（通信与信息系统专业论文）非完全组播网络中的多媒体组播机制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = ：= = = = ；= = = = = = = = $ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 摘要 随着多媒体和网络技术的快速发展，多媒体应用已经十分普及，然而，高质量 的多媒体通信仍然存在许多尚未完全解决的问题困扰着研究者和用户。为了解决多 点多媒体通信的服务质量，组播成为多媒体通信中最常用的传输方式。当前组播路 出算法和济议各式各样，这些算法仅能在某些特定的应用场合具有很好的性能，而 对于其它的应用则未必胜任。因此，有必要根据不同的多媒体应用数据特点，选择 不同的组播算法，以此来达到系统性能的整体最优。而且，现有的组播路由算法仅 能在一个组播区域内有效，不能应用于没有组播路出器连接的领域。而当前 i n t e r n e t 网中部分路由器不支持组播功能，是一种非完全组播网。为了在这种非完 全组播网中实现组播功能需要采用一些新的技术与机制。 在国家科技部技术创新基金项目( n o 0 0 c 2 6 2 2 4 2 1 0 6 4 1 ) “远程教学协同 群件产品”、国家教育部重点科学投术项目( n o 2 0 0 0 1 7 5 ) “现代远程教育关 踺技术：交互式实时教学工具软件”和国家高技术研究发展计划资助项目( n o 2 0 0 2 a m l 9 0 l o ) “数字视音频编码、传输、测试与应用示范系统”的资助下， 通过多个多媒体网络应用系统设计和开发的实践工作，作者对多媒体组播传输中的 问题做了仔细台勺研究和实验，提出了一种新的算法可选组播框架f 刚( f 1 e x i b l e m u l t jc a s t i n go l lp a r t i a l m u i t i c a s tn e t w o r k s ) 。 本文在回顾了多媒体传输技术，尤其是组播技术中的一些必要的基本知识以 后，详细介绍了这种算法可选组播框架，该框架通过数据分类为不同的应用和数据 类型寻找其最匹配的组播算法。f m 队一方面利用原本不支持组播的路由器传输组播 数据，扩展应用所需的组播网络另一方面通过在同一物理网络上提供不同的虚拟 信道，为采用不同的组播路由算法提供基础。同时也为分层编码器提供多个独立的 组播组作为其输出媒体各子流的传输信道。为了更好的对应用和媒体进行分析，以 找到最匹配的组播算法，这个框架从应用类型、数据类型和数据层次等三个方面将 多媒体数掘进行分类。f m p n 提供的算法可选组播机制通过对不同的应用类型和数据 类型使用不同的组播算法，在系统内存丌销和带宽瓶颈阃达到平衡，能够实现系统 整体的最优。 本文最后还介绍了作者在攻读硕士学位的学习、研究和工作中所参与的多个多 媒体网络应用系统，这些系统均是以多媒体在网络中的传输为技术基础，涵盖了从 局域网教学到远程通汛、从视频会议到网络监控等多个方面，为作者在第三章中提 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 出的理论算法提供了实验平台，并在后期的两个系统中得到了实际使用，达到了预 期的效果。 关键词：算法可选组播非完全组播网络i p 隧道多媒体通信多媒体网络应用 1 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s tr a c t a sm u l t i m e d i aa n dn e t w o r kt e c h n o l o g i e sg r o wr a p i d l y ，m u l t i m e d i a a p p i c a t i o n s h a v eb e c o m e v e r yp o p u l a r h o w e v e r ，t h e r e a r es t i l lm a n y u n s o i r e dp r o b l e m si nt r a n s m i s s i o no fm u l t i m e d i aw i t hh i g hq u a i t y w h i c h s t i l lp e r s e c u t er e s e a r c h e r sa n du s e r s i no r d e rt os o l v eq o sp r o b l e m si n m u l t i p o i n tm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s m u l t i c a s tb e c a m e t h em o s tp o p u l a r m e a n so ft r a n s m is s i o n t h e r ea r ev a t i o u sr o u t i n ga l g o r i t h m sf o rm u l t i c o s t i n g t h e s ea l g o r i t h m so f t e np