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基于应用层组插的多路流媒体传输的仿真研究 论文题目：基于应用层组播的多路流媒体传输的仿真研究 专业：信号与信息处理 硕士生：郭木铎 指导老师：沈伟( 教授) 张晓瑜( 博士) 摘要 随着i n t e m e t 的飞速发展，出现了越来越多的需要高带宽传输的点对多点或 者是多点对多点的群组通信应用。传统的点对点单播通信模式己不能够适应这些 应用。1 p 组播曾经是传输这些群组通信的最佳方式。但是由于i p 组播本身的一 系列问题还没有解决，迟迟没能够大规模的应用。应用层组插是山于i p 组播的 应用滞后而产生的，它不需要底层网络结构的改变，较容易投入使用。 基于多路流媒体传输的应用层组播近年来在i n t e m e t 上得到广泛的应用。但 它在使用的过程中存在大量的网络资源消耗，因此对该协议的研究将会很有意 义。对于这类算法国外大部分是通过建立实验床或是在真实的网络环境下进行拄e 能分析，较少通过仿真软件在单机系统中进行性能分析：并且现在没有一个通用 的平台可以对类似的协议进行网络仿真，也给类似协议的研究带来了一定的困 难。 在本论文中，首先介绍了应用层组播的背景，发展概况，以及一些主要的算 法，进而对这些算法进行分类比较。然后分析了四种仿真软件，通过对网络仿真 软件的学习比较，找到了相对比较适合仿真大规模的多路流媒体传输的p 2 p 的仿 真平台- - p 2 p s i m 。在对p 2 p s i m 进行较深入分析研究的基础上，对该类算法中的 一种c h a i n s a w 进行了建模仿真，实现了在单机系统中对该类算法的实验仿真。 关键字：应用层组播，流媒体，p 2 p 仿真 基十心用层组播的多路流媒体传输的仿真1 j ：l f 究 t i t l e ：s i m u l a t i o ns t u d yo f a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tb a s e dm u l t i p a t h s t r e a m i n gm e d i at r a n s p o r t m a j o r ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：g u om u d u o s u p e r v i s o r ：p r o f s h e nw e id r z h a n gx i a o y u a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e t ，g r o u pc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n s w h i c hn e e dt r a n s f e rh i i g hb a n d w i d t hd a t af r o mp o i n tt om u l t i p o i n to rm u l t i p o i n tt o m u l t i p o i n ta r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a r t h et r a d i t i o n a lp o i n tt op o i n tu n i c a s t c a n tm e e tt h e s ea p p l i c a t i o n sw e l l i pm u l t i c a s tw a so n c er e g a r d e da st h eb e s tc h o i c e f o rt h e s eg r o u pc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n s b u t1 pm u l t i c a s th a sn o tb e e nw i d e l y d e p l o y e dd u et oi t s s e r i e so fd i s a d v a n t a g e s a sa na l t e r n a t i v et oi pm u l t i c a s t ， 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 ) r e c e i v e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a p p l i c a t i o nl a y e r m u l t i c a s td o e s n tn e e dt h es u p p o r to ft h eu n d e r l y i n gn e t w o r k ，s oi ti se a s yt ob e d e p l o y e d m u l t i p a t hm e d i as t r e a m i n ga im i sb e c o m i