（通信与信息系统专业论文）基于分层的应用层组播协议的研究.pdf

硕士毕业论文摘要近年来，包含音频、视频的多媒体数据传输逐渐在h l t e m e t 上有了广泛的应用前景。为了满足流媒体服务中高带宽、低延时等实时性要求，研究者提出了p 组播技术。但由于技术和非技术因素的影响，坤组播在i i l t e m e t 范围内一直没有得到大规模的应用。随着p 2 p 技术的快速发展，基于应用层组播p 2 p 流媒体传输，引起了许多大学和公司的重视并纷纷开展研究。与口组播相比，应用层组播具有灵活和易实施的特点，但是因为终端主机可以自由地退出组播树，应用层组播也存在数据传递易中断的缺点，这对实时性要求严格的视频直播应用的影响尤为严重。本文对典型的分层协议一n i c e 协议进行了深入的研究，并做了一些改进。主要改进措施是通过分析p 2 p ( p e e r t o - p e e r ) 网络中终端节点的稳定性，并考虑终端节点的服务能力，提出一种新的簇首选择算法。改进后的n i c e 在延迟、稳定性方面有较大的提高。针对在p 2 p 视频直播中，由于用户频繁的加入或离开组播组而造成的数据传输中断，本文提出了一种新的分层分簇思想的应用层组播模型一m h m ( m o d i f i e dh i e r a r c h i c a lm o d e l 、) 。m h m 基于视频直播中的用户行为分析，使用分簇的思想将所有参与组播的终端节点组织成一个具有两层结构的覆盖网络，这样通过分层获得一个有效层来减少组播树中的节点失效次数。仿真实验表明，m h m 能够有效的提高稳定性，减少平均组播时延并具有可扩展性。关键词：p 2 p ；应用层组播；用户行为分析；视频直播基于分层的应用层组播协议的研究a b s t r a c tr e c e n t l y ，m u l t i m e d i as t r e 锄i n ga p p l i c a t i o n sl 设ev i d e oo nd e m 卸da n dm u s i cs t r e 卸1 i n ga r cg e t t i n gm o r ep o p u l a r 卸ds i 印i f i c a i l ti nt h ei n t e m c ta p p l i c a t i o n s r os a t i s f yq u a l i t yo fs e i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t s ，i e d e l a yt i m e ，b a n d w i d t l l ，i pm u l t i c 蕊tt e c h n i q u e sa r ea l s od i s c u s s e d d u et oav 撕e t yo ft e c l l n i c a la i l dn o n t e c h n i c a lr e a s o n s ，t h ed 印l o y m e n to f 口m u l t i c a s “ni i l t e m e th a sb e e nl i m i t e da j l ds p a r s e a st h ed e v e l 叩m e n to fp 2 pt e c h n i q u e s ，a p p l i c a t i o n1 e v e lm u l t i c a s t0 气j l m ) b a s e do np 2 pa l s ol 【i l o w na se n ds y s t e mm u l t i c a s to ro v e r l a ym u l t i c a s th a sb e c o m eav e r yp o p u l a rr e s e a r c h c o m p a r e dw i t l ii pm u l t i c a s t ，心i sm o r ef l e x i b l ea n dd e p l o y a b l e b u td a t ad e l i v e r yi n 札mt r e ec 柚b ee a s i l yi n t e 埘叩t e db yd e p a r t u r eo fe n dh o s t s ，w l l i c hm a yl e a dt od e g m d a t i o n0 fq o si nt i m es e n s i t i v ea p p l i c a t i o n ss u c ha sl i v es t r e 锄i n g t l l i sa n i c l es t u d i e dt h et ”i c a lh i e r a r c h i c a lm o d e ln i c e锄dp r e s e n t e ds o m ei m p r o v e m e n t s u c ha s ，w es e tu pan e wc l u s t e 卜l e a d e rs e l e c t e da l g o d t h