当的反馈信息。 传统的 差错控制方法采取正确认， 即接收者对每个正确接收到的数据报文向源节点发送一个 确认报文 ( a c k )。 然而一个多播会话可能拥有大量的接收者，如果所有接收者独立 地确认每个数据报文，那么来自 接收者的大量 a c k报文会导致源节点及其相邻链路 过载，引起a c k爆炸。 为了避免a c k爆炸可以采用负确认，即接收者对每个检测到的丢失报文发送一 个重传请求报文 ( n a c k ) o n a c k方法比a c k方法可能更实际，因为n a c k的数 目可能远远小于 a c k 的数目，但当网络规模比较大或丢失概率比较高时也会发生 n a c k爆炸， 如图1 .2 a 所示。因而不论采取正确认还是负确认， 在设计可靠多播协议 时都必须考虑如何解决反馈爆炸问题。 第 i 章列靠多播研究概述 l煦 收到报文的接收者 丢失报文的接收者 重传报文 n a c k m求 卡今 x 报文丢失 未人rz琳111.ll111111.l.ll ， 众 奉 兔 r34 1 ( r5 李，./狱 . /狱 rc 2 rc 3 rc 4 rc 5 rc 6 rc 7 rc 2 rc 3 rc 4 rc 5 rc 6 rc 7 ( a ) 反馈爆炸( b ) 重传暴露 图 1 . 2 反馈爆炸和重传暴露问题 1 .3 . 2 限制重传范围 为了保证接收者可靠地接收多播数据报文， 丢失的数据报文必须由源节点或其他 代理进行重传。 在丢失概率较高或接收者数目 很大时， 可能会有许多接收者要求重传 相同的数据报文， 在这种情况下， 如果使用单播方式重传丢失的数据报文则效率不高， 通常采用多播方式重传丢失的数据报文。如果采用多播方式重传数据报文，则将重传 的数据报文发送给多播组中的所有接收者， 这会给未经历报文丢失的接收者增加额外 的处理开销，同时也会造成网络带宽的浪费和总体性能的下降，这个问题在只有少量 接收者经历报文丢失时显得尤为突出， 如图1 .2 b 所示。 因而在设计可靠多播协议时既 要提供较高的重传效率又要尽可能限制重传范围。 1 .3 .3 重传负担的有效分布 当接收者数目较大或丢失概率较高时， 至少有一个接收者丢失数据报文的可能性 很高， 这意味着每个报都需要重传而且可能需要多次重传， 源节点及其相邻的链路很 可能成为整个网络的瓶颈。因而在设计可靠多播协议时需要考虑丢失重传负担的有效 分布问题，如果将辅助丢失重传的处理能力布置在靠近源节点的位置，仍然不能有效 祛十主动网的大规模可靠多播胡究 地利用网络带宽和缩短恢复响应时间，因而通常采用就近恢复原则，即本地恢复，但 如问实现该原则是设计可靠多播协议的难点之一。 1 . 3 .4 公平的拥挤控制 大规模多播会话的拥挤控制也是一个具有挑战性的问题。 最广泛使用的拥挤控制 方法是源节点响应接收者的拥挤反馈来调节自己的发送速率。但在多播会话中，由于 多播分布树的不同部分其拥挤状况可能不同， 在决定整个多播分布树的数据传输速率 时必须考虑这些差异，因此必须以可扩展的方式从大量接收者处收集拥挤反馈信息， 然后在源节点合并成单一的速率控制策略。 此外，多播会话传输速率调节算法的设计 必须保证与其它单播或多播会话公平地共享可用的网络带宽。 除此之外，多播会话的成员可能是经常变动的，包括新成员加入、老成员退出、 以及链路断接等，因而设计可靠多播协议必须能够适应组成员和网络拓扑的动态变 并具有良好的可扩展性。 差错控制策略研究 可靠多播传输协议中的差错控制可以采用基于发送者的差错控制方法 ( s e c , ，泊哈 化l s e n d e r - b a s e e r r o r c o n t r o l )和基于接收者的差错控制方法 ( r e c , r e c e i v e r - b a s e e r r o r c o n t r o l ) , 可靠性， 也可以利用转发差错校正 ( f e c , f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o n )来保证传输的 下面我们对这几种差错控制方法进行分析。 1 . 4 . 1 基于发送者的差错控制 在基于发送者的差错控制方法中，发送者负责检测报文的丢失并进行恢复重传， 接收者的工作相对简单，只负责接收数据报文， 夕 犷 为每个正确接收到的数据报文发送 a c k 。 