（计算机应用技术专业论文）一种区分应用的车轮状分层应用层组播模型.pdf

疋 了 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机应用技术 研究方向：计算机通信与网间互连技术 作者：芦瑞玲 指导教师：许建真副教授 嘲 题目：一种区分应用的车轮状分层应用层组播模型 英文题目：ah i e r a r c h i c a l w h e e la p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tm o d e lb a s e do n d i f f - a p p 主题词：应用层组播；车轮状；区分应用；动态优化 k e y w o r d s ：a l m ；w h e e lt o p o l o g y ；d i f f e r - a p p l i c a t i o n ；d y n a m i c - o p t i m i z a t i o n 南京邮电火学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着计算机网络和多媒体技术的发展，组播成为了互联网研究的一个重要课题。但是 由于技术以及管理上的一些问题，i p 组播方案未能在互联网中普遍使用。因此，基于互联 网的性质和应用的特点，在i p 组播模型、o v e r l a yn e t w o r k 和p e e r - t o - p e e r 等技术的基 础上，发展出了应用层组播技术a l m ( a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ) 。 由于应用层组播便于实现和推广以及便于针对特定应用优化等优势，a l m 逐渐成为了 i n t e r n e t 中提供组播服务的主要方案。同时，基于a l m 的应用技术也越来越多，各种各样 的应用服务出于自身的特点对a l m 模型的建立、路径的选择提出了不同的要求，如多媒体 应用对时延提出了极高的要求，而普通的文件数据下载服务则对时延的要求不高，更关注 的是极低的丢包率。所以，如何构建合理的a l m 模型成为目前研究的重点之一。 为了满足各种应用服务的传输要求，本文提出一种高效的区分应用的层次车轮状结构 应用层组播模型h w b d ( h i e r a r c h i c a l w h e e la p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tm o d e lb a s e do n d i f f - a p p ) ，该模型以车轮结构为基础；在数据传输时根据实际应用采取不同的链路传输来 满足传输需求；同时根据网络状况的变化动态优化系统的拓扑结构。最后通过仿真试验得 知该组播模型可以使整个系统具有较低的控制开销，高效的错误处理措施，使得在降低丢 包率以及减少等待系统修复时问的同时提高平均数据传输效率。 关键字：应用层组播；车轮状；区分应用；动态优化 一 南京邮电大学硕上研究生学位论文 a b s t r a c t t o g e t h e rw i t ht h ed e v e l o p m e n to f n e t w o r ka n dm u l t i m e d i a , t h em u l t i e a s tt e c h n o l o g yb e c o m e sa l l i m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i cf o rt h ei n t e m e t h o w e v e r , f o rs o m ec a u s a t i o nr e s u l t e df r o mt h ea b s e n c e o ft e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n t , t h et r a d i t i o n a li pm u l t i c a s tc a l ln o tb ed e p l o y e di nt h ei n t e m e t s ob a s e do nt h ei pm u l t i c a s t , o v e r l a yn e t w o r ka n dp e e r - t o - p e e rt e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o nl a y e r m u l t i c a s t ( a l m ) i sb e e np r o p o s e d w