mb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t a b i l i t y 卸dc a p a b i l i t i e so fe n dh o s t si np 2 pn e 觚o r k w h e nc o m p a r e dw i t hn i c ep r o t o c o lv i as i i n u l a t i o n ，t h ee i 山柚c e dp r o t o c o lp r 0 v i d e s1 0 w e re n d - t o - e n dd e l a y 锄dh i g h e rr o b u s t n e s s d a t ad e l i v e r yc 觚b ee a s i l yi n t e r n l p t e d b yd e p a n u r eo fe n d h o s t si np 2 pn e 研o r k ，w h i c hm a yl e a dt od e g r a d a t i l d no fq o si nt i m e s e n s i t i v ea p p l i c a t i o n ss u c ha sl i v es t r e a m i n g i i lt h i sp 印e r ，t od e a lw i t ht h i sp r o b l e m ，w ep r o p o s ean e wh i e m r c h i c a la l l dc l u s t e r i n gp r o t o c o l m h mb a s e do nu s e rb e h a v i o ra n a l y s i si nl i v es t r e a m i n g b yd u s t e r i n gt e c h n i q u e ，t h ep r o t o c o lo 唱锄i z e sa nt h ee n dh o s t si n t oo v e r l a yw i t ha 觚ol e v e l ss t m c t u r e ，t h a ti s ，l a y e r e dm h mc a nk e e pal e v e lo fe m c i e n c yw h i l er e d u c et h ei i l t e 硼p t i o nt i i l l e so fa l mt r e e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u rp r o t o c 0 lc 柚e f f e c t i v e l yb o o s tu pt h er o b u s t n e s s ；r e d u c et h ea v e r a g e舢l ml a t e n c ya i l ds a t i s f ys c a l a b i l i t y k e y w o i 。d s ：p 2 p ；a l m ；u s e rb e h a v i o ra n a i y s i s ；i i v es t r e a m i n g硕士毕业论文插图索引图1 1i p 组播的体系结构2图1 2 应用层组播体系结构3图2 1n a r a d a 协议构造过程7图2 2 流媒体的网络协议栈9图2 3 应用层组播协议分类1 1图2 4m e s h 网实例1 3图2 5s c r i b e 中组播组的建立和加入1 5图3 1n i c e 成员的分层1 9图3 2n i c e 的控制拓扑1 9图3 3n i c e 的数据拓扑( a ) ( b ) ( c ) 1 9图3 4n s 2 结构图2 3图3 5t r a n s i t s t u b 网络拓扑模型2 5图3 6 节点能力分布图2 6图3 7n i c e 与卜n i c e 在平均延迟上的比较2 6图3 8n i c e 与h _ n i c e 的累计失效恢复代价的比较2 7图4 1m h m 的网络组织结构3 0图4 2m h m 的数据传输结构3 2图4 3 加入步骤3 3图4 4 第一种情况的节点离开3 5图4 5 第二种情况的节点离开3 5图4 6 第三种情况的节点离开3 6图4 7 第四种情况的节点离开( a ) 3 6图4 8 第四种情况的节点离开( b ) 3 7图4 9n i c e 与m h m 在平均s t r e t c h 上的比较3 8图4 1 0n i c e 与m 删的稳定函数的比较3 8m基于分层的应用层组播协议的研究附表索引表2 一l 几种典型的a l m 协议的比较1 6表3 1n s 一2 的组成模块2 4兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：黟桕日期：力曙年岁月2 ，中日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：懈，导师签名：勿名咱欲幺，v、vj日期：绰岁月二u 日日期：棚年月多日硕士毕业论文第1 章绪论1 1 课题背景随着h l t e m e t 的日趋普及和信息传输技术的快速发展，i n t e m e t 上的传输内容已逐渐由单纯的文字传输，转变成为包含文本、音频、视频的多媒体数据传输。