n gw i d e l yd e p l o y e di nt h ei n t e r n e t ， b u ti tw a s t e sl o r so fn e t w o r kr e s o u r c e s h o wt or e d u c et h e s ew a s t e dr e s o u r c e si s b e c o m i n gv e r yi m p o r t a n t r e s e a r c ho nt h i sk i n do fp r o t o c o l sm o s t l yi st ob u i l dar e a l n e t w o r ko fu s et h et e s t b e d f e wu t i l i z et h es i m u l a t i o ns o f t w a r e a st h e r ei sn o c o m m o ns o f t w a r ef o rt h es i m u l a t i o n ，s oi ti sd i f f i c u l tt od or e s e a r c hb ys o f t w a r e s i m u l a t i o n i nt h i s t h e s i s ，f i r s t l yw ei n t r o d u c e t h e b a c k g r o u n d o ft h ea p p l i c a t i o n l a y e r m u l t i c a s ta n ds o m eo ft h em a i np r o t o c o l s ；a n dd os o m ec o m p a r e a t i o nb e t w e e nt h e m t h e na n a l y z ef o u rm a i ns i m u l a t i o ns o f t w a r e s ，a n df i n dp 2 p s i mt h a tc o u l db e s t s i m u l a t et h em u t t i p a t hs t r e a m i n gm e d i at r a n s p o r tb a s e da p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t f i n a l l y , w es i m u l a t et h ec h a i n s a ww i t hp 2 p s i ma c h i e v i n gt h eg o a lt os i m u l a t et h i s k i n do fp r o t o c o l so nt h es i n g l ec o m p u t e rw i t h o u tb u i l d i n gt e s t b e do rt e s t i n gi n r e a l n e t w o r k ， 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 ，s t r e a m i n gm e d i a ，p 2 ps i m u l a t i o n 基于应用层组l 播的多路流妯l 体传输的仿真研究 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着i n t e m e t 的飞速发展，出现了越来越多的互联网新业务，如视频会议、 视频点播( v o d ) 、远程教育、多人游戏等。这些业务的共同点都是需要高带宽 传输，实时性要求较高。对于这些新出现的应用，利用传统的点对点的单播通信 方式，每个终端都要向服务器发送一次请求，服务器都要向每个终端发送数据， 同样的数据被服务器不断的重复发送，网络上也有大量的重复信息，加重了网络 和服务器的负担，存在着低效率和严重的资源浪费。群组通信是这类新业务较好 的通信模式。目前互联网上支持群组通信的技术有两类：i p 组播0 pm u l t i c a s t ) 和 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 ) 。 图1 1 单播通信模型 1 9 8 8 年斯坦福大学的s t e v ed e e r i n g 首先在他的博士论文中提出l p 组播通 信的概念，并在i e t f r f c l l l 2 1 1 中对l p 组播的业务提供的方式和形式进行了描 述和定义。1 9 9 2 年3 月第一次建立组播主干网m b o n e 2 ，i e t f 并成功地在组播 网上举行了一次会议，刊。引起了人们的广泛关注。l p 组播是利用一种协议将i p 数据包从一个源传送到多个目的地，将信息的拷贝发送到一个组地址，到达所有 想要接收它的接收者处。如果不同的终端需要接收相同的数据流，服务器只需发 送一份数据流，在邻近用户的路由器中进行数据复制，相同的数据流在路由器之 基于麻川层组播的多路流媒件传输的仿真训究 问只需发送一次。