i t ht h ee a s eo fi m p l e m e n t a t i o na n dp r o m o t i o n ，a sw e l l 鹤t h eo p t i m i z a t i o nf o rs p e c i f i c a p p l i c a t i o n s ，a l mb e c o m e st h em a i ns o l u t i o nf o rm u l t i c a s ta p p l i c a t i o n sw h i c hi sm o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n sa r eb e i n ga p p l i e do nt h ei n t e r n e t v a r i o u sa p p l i c a t i o n sh a v ed i f f e r e n td e m a n d sf o r t h em o d e l sc o n s t i t u t i o na n dt h ep a t h s s e l e c t i o n f o re x a m p l e ，m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sn e e d m u c hl o wn e t w o r kd e l a y , b u ti ti sl o wp a c k e t l o s sr a t ef o rf i l et r a n s m i s s i o na p p l i c a t i o n s i ti sa h o ts p o tt or e s e a r c hh o wt oc o n s t i t u t el o g i c a la l mm o d e l i no r d e rt om e e tt h et r a n s p o r tr e q u i r e m e n t si nv a r i o u sa p p l i c a t i o ns y s t e m s ，t h i st h e s i sp r o p o s e sa h i e r a r c h i c a l w h e e la p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tm o d e lc a l l e dh w b d ( h i e r a r c h i c a l - w h e e l a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tm o d e lb a s e do nd i f f - a p p ) t h em o d e le m p l o y sw h e e la st h eb a s i c t o p o l o g yu n i t , e s t a b l i s h e s a n dm a i n t a i n sd i f f e r e n tl i n k st o s a t i s f y d i f f e rt r a n s m i s s i o n r e q u i r e m e n t s i to p t i m i z e st h et o p o l o g yd y n a m i c a l l yc o m b i n e dw i t ht h en e t w o r kc h a n g e f i n a l l y , t h r o u g ht h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h i sm o d e lh a sal o w e rc o n t r o l l i n go v e r h e a da n da e f f i c i e n t e r r o rh a n d l i n gm e a s u r e s m e a n w h i l e ，t h i sm o d e lc a nr a i s et h ea v e r a g ed a t at r a n s f e rr a t eb y r e d u c i n gt h ep a c k e tl o s sr a t ea n dt h ew a i t i n gt i m ef o rr e p a i r i n g t h es y s t e m k e y w o r d s ：a l m ；w h e e lt o p o l o g y ；d i f f e r - a p p l i c a t i o n ；d y n a m i c - o p t i m i z a t i o n 目录 目录 舅；一章绪论。