这样的改变不仅使i i l t e m e t 使用者能获得更为丰富多样的信息，同时也代表着多媒体网络时代的来临。面对有限的带宽和拥挤的拨号网络，要实时实现窄带网络的视频、音频传输最好的解决方案就是采用流式媒体( s t r e a m i l l gm e d i a ) 的传输方式。通过流的方式传输多媒体数据，即使在网络拥挤或拨号连接的条件下，也能提供清晰、连续的媒体流给观众，实现了视频、音频等多媒体数据的实时播放。传统的分布式多媒体系统主要使用客户端一服务器模式，服务器以单播的方式和每个客户建立连接。由于流媒体服务具有高带宽、持续时间长等特点，随着客户数目的快速增加，服务器的资源如带宽很快就被消耗完，成为系统瓶颈所在，导致系统的可扩展性极差。为了解决系统的可扩展性问题，许多研究都提出了相应的解决办法。如在网络边缘部署代理缓存( p r o x yc a c h i n 曲1 ，2 】或内容分发网络( c o n t e n td e l i v e r yn e 铆o r k s ) 【3 】，媒体服务器将媒体内容以推( p u s h ) 的方式存放在代理缓存或c d n 服务器上，客户请求媒体服务器时，可从代理缓存或c d n 服务器获得服务，而不必消耗服务器的资源。但这种方案只是部分地解决了可扩展性问题，因为此时代理缓存或c d n 服务器很有可能成为系统瓶颈。另一种方案是p 组播技术，实现了h l t e m e t 上高效的一对多通信，提高了系统的可扩展性。1 1 1i p 组播概述标准口组播业务模型定义了主机和路由器应有的功能机制和上层所看到的组播业务的形式。主机组( h o s tg r o u p ) 是i p 组播概念的核心，多个主机组成主机组，用一个i p 组播地址标识，即每个组播组对应一个组播地址。以组地址为目的地址的组播数据以口数据报的b e s t e f 约r t 方式转发到主机组的各个主机。组播路由器承担组播数据的寻路和转发控制功能，这些路由器及链路在网络中形成了一个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 n l c t u r e ) ，这种结构一般是树形的结构，称为转发树，在转发树上的组播路由器接收、复制、转发组播数据。源主机只向组播组地址发送一份数据，这个组播组中的所有接收者都可接收到同样的数据拷贝，并且只有组播组内的主机( 目标主机) 可以接收该数据，网络中其它主机不能收到。组播使得数据沿着转发树向目的节点分发，不在分发路径上的节点无须参与路由，i p 组播避免了在链路上传输重复报文，从而节约了网络资源，可实现高效的组播通讯。基于分层的应用层组播协议的研究1 ) i p 组播的体系结构图1 1 给出了当前i p 组播的体系结构【4 1 ，体系结构自上而下分为四个层次。最低层为域间路由层，实现跨域的组播路由，采用的协议有m s d p 【5 】和b g m p 【6 】。上一层为域内路由层，实现域内的组播路由即通常说的组播路由协议，目前的组播路由协议组主要有d v m r p 【刀( 距离向量路由协议) 、m o s p f 【8 1 ( 开放式组播路径优先协议) 、c b t 【9 】( 有核树) 、p i m d m 【1 0 】( 独立组播路由协议密集模式) 、p i m s m 【1 1 】( 独立组播路由协议稀疏模式)等。第三层是主机一路由器之间的协议i g m p 【1 2 1 ( 组管理协议) ，组播路由器通过i g m p协议为其每个端口都维护一张主机组成员表，并定期的探询表中的主机组的成员，以确定该主机组是否仍然存在。最上层是主机服务层，包括了组播地址分配机制，组播会话目录协议，实时传输协议，可靠组播等。d m t 扩l麟黧烹卜外嬲铺妒l 雠r 下1 1 疆ti ( j pl 廛蝴ld n slt e | u d pi c m p澜l g m p( j s p f ，r 以黧p l 弱s 碣。p l 麓i 雕m o ：s p | ?裁1 6 r | 秘t co v m i t pr i p e l ( ；m po s i r籽g p嚣m s d p b ( j d pm b g p f b 6 p 图1 1l p 组播的体系结构2 ) 口组播的发展局限然而，口组播自提出到现在已经有十多年了，却还没有被广泛地应用到i n t e m c t ，主要有以下一些原因：( 1 ) 组播要求路由器为每一个组播组保留状态信息。这样路由器的路由和转发表将需要对每一个不同的组播地址保留一个相应的路由表项，但是组播地址并不像单播地址一样容易集成，因此增加了路由器的系统开销和复杂性。( 2 ) 口组播是一种尽力而为的服务。当要提供高层的特性时，例如：可靠传输、拥塞控制、流量控制以及安全管理等，就会比简单的单播要更困难，以至于因特网服务提供商( i s p s ) 不愿意提供口m u l t i c a s t 的支持。虽然目前已经出现了针对上面这些特性的研究，但是这些解决方案目前在i n t e m e t 上的影响并不明确，需要在大范围应用前进行2硕士毕业论文更好的研究。