i p 组播最大限度的节约了带宽，降低了网络和服务器的负担 降低了延迟。 图1 2 i p 组播通信模型 但是由于l p 组播本身一系列的问题还没有解决，导致还没有大规模的投入 商用。l p 组播主要存在以下的缺点：f 3 7 】 ( 1 ) 、l p 组播需要路由器来保留每组的状态，增加了路山器的歼销和复杂性， 而且为i p 层的维护也带来了4 i 便。 ( 2 ) 、当i j i 的1 p 组播允许任意源、任意组发送数据，这将使得网络很容易受 到恶意源的破坏。 ( 3 ) 、组播需要为每个组动态的分配个公用的组播地址，这对于很有限的组 播地址米说是很难保证的。 ( d ) 、组播是一种尽力而为( b e s te f f o r t ) 的网络，在提供可靠传输、流量控制， 拥塞控制、安伞管理等方面比单播麻烦的多。 ( 5 ) 、i p 组播需要底层网络结构的变化，将需要很大的费用。 由于i p ! i i 播一直未能得到大规模应用，近年来提出了新的组播方案一应用层 组播。应用层组播是指出终端系统，例如用户终端，或者代理服务器，构成具有 一定拓扑结构的覆盖网络( o v e r l a y ) ，在此覆盖网络上实现点到多点的通信。在应 用层组播中，数据的复制、转发是通过终端来完成的在覆盖网络上任意两点的 传输仍是传统的点对点的单播通信。 基于应用层纰播的多路流媒体传输的仿真研究 图1 3 应用层组播模型 应用层组播不需要底层网络的支持，很容易投入应用。应用层组播用终端系 统通过单播来传输的，很容易实现流量控制，拥塞控制、差错控制。应用层组播 有较多的模型，对于某种特定的应用很容易选择合适的组播模型，很容易实现优 化。但是，应用层组播是通过终端系统柬复制和转发数据，由于终端的可靠性比 路由器的可靠性差，因此应用层组播的可靠性能方面不及i p 组播的可靠性高， 在延迟方面也较i p 组播大。 对应用层组播协议性能的分析，目前主要存在两种方式：一种是实现系统原 型，在真实网络中或是实验床上进行实验，较有名的实验床如p l a n t l a b 9 1 ；另一 种方式为网络仿真比较有名的有o p n e t 1 0 ，n s 1 1 等。也有的研究者是自己建 立一个离散事件驱动的仿真软件柬实现。最近在i n t e m e t 上出现了一种基于应用 层组播的多路流媒体的一些应用。这类应用和c o o l s t r e a m i n g 【8 】有着类似的原理， 都可以支持大规模的应用，在实际的运行中发现消耗了大量的网络资源。对此类 协议进行较深入的研究，最大限度的降低基于此类协议的一些应用所消耗的网络 资源已经变的越来越重要。而目前对这种协议的研究中都是采用了开发出了协议 的原型系统，然后在真实的网络中或是在实验床上对协议性能进行分析，很少利 用仿真软件来对协议性能进行仿真研究。通过真实网络或是实验床对协议性能进 行研究存在着弊端，每次协议的修改都要搭建新的系统，花费时间较长，同时并 不是所有的研究者都有条件去利用实验床，这样就局限了对类似协议的研究。如 果能够通过网络仿真软件来完成对这类协议的仿真，将大大方便对协议的研究， 具有很高的研究价值。目前还没有仿真软件能够完全适合这类协议的研究。本文 中，将利用麻省理工学院开发的p 2 p s i m 1 2 在单机的环境下来实现对此类协议中 基于成用层斟i 播的多路洫媒体传输的仿真1 i j | _ 究 的c h a i n s a w 1 3 协议的网络仿真。 1 2 论文的主要贡献 在本中，主要做了以下二方面的工作： 1 分析研究应用层组播的背景、发展概况、主要算法以及一些主要的仿真软 件。 介绍应用层组播出现的背景、应用层组播的发展概况，分析应用层组播的主 要算法和最新的应用情况。同时也分析比较了目前一些主要的网络仿真软件。 2 对大规模应用层组播协议c h a i n s a w 进行了单机系统的网络仿真。 在这部分中，主要有包含了三方面的内容，首先较详细的介绍了支持多路 流媒体传输的应用层组播，分析了c h a i n s a w 和c o o l s t r e a m i n g 协议。由于p 2 p s i m 目前来说并没有很多的参考资料，程序架构也比较复杂，因此在论文工作中研究 分析了仿真软件p 2 p s i m 。最后是利用p 2 p s i m 对c h a i n s a w 协议进行在单机情况下 的网络仿真，得到了协议的一些性能指标。 1 3 论文的结构和安排 本文共分为以下血章： 第1 章，为本文的绪论。第一节中为本论文研究的背景，第二节概述本文主 要的1 二作，第三节介绍了本文的主要结构与内容安排。 笫2 章，概述了应用层组播的发展概况。第一节介绍了应用层组播的发展概 犹：第二节分类介缁了应刚层组播的主要算法，第二三节对其主要技术进行归纳， 第四节介绍了应用层组播的协议评价标准。 第3 章，概述了p 2 p 仿真系统。第一节中介绍仿真需求，第二节中介纠儿类 仿真软件，第三节对这些仿真软件进行分析比较。 第4 章，本章为论文的丰要工作部分。第一节介绍了支持多路流媒体传输的 应用层组播协议，主要介绍和分析c h a i n s a w 协议和c o o l s t r e a m i n g 吣议。