e r f o r mw e l lf o rc e r t a i np u r p o s e s ，w h i l en o tf o rt h e o t h e r s ，t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oa d o p td if f e r e n ta l g o r i t h m sa c c o r d i n g t ov a r i o u sm u l t i m e d i aa p p l 【c a t i o nf e a t u r e sf o rb e s to v e r a l lp e r f o r m a n c e ， w h a t sm o r e t h e yc a no n l yb eu s e dw i t h i nam u l t i c a s ta r e ac a l l e dm u l t i c a s t 【s l a n d ，b u tc a nn o tr e a c ht h ep l a c ew h e r et h e r ea r en ol i n k e dm u l t i g a s t r o u t e r s t n f o r t u n a t e l y ， i n t e r n e ti ss u c hap a r t i a l m u l t i c a s tn e t w o r kw h i c h c a nn o p r o v id em u l t i c a s t i n gt o t a l i y t h u sn e wm e c h a n i s m sa r ei nn e e di n o r d e rt oi m 口l e m e n tm u l t i c d s ti ns u c hp a r t i a l m u l t i c a s tn e t w o r k s 0 n d e rt h es u p p o r tf r o mi n n o v a t i o nf o u n d a ti o no fc h i n an a t i o n a lm i n i s t r v o fs ci e n c ea n d t e c h n o l o g y f o rt h e p r o j e c t ( n o 0 0 c 2 6 2 2 4 2 1 0 6 4 1 ) 一 “c o o p e r a t i o nd is t a n c el e a r n i n gg r o u p w a r e ”k e ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 【t e mf o u n d a t i o no fc h i n an a t i o n a le d u c a t i o nm i n i s t r yf o rt h ep r o j e c t ( n o 2 0 0 0 17 5 ) 一“k e y t e c h n o l o g i e s i nm o d e r nd i s t a n c e l e a r n i n g ：i n t e r a c t i v e r e a i ti m ee d u c a t i o ns o f t w a r et o o l s ”a n dn a t i o n a l h i g ht e c h n o o g yr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n t p r o g r a mo fc h i n a ( n o 2 0 0 2 a a l1 9 0 1 0 ) “d e m o n s t r a t i o n s y s t e m o f d i g i t a la u d i o v i d e o c o d e c ，t r a n s m i s s i o n ，t e s t i n g a n d a p p i c a t i o n ”，t h r o u g h t h e d e s i g na n dd e v e o p m e n to fs e v e r a lm u i t i m e d i a s y s t e m s ，t h ed r o b l e m sinm u l t i m e d i am u l t t c a s t l n gh a v eb e e ns t u d i e di nt h i s t h e s is ，a n dah o v e i f l e x f b l e m u l t i c a s t i n gf r a m e w o r kf o rd i s t r i b u t e d m u t i m e d i aa p p l i c a t i o n so np a r t i a l m u l t i c a s tn e t w o r k s ( f m p n ) i sd r e s e n t e d a f t e r r e v i e w i n g t h eb a s i ck n o w l e d g e o fm u l t i m e d i a t r a n s m i s s i 。