( 3 ) i p 组播需要对现有网络做底层的改变。同时由于在收费机制方面的技术无法突破，使得目前只有少数的因特网服务提供商支持口组播。1 1 2 应用层组播的概述对于应用层网纠1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 】而言，其是一个定义主机之间通信的寻址方式、路由方式和服务模型，位于现有的i i l t e m e t 传输网络之上的一个完全位于应用层的网络系统。其中，拓扑发现、路由转发等功能完全由应用层自己完成，不依赖网络层。我们可以把它看作是基于i n t e m e t 网络的大规模的分布式应用。应用层组播网的节点是组播成员主机，数据路由、复制、转发功能都由成员主机完成。成员主机之间建立一个叠加在口网络之上的，实现组播业务逻辑的功能性网络，称为叠加网【1 7 】( o v e r l a vn e 觚o r k ) ，主机给予自组织算法建立和维护叠加网。为了实现组播服务，需要在主机上部署组管理，组成员管理，应用层组播路由协议等功能模块。直观上，主机端系统实现组播功能可以避开网络层实现组播功能的许多难题1 1 8 j ：一是应用层组播的状态在主机系统中维护，不需要路由器保持组的状态，解决了业务的扩展性问题，网络可以支持大量的组播组。二是组播应用可以随时部署，不需要网络设备的升级和功能扩展。三是可以简化组播的控制、可靠等功能的实现，建立在网络连接之上的应用层组播可以使用t c p 、u d p 服务，如可以利用t c p的可靠和拥塞控制简化组播的可靠和拥塞控制。1 ) 应用层组播体系结构i 川屡应 秘联l镥加黼f 毒输继提缴魏i 撬股务豹塘驰 嘲络褥搋嘲传输缓l袭绷瓣舅 妊筐- - - - 一- - - _麝糯黼皴孺毯0 d i ，r c pu d 肜蕾c pj pl pi pl p数獬链路磁数搦链路联数姑链路理数掰链跷艇物廖瑶物娜坯物联联物缓缓缒l 】膳费i 摇豹端系统i p 列络系统i p ；q 终系统成j | j 艋封l 播豹端系统图1 2 应用层组播体系结构图1 2 显示了应用层组播在口体系结构中所处的位置【1 9 】。在应用层组播可以根据需要提供的服务不同可以选择是在边界路由器平台上直接实现附加功能还是通过转发数据流到服务器上来实现。例如，差异服务和网络安全可以在接入路由器上实现，因为这样的功能适合所有的数据流并且也只需要少量的附加状态，但是对于内容分发( c o n t e n td i s t 抽u t i o n ) 和网络存储这样的服务则更可能用到的是服务器，因为这些服务器是针对一部分数据流而且需要更多的管理资源。3基于分层的应用层组播协议的研究2 ) 应用层组播研究现状下面简单介绍一下当前应用层组播的研究现状。( 1 ) e s m 模型【2 0 2 1 】e s m ( e n ds y s t e mm u l t i c a s t ) 是由美国c m u 大学开发的一个基于对等网络的视频直播系统，可以直播一段实时视频或音频节目，应用于中小型规模的会议或者虚拟教室。e s m 采用n a r a d a 协议构建一棵自组织的、分布式的、应用层上的组播树。它的组播树构建分两步：首先，利用n a r a d a 进行构建一个丰富的连接网( m e s h ) ，由n 盯a d a 协议保证图中任意一对节点之间最短路径的时延，并且图中的每个节点的邻居个数有上限。然后，利用己有的连接图来进行构建一个最短路径的树。但是，这种构建方式其组播树的质量取决于连接图信息的准确和丰富程度，如带宽、延迟等，连接图的质量直接影响系统的q o s ，另一方面构建和维护连接图的负载将会直接影响整个系统的扩展性能。( 2 ) p e e r c a s t 模型【2 2 】p e e r c a s t 是美国s t 卸f b r d 大学p e e 卜t o p e e r 研究小组的研究成果。它采用一个简单的单根树结构，通过限定每个p e e r 所能服务的节点个数来优化节点间的传输延迟。为了减少拓扑结构的动态变化对播放质量的影响，它采用了冗余连接的方式。拓扑的构建采用简单的重定向技术。由于节点放置的策略直接影响到系统的稳定性和可用性，目前，p e e r c 勰t 主要用于小规模的因特网无线电广播，并已经成功地运行于己有的g n u t e l l a 网络上。( 3 ) n i c e 模型【2 3 ，2 4 】为了扩大服务规模，m a r y l a i l d 大学计算科学系提出了n i c e 组播协议。其主要目标是支持低带宽、软实时、对数据丢失有可容错性的广播应用。这个系统的优点是较低的控制开销和数据传输过程中的低延迟。在该系统中，节点按照层次性进行组织，每一层有若干个群。这样，每个非叶子节点只需要维护有限就近节点的状态。n i c e 的主要问题在于它的协议比较复杂，需要考虑群的合并、分裂等操作。而且n i c e 对节点的异构性处理也存在着缺陷。这些问题在z i g z a g 协议中得到部分解决。( 4 ) z i g z a g 模型【2 5 ，2 6 1z i g z a g 是一种基于对等网络的单源传输视频流媒体数据的技术。