1 1 1 研究背景l 1 2 本文主要工作2 1 3 论文结构3 第二章i p 层组播4 2 1 三种数据群发方式比较4 2 2i p 组播技术基本原理6 2 3i p 组播地址分配。7 2 4i p 组播转发树8 2 5i p 组播路由协议8 2 5 1 密集模式路由协议9 2 5 2 稀疏分散模式协议。1 0 2 6 组管理协议i g m p 1 l 2 7i p 组播技术存在的问题一l l 2 8 本章小结1 2 第三章应用层组播1 3 3 1 应刚层组播基本原理1 3 3 2 应用层组播的优点1 4 3 3 应刚层组播的不足1 4 3 4 应片j i 层组播的实现方法15 3 5 应用层组播协议构造方法15 3 5 1 集中式算法1 6 3 5 2 分布式算法16 3 6 应用层组播算法的评价方法一1 8 3 6 1 覆盖效率l8 3 6 2 组管理19 3 6 3 路由效率2 0 3 6 4 可伸缩性一2 0 3 7 本章小结2 l 第四章应用层组播模型设计2 2 4 1h w b d 设计：! ：1 4 1 1 组播模型体系结构2 2 4 1 2h w b d 的初始化2 3 4 2h 、阳d 拓扑结构的维护2 4 4 2 1 节点加入方法。2 4 4 2 2 节点退出处理2 4 4 3h w b d 的动态规划策略2 8 4 3 1 动态规划基本思想2 9 4 3 2h w b dp r i o r i t y 数学模型2 9 4 4 应用层组播传输算法d f m p 3 0 4 4 1d f m p 数据传输过程3l 4 4 2d f m p 实现过程3 3 i i i 一 i v 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着i n t e r n e t 在商业和家庭中的普及，网站和个人发布资源的极大丰富，人们越来越 热衷于从网络上下载资源，i n t e m e t 中的多媒体应用也逐渐增多，例如，视频点播( v i d e o o n d e m a n d ) 、网络直播( l i v es t r e a m i n g ) 、视频会议( v i d e oc o n f e r e n c e ) 、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 ) ，可以为用户带来丰富的视听体验。多媒体数据已经成为i n t e r n e t 中的数据流的重要部分，这些应用的共同特点是数据量大、接收者多、对服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 要求严格。在这种情况下，传统的c s 模式已不能满足用户高带宽低时延 的要求，同时因为硬件性能方面的影响，c s 模式不能支持大规模的网络应用。故针对c s 模式的缺陷，组播方案应运而生。 组播的特点是能够在网络上提供单点到多点( o n e t o m a n y ) 通信以及多点到多点 ( m a n y - t o - m a n y ) 通信。目前的组播技术主要分为两类：一类是传统的i p 组播；另一类是应 用层组播。本论文提出的是应用层组播。i p 组播是对互联网的“单播、尽力转发”模型的 重要扩充，组播的主要功能在路由器上实现，通过合并重复信息传输来减少带宽浪费和降 低服务器的负担。由于i p 组播在传输技术和管理上存在严重问题，目前没有在互联网中 普遍采用。i p 组播主要存在以下几个问题：( 1 ) 路由器必须为每个组播组保存状态，扩展性 差；( 2 ) 要求所有路由器都支持，不利于推广使用；( 3 ) 用统一的模型来适应所有应用，算法 设计困难；( 4 ) 组播组加入、退出和管理等开销大；( 5 ) 组播地址空问太小( 针对i p v 4 ) ； ( 6 ) 打破了传统的根据进入流量计费的机制，同时i p 组播在安全、拥塞控制等方面也存在 问题。 由于i p 组播固有的问题，其它的解决方案吸引了广泛研究，主要包括基于对等网络 ( p e e r - t o p e e r ，p 2 p ) t 1 1 【2 1 的方案以及基于内容分发网络( c o n t e n dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，c d n ) 3 j 的方案。但是无论是基于p 2 p 网络的解决方案还是基于c d n 网络的解决方案，都是需要 把数据从一个发送者传输到多个接收者，因此，a l m 技术近年来吸引了广泛的研究。