笫二节 分析了p 2 p s i m 软件。第三节，对c h a i n s a w 协议进行建模仿真，实现了在单机环 境下对c h a i n s a w 算法的仿真研究。 4 基于应用层组播的多路流媒体传输的仿真研究 第5 章，为本文的总结部分。第一节总结了论文的主要工作，在第二节中 提出未来的工作目标。 幕十廊用层纽播的多路流媒体传输的仿真研究 第2 章应用层组播的发展概况及仿真概况 从应用层组播思想的提出到现在短短几年内，多家研究机构丌展了对应用层 组播的研究，提出了适合不同应用的不同算法。本章将分别介绍应用层组播的发 展概况，对这些算法进行分类讨论，并对应用层组播的关键技术和评价标准进行 介绍。 2 1 应用层组播的发展现状 在i p 组播的应用过程中，出现了一些致命的缺陷，使得i p 组播的推广陷入了 困境。在这种背景下，提出了应用层组播的思想，并且越来越多的研究机构投入 这方面的研究。2 0 0 0 年，美国c m u 大学的华人科学家张辉带领的团队率先实现 了第一套基于应用层组播的直播系统的原型e s m ( e n ds y s t e mm u l l i c a s t ) 1 6 , 7 】， 并且使用该原型系统向全球学者直播当年的a c m 学术盛会s i g c o m 。该系统利 用了在用j o 网状结构n 连的基础上面构造最优媒体数据多播树的方法来在用户 之问传播实时的多媒体内容。之后微软研究院提m 了基于多树的 c o o p n e t s p l i t s t r e a m 协议【1 5 】、c i s c o 研究院提h t o v e r c a s t 协议 1 6 】、马里兰大学 提出t n i c e 协议1 1 7 等，这些协议大都是在学术研究的层面，并没有投入到实际 的应用中。2 0 0 4 年5 月欧洲杯期问，香港科技大学的张欣耐 丌发的c o o l s t r e a m i n g 8 1 原型系统，该套系统是一种支持多路流媒体传输的数据驱动方式的覆盖网络 d o n e tf d a t a d r i v e no v e r l a yn e t w o r k ) 。c o o l s t r e a m i n g 使m g o s s i p 1 9 协议在用户 之间传播控制信令，g o s s i p 协议的高度可扩展性、多点对多点数据传输协议的岛 度稳定性使j - 引- z 忆, h 够在真实的i n t e r n e t 上支持大规模的应用。这类算法的特点就是用 户越多，性能越好。随后在i n t e r n e t 上出现了大量网络电视。如华中科技大学丁r 发 出的p p l i v e 2 0 1 ，f 1 前在高峰期可拥有几卜万的用户，清华大学丌发出的沸点网络 电视【2 1 ，浙江大学丌发山的t v a n t s 2 2 ，幂h p p s t r e a m 2 3 等。这类网络电视和i c o o l s t r e a m i n g 有着类似技术特性。用广越多，播放越流畅。 基于应用层组捕的多路流媒体传输的仿真研究 2 2 应用层组播主要算法 应用层组播有很多的算法，用单一的分类方法很难进行分类，按照网络拓扑 的构建不同大概分为以下四类：网格优先( m e s h f i r s t ) 应用层组播、树优先 ( t r e e f i r s t ) 应用层组播、特定逻辑结构( d h t - b a s e d ) 应用层组播、g o s s i p b a s e d 应用 层组播，下面将分别介绍这四类算法。 2 2 1 网格优先( m e s h f i r s t ) 应用层组播 在网格优先应用层组播中，成员先自组织成一个网格，然后在网格上以数据 源为根各自构造生成树。在该类算法中，每对成员之间都有多条链路，只要有一 条链路存在就仍能够f 常收发数据，具有很高的可靠性。但是每个组成员都要维 护整个组的信息，这样丌销较大，扩展性不好，仅适合小规模的应用。网格优先 应用层组播主要含有e s m 6 ，7 】、s c a t t e r c a s t 2 4 等算法。 2 2 1 1e s m e s m 6 ，7 】是c m u ( 卡耐基梅隆大学) 丌展的一个端系统组播研究项目， n a r a d a 是e s m 的组网协议。2 0 0 1 年，通过在因特网中实际运行基于n a r a d a 的 视频会议，验证了n a r a d a 采用的自组织协议可以在动态的、异构的因特网中支 持较小规模的视频应用。 n a r a d a 将参与的终端按照一种自组织和完全分发的方式组织成覆盖网。 n a r a d a 在终端系统失效和组成员动态变化方面有很好的鲁棒性。终端系统不需 要了解底层的网络拓扑，是通过一种可控探知方式来确定终端系统之间的延迟。 得到更多的信息后n a r a d a 将继续优化覆盖网络。 n a r a d a 满足以下目标： 图2 1 n a r a d a 批十心用层组播的多路流媒体传输的仿真研究 ( 1 ) 自组织：所组建的终端m e s h 网必须是完全分布式的并能对组成员的动 态变化方面有很好的鲁棒性。 ( 2 ) 覆盖效率：所构造的树必须有低的强度、r d p 、资源利用率。 ( 3 ) 自身优化的能力：应能够灵活的收集网络信息，可以更好的进行自身能 力的优化 构建网络分发树分为以下二个步骤： ( 1 ) 构造m e s h 网。m e s h 网应该是任意的互连的c v g 的子图，每个成员有有 限个相邻成员。 ( 2 ) n a r a d a 在m e s h 上构建最小生成树。 2 2 1 2s c a t t e r c a s t 【2 4 1 2 0 0 0 年b e r k e l e y 大学的y c h a w a c h e 在其博士论文中提出t s c a t t e r c a s t 。它 的思想是在在因特网中部署支持组播业务的服务器，称为s c a t t e r c a s t p r o x y 节点。 图2 2s c a t t e r c a s t 结构图 客户端通过邻近的服务器来加入组播，服务器通过单播来自组成一个覆盖 网，并且在这覆盖网上构建数据分发树，g o s s a m e r 是s c a t t e r c a s t 体系结构的自组 织组网l 办议。 2 2 2 树优先( t r e e f i r s t ) 应用层组播 树优先的协议是先直接在成员之问建立数据共享分发树，接下来每个成员再 在树中发现不是它邻近节点的相同组播组的成员，并且建立和维护这些成员的控 制信息。在树优先的算法中，每个成员不需要整个组的信息，其维护j i ：销小，终 基于应用层纽播的多路流媒体传输的仿真研究 端很容易加入组播树，扩展性好，但是如果树中的节点离开，与该节点连接的所 有终端都将中断收发数据，可靠性较差。树优先算法主要含有y o i d 3 、a l m i 4 、 h o s t - - m u l t i c a s t 2 6 ，y a l l c a s t 2 5 、n i c e 1 7 、z i g z a g 1 8 、o v e r c a s t 1 6 等。 2 2 2 1n i c e 1 7 n i c e 是一种基于分层( h i e r a r c h i c a l ) 的分群( c l u s t e r ) 应用层组播，具 有很小的控制负荷和延迟，不需要任何的底层拓扑信息，可以支持大量的不同源 的数据分发树。在n i c e 应用层组播中，分层的控制拓扑连接，数据分发树是依 照构建分层的方式来定义的，并不需要额外的路由计算。n i c e 协议将端主机按 层分布，协议主要就是创立和维持分层。分层隐含了组播的覆盖数据传播路径， 成员分层对于可扩展的应用层分组来说是很重要的，因为大多的成员都在底层， 并且只需要维护一部分的成员的状态。最上层的成员只需要维护其他成员的状态 o ( 1 0 9 n 1 ，逻辑上，每个成员维护同一个层邻近成员的详细信息。分层结构对于 找到失效成员也是很有用的。n i c e 分层结构是通过把成员分在不同的层上来实 现的。如下图所示，分层是按顺序排列的，底层为零层。每个层的主机分为一组 集群，每个集群包含一组相邻的主机，并且每个集群中含有领导成员，协议选择 集群的中心作为自己的领导成员，集群领导具有到集群中其它成员的最小距离。 n i c e 分层和集群有以下性质： r 1 ) 在任一层一个主机只能属于一个单一的集群。 ( 2 ) 如果一个主机属于l i 层的一个集群，那么它必定也属于l o ，l i 1 层 中的一个集群。事实上它也就是任一个底层的集群的领导成员。 ( 3 ) 每个集群都含有k 3 k 一1 个主机。每个领导成员都是处在图形的中心。 ( 4 ) 最多含有j 0 9 2 层，最高层只有一个。 喔_ 十- i f 二麟辇瓣成t贝7 瞄z 后 1 层孽三三垂三章嬲辇瓣成 鼍惩豢杏崩x 笑警彻 图2 3 n i c e 的分层结构 9 桀十应刚层纰捅的多路流媒体传输的仿真州究 2 2 2 2y o i d v o i d 3 是一种组合了客户端一服务器的灵活分布式模型和动态自组织l p 组 播网络。它允许一组端主机通过隧道建立成一个内容分布网，y o i d 可以传播组 播业务，但不需要组播结构，这就使得丌发者愿意在应用中使用y o i d ，为其应 用提供灵活和健壮的组播服务。y o i d 在局部、小规模、并且支持i p 组播的网络 中使用i p 组播，在i p 组播构成的“小岛”( i s l a n d ) 或者没有l p 组播支持的主机 之问使用应用层的方式。y o i d 是一种协议簇，允许对某一应用的所有复制转发 等操作在终端系统完成。y o i d 并不要求所有的端系统都进行转发复制等操作， 也可以由服务器来完成。 图2 4 y o i d 树 一个成员可以通过单播也可以通过局部的组播来发送数据。目前i p 组插所 传输的域是很有限的。单播中桐邻两个成员之刚的关系是父子的关系。在应用 i p 组播的地方，一些组成员组成集群。其中一个节点负责作为整个组的父节点， 米和树中余下的成员相连。其它的集群成员称为脚( f e e t ) ，通过头束发送数据。 集群成员都是邻近的。实箭头的方向表示了予到父，脚到头的方向。树。 】只能有 一个根( r o o t ) ，其它成员只能有一个父节点或是头。