它构建了一棵以服务器为根的应用层的组播树。通过设定这棵树的节点的个数和层次，达到减小端对端时延的目的。z i g z a g 与n i c e 相似，两者在每个节点的平均维护负载都为o ( k ) ，树的高度都为o ( 1 0 9 聊。但z i g z a g 解决了n i c e 存在的瓶颈问题。其改进点为：z i g z a g 中c l u s t e r的管理和数据分发由不同节点完成，而n i c e 将两功能统一在一个节点上。改进后，组播树中节点所带子节点数目最多为o 仪2 ) ，与参与组播树的节点数目无关。但是，在z i g z a g 中，管理组织和组播树之间的映射，以及因为网络的动态变化而对这两种结构的维护造成了过多的资源耗费，而且z i g z a g 对节点的异构性处理也存在着缺陷。( 5 ) a i ，m i 模型【27 j4硕士毕业论文础嗽i 采用了集中式的方式进行构建组播树。在砌i 协议的系统当中存在一个中心节点，该节点负责维护整个覆盖网络中的所有连接信息。当某个节点加入系统时，首先访问中心节点以获得其最近的服务节点。然而构建一棵出度有限的有向树，使其达到最小化的平均延迟是一个御完全问题，所以集中式选取父节点的方法很难适用于大规模视频流媒体服务系统。以上各种方案面向不同的上层应用，支持的组规模、组网时考虑连接的参数也不尽相同。当前，应用层组播的研究还处于起步阶段，目前的各种应用层组播协议还是某种应用的解决方案，这些协议支持的应用不同，组网协议的性能侧重点也有所不同。1 2 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题1 研究目标在对现有应用层组播协议进行详细研究的基础上，针对现有系统中存在的缺陷，综合考虑p 2 p 视频直播系统中流媒体的带宽占用高、持续服务时间长、高q o s 要求等特性，建立一种新的面向流媒体的应用层组播模型。这个模型应具有面向大规模，较低的延迟性和较大的稳定性，使p 2 p 视频直播能很好的应用于h t e m e t 中。2 研究内容1 ) 如何为分布在h t e m e t 中的媒体需求客户提供大规模的实时视频直播。即在不改变i i l t c m e t 底层网络结构的前提下，通过在覆盖网( o v e r l a yn e t 、o r k ) 机制下的应用层组播模式为大规模的流媒体视频直播服务提供网络支持。2 ) 在p 2 p 视频直播应用中，对直播的实时性有很大的要求。如何在视频直播时降低网络传输延迟，保证流媒体数据传输的实时性，是我们要解决的关键问题，也是我们的研究内容之一。3 ) 在p 2 p 系统中，组成组播树的中间节点并不是专门的网络路由器，而是自主的终端主机，每个终端主机的行为都是不可控锘! j 的。当节点的数量巨大时，每时每刻都有很多节点的加入与离开，致使数据传输暂时中断，影响该节点的子孙用户正常的视频观看。因此，在p 2 p 视频直播系统中，稳定性也是一个非常关键的问题。如何使我们构建的视频直播系统具有较高的稳定性，也是我们的研究内容。1 3 论文结构本文后续部分组织如下；第2 章介绍了基于应用层组播的视频直播系统所涉及的相关技术，其中包括：覆盖网、一些典型的应用层组播协议的介绍、流媒体传输协议和组播技术性能度量指标等。，第3 章详细分析了分层协议n i c e ，并对其进行了改进，提出了一种基于用户行为分析的簇首选择算法，该算法与n i c e 相比，具有较低的延迟、较大的稳定性。第4 章介绍了作者针对p 2 p 视频直播的特点，提出的一种新的面向流媒体的应用层组播模型m h m ，并介绍了m h m 模型的仿真研究和分析，证明了该模型具有较低的延迟、5基于分层的应用层组播协议的研究较大的稳定性和可扩展性。最后进行了总结与展望。6硕上毕业论文第2 章相关技术本章将介绍并分析一些本课题所涉及到的相关技术。内容组织如下：首先介绍覆盖网的概念，然后介绍目前国内外已有的一些应用层组播协议、流媒体传输协议和组播技术性能度量指标等。2 1 覆盖网应用层组播的基本思想是屏蔽底层物理网络的拓扑细节、将组成员节点直接自组织成一个逻辑覆盖网络( 0 v e r l a yn e 研o r k ) 【17 1 ，并在应用层提供组播路由协议来构建和维护该网络，为数据传输提供高效、可靠服务。覆盖网的好处在于无需部署新的设备，也无需改动已有的软件和协议，并能根据应用程序的特点为不同类型的应用提供不同类型的服务。一般情况下，覆盖网的性能决定了组播协议的性能。图2 1 ( a ) 物理拓扑图2 1 ( b ) 全连通的覆盖网图2 1 ( c ) 覆盖组播树图2 1 ( d ) 网络层流量n a r a d a 协议图2 1n a r a d a 协议构造过程图2 1 描述了n a r a d a 协议构造应用层组播的过程。图2 1 ( a ) 描述了网络的物理拓扑，其中主机a 为发送数据源，b 、c 、d 为接收者主机，r 1 和r 2 为内部路由器。n a r a d a 首先将物理拓扑抽象成一个全连通的覆盖网，如图2 1 ( b ) 。在r 此基础上，n a r a d a 使用逆向路径转发路由( r p f ) 算法构造一个如图2 1 ( c ) 所示的以a 为根的组播树。