n t e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l ym u l t i c a s t i n gt e c h n o l o g y ，t h i st h e s i sd e s c r i b e df m p n w h i c h a d o p t s m o s t m a t c h e d m u l t i c a s t i n ga l g o r i t h m sf o rd i f f e r e n t l i i 华中科技大学硕士学位论文 a p p t i c a t i o n s a n dd a t a t y p e sb y d a t ac l a s s i f i e a t i o n f m p n u t i l i z e n o n m u l t i c a s t i n g t o u t e r st ot r a n s f e rm u l t i c a s tp a c k e t s ，t h u s e x p a n dt h e m u l t i c a s tn e t w o r ka sn e e d e d o nt h eo t h e r h a n d ，b yp r o v i d i n gd i f f e r e n t v i r t u a lc h a n n e l so nt h es a m e p h y s i c a ln e t w o r k ，f m p nl a y st h eh a s i sf o r a l g o r i t h m sa d o p t i o n ，a n dp r o v i d e si n d e p e n d e n tc h a n n e l sf o r s u b s t r e a m s g e n e r a t e db yl a y e r e de n c o d e r i no r d e rt oh a v eb e t t e ra n a l y s i st oa p p l i c a t i o n a n dm e d l a ，t hl st h e s i sc l a s s i f i e sm u l t i c a s t i n gd a t ai n t ot h r e eh i e r a r c h i c a i l e v e l s ：a p p i c a t i o nt y p e ，d a t at y p ea n dd a t a l a y e r a d o p t i n gd i f f e r e n t a l g o r i t h m s f o rd i f f e r e n t a p p l i c a t i o nt y p e sa n dd a t a t y p e s ，a l g o r i t h m s e l e c t i o ni na d a p t i r em u l t i c a s t i n gm a k e sa c o m p r o m i s e ，g a i n st h ef e a s i b i l i t y a n dh a sb e s to v e r a 1 p e r f o r m a n c e i nt h el a s tc h a p t e r ，t h i st h e s i s g i v e sas u m m a r yo fs e v e r a lm u l t i m e d i a s y s t e m si nn e t w o r ka p p li c a t i o nt h ea u t h o rh a st a k e np a r ti nd u r i n gt h es t u d y r e s e a r c hw o r kw h i l ep u r s u i n gm a s t e rd e g r e e t h e s es y s t e m sa r ea l lb a s e d0 n m u lc i m e d i a m u l t i c a s t i n gt e c h n o l o g i e s ，a n dc o v e rab r o a d r a n g ef r o ml a n e j e j l r d jn gt od ls t a n c e c o m m u n i c a t i o n a n df r o m v i d e oc o n f e r e n c et o m o r t ：t o r l n gt h r o u g hn e t w o r k t h e yh a v ep r o v i d e dap l a t f o r mf o rt h ea u t h o r s e x p e r i m e n t a t i o n so nh i si d e a t w oo ft h e mh a v ea d o p t e ds u c hi d e ai np r a c t i c e , a n da c h ie v et h ep e r f o r m a n c e sa s e x p e c t e d 。 