任一个成员在某一时| 1 ；i j 只能 是叶成员或是数据传输成员。这取决于是有一个单一的邻近成员或是有很多的数 据成员。成员可以自己决定是否为叶成员。和树拓扑不相关的要么是端丰机、要 么是y i o d 代理服务器。区别是端主机中含有在树中使用的应用，而代理服务器 没有。通常情况下，服务器可以是在树中有特殊作用的传递成员。在树中有大容 量的输出一般是由服务器组成的，而小输出的端主机一般是作为叶。 l o 基于应用层组播的多路流媒体传输的仿真研究 2 2 2 3o v e r c a s t o v e r c a s t 1 6 是在c i s c o 公司支持下开展的一个研究项目，是解决因特网内容 分布的个体系结构，实现可靠的组播业务。通过在网络中战略性地部署o v e r c a s t 节点，然后由应用层组播机制将该节点组成一个骨干转发网络，能够以可靠的方 式实现内容的分发。o v e r c a s t 和s c a t t e r c a s t 思想类似，采用在网络边界部署应用层 组播节点组成一个业务网络的策略，两者在实现应用层组网的机制不同，并且 o v e r c a s t 侧重于实现组播数据的可靠分发。 2 2 3 特定逻辑结构( d h t - b a s e d ) 应用层组播 特定逻辑结构( d h t - b a s e d ) 应用层组播，代表是c a n ( c o n t e n t - a d d r e s s a b l e n e t w o r k ) 1 2 7 和b a y e u x 2 8 】。它们使用特殊的逻辑结构对组播节点映射或编址， 组播转发可使用简单的规则实现，从而减少状态维护开销和转发开销，避免路由协 议的使用，缺点是只考虑了同构的情况，没有考虑异构。逻辑空间中节点问的关 系并不能对应实际网络中的关系，得到的报文转发路径很有可能在性能方面存在 问题。 c a n 由加州大学伯克利分校与a c l r i 共同研究丌发的一套应用层组播方案， 利用了分布式哈希表( h a s ht a b l e ) 来实现整个叠加网的组网。c a n 的成员组成、一 个虚拟的d 维的笛卡尔直角坐标空自j ，每个成员拥有自己的一部分空问。两个相 邻的空划所代表的成员互为叠加网中的对等成员。数据传输拓扑通过直接地在控 制拓扑中进行数据转发来定义。其数据转发基本规则是：数据源把数据包转发到 它所有的拓扑邻节点上。假设一成员从另一成员接收到数据包，那么二成员之问 一定是拓扑邻节点。 在c a n 中，新节点加入是c a n 把某个现有节点的区域分裂成同样大小的 两块，把其中一块分给新加入的节点。整个过程分为以下三步： ( 1 ) 新节点首先找到一个已经在c a n 中的节点。 ( 2 ) 新节点使用c a n 的路由机制找到一个区域将要被分隔的节点。 ( 3 ) 执行分裂操作，原有区域的邻接区域被告知发生了分裂，这样新节点才 能被别的节点路由到。 苯十应用甚自l 捅的多路流媒体传输的仿真研究 i 、 - m m l e b sv i r t l 胴，f 舯t d i h a t e z o l | p 图2 5 包含5 个覆盖节点的2 维坐标空间 在c a n 中，当节点离开c a n 时，必须保证它的区域被c a n 系统收回，分 配给其他仍然在系统中的节点。一般过程是由某个节点来接管这个区域和所有的 ( 关键字，值) 数据库。如果这个区域可以和相邻区域合并形成一个大的区域， 那么c a n 将执行合并操作。如果合并不能进行，那么该区域将交给其邻接节点 中区域最小的节点。也就是说，这个节点将临时负责两个区域。 2 2 4g o s s i p b a s e d 应用层组播 在常规的g o s s i p 算法 1 9 】中，一个节点先把信息发送给一些随机选择的点， 这些随机的节点按照同样的做法，把信息再发送给另外的一些随机点，按照同样 的做法，最终信息将发送给所有的= 肖点。g o s s i p 中随机的选择确一定的好处，就 是有更好的灵活性，并且可以分和操作。在g o s s i p b a s e d 应用层组播中，没有周 定的网络拓扑，整个覆盖网是随机的，这样的好处就是采用分布式管理，可以支 持大量的用户，可以达到上再万。主要的算法是有c o o l s t r e a m i n g 、 c h a i n s a w 2 1 ，c h a i n s a w 采用数据拉( p u l | ) 的方式获嫩数据，有很快的启动时间， 在大范围节点失效后仍能保持较好性能。这类算法都是用来支持多路流媒体传输 的。 2 2 5 应用层组播算法的比较 本节中将对上面介绍的四大类应用层组播进行简单的比较。m 格优先的应用 层组播协议健壮性最好，因为节点之问有多条链路，只要有一条存在就可以接发 数据，但是系统的扩展性也最差，由于每个节点都要保存组内其他成员的信息， 赫于应用层组l 播的多路流媒体传输的仿真_ i 】f 究 随着成员数量的增长，控制丌销也将随之增大，因此网状优先的协议仅适合小规 模的应用。 树优先的应用层组播协议健壮性是由其先驱节点以及组中的集中点 f r p ：r e n d e z v o u s p o i n t ) 来决定的，如果二者都失效，节点将不能加入到树中，因 此其健壮性不及网状优先的组播协议。