图2 1 ( d ) 描述了基于分层的应用层组播协议的研究数据报文在网络层的传输情况。可以看出，由于主机和路由器之间的迂回转发使得同一物理链路上可能存在报文的多个副本( 如链路r 2 一b ) 。2 2 组播技术性能度量指标评价应用层组播协议一般用以下几种方式【船捌：1 覆盖效率应用层组播树是一个建立在应用层之上覆盖网络，虚拟网络特征使得协议设计必须从物理网络和上层应用两个方面考虑网络的覆盖效率。通常，可通过以下三个参数来评估数据路径质量：1 ) 强度( s t r e s s ) 。在一条物理链路中发送相同数据包的数量。显然口组播进行转发的时候并进行多余的复制，所以是最优值1 。2 ) 伸张度( s t r e t c h ) 。就是在覆盖网分发拓扑中从源到成员的延迟与利用单播直接传输的延迟的比例。3 ) 资源利用率s a g e ) 。所有参加到数据传输中的成员，他们的延迟和强度的乘积的总和。这个指标用于评定传输过程中网络资源的利用情况，假定链路的延迟越高，花费越大。2 平均延时和最大延时平均延时是数据流从数据源到接收者所经过的平均时间。最大延时是数据流从数据源到各个接收者所经历的最长时间。它们从时间角度反映了组播通信的效率。3 协议的健壮性协议的核心是建造并维护一个优化的数据发送拓扑。当拓扑中的某个节点失效后，协议需要在一定时间内检测到，然后通过分布式算法调整原本的网络拓扑，除了尽快的修复错误的拓扑信息，还可利用冗余技术来为协议提供健壮性。4 控制负荷( c o n t m lh e a d )为了有效地利用网络资源，对每个成员的控制负荷必须尽量的小，这是能否很好扩展重要的指标。组播组维护的开销包括保存状态信息的数量；组播节点之间为维护组播组的交互信息数量；组播节点加入、退出、失效等信息在组播组内同步的时间开销等。另外，可扩展性( s c a l a b i l i t y ) 只在大规模组播算法时才需要考虑。易推广性是应用层组播提出的一个推动力。不仅要不改变现有的网络体系结构，还要解决m u 和防火墙带来的问题。2 3 流媒体传输协议根据功能，传输协议可以分为三类：1 ) 网络层协议( 口) ，提供最基本的网络服务。2 ) 传输层协议，提供端到端的传输服务，包括t c p ，u d p 和r 耶r t c p p 叼1 1 ，其中t c p 与u d p 更加底层一些，r t p r t c p 实现在t c p 或u d p 之上，有时候也被划为应用层协8硕士毕业论文议。3 ) 应用层协议，定义多媒体会话过程中的消息控制及处理，包括r t s p 【3 2 l 等。图2 2 流媒体的网络协议栈下面简要介绍传输层的协议及应用层协议。2 3 1t c p 1 j d pt c p 和u d p 是t c p 口协议中的两个传输层协议。它们使用口路由功能把数据包发送到目的地，从而为应用程序及应用层协议( 包括：m ，、s m r p 、s n m p 、兀甲和t e l n e t ) 提供网络服务。t c p 提供的是面向连接的、可靠的数据流传输，而u d p 提供的是非面向连接的、不可靠的数据流传输。它们都提供m u l t i p l e x i n g 、错误控制、拥塞控制、流量控制等功能，与u d p 不同的，t c p 会重传丢失的数据包和错误的数据包，所以t c p 提供可靠的数据传输，而u d p 不保证任何可靠传输。另外，t c p 中有拥塞控制机制来避免网络拥塞，u d p 没有。最后，t c p 拥有流量控制机制来避免接收端的缓存的o v e m o w ，u d p 没有流量控制。由于t c p 提供可靠的数据传输，机制比u d p 复杂的多，所以t c p 的时延也要比u d p 大的多，在对时间要求的严格的流媒体系统中，脚不一定适用。在流媒体的传输中，更多的是使用u d p 协议，然而，u d p 本身不保证包的可靠传输，包的丢失监测需要依赖于上层协议，比如r 口。2 3 2r t p r t c pr n 你t c p 【3 叩1 l 是端对端的协议。r t p 是提供端到端的包括音频在内的实时数据传送的协议。r 口包括数据和控制两部分，后者叫r t c p 。r t p 提供了时间标签和控制不同数据流同步特性的机制，可以让接收端重组发送端的数据包，可以提供接收端到多点发送组的服务质量反馈。r ，r p 提供如下的特性：1 ) 时间戳( ，r i m es t 锄p ) ：叩提供时间戳用于同步不同的媒体流，注意i u 甲本身并9基于分层的应用层组播协议的研究不负责同步，同步有上层的应用程序完成。2 ) 序列号( s e q u e n c en u m b e r ) ：r 口本身并不规定底层使用的传输协议，可以使用t c p ，也可以使用u d p 。但处于传输效率考虑，大多数的实现都依赖于u d p ，而u d p 并不保证包的有序性，口提供序列号来保证包的有序性，同时，序列号也被用于丢包的检测。3 ) 数据包类型标识( p a y l o a dt y p ei d e n t i f i c a t i o n ) ：用于指定砌叩包的负载类型，应用程序根据负载类型解释包的内容，负载内容的类型可以为m p e g l 、m p e g 2 、h 2 3 1 等。