k e y w o r d s ：a d a p t i v e m u l t i c a s t i n g ，p a r t i a l - m u l t i c a s tn e t w o r k ，i pt u n n e l m u 【t i m e d i ae o m m u n i c a t i o n m u l t i m e d i an e t w o r k a p p l i c a t i o n s i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 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 的法律结果由本人承担。 篙誓警：剥矸日期：纱矸年午且弘日f 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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“”) 獭撇也乏 日期：枷铲年争月3 p 日 华中科技大学硕士学位论文 ! = = = = = = = = # = = = = = = = = = = = = # = = = = = ；= = = = = = 1 1 引言 1 多媒体传输技术概述 在多媒体技术的发展历程中，网络技术占有极为重要的地位。矛是由于网络技 术，特别是宽带网络技术的快速发展，_ 才使多媒体技术从单机的终端应用模式，向 大规模的网络应用模式发展。两这种无所不在的网络多媒体应用，使人们可以在世 界范围内不仅仅通过常舰电信提供的电话语音，而且可以通过丰富多彩的多媒体方 式进行沟通。 交换技术在多媒体宽带通信网中起着举足轻重的作用，它不仅可使多台通信终 端共享传输媒体，而且完成网络中的任意两个或多个用户的相互连接。通信网中交 换方式，决定了网络的总体运行方式和网络性能，也对用户终端的类型和接入方式 提出了相应的要求。当传输技术逐渐向宽带迈进的时候，使各种不同业务可以充分 的利用传输资源的交互设备也有了与之相适应的发展，以i p 和a t m 为代表的分组 转发和交换技术是当前网络建设中的热点。无论是互联网还是a t m 网络领域都发 生着急剧的变化。本文中所进行的工作是基于分组交换的i p 网络。 i p 技术是一种非面向连接的分组交换包交换网络技术，它可以较容易的继承传 统电信的语音业务，并迅速扩展到数据、图像和视频等其它多媒体业务。同时，i p 技术对通信资源的利用率远远高于传统的基于电路交换的通信网络技术，通信费用 也低的多。随着i n t e m e t 的迅猛发展，i p 网络目前己遍及到世界的每一个角落，已 显示出其超越传统的以电路交换为主的电信网、成为未来信息高速公路基础的趋 势。因此，包括i t u ，i e t f 以及d a v i c 在内的各家国际组织都加快了对以r p 为基 础的多媒体通信的研究，而网络、有线电视和电信设备的生产厂商也纷纷加入此行 列，将未来的通信业务的发展重点定位于i p 技术，大大推动了以i p 技术为基础的 实时多媒体业务相关技术的发展。 以太网作为i p 技术典型代表直以来被视为局域网的同义词，在千兆以太网和 基于i p 的q o s 技术推出之自u ，人们很难把以太网和多媒体应用联系起来。传统的 共享式1 0 m b p s 带宽的以太网当然不能满足多媒体应用的要求，但交换式以太网的 出现和干兆以太网发展已经把以太网技术和多媒体应用紧密的联系在一起。 当前得到交换式技术把以太网从多个终端共享1 0 m b p s 带宽升级到独占 1 0 m b p s t 1 0 0 m b p s 甚至g b p s 带宽。以太网和交换技术的结合已经彻底消除了传输 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = = = = = = ；= ；= = = = = = = 2 = = = = = = = = = = = 带宽的多媒体应用的限制。交换式以太网采用帧交换技术，每一帧的长度最高可达 1 5 0 0 字节。比起a t m 固定5 3 字节来说，交换式以太网虽然转发延迟长，且延迟变 化大，但随着通信链路带宽提高到目前的o b p s ，再加上目前交换机普遍采用报文优 先级技术，对多媒体数据帧优先转发，使得数据帧总的延迟时间和延迟变化可以控 制在多媒体应用要求的范围之内。 目前宽带i p 网络针对多媒体应用可以提供以下技术保障。 1 2 宽带以太网技术 目前以太网技术可以为用户提供1 0 m b p s ，1 0 0 m b p s 及g b p s 交换机，高速的交 换带宽完全能支持大容量g b i t 以太网端口之间的转发功能，可以为每个用户提供最 高达g b p s 的独占带宽，为用户传输多媒体数据提供了带宽保证。