但是如果简单地将这种方 法应用于多播通信， 一方面在接收者数目 较大时会产 生a c k爆炸，另一方面发送者需要维护每个接收者的状态信息以检测报文丢失，并 进行重传，这会增加发送者的负担，使发送者及其相邻链路成为瓶颈，从而降低网络 总体性能，因而需要对传统方法采取适当的增强策略。目前主要采用的方法包括累积 a c k确认、基于环的a c k确认和基于树的a c k确认等。 第 1 章可靠多播研究概述 1 .4 . 1 . 1累积a c k确认 将多 个a c k合并 在一个 报文中 发送! 13 可以 在一定 程度上减少a c k报文的 数目 ， 能够支持相对较多的接收者。但是这种方法不能将接收者的信息及时反馈给发送者， 使基于发送者的拥挤控制机制不能可靠地工作， 而且当接收者数目较大时， 仍然会产 生反馈爆炸问题，不具有很好的可扩展性。 1 . 4 . 1 . 2基于环的a c k确认 将接收者组成一个逻辑环 1 4 ， 一 个a c k令 牌沿 逻辑环传 递， 持 有a c k令牌的 接 收者称之为令牌站点， 只有令牌站点负责向发送者发送a c k确认， 发送者利用a c k 超时机制判断报文丢失并进行恢复重传。接收者根据令牌站点多播的a c k判断是否 有报文丢失， 如果有报文丢失， 接收者向 令牌站点发送n a c k报文以请求恢复丢失的 数据报文。 如果逻辑环中的下一个接收者正确地接收到了当前令牌站点接收到的所有 报文，则令牌站点将 a c k令牌传送给逻辑环中的下一个接收者。一旦令牌被传递， 前一个令牌站点便可以清除接收数据缓冲区，而发送者接收到 a c k确认便可以删除 相应的数据报文。 基于环的a c k确认方法通过发送单一的a c k确认来控制a c k爆炸，通过将恢 复工作分配到所有的接收者以减轻发送者的负担。 但是在这种方法中逻辑环本身的创 建和维护比较困难，同时逻辑环结构也很难与多播树结构保持一致。 1 .4 . 1 . 3基于树的a c k确认 将接收者组织成逻辑树结构 1 5 t 1 6 1 ， 接收者向 其父节点发送a c k ， 父节点对a c k 汇聚后再向其上游节点发送a c k ， 通过a c k的逐级汇聚后最终只有一个或少量几个 a c k到达源节点。基于树的a c k确认方法所涉及的关键问 题主要包括以下两方面: 1 .逻辑树的创建和维护 基于树的a c k确认方法的可扩展性限制主要来自 于逻辑树的形成和维护机制。 逻辑树的创建可以采用动态或静态方法， 静态方法在多播会话建立时确定父节点与子 节点的关系，形成逻辑树，而动态方法可以根据组成员和网络拓扑结构的变化重新组 基十主动网的大规模可靠多播研究 织逻辑树。 静态方法不能适应多播组成员的变动和网络拓扑结构的改变，动态方法比 较灵活，但要求复杂的父节点发现机制，并会引入过多的额外开销。 2 .子树多播问题 在荃于树的 a c k确认方法中，为了减轻发送者的重传负担，恢复重传通常山逻 辑树中的中间节点完成，因而中间节点需要向它的下游子树多播重传数据报文。能否 实现子树多播依赖于逻辑树与多播分布树之间是否有很好的关联， 好的逻辑树形成机 伟 ij 以及使用适当的行政机制划分多播组有助于子树多播的实现， 使用多个多播组也可 以实现子树多播，但是维护多个多播组需要较高的代价。 基于树的a c k确认方法比逻辑环方法容易配置，逻辑树的构建可以利用更多的 本地信息 、 ， 比构建逻辑环更容易。 逻辑树比逻辑环具有更高的容错机制， 在逻辑树中， 一个节点出现故障只影响相应的子树，并且故障节点很容易在本地被旁路，而直接向 逻辑树中的更高一级节点发送 a c k 。如果可以很好地形成逻辑树， 基于树的a c k确 认机制是可靠多播传输协议中最具扩展性的解决方案。 1 .4 .2 基于接收者的差错控制 在基于接收者的差错控制方法中， 主要的工作由 接收者完成， 接收者负责接收数 据报文、 检测报文丢失， 并为每个丢失的报文发送重传请求。 这种方法减轻了发送者 的负担， 发送者不需要了 解有多少接收者，也不需要保存接收者的状态信息， 只负责 接收n a c k请求， 并重传数据报文。 在这种方式中反馈信息的数量远远小于基于发送 者方法中的反馈信息数量， 然而对于大规模的多播应用， 如果大量的接收者丢失了相 同的报文，并每个接收者都单独发送一个n a c k请求， 如果不采取任何n a c k抑制 策略，则会引起n a c k爆炸。 对于 的丢失， n a c k确认，发送者只需要来自 任何一个接收者的单一n a c k来指示报文 这有利于 后有唯一的 数据报文。 nack n a c k抑制和汇聚的实现。