它保 持了互联网的“单播、尽力转发”模型，主要是端系统之间通过单播连接，在应用层建立 一个虚拟的o v e r l a y 网络，一些接收者收到数据后，通过单播连接再转发给其他接收者。 a l m 与i p 组播的根本区别在于，a l m 在端系统实现复制转发，而m 组播必须要在路由 器上实现。 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 a l m 具有很多优点。首先，a l m 不需要对现有的i n t e m e t 底层进行修改，只需要通 过端系统之间的协作，在应用层就可以实现组播。其次，a l m 可以直接利用现有单播传输 成熟的拥塞控制、可靠性等机制，因而可以很方便得到实用。最后，由于端系统具有比路 由器更多的资源( c p u 处理能力，存储) ，a l m 可以利用这些资源来优化时延、吞吐率等 性能。因此，a l m 并不是口组播的简单替代品，a l m 具有很好的应用前景。 与此同时国内外大量针对应用层组播协议的研究【4 卜 2 ，表明应用层组播仍存在着许多 亟待解决的问题。首先与m 组播相比，应用层组播在端系统之间需要建立一个叠加网，为 了维护组播叠加网，需要设计较为复杂的消息机制，这些都增加了应用层组播的带宽开销。 而且在应用层组播技术中，数据传输不考虑下层物理网络的结构，造成数据在同一物理链 路上的重复传输。因此设计一个控制开销小，链路压力小的应用层组播方案具有现实意义。 1 2 本文主要工作 由于现今对网络的需求应用很多，为了更好地利用网络资源，提高网络的传输效率， 本课题提出一种高效的基于区分应用的层次车轮状结构应用层组播模型。该模型以车轮结 构为基础，具有混乱情况下自愈性强、传输数据速度快等优点；另外，提出一种基于泛洪算 法的区分应用层次组播数据传输模型，根据不同应用通过不同的链路进行传输；同时根据 网络状况的变化动态优化系统的拓扑结构。最后通过仿真试验得知应用该组播模型可以较 好地提高组播的性能。 研究内容： ( 1 ) 应用层组播模型的建立 对于本文研究的应用层组播模型进行描述，并且对该组播组模型的初始化方法进行介 绍。为了达到区分应用的目的，该课题提出了一个在层间采用分层结构、层内采用车轮结 构，从而为区分应用提供了物质基础。 ( 2 ) 节点维护的设计 由于该模型构建在应用层之上，节点是p c ，稳定性比较差，随时可能退出或者加入， 因此需要设计一个节点维护机制来维护模型的完整性。在节点加入和退出的时候，考虑采 用一种优化的方法，除了可以减轻r p 节点的负担，避免瓶颈的产生外，还可以提高节点 的加入和退出时间以及减少模型的恢复时间。 ( 3 ) 对于网络状况动态优化拓扑结构的技术说明 为了提高该模型的传输时间，提出了优先级的概念，根据每个簇中成员节点的优先 2 ! ! 塞堂皇莶堂堕堕壅竺堂篁笙塞笙= 兰堑堡 级，动态地从簇中选取优先级最高的成员节点作为该簇的l e a d e r ，将优先级的划分与系统 分层相对应，使得处于同一个优先级的节点尽可能在同一层。 ( 4 ) 一种区分应用的基于泛洪算法的层次组播数据传输协议的介绍 本文提出一种区分应用的基于泛洪算法的层次组播数据传输协议，根据实时和非实时 应用采用不同的传输策略，实现一种泛洪式数据传输方法。同时在传输过程中对节点的突 然失效也有很好的错误处理策略。 ( 5 ) 应用层组播模型的仿真说明 根据提出模型，进行仿真分析，论证提出方案的合理性和先进性。 1 3 论文结构 本论文主要分为六章，三个部分。第一部分对研究背景进行介绍，并且针对应用层组 播存在的问题提出自己的解决方案，主要包括第一至第三章；第二部分介绍一种区分应用 的车轮状分层应用层组播模型及仿真结果分析，主要包括第四至五章；第三部分对本论文 进行总结以及展望，主要是第六章。具体内容安排如下： 第一章为绪论，主要讲述论文的研究背景、目的与内容的章节安排。 第二章首先介绍组播与单播、广播的区别，然后介绍i p 组播相关技术及路由协议。提 出i p 组播的不足，正是由于i p 组播对网络的要求较高并且难以部署，由此引出了应用层 的组播技术。 第三章介绍应用层组播的原理及其应用，并分析应用层组播的相关技术和构建应用层 组播模型的关键因素，在分析的同时指出其弊端。 第四章在第三章指出的弊端的基础上提出一种新的应用层组播模型，并详细介绍该组 播模型的构建、系统设计、拓扑维护、传输算法等。 第五章对第四章提出的模型进行试验仿真，首先介绍模型参数的含义，并详细描述通 过仿真平台建立模型的过程。最后分析结果、得出结论。 第六章首先总结本文提出的新模型的特点，然后对整篇论文进行总结，提出还有待解 决的问题，并对未来工作进行展望。 3 南舶l ! 