与l o m b p s 和 i o o m b p s 交换机相比，千兆位以太网交换机主要有以下特点： 千兆位介质无关接口( g b i t m e d i u m i n d e p e n d e n t i n t e r f a c e ，g m i i ) ， 光纤通道编码， 重新启用单中继器规范 为用于光纤而对修改自动协商， 修改c s m c d 操作和优选全双工， 与铜介质相比优先使用光纤 拓扑结构 1 3 实时传输实时控制协议 作为i p 网络中的基础眭协议的t c p i p 协议最初是为非实时数据业务而设计的。 i p 协议只负责主机之间的数据传输，不进行差错检测和纠错，因此会发生数据丢失 或者失序现象。为了对数据提供可靠传输的保证t c p 协议被用于数据的传输，提 高接收端的差错检测和纠错能力，当接收端检测到数据包丢失或错误时，要求发送 端重新发送，但这样不可避免的会引起传输时延并占用网络带宽，因此传统的i p 网络传送实时音频、视频能力较差。为了使i p 网络不仅能传送非实时的数据信息， 而且还能传送实时的多媒体信息，各家国际标准化组织已开始起草并完成了一些用 于i p 实时通信的标准。这些标准能够确保i p 网上业务的服务质量( q o s ) 要求 并已成为基于i p 通信网络的各种多媒体业务的关键技术。 在基于i p 网络的实时多媒体传输技术中，目前最主要的手段是采用实时传输与 2 华中科技大学硕士学位论文 实时控制协议柬保证实时数据的多点传输与时间特性要求。实时传输协议 ( r e a l - t i m ep r o t o c o l ，r t p ) 是一个基于i p ，支持对视音频等实时数据传输的 协议。尽管r t p 可以用于单点广播，但它主要是为实时数据传输的多点广播而设计 的：它既可用于像视频点播这样的单项r t p 传输业务，也可用于像i p 电话这样的 交互式双向r t p 传输业务。r t p 与实时传输控制协议( r e a lt i m ec o n t r o lp r o t o c o l ， r t c p ) 协同工作，以得到关于数据传输质量和会话参与者信息等反馈。 r t p 被有意识的设计成一个不完备的协议框架，以使其对新的载荷格式和新的 多媒体软件是歼放的。通过加入新类和载荷格式规格，r t p 可以适应新的数据格式 和新的应用。 尽管r t p 为具有实时特征的交互视音频数据提供端到端的传输服务。但r t p 本 身并不提供确保实时传输的机制，而是从实际控制交换机和路由器中资源的底层协 议获得支持。r t p 依靠r s v p 来为其保存必要的资源，并提供所需的服务质量。除了 利用网络低层的成帧功能外，r t p 并不需要低层协议的其它功能。典型的r t p 实现 是运行在u d p 上，以利用其服用与校验和服务，但目前也有与a a l 5 a t m 和i p v 6 等 传输协议相兼容的r t p 实现。 与通常的数据传输不同，r t p 本身并不提供任何形式的可靠性保证或者流量拥 塞控制机制，而是通过提供时唰戳、序列号等手段将所需的可靠性和流量拥塞控 制全部交由应用层完成。r t p 的流量和拥塞控制信息由r t c p 发送者和接收者报告来 提供。 r t p r t c p 提供了运载实时内容的功能和控制机制，但r t p r t c p 本身不负责高 层任务，比如拼装和同步要在应用层完成。 r t c p 是与r t p 协同工作的控制协议。在一个r t p 会话中，会话参与者周期性的 发送r t c p 包，传输有关数据传输质量的反馈和成员信息。一般情况下有5 个装在 控制信息的r t c p 包类型：接收者报告( r r ) 、发送者报告( s r ) 、描述项( s d e f i ) 、 标识参与的中止( b y e ) 、应用特定功能( a p p ) 。 r t c p 的主要功能是提供q o s 检测和捌塞控制、源标识、媒体间同步以及控制信 息缩放。 q o s 检测和捌塞控制是r t c p 的主要功能。r t c p 为应用提供关于数据分配质量的 反馈，这控制信息对发送者、接收者和会议检测人都是有用的。发送者可以根据 接收者报告反馈的信息来调整其传输：接收者可以依次判定拥塞是发生在本地、区 域还是全局；网络管理可以借此评价多点广播分配网络性能。 在r t p 数据包黾，源由随机产生的一个3 2 标识符来标识，然而这种标识符对于 用户来院并不方便。r t c p 的s d e s ( 源描述) 包则由称作规范名的字符信息组成， 华中科技大学硕士学位论文 ! = = = = = = = = = # = = = = = = = = = = ；= = = # = = = = j = = 作为会话参与者的全局唯一标识符，它可以包括用户的名字、电话号码、电子信箱 地址等其他信息。 r t c p 发送者报告包含一个实际时间与相应的r t p 时间戳的指示用于媒体间同 步，如视频中的唇同步。 r t c p 包在会话参与者问周期性的传送。