n a c k抑制的目 标是在丢失被检测到 到达发送者或代理节点， 并且丢失报文的接收者接收到唯一的重传 目前实现n a c k抑制主要采用随机退后延迟方法，而n a c k汇聚可以采 用基于树的层次结构。 第 缸川分多播研究概述 1 . 4 .2 . 1随机退后延迟n a c k抑制 随机退后延时方法主要是利用不同的延迟时间在所有检测到报文丢失的接收者 中动态地确定一个n a c k发送者， 并从所有拥有丢失报文的接收者 ( 包括发送者) 中 动态选择一个应答者。检测到报文丢失的接收者在发送n a c k之前启动退后定时器， 延迟时间较短的接收者首先多播n a c k报文， 如果丢失相同数据报文的其他接收者在 延时到期之前接收到 n a c k报文，则抑制自己的n a c k发送。发送重传数据报文也 采用类似的延迟策略。 这种方法一方面避免了n a c k爆炸， 另一方面也将丢失恢复工 作分散到所有的接收者，减轻了发送者的重传负担。 随机退后延时方法中的定时器可以使用指数加权随机定时器和距离加权随机定 时器。 距离加权定时器可以提供较小的反馈延迟， 但会产生重复的n a c k请求和重复 应答，而指数加权随机定时器可以很好地适应大规模多播会话。 1 .4 .2 . 2基于树的n a c k汇聚 与基于树的a c k确认方法类似，也将接收者组织成逻辑树结构，丢失报文的接 收者向其父节点发送n a c k ，父节点接收到n a c k请求后作如下处理: . 如果有丢失的数据，则直接响应n a c k请求。 . 如果没有丢失的数据，但已经向上游节点发送了n a c k ，则记录该请求。 今 如果没有丢失的数据，而且没有向上游节点发送 n a c k，则向其上游节点发 送 n a c k请求。 n a c k汇聚方法支持本地恢复，缩短了恢复响应时间 基于树的n a c k汇聚方法也涉及逻辑树的创建和维护问题， 并能避免反馈爆炸问题。 以及子树多播问题。 使用基于接收者的差错控制方法发送者难以确定何时释放数据缓冲区， 如果发送 者需要获知特定接收者是否接收到了所有数据，则需要附加的确认机制。此外， 这种 方法提供较少的反馈信息，基于发送者的拥挤控制机制无法正常工作。 1 . 4 .3 报文级转发差错校正 转发差错校正 ( f e c )是保护数据避免出现错误常用的技术，发送者在发送数据 砖十土动网的人规模司靠多播训究 时发送冗余信息，接收者即使丢失某些数据也可以重建原始数据2 8 1 。简单的报文级 f e c是将要发送的报文形成一个组，然后对这一组中的报文进行异或形成一个新报 文，新报文与原始报文一起发送。假设有三个原始报文和 x o r报文被发送，如果接 收者丢失了一个原始数据报文， 但接收到了x o r报文， 便可以重建丢失的原始报文。 更通用的报文级f e c允许用k 个原始数据报文产生n ( n k )个编码报文，只要接收 到n 个编码报文中的k 个，则能够重建k 个原始数据报文2 2 1 2 3 1 f2 4 1 15 1 1 实现报文级f e c 有两种方法， 即抢先式f e c和反应式f e c 。 在抢先式f e c方法 中， 发送者预先确定每一轮发送的编码报文数。 在反应式f e c方法中， 发送者最初只 发送原始数据报文， 然后利用接收者的反馈信息计算每一轮中经历最多丢失的接收者 丢失的报文数目， 根据丢失的报文数为该轮发送附加的编码报文。 抢先式f e c和反应 式f e c可以合并使用，例如，每一轮可以 发送一定数量的抢先式 f e c ，如果有接收 者经历了更多的丢失，它可以请求和接收附加的编码报文。 f e c方法是对简单重传方法的增强， 可以减少重传请求的数目 。 但它要求将传输 的数据报文组织成组， 延长了端到端的响应时间， 因而只能适合于非实时的多播应用。 此外， f e c方法可以是开环的， 不需要接收者发送任何反馈信息。 对于某些没有返回 路径或返回路径很窄的网络结构， 如卫星广播网络， 只能使用f e c方法保证传输的可 拥挤控制策略研究 多播拥挤控制是可靠多播研究的难点， 许多可靠多播协议没有提供适当的拥挤控 性5 靠l 制功能，或者只提供了很简单的拥挤控制功能。多播拥挤控制可以采用单速率或多速 率，可以由 发送者控制或接收者控制，归纳起来主要包括如下几种方法: . 