大学硕士研究生学位论文 第二章i p 层组播 第二章i p 层组播 近年来，随着互联网技术的迅速普及以及爆炸性发展，特别是提供多媒体服务内容的 视频网站的访问量的急剧增加，互联网提供的服务也趋于多样化：如多媒体数据库、视频 点播、电视会议、远程教育系统、多媒体信息检索以及以p 2 p 为代表的文件共享等诸多网 络应用，它们都要求将网络资源传送给网络中所有对此信息感兴趣的目标主机。随着以上 这些网络应用的广泛普及，用户对i n t e r n e t 提出了更高的要求。具体表现在：更大的数据 量、更快的速度、更多的终端用户、更高的服务质量( q o s ) 。这就带来了带宽的急剧消耗和 网络拥挤问题。为了缓解网络瓶颈，人们提出各种方案，归纳起来，主要包括以下四种： ( 1 ) 增加互连带宽。 ( 2 ) 服务器的分散与集群，以改变网络流量结构，减轻主干网的瓶颈。 ( 3 ) 应用q o s 机制，把带宽分配给一部分应用。 ( 4 ) 采用i p 层组播技术。 比较而言，i p 组播技术有其独特的优越性在组播网络中，即使用户数量成倍增长， 主干带宽也不需要随之增加。这个优点使它成为当前网络技术中的研究热点之一。 2 1 三种数据群发方式比较 数据群发是指将同一数据发送到多个接收终端，目前的数据群发主要有以下三种方式： 单播( u n i e a s t ) 传输：是指一份数据只能有一个接收方。这就意味着数据提供方每收到一 份请求，就需要发送一份数据，而不论请求的数据是否相同。基于传统单播传输模式的c s 架构是最简单的单播通信方式。这种单播模式在消耗巨大而昂贵的服务器资源的同时，客 户端却依然难以获得令人满意的服务质量。原因在于c s 架构完全依赖于服务器的性能( 包 括带宽和计算能力) ，其性能瓶颈是难以克服的固有症结。如果当一台主机服务器同时只 给少量的接收者提供服务，则客户端的q o s 能得到有效的保证。但如果有大量客户机希望 获得数据包的同一份拷贝时却很难实现，其将在上游路径易于产生重复报文，并且越靠近 发送源冗余量越大，容易造成链路拥塞，形成服务瓶颈。其数据传输过程见图2 1 。 4 南京邮电凡学硕士研究生学位论文第二章i p 层组播 客户机4 客户机5 图2 - 1 单播传输方式 广播( b o r a d c a s t ) 传输：是指在i p 予网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到 这些数据包。广播意味着网络向子网主机都投递一份数据包，不论这些主机是否乐于接收 该数据包。通过发送广播数据包实现多点传送的办法虽然最简单，但是这将强制子网内所 有计算机接收该数据包，终端主机只有决定是否处理的权力，而没有决定是否接收的权力， 通过这种方法实现多点传送必然会增加不需要此数据包的主机负担，而且也造成了局域网 带宽的浪费，易诱发网络拥塞。同时，若需多点传输的数据是一些保密文件，则通过发送 广播数据的方法一定不可采用。其传输过程见2 2 。 接收者1接收者2数据源接收者3接收者4 图2 - 2 厂播传输方式 组播( m u l t i c a s t ) 传输方式：组播正是针对前述此类问题而提出的一种新的、高效网络传 输方案，它是面向“组 的、介于单播和广播通信之间的一种数据传送方式。其特点是能 够在网络上提供单点到多点( o n e t o m a n y ) 通信以及多点到多点( m a i l y t o m a n y ) j 固信。相对于 单播、广播来说，组播可以更有效地利用网络带宽、降低网络流量、提高数据传输效率， 提高了数据传送效率，减少了主干网络出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一 个物理网络，也可以来自不同的物理网络。目前的组播技术主要分为两种：一种是在网络 层实现的，即传统的i p 组播；另一种是在应用层实现的，即应用层组播。组播的传输过程 见图2 3 。 5 南京邮电岁：学硕士研究生学位论文 第二章i p 层组播 2 2i p 组播技术基本原理 图2 3 组播传输方式 户机4 户机5 i p 组播是一种允许一个或多个发送者( 组播源) 发送单一的数据包到多个接收者( 一 次或同时) 的网络技术。i p 组播的核心思想是通过路由器对数据复制，再转发给加入组播 组的每个接收者来达到节约网络带宽和减小服务器负载的目的。组播组可以包含一个或多 个主机，由一个单独的d 类l p 地址标识。一个组播组的成员是随时变动的，一台主机可 以随时加入或离开组播组，组播组成员的数目和所在的地理位置也不受限制，一台主机也 可以属于几个组播组。此外，不属于某一个组播组的主机也可以向该组播组发送数据包。 因此，组播可以大大的节省网络带宽，组播作为一点对多点的通信，是节省网络带宽的有 效方法之一。 i p 通过d 类地址来支持组播，当一个进程给一个d 类地址发送分组的时候，网络会 尽力将它传递给指定的组中的所有成员，但是并不保证一定传递成功，组中的有些成员可 能收不到该分组。 