当参与者数目增加时，在得到即时的控 制信息和限制控制流量之间加以平衡很有必要。为了匹配个大的多播组，r t c p 必 须防止控制流量过量占用网络资源。r t p 一般将控制流量限制在全部会话流量的5 以下，这一目的是r t c p 根据与会者数据来调整生成的速率来达到的。 1 ，4 流优先级技术与服务质量( o o s ) 控制技术 在局域网环境中所有应用的数据流混合在一起，不加以区分的传输。从应用 特性上来分析，多媒体和其它实时应用数据流不能受网络负载变化的影晌。遗憾的 是当前以太网没有能力区分不同类型的信息，并对不同类型的数据流实施不同优先 级只有通过应用层进行各自的带宽检测和流量控制。一旦网络总负载加重，多媒 体和其它实时应用的质量便不能得到保证。鉴于对局域网带宽需求的不断增长， j e e e 与i e t f 修订了8 0 2 1 p 与8 0 2 1 q 协议，这两个协议都与局域网交换的基础 8 0 2 1 d 挢接协议有关。交换机使用8 0 2 1 p 识别那些具有8 个级别的优先级交通分 类的信令，优先级出8 0 2 1 q 头标的3 个比特位设置并且运行于o s i 第二层的介质 访问层( 姒c ) ，因此其内容可被任何路由器或第二、第三层交换机所理解。i e e e 的 8 0 2 1 p 是通过在以太帧和令牌帧酋部增加1 6 位信息使网络支持虚拟网和信息流优 先级的 e e e 的8 0 2 1 p q 协议的一部分。在增加的1 6 位信息中，其中3 位用于标 明帧优先级，因此，数据帧总共可能有0 到7 这8 级优先级。优先级高的数据帧优 先转发，傈证了多媒体数据流的优先转发，降低了多媒体数据的传输延迟。 具有8 0 2 1 p 功能的网卡、路由器或交换机能对i p 包进行分类，其办法使用3 个优先级比特位对信息包进行标号。其它的路由器、第二层或第三层交换机则使用 优先级队列设置优先级，各种优先级队列的算法由硬件实现，其中包括公平队列算 法、循坏队列法于加权公平队列法等。还可使用更复杂的带宽共享策略，如可根据 管理策略使用静态预留法，同时也可动态分配带宽。 在广域网上，i e t f 定义了两种基于i p 的q o s 结构综合业务结构( i n t s e r v ) 和业务区分结构( d i f f s e r v ) 。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = # = = ! = = = ；= = = = = = = = = 2 = ；= = ；= = = = = = = = = 2 1 5 组播技术 组播( 一点对多点) 是一个源主机向一组目的主机发送消息的通信模式。虽然 这可以采用向每个目的主机发送不同单播( 点对点) 消息的方法来实现，仍然有许 多原因使实现组播显得十分必要。使用组播的第一个主要的优点是能降低网络负 荷。许多应用，比如说证券报价机系统，需要向数以百计的分站发送数据报。这些 发往分站的数据报在被发往目的地的路径上共享组链接。既然组播只需要数据源 传送一个数据报，并且这个数据报只是在必要的时候才会被复制( 在组播传输树的 分分口) ，组播就能够节省非常必要的网络带宽。组播另外一个非常有益的地方就 是资源探索。许多应用都要求主机必须知道某种特定的服务是否可用。像自引导 协议( b o o t p ) 和开放式最短路径优先协议( o s p f ) 这样的i n t e r n e t 协议都是这类 应用。用组播消息发送询问给那些潜在的有能力提供这种服务的主机是极其有益 的。虽然有些应用可能会利用组播消息向处于同一个网络中的一组主机发送数据 报，这也是没有理由加以限制的。发现本地域名服务器时如果每个远端网络只有少 于一个服务器，组播消息需要被转发到这些远端网络。组播数据报的有效范围可以 通过改变数据报中生存时间( t t l ) 值来加以限制。组播的另一个重要的特征是它 支持数据广播应用s 近年来，多媒体传输已经变得越来越普遍。音视频信号被捕捉， 压缩，并向一组接收地传送。组播可以用来向所有的接收者发送多媒体数据，而不 需要对每个参与结点建立一个点对点的连接。在现实世界里，分站可以随时加入或 者离丌一个音频播放或者视频播放。由组播提供的加入和退出一个组的灵活性能使 不同的成员更容易处理。 一些以支持转发组播数据报的路由器相连接的子网被选来参加组播试验。这个 组播测试平台被称为组搔主干网( b o n e ) ，并为组播应用提供测试方式。m b o n e ，1 = 始建立时有来自不同国家的4 0 个子网，现在已经包括超过2 5 个国家的3 4 0 0 多个 子网，并预期以更快的速率增长。图1 一i 是m b o o e 的分布示意图。 华中科技大学硕士学位论文 图卜1m b o n e 分布示意图 m b o n e 其实是一个实现部分i n t e r n e t 的虚拟网络。在m b o n e 中，支持组播的网 络岛通过称为“隧道”的虚拟链路连接。组播数据报就是通过这些隧道在i n t e r n e t 不支持组播的部分转发的。为了通过这些隧道转发，组播数据报被打包成r p 上的 i p 包( 协议号设为4 ) ，这样它们就可以像普通的单播数据报一样通过路由器。组 播路由器、它们直接相连的子网以及连接隧道构成了m b o n e 。