发送者控制， 单一多播组: 数据分布采用单一多播组， 发送者利用接收者的反 馈信息控制发送数据的 速率，其目 标是以 最慢接收者的速率进行传送3 1 1 令 接收者控制， 单一多播组: 数据分布采用单一多播组，由接收者判断网络是否 处于拥挤状态，如果某个接收者检测到从发送者到自己的路径出现了拥挤，则 接收者离开多播组。 第 1 章可靠多播研究概述 今 接收者控制， 多个多播组: 发送者将数据组织成多个层次， 分别向多个多播组 发送， 接收者根据他们测量到的网络拥挤状态加入或离开某个多播组。 这种方 法的关键在于瓶颈链路后面的接收者之间的有效协调， 要求他们能够同步加入 或 离开 多 播 组， 否 则 无 法 利 用多 播 树 剪 枝 来 缓 解网 络 的 拥挤 状 况 2 9 113 0 4 2 4 3 1 . 路由器辅助方法:在多播路由器中增加附加的机制来辅助实现多播拥挤控制， 主要包括限定条件加入、 通信量过滤、公平队列等。 这种方法通常要求路由器 维护更多的状态信息及完成更多的处理任务，比较适合于i n t r a n e t 环境。 1 . 6 相关的研究工作 可靠多播研究近几年一直是比较活跃的研究领域， 国外在这方面已经做了许多j - 作， 提出 了 多 种解 决 方 案。 具 有 代 表 性的 研究 包 括s r m ( s c a la b l e r e li a b le m u l t ic a s t ) , r mt p ( r e l i a b l e mu l t i c a s t t r a n s p o r t p r o t o c o l ) , l b r m ( l o g - b a s e d r e c e i v e r - r e l i a b l e m u l t i c a s t ) 和t m t p ( t r e e - b a s e m u l t i c a s t t r a n s p o rt p r o t o c o l ) 等，下面我们对这些研 究做简单的介绍。 1 . 6 . 1 s rm s r m i 1 7 1 13 5 4 1 4 4 ) 采用n a c k确认机制， 利用随机退后定时器抑制n a c k报文和重 传数据报文的发送，避免引起n a c k爆炸和重复应答。s r m 炸问题，并能够将丢失恢复的任务分散到多播组的所有成员 成员及拓扑结构的变化。但它存在如下几方面的问题: 可以很好地解决反馈爆 可以很好地适应多播组 . s r m 采用的随机退后定时器只能保证在一定概率下的单一请求和单一应答 因而存在着重复请求和重复应答问题。为了减少重复请求和重复应答的数量， s r m在其增强策略中使用了自 适应定时器。 令 使用多播形式向所有组成员发送重传数据报文可以提供很好的容错功能， 但也 将重传报文暴露给所有的组成员，如果在多播组中出现了多个请求和多个应 答，这种情况会变得更加混乱。为了减少重传暴露问题，s r m 在其增强策略 中使用 t t l值来限制重传数据报文的传播范围。 基于主动网的大规模可靠多播研究 令 s r m中的n a c k报文和重传报文都需要采用多播形式发送，因此需要为每个 接收者维护独立的多播树，对于较大的多播组这种方法的代价太高而且不现 买 。 . s r m没有提供任何拥挤控制机制。 1 . 6 . 2 r mt p , l b r m 和 t mt p r m t p , l b r m和t m t p 都采用基于树的确认机制， 利用逻辑树方法避免反馈爆 炸和实现本地恢复，逻辑树可以 采用静态或动态方法生成。 1 . 6 . 2 . 1 rm tp r m t p 1 6 3 6 3 9 4 0 1 采 用基于 树的a c k确认方法， 它 将多 播树划分成多个区 域， 每 个区域指定一个接收者作为d r ( d e s i g n a t e d r e c e i v e r ) . 源节点向 所有的接收者多播 数 据报文， 但只有d r向 源节点 返回 确认信息。 接收者直接向 区 域d r反 馈信息， 并 从区域d r中恢复丢失的数据报文。重传数据报文可以 采用单播或多播方式，这取决 于接收到的请求的多少。 r mt p 采用基于窗口的流量控制策略，按照最慢接收者的要 求调整发送速率。r mt p 具有良好的可扩展性，可以支持大规模多播会话。但是它仍 然存在如下问题: . r mt p 根据某个ia值决定单播或多播重传报文，这只是一个粗略的解决方案， 只有在重传请求特别多或特别少的情况下比较有效， 否则会引入大量的额外开 销。 . 多播树的动态区