i p 组播是通过一些特殊的组播路由器来实现的，这些组播路由器可能与标准的路由器 在同一个机器上，也可能不是。每台组播路由器差不多每分钟一次向它所在的l a n 上的 主机( 地址是2 2 4 0 0 1 ) 发送一个硬件( 即数据链路层) 组播信息，请它们报告一下它们 的进程当前属于哪些组。每台主机收到消息之后，送回应答，并且在应答消息中告诉组播 路由器自己对哪些d 类地址感兴趣。i p 组播数据传输过程如图2 4 所示。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p 层组播 2 3i p 组播地址分配 图2 4p 组播传输方式 在组播通信中需要两种地址：一个i p 组播地址和一个e t h e m e t 组播地址。其中，i p 组播地址标识一个组播组。由于所有i p 数据包都封装在e t h e m e t 帧中，所以还需要一个组 播e t h e m e t 地址。为使组播正常工作，主机应能同时接收单播和组播数据，这意味着主机 需要多个口和e t h e r n e t 地址。 i p 通过d 类地址来支持组播瞄i 。每个d 类地址标识了一组主机。总共有2 8 位可用于 标识组播组，所以可以有2 5 0 m 多个组同时并存。i p 支持两种组地址：永久地址和临时地 址。永久地址总是可以使用，无需事先建立组。每个永久组都有一个永久组地址。下面是 一个永久组地址的例子： 2 2 4 0 0 1一个l a n 上的所有系统 2 2 4 0 0 2一个l a n 上的所有路由器 2 2 4 0 0 5一个l a n 上的所有o s p f 路由器 2 2 4 0 0 6个l a n 上的所有o s p f 指派路由器 临时组则有所不同，只有在创建了临时组之后才可以使用它们。一个进程可以要求它 的主机加入到某一个指定的组中。以后，它也可以要求它的主机离开该组。当一台主机上 最后一个进程离开了这个组的时候，此主机不再属于这个组。每个主机都记录了它的进程 当前属于哪些组。 i p 组播帧都使用以0 x 0 1 0 0 5 e x x x x x x 的2 4 位前缀开始的m a c 层地址，但只有其 中一半的m a c 地址可以被口组播使用，剩下的m a c 地址空间的2 3 位作为第三层i p 组 7 南京邮电人学硕士研究生学位论文第二章i p 层组播 播地址进入第二层m a c 地址的映射使用。由于第三层口组播的2 8 位地址不能映射到只 有2 3 位的可用m a c 地址空间，造成有3 2 ：1 的地址不明确，所以主机c p u 必须对收到的 每一个组播数据包做出判断，这增加了主机c p u 的开销。此外，还产生抑制第二层局域网 交换的组播扩散问题。 2 4i p 组播转发树 在单播模型中，数据包通过网络沿着单一路径从源主机向目标主机传递，但在组播模 型中，组播源向某一地址传递数据包，而这一地址却代表一个主机组。为了向所有接收者 传递数据，一般采用组播转发树描述组播在网络里经过的路径。 在i p 组播技术中，组播转发树有四种基本类型：泛洪法、有源树、有核树和s t e i n e r 树。 泛洪法：这是最简单的向前传送组播路由算法，并不构造所谓的分布树。其基本原理 如下：当组播路由器收到发往某个组播地址的数据包后，首先判断是否是首次收到该数据 包，如果是首次收到，那么将其转发到所有接口上，以确保其最终能到达所有接收者；如 果不是首次收到，则抛弃该数据包。 有源树：也称为基于信源的树或最短路径树( s h o r t e s tp a t ht r e e ，s p t ) 。它是以组播源 为根构造的从根到所有接收者路径都最短的分布树。如果组中有多个组播源，则必须为每 个组播源构造一棵组播树，由于不同组播源发出的数据包被分散到各自分离的组播树上， 因此采用s p t 有利于网络中数据流量的均衡。 共享树：也称r p 树( r p t ) ，是指为每个组播组选定一个共用根( 汇合点r p 或核心) ， 以r p 为根建立的组播树。同一组播组的组播源将所要组播的数据单播到r p ，再由r p 向 其它成员转发。目前，讨论最多同时也是最具代表性的两种共享树是s t e i n e r 树和有核树 ( c b t ) 。s t e i n e r 树是总代价最小的转发树，它使连接特定图中的特定组成员所需的链路数 最少。有核树是由根到所有组成员的最短路径合并而成的树。 2 5i p 组播路由协议 组播路由的一种常见的思路就是在组播组成员之间构造一棵扩展分布树，在一个特定 的“发送源，目的组”对上的i p 组播流量都是通过这些扩展树从发送源传输到接收者的，这 个扩展树连接了该组播组中所有主机。不同的i p 组播路由协议使用不同的技术来构造这些 组播扩展树，一旦这个树构造完成，所有的组播流量都将通过它来传播。