4 ) 数据源标识( s o u r c ei d e n t i i i i c a t i o n ) ：在r t p 的头部有一个同步数据源的标识s s r c ( s y n c h r o n i z a t i o ns o u ei d e n t i f ! i e r ) ，使数据的接收端可以判断数据的来源。在i h p 会话中，各个参与者周期性向其它所有参与者发送r t c p 控制信息包，r i t l ：p用来监视数据传输质量和传送与会成员的信息，r t c p 主要有4 个功能：1 ) 用反馈信息的方法来提供分配数据的传送质量，这种反馈可以用来进行流量的拥塞控制，也可以用来监视网络和用来诊断网络中的问题；为i m 源提供一个永久性的a w 山m ( 规范性名字) 的传送层标志，因为在发现冲突或者程序更新重启时s s r c ( 同步源标识) 会变，需要一个运作痕迹，在一组相关的会话中接收方也要用c 1 怕山m 来从一个指定的与会者得到相联系的数据流( 如音频和视频) ；3 ) 根据与会者的数量来调整r t c p 包的发送率；4 ) 传送会话控制信息，如可在用户接口显示与会者的标识，这是可选功能。2 3 3r t s p实时流放协议瑚晤p 【3 2 1 ( r e a lt i m es t r e 雅i i n gp r o t o c 0 d 是一个应用层协议，是由r c a l奎k t 、o r k s 和n e t s c a p e 共同提出的。该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过口网络传送多媒体数据。r t s p 在体系结构上位于i u p 和r t c p 之上，它使用t c p 或r ，1 1 p 完成数据传输。它的主要功能是要支持v c r 1 i k e 的操作，比如s t o p ，p a u s e 瓜e s u m e ，快进和快退等，除此之外，晒p 想要提供一种选择传送通道的方法，例如u d p ，t c p ，p 多目标组播通道，以及各种基于础r p 的传送方法。2 4 应用层组播协议2 4 1 应用层组播协议的分类应用层组播将组播功能实现于终端主机中，组成员的动态性对组播有很大影响。应用层组播协议不仅要提供有效的数据组播树，还要针对节点的动态性提供可靠的组管理算法协议设计强调在动态网络环境下维持网络的稳定性。应用层组播路由协议设计面临的主要问题是，如何在广域环境下，针对节点的动态性，在节点上建立必要的状态信息，并根据这些信息构建优化的组播路由协议。图2 3 根据协议构造算法的差异对现有的应1 0硕士毕业论文用层组播路由协议的构建方法进行了分类【5 2 】。1 集中式算法集中式算法在协议中引入全局会话控制点，集中管理所有组成员的状态变化( 加入离开) 及成员之间的位置关系信息，负责组播树的创建和维护，并定期计算以优化其拓扑结构。集中式算法具有较好的可靠性，而且能减少控制负载，易于维护组播树的一致性和效率。但由于控制点要维护全局信息，受单点失败的限制，因而缺乏可伸缩性，比较适合小规模稀疏型组通信使用。根据协议优化所依赖的信息不同，集中式算法又可分为基于全局信息和基于局部信息两种组播树优化策略。a im i 【2 7 1 和h b m 【3 3 】都属于集中式应用层组播协议。图2 3 应用屡组播协议分类a im i 【2 7 1 的每个会话包括一个会话控制器和若干会话成员。会话控制器控制覆盖网络的全局信息，具体处理组成员的注册请求和维护组播树。为了保证协议效率，会话控制器根据所有组成员反馈的最新链路信息定期重新计算并生成最小生成树。为降低控制负载，址m i 协议采取基于局部信息的优化算法，对每个节点所监视的邻居节点数进行限制。因此，趟m i 构建的组播树是次优的。耶m 1 3 3 】将组成员分成核心成员和非核心成员两类，核心成员形成数据组播树的主干节点，非核心成员只能作为叶子节点。组播中的所有活动都由一个集中汇聚点限p ) 控制，汇聚点r p 维护会话中所有成员的分类信息及相互距离。覆盖拓扑的优化完全依赖于r p 中的全局信息，较a i m i 而言，较易得到最优化的网络拓扑。2 分布式算法分布式算法中没有集中的会话控制点，组成员的管理和数据传输网络的控制通过各节点维护的局部信息协作完成。分布式算法可避免集中式算法受单点约束的限制，有更好的可伸缩性。然而，在动态分布式环境中，频繁的加入离开操作、节点及网络条件的异常变化会使组播树发生频繁的变化。因此，基于分布式算法的组播协议设计更为复杂和困难，通常需要协调和衡量协议设计所引起的每个节点维护状态信息量、控制负载、基于分层的应用层组播协议的研究通信代价等开销。为适应系统的动态性，保证组播传输的有效性，分布式算法常将组成员组织成控制拓扑和数据拓扑两种具有不同功能目标，但均覆盖所有成员的网络结构。控制拓扑主要用来在端系统间周期性的交换控制信息来发现和恢复由于一些成员的非法离开造成的拓扑破坏。数据拓扑通常是控制拓扑的一个子集，主要用来表明数据包的传输路径。实际上，数据拓扑一般是一棵树形结构，而控制拓扑要求有更多的连接，则通常是一个网状拓扑结构。