树优先的组播协议中，节点通过r p 或先 驱节点很容易加入树中，因此其可扩展性比网状优先组播协议要好，由于节点不 需要维护整个组成员的信息，只要维护与其相连的节点，它的控制信息较少。树 优先适合高带宽的应用，而不适合对延迟要求比较高的应用。在树优先的节点中， 位于叶的节点只是接收数据，而不能够给其他节点发送数据。 特定逻辑结构的应用层组播协议是靠特定逻辑结构对节点进行编址和映射， 每个组播成员都要分配唯一的一个l d 号，根据这个号进行映射编址。组播数据 的转发通过简单的规则就可以实现，不需要很多的控制信息，因此其控制开销很 小，但是在建立组播树的时候没有考虑底层的物理拓扑，建立的组播树不一定是 最佳的。 基于g o s s i p 的应用层组播不依靠固定的拓扑结构，整个网络拓扑是通过随 机建立起来的，节点可以很方便加入、离开系统，而对整个系统的影响也很小。 其扩展性和健壮性能方面较好。每个节点只需要维护其伙伴节点的信息，其控制 开销不会随着节点的增多而无限制增多，只与伙伴节点的数量有关。其控制丌销 较小。采用分布式的管理，可以支持大量的节点，适合大规模的应用。 表2 1 性能比较表 性能 健壮性控制开销扩展性 协议类型 m e s h f i r s ti 曷】大 不好 t 】f e e f i r s t 低小好 一 d r r b a s e d品小 好 g o s s i p - - b a s e d 高小 好 幕于麻用层绀播的多路流媒体传输的仿真研究 2 3 应用层组播的关键技术 应用层播所涉及的关键技术有以下5 种： ( 1 ) 覆盖网络构建方式。 覆盖网络的构建方式有三类：m e s h 、t r e e 和随机拓扑。在m e s h 中，以数据 源为根各自构造生成树，可以针对每个源单独优化，但是每个成员都要维护一个 组成员列表，开销大，扩展性差，可靠性高，仅适合小规模的应用。在t r e e 中， 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，根掘这个树状 拓扑增加一些成员问的连接便可组成控制网状拓扑，树状拓扑优先适用于高带宽 要求的传输，而不适用于有严格延迟要求的应用，其维护开销小，只需要维护与 其相连节点的状态信息，扩展性好，但是树节点一旦失效，叶节点将无法接收数 据，可靠性较差。随机拓扑的构造没有固定的结构，节点很容易加入或退出系统， 通过一定的算法来动态的稠整节点之间的关系。随机拓扑中，节点有很多潜在的 数据潜在源，节点越多，可靠性越好，每个节点只需要维护部分节点的信息，控 制开销较小，节点很容易加入系统，具有很好的扩展性。 ( 2 ) 组播节点管理、维护问题。 组播节点的维护包括节点的加入、退m 和“失效”节点的检测。节点的d h x 指 新的节点发现组播组的存在、加入到组播组巾。目6 u 大部分算法都假设存在“集 中点”( r p ：r e n d e z v o u s p o i n t ) ，通过r p 究成加入，r p 很容易成为系统的瓶颈。也有 算法是通过 f i j s e e d 节点发送加入请求信息，s e e d 随机从自己的列表中挑选一些节 点的l p 地址，节点在从这些1 p , i i z j ：x l ：q 。随机选些l 节点作为自己的邻居节点，从而通 过s e e d d h 入组播。节点退出时需要发出退出组播组的通知，有些算法要对节点的组 织进行调整。“失效”指节点没有发出退出组播绑的通知但已无法诈常工作。 一 般通过定期发：送k e e p a l i v e 报文或是h e a r t b e a t 报文实现“失效”节点的检测。 ( 3 ) 流量控制和拥塞控制。 【3 3 1 应用屡在这方面还研究不多，可能思路包括： 借鉴l p 组播的研究经验和思路。 1 4 基于应用层组掷的多路流媒体传输的仿真研究 针对和i p 组播的不同提出新的思路，例如中间节点的功能可以更加复 杂。 考虑媒体编码技术对于应用层组播算法的影响。 考虑和t c p 流量的公平性问题。 ( 4 ) 网络测量技术。 【3 3 】网络性能测量技术对于应用层组播的实用十分重要，主要用于： 在m e s h 中选择数据转发路径需考虑性能。 新节点加入时要选择性能较好的邻居节点( 或父节点) 。 组播组结构调整时需测量性能。 主要性能指标包括带宽、延迟和丢失率。大多数算法以带宽或延迟作为主 要指标。 ( 5 ) 安全。 应用层组播中数据通过主机转发，相l b i p 组播数据通过路由器转发，安全方 面较差，因此安全更为重要。在文献【3 】中提出了应用层组播中安全包括以下三 个方面： 防止未授权的节点j w a 组。 防止未授权的节点获取数据。 防止数掘通过终端进行数据转发时被窜改。 2 4 应用层组播的评价标准 在文献 1 71 中，提出了以下三方面的评价标准： ( 1 ) 数据分发树质量 数据分发树由以下三个指标衡量： 强度( s t r e s s ) ：在同一物理链路上同一数据包的发送数量。 度( s t r e t c h ) ：在覆盖网中从源到成员的延迟与直接利用单播传输所 用的延迟的比值。 