根据网络中组播 8 南京娜电大学硕士研究生学位论文第二章i p 层组播 组成员的分布，疋组播路由协议可以分为密集模式( d e n s e - m o d e ) 协议和稀疏分散模式协议。 2 5 1 密集模式路由协议 该协议是假设组播组成员密集地分布在网络中，其依赖于广播技术来将数据“推”向网 络中所有的路由器。密集模式路由协议包括距离向量组播路由协议( d i s t a n c ev e c t o r m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l ，d v m r p ) 、组播开放最短路径优先协议( m u l t i c a s to p e ns h o r t e s t p a t hf i r s t ，m o s p f ) 和密集模式独立组播协议( p r o t o c 0 1 i n d e p e n d e n tm u l t i c a s t d e n s em o d e , p i m d m ) 等。 距离向量组播路由协议( d v m r p ) ：是第一个在m b o n e ( 组播试验床) 上得到普遍 使用的组播路由协议，它是一个洪泛剪枝协议。d v m r p 在r i p 协议的基础上扩展了组播 功能。与r i p 协议不同的是，r i p 计算路由器到目的地的最佳下一跳，而d v m r p 根据路 由器到源方向的上一跳的信息来构建转发树。d v m r p 协议首先通过发送探测消息来发现 邻居，然后通过路由交换来进行路由选择和确定上下游依赖关系。 组播开放最短路径优先协议( m o s p f ) ：m o s p f 是一个单播路由协议，它将数据包在最小 开销路径上进行路由传送。所谓的开销，除了指路径中的路由跳数，还包括其它能够影响 路径开销的网络性能参数、负载平衡信息、应用程序需要的0 0 s 等。m o s p f 是为单播路由 组播使用设计的，d 0 s p f 依赖于0 s p f 作为单播路由协议。在一个o s p f m o s p f 网络中每个 路由器都维持一个最新的全网络拓扑结构图，这个“链路状态”信息被用来构建组播分布 树。每个m o s p f 路由器都通过i g m p 协议周期性的收集组播组成员关系信息，这些信息和 这些链路状态信息被发送到其路由域中的所有其它路由器。路由器将根据它们从临近路由 器接收到的这些信息更新他们的内部连接状态信息。由于每个路由器都清楚整个网络的拓 扑结构，就能够独立的计算出一个最小开销扩展树，将组播数据源和组播组成员分别作为 树的根和叶，这个树就是用来将组播流从数据源发送到组播组成员的路径。 密集模式独立组播协议( p i m d m ) ：p i m 设计的出发点在于在广域网范围内同时支持 共享树与有源树，并能完成两者之间的灵活转换，因而集中了两者的优点同时避免它们的 缺点。在组员密集时以广播形式传送数据，然后从树上删除不存在接收节点的分支；而组 员分布稀疏时，构造共享树传送，避免分组的广播开销。相应p i m 有两种模式：稀疏模式 ( s m ：s p a r s em o d e ) 和密集模式( d m ：d e n s em o d e ) 。p i m d m 是指组播组所覆盖的区域内， 具有该组用户的子网数量在子网总数中占很高的比例。p i m d m 类似于d v m r p ，都使用 了反向路径组播机制来构建分布树，但它们的主要差别在于p i m 完全不依赖于网络中的单 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p 层组播 播路由协议而d v m r p 依赖于某个相关的单播路由协议机制，并且p i m d m 比d v m r p 简 单。既然p i m d m 不依赖于任何单播路由协议，路由器某个接收端口( 就是返回到数据源 的最短路径的端口) 接收到的组播数据包被发送到所有下行接口直到不需要的分枝从树中 被修剪掉。p i m d m 则更加倾向于简单性和独立性，甚至不惜增加数据包复制引起的额外 开销。 2 5 2 稀疏分散模式协议 该协议是假设组播组成员在网络中是稀疏分散的，并且网络不能提供足够的传输带 宽。在这种情况下，广播就会浪费许多不必要的网络带宽从而可能导致严重的网络性能问 题，于是稀疏模式组播路由协议必须依赖于具有路由选择能力的技术来建立和维持组播 树。稀疏模式主要有基于核心树的组播协议( c o r eb a s e dt r e e ，c b t ) 和稀疏模式独立协议组 播( p r o t o c o l - i n d e p e n d e n tm u l t i c a s t - s p a r s em o d e p i m s m ) 。 