早期m b o n e 中使用的 组播路由协议只有d v m r p 。虽然现在m b o n e 采用像m o s p f 和p i m 等其他路由协议， 但是d v m r p 仍然为大多数m b o n e 路由器采用。随着i n t e r n e t 里路由器上软件实现 器组播路由功能的可用性的增长，“本地”组播的使用会逐渐取代对隧道的需要。 目酊m b o n e 用于传输i n t e r n e t 网络工程部的音频和视频会议、n a s a 的航天飞 机任务、美国参众议会会议和许多技术会谈和研讨会。在不同的可利用的m b o n e 工 具的帮助下，有m b o n e 使用权的用户能方便的找到并收听那些正在广播的节目。 组播是多媒体在网络中传输的重要技术，本文第二章详细介绍组播算法和相关 的路由协议。 1 6 动态资源预留技术 资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o ns e t u pp r o t o c o l ，r s v p ) 2 3 是可被主 机用于为i n t e r n e t 上的组播多媒体流要求特定服务质量( q o s ) 而设定资源预定的 协议。多侨议标志切换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) f 4 l 结构瞳l 需要资 源预留协议”1 。实际上不同接收点显示系统的分辨率可能有差别，m p e g 一4 标准支持 华中科技大学硕士学位论文 多分辨率特征，e z w 压缩算法可以在比特流的任何地方中止解码。然而，资源预留 协议并未提供更为灵活的机制。一种扩展的资源预留协议可提供所需的机制，被称 为动态资源预留协议( d y n a m i cr s v pp r o t o c 0 1 ) ”1 ，它可以不需要花费太大的力气 来动态的调整结点所预定的资源。动态资源预留协议为需要不同预定资源的不同接 收结点提供不同的视频分辨率。因此，动态资源顸留协议不会浪费宝贵的i n t e r n e t 资源来传输不必要的多媒体数据。 1 7 论文选题和主要研究内容 在国家科技部技术创新基金项目( n o 0 0 c 2 6 2 2 4 2 1 0 6 4 1 ) “远程教学协同 群件产品”、国家教育部重点科学技术项目( n o 2 0 0 0 1 7 5 ) “现代远程教育关 键技术：交互式实时教学工具软件”和国家高技术研究发展计划资助项目( n o 2 0 0 2 a a i1 9 0 l o ) “数字视音频编码、传输、测试与应用示范系统”的资助下， 通过多个多媒体网络应用系统设计和开发的实践工作，作者对多媒体组播传输中的 问题做了仔细的研究和实验，提出了一种新的算法可选组播框架f j d p n ( f l e x i b l e u i t i c a s t in go np a r t i a l m u l t ic a s tn e t w o r k s ) 。 本章主要介绍了多媒体网络技术。下一章中将介绍组播的基本概念和组播算法， 以便在第三章更好的解释算法可选的组播框架。第四章将给出框架在具体应用中的 实现。 华中科技大学硕士学位论文 =：= ；= = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = # = = = = 2 多媒体组播技术研究 由于本文的主要工作是在各种组播路由算法协议比较的基础上的，因此对组播 技术的简单概括和对路由算法协议的简要介绍显得十分必要。 本章简单回顾组播组和组播地址，然后介绍和比较各种路由算法与路由协议， 最后讨论i p 隧道技术。 如果没有特别说明，本文中出现的“路由器”均指“组播路由器”。“信息包”、 “消息”和“数据报”可以互相替换。 2 1 组播组技术分析 组的概念是组播概念的基本思想。通过定义组播消息从源端发送到一组目的主 机。在i p 组播中，组播组捌有一个i d ，称为组播组i d 。只要一个组播消息被发送， 组播组i d 就指定了目的组。这些组i d 其实是一套i p 地址，被称为“d 类地址”。 因此，如果一个主机( 主机中的一个进程) 要接收一个发往某个特定组的组播消息 它需要监听所有发往这个特定组的消息。如果一个组播数据报的源端和目的端共享 一个通用的总线( 例如以太网总线) ，每个主机只用知道在那个主机的进程是哪些 组的成员。然而，如果源端和目的端不在同一个局域网内，向目的端转发组播消启， 就会变得更复杂。为了解决在互联范围内组播消息路由的问题，主机必须通知它所 在子网的组播路由器才能加入一个组。i n t e r n e t 组管理协议( i n t e r n e tg r o u p m a n a g e m e n tp r o t o c o l ，i g , i p ) 。3 就是用于这个目的。离丌一个组也是通过i g m p 实现 的。通过这种方式，网络中的组播路由器能够知道所在网络内组播组的成员，并由 此决定是否在所在网络内转发一个组播消息。当组播路由器收到一个组播数据报， 它会检查这个消息的组i d ，只有与它相连的网络内有这个组的成员时力。