因此，根据构建控制拓扑和数据拓扑的顺序，分布式算法又可分成网状优先( m e s h 觚t ) 酬、树优先( 眦e f i r s t ) 【蚓、隐式( i l n p l i c i t ) 削建立等三种不同方法。1 ) 基于m e s h 网的应用层组播策略在此类方案中，组的成员首先自己组织成一个网状的拓扑，即控制拓扑，每两个成员之间有多条路径。在这个网状拓扑中，每一个成员都会保存这个组中其他的所有成员的状态信息，而这个信息将会得到周期性的刷新。该方法的特点是网状拓扑显式生成，而组播树的建立依赖于具体的路由算法和覆盖网格拓扑。因此基于网组播协议中覆盖网格的质量将直接影响组播树的性能。基于网的协议对于小型的数据分发应用比较有效。目前此类比较有代表的协议有n a r a d a 【撇1 】和s c a t t e 戤略t 【3 卯。2 ) 基于树的应用层组播策略与网状拓扑优先不同的是，基于树状拓扑优先的端系统组播协议首先会建立起一个共享的数据传输树拓扑。然后，根据这个树状拓扑增加一些成员间的连接便可组成控制网状拓扑。树优先协议最具有代表性的是y 0 i d 【3 6 】协议和姗【3 7 】协议。3 ) 基于隐式模型的策略基于隐式模型中控制拓扑和数据拓扑的定义没有严格的先后顺序，成员之间也不需要额外交互。协议的控制拓扑一般要求满足一定的属性需求，数据传输路径通常要求是建立在报文转发规则之上、能平衡控制拓扑属性的开环组播路径。所以这种隐式的应用层组播路由协议通常可以支持规模相当大的组播组，具有良好的可扩展性。根据控制拓扑建立方法的不同，隐式法又可分为层次型、p 2 p 路由类型。其中层次型代表性的是m c e f 2 3 ，硐协议和z i 擎a g 瞄，2 q 协议。p 2 p 路由型的代表是b a y c u x f 3 8 j 和s c r i b e 【3 9 】。2 4 2 典型应用层组播系统分析1 n a r a d a 【她2 1 】n a r a d a 的实现一般经过三个步骤，构建控制拓扑、生成数据传输树和控制拓扑的优化。1 1 控制拓扑n a f a d a 首先在组成员之间建立一个具有丰富连接的网状拓扑结构并尽可能的确保网状拓扑具有较好的性能。随后建立网状拓扑的生成树，每个生成树的根都对应着一个数据源。由于最终得到的组播树是建立在网状拓扑的基础上，所以建立性能良好的网状1 2硕士毕业论文拓扑对于建立高质量的组播树至关重要。例图2 3 中a b c d 4 个节点构成了m e s h 网，而带箭头的虚线表示以a 节点为根节点的一棵生成树。图2 4m 鼯h 网实例当有新成员加入时，新成员会从某个i 冲( r 吼d e z v o u sp o i i l t ，此点会保留所有已加入成员的信息，只参加控制拓扑，不参加数据的传输) 获得包含已加入的组成员的列表，然后随机选择部分成员作为自己加入的邻接点，当至少有一个成员成为这个新成员的邻接点时，此新成员就成功加入了这个组播组。成功加入后，此新成员开始和它的所有邻接点交换状态信息。n a f a d a 中每个成员都会保留所有组中其它成员的信息，当组成员发生改变时，更新信息将会通过控制拓扑传输到所有成员中，也增加了整个系统的健壮性。同时每个成员也会周期性的产生一个状态刷新消息及时刷新自己所保留的所有成员状态信息。这样分发每个成员状态信息给其它所有的成员将会导致整个系统的控制信息的系统开销增大达到0 ( 似为组的大小) 。2 ) 数据传输拓扑n a r a d a 的数据传输拓扑实际上就是控制拓扑的生成树。它在m e s h 网上运行距离向量协议来使每个成员得到整个网络的路由信息。成员间定时地交换路由信息( 包括到每个其它成员的路由花费和相应的路由) ，并且只和相邻成员交换这种信息。n a r a d a 的数据传输树的构建是采用类似于d v m r p 的反向路径转发( r e v e r s ep a t hf 0 刑a r d i n g ) 算法构造最短路径剪枝树。组播树的质量取决于所构造的m e s h 网的性能。因为组播树是在m e s h网的基础上进行剪枝构造的，所以m e s h 网的构造是极为关键的。3 ) 控制拓扑的优化由于数据传输路径直接是从网状拓扑得到的，那么网状拓扑连接的质量直接影响最后得到的数据传输路径。由于成员的加入和离开，网络环境的变化等都会影响到拓扑的质量，因此n a r a d a 会周期的对控制拓扑进行优化，每个成员会定期与随机选出的多个成员进行传输时延测量，根据测量结果利用最优化算法来保持叠加网络成员间路径的最优化。n a m d a 采用基于m c s h 网的策略主要是更好的支持多个数据源的组播应用，如果直接构造单源共享树则很容易出现单一故障点，而且单源共享树很难针对每个不同的节点进行优化。对每个可能的数据源节点都构造一颗转发树可以解决这个问题，但这会造基于分层的应用层组播协议的研究成控制负载的增加并增大维护的难度。而采用m e s h 网的策略则可以很好的解决这个问题。但是n a r a d a 中每个成员所需维护的状态信息为0 1 9 c d ，缺乏可伸缩性，适应于中小规模组播应用。2 y o i d 【蚓y o i d 是东京n r r 软件实验室p a u lf r 锄c i s 等人发起的工程项目，工程的目标首先是开发一套具有广泛适应能力的应用层组播开源软件，工程的第二个目标是利用从开