资源利用率( u s a g e ) ：所有参加数据传输的成员的延迟与强度的乘积 基于应用层纽捅的多路流媒体传输的仿真坷f 究 总和。 ( 2 ) 覆盖刚络的鲁棒性( r o b u s t n e s so f t h eo v e r l a y ) 由于端系统不及路由器稳定，应用层组播协议应该能够减轻由接收端出现失 误时所产生的后果。应用层组播协议的鲁棒性是由以下两个指标来衡量的：在传 输数据时当不同成员失效时应能确定破坏程度的大小，恢复给其他成员传输数据 所需的时间。 ( 3 ) 控制负荷( c o n t r o lo v e r h e a d ) 为了有效的使用网络资源，成员的控制负荷必须低。这对于研究拥有大量组 成员的灵活性是个很重要的指标。 基于应用层组橘的多路流媒体传输的仿真研究 第3 章p 2 p 仿真系统概况 网络仿真软件是通过在计算机上建立一个虚拟的网络平台，来实现对真实网 络环境的模拟，网络技术开发人员在这个平台上不仅能对网络通信、网络设备、 协议、以及网络应用进行设计研究，还能对网络的性能进行分析和评价。另外， 仿真软件提供的仿真运行和结果分析功能使开发人员能快速、直观得到网络性能 参数，为优化设计或做出决策提供更便捷、有效的手段。 3 1 仿真需求 真实的p 2 p 系统是比较复杂的系统，其复杂性表现在节点的经常变动，下载 和连接失效，存在着大量随机的节点等。对p 2 p 系统进行性能分析，必须对其做 出一些简化的假设，从而降低系统的复杂度，对系统进行性能分析。由于p 2 p 系 统是用于大量节点的情况，故而通过在真实的网络中运行实验是不实际的。因此 对p 2 p 进行仿真分析越来越重要。 仿真的本质就是对仿真对象做出一些假设和抽象，问题是应该做出哪些假设 和抽象。如果没有对系统有整体上的了解。在假设和抽象过程中所忽略的任何一 点都可能是影响系统性能的关键点。 为了解决这个问题，需要有合适的仿真方法。为了使仿真的结果更能可靠， 必须对不同的假设部做出评价。必须考虑到初始参数的概率分布情况和做出合理 的统计结果分析。 p 2 p 系统的仿真还是一个较新并在继续发展的领域。那么有些p 2 p 仿真软件 在严格的意义上来讲还是需要来完善的。但是随着对相关大型网络仿真领域的重 视，情况就有所变化。 对p 2 p 仿真需要考虑以下的几个关键点：初始参数的分布，内容模型，结果 分析，网络状态连续的能力和可视化。 对网络进行仿真需要包含以下六个方面：配置网络拓扑( t o p o l o g y ) 、配置 业务( t r a f f i c ) 、收集结果统计量( s t a t i s t i c s ) 、运行仿真( s i m u l a t i o n ) 、调试模 基于应用层盟【播的多路流媒体传输的仿真研究 块再次仿真( r e - s i m u l a t i o n ) 、最后发布结果和拓扑报告( r e p o r t ) 。 3 2 主要仿真软件介绍 目前众多的专用网络仿真软件中分为两大类，一类是软件公司开发的商用软 件，如o p n e t 。另一类是各大学和研究所自行开发的科研用的仿真软件，女i n s ， p 2 p s i m ，p - s i m 等。软件商业软件价格昂贵，不具有开放性，但提供了比较全面 的建模和协议支持。科研用软件是一些具有丌放性的软件包，既作为网络建模和 仿真工具研究开发的一部分，又作为网络研究的共享资源、为网络研究者提供了 研究的平台和工具，但功能不如商用软件完善。下面将介绍主要的仿真软件。 3 2 10 p n e t o p n e t 1 0 最早足在1 9 8 6 年由麻省理工大学的两个博士创建的，并与1 9 8 7 年建立了商、化的o p n e t 。在o p n e t 的各种，“品中，m o d e l e r ) l 乎包含其他产品 的功能，针对不同领域，它表现出不同的用途。 m o d e l e r 所能应用的各种领域包括端到端结构( e n dt oe n dn e t w o r k a r c h i t e c t u r ed e s i g n ) 、系统级的仿真( s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o nf o rn e t w o r k d e v i c e s ) 、新的协议丌发和优化( p r o t o c o ld e v e l o p m e n ta n do p t i m i z a t i o n ) 、网 络和业务层配合如何达到最好的性能( n e t w o r ka p p l i c a t i o no p t i m i z a t i o na n d d e p l o y m e n ta n a l y s i s ) 。 m o d e l e r 采用阶层性的模拟方式( h i e r a r c h i c a ln e t w o r km o d e l i n g ) ，从协议 刚关系看，分为业务层- t c p 层- - ) i p 层- - ) i p 封装层- - a r p 层- - ) m a c 层专物理层； 从网络物件层次关系上看，提供了三层建模机制，展底层