会转发这个 数据报。i g m p 提供上次转发一个组播消息到目的端所必须的信息。但是，为了从源 端向另一个网络内的目的结点分发组播数据报，组播路出器需要交换它们从与它们 直接相连的主机中组成员搜集到的信息。有许多不同的算法，例如“泛洪法”、“生 成树”、“逆向路径广播”以及“逆向路径组播”等，被路由器用来交换路由信息。 其中有些算法已经被用于动态组播路由协议，例如距离向量组播路由协议 ( d is tl n c ev e c t o tm u i t i c a s r o u t i n gp r o t o c o l ，d v m r p ) ”1 ，开放式最短路径优先 协议组播( u l t i c a s te x t e n s i o n st oo s p f ，m o s p f ) ”1 以及协议无关组播( p r o t o c o l 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = 目= = = = ；= = = = = = = = = = = ；= = = ；= = = = = 一 i n d e g e n d e n tm u l t i c a s t ，p i m ) i c 1 基于从一个协议中获取的路由信息只要组播数 据报被向一个组播组发送时，组播路由器就会决定是否在其网络内转发这个数据 报。最后，处于叶端的路由器会通过r g 舻信怠查看在与它物理相连的网络内是否 有那个特定组的成员，并决定是否转发这个数据报。 众所周知，i p v 4 地址有三种：单播、广播和组播。单播地址用于向一个单独的 目的结点传送消息。广播地址用于向子网内的所有结点传送可支持的消息。组播用 于向不一定处于同一子网的一组目的结点分发消息。a 、b 和c 类i p 地址是为单播 设定的，d 类地址( 2 2 4 0 0 0 2 3 9 ：2 5 5 2 5 5 2 5 5 ) 用于组播消息。 一个d 类i p 地址被分配于一个结点组来定义一个组播组。d 类地址的最高4 位 设定为“1 l l o ”。紧接着的2 8 位被称为“组播组i d ”。图2 一t 表示了d 类i p 地址的 格式。 2 8 字节 d 类 图2 - 1d 类i p 地址格式 和单播i p 数据报一样，【p 组播地址必须映射到m a c 层地址上。 a n a 已经为组 播数据报保留了一套i e e e - 8 0 2m a c 层地址，范围从0 1 ：0 0 ：5 e ：0 0 ：0 0 ：0 0 到 0 1 ：0 0 ：5 e ：7 f ：f f ：f f ( 十六进制) 。一个i p 组播地址可以通过将i p 组播地址的低2 3 位填充到a c 层组播地址的低2 3 位而被映射到一个i e e e 一8 0 2 地址。图2 - 2 表示出 i p 组播地址向i e e l 一8 0 2 舭c 层地址的映射： 0781 s 1 62 43 1 。类t p 地址臣至互二 三二二二i 二二二二 低3 2 字节组播组i d 未使用 向以太网地址拷贝 1 f1 1 0 0 0 0 0 0 0 l0 0 0 0 0 0 0 00 l o l l l l oo 4 8 比特以太网地址 图2 - 2 组播地址和以太网地址的映射 有些d 类地址被 nl e r n e t 编号分配管理局( i a n a ) 注册用于特殊用途。从 2 2 4 0 0 1 到2 2 4 0 0 2 5 5 的组播地址保留用于路由协议和一些低层的拓扑探索或 者协议维护。从2 3 9 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 的地址保留用于站点本地“管理权 9 华中科技大学硕士学位论文 1 2 一；= = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = = 一 限范围的”，而不是i n t e r n e t 范围的应用。还有一些其他的d 类地址已经为众所周 知的组保留。 i p 组播的范围可以由i p 头中的t t l 值限制。表2 1 列出了惯例中限制组播数据 报范围而设定的t t l 值。 表2 ，1t t l 控制范围 t t l 闽值范围 o l 1 5 6 3 1 2 7 1 9 l 2 5 5 限制在本机 限制在同一子网 限制在同一站点 限制在同一区域 全球 全球，由带宽限制 不受限范围 2 ，2 组播路由算法 为了建立组播树以向目的结点分发组播数据报，一些算法被提出来。这些算法 可以被组播路由协议实现采纳。在这一节中，我们先回顾两种简单的算法，泛洪法 和生成树。然后，我们讨论更复杂的算法，例如逆向路径广播( r p b ) 、截断逆向 路径广播( t r p b ) 、逆向路径组播( r p m ) 、s t e i p e r 树( s t ) 以及有核树( c b t ) 。 在下一节我们会晚明这些算法是如何被用于组播路由胁议的。 ( 1 ) 泛洪法 泛洪算法已经被用于o s p f ，是晟简单的向互联网络分发组播数据报的技术。在 这种算法中，当路出器收到一个组播数据报时，它先检查是否第一次收到。如果是 第一次，路由器会向除了接收这个包以外的所有的接口