基于核心树的组播协议( c b t ) - c b t 协议构建一个树给组中所有成员共享，这个树被 称为共享树。整个组播组的组播通信量都在这个共享树上进行收发而不论发送源有多少或 者在什么位置，这种共享树的使用能够极大的减少路由器中的组播状态信息。c b t 共享树 有一个核心路由器用来构建这个树，要加入的路由器发送加入请求给这个核心路由器。核 心路由器接收到加入请求后，沿反向路径返回一个确认，这样就构成了树的一个分枝。加 入请求数据包在被确认之前不需要一直被传送到核心路由器，如果加入请求包在到达核心 路由器之前先到达树上的某个路由器，该路由器就接收下这个请求包而不继续向前发送并 确认这个请求包，发送请求的路由器就连接到共享树上了。c b t 将组播流量集中在最少数 量的链路而不是在一个基于发送源的共享树上，集中在核心路由器上的流量可能会引起组 播路由的某些问题。某些版本的c b t 支持多个组播核心的使用，和单个组播核心相比多核 心更能达到负载平衡。 稀疏模式独立协议组播( p i m s m ) - 其是将组播限制在需要收发的路由器上，其围绕 个被称为集中点( r e n d e z v o u sp o i n t , a v ) 的路由器构建组播分布树，这个集中点扮演着和 c b t 核心路由器相同的角色，接收者在集中点能查找到新的发送源。但是p i m s m 比c b t 更灵活，c b t 的树通常是组播组共享树，p i m s m 中的独立的接收者可以构建组播共享树 或最短路径树。 l o 南扪吣电大学硕士研究生学位论文 2 6 组管理协议i g m p 第二章i p 层组播 i g m p 是i p v 4 下的组播组成员管理协议( i p v 6 使用m u l t i c a s tl i s t e n e rd i s c o v e r yo r m l d 实现类似功能) ，运行于主机和与主机直接相连的组播路由器之间。主机使用i g m p 通知子网组播路由器，希望加入组播组；路由器使用i g m p 查询本地子网中是否有属于某 个组播组的主机。 ( 1 ) 加入组播组 当某个主机加入某一个组播组时，它通过“成员资格报告”消息通知它所在的i p 子网 的组播路由器，同时将自己的口模块做相应的准备，以便开始接收来自该组播组传来的数 据。如果这台主机是它所在的m 子网中第一台加入该组播组的主机，通过路由信息的交换， 组播路由器加入组播分布树。 ( 2 ) 退出组播组 在i g m p v l 0 中，当主机离开某一个组播组时，它将自行退出。组播路由器定时( 如 1 2 0 秒) 使用“成员资格查询”消息向i p 子网中的所有主机的组地址( 2 2 4 0 0 1 ) 查询，如 果某一组播组在i p 子网中已经没有任何成员，那么组播路由器在确认这一事件后，将不再 在子网中转发该组播组的数据；与此同时，通过路由信息的交换，从特定的组播分布树中 删除相应的组播路由器。这种不通知任何人而悄悄离开的方法，使得组播路由器知道i p 子网中已经没有任何组播组成员的事件延迟了一段时间，所以在i g m pv 2 0 中，当每一个 主机离开其所在组播组时，均需通知子网组播路由器，组播路由器立即向i p 子网中的所有 组播组询问，从而减少了系统处理停止组播的延时。 2 7l p 组播技术存在的问题 1 9 8 8 年d e e r i n g 提出在i p 层来实现组播功能的框架【1 7 】，尽管i p 组播的研究已经进行 了多年，但是由于技术和商业模式上的难题【l s 】，i f 组播目前并没有在i n t e m e t 上得到广泛 的应用。 首先，从技术角度，组播要求路由器维护每个组播会话的状态信息，增加了路由设计 的复杂度和服务过载，相关研究仍存在一些热点问题( 如域问路由问题) ，许多协议也未 能标准化； 其次，从市场角度，i p 组播采用u d p 作为传输协议，提供的是“尽力而为”的服务， 缺乏可靠性及拥塞控制的有效处理，而且还打破了传统基于“输入流 的计量机制，因此， l l 本章首先介绍组播与单播、广播的区别，然后介绍口组播相关技术及路由协议。而由 于i p 组播对网络的要求较高并且难以部署，i p 组播为能在因特网中普遍应用，从而引出 了应用层的组播技术。 1 2 第三章应用层组播 第三章应用层组播 为了加速组播的应用，解决现有组播存在的问题，近年来提出了应用层组播。将组播 的功能从路由器转移到终端，不需要路由器维护组播组的路由表，且不用改变现有网络设 施，方便实现组播功能。a f f 3 为此建立了很多模型： n i c e 1 4 1 ，c h o r d 5 1 ，z i g z a g t 6 1 ， n a r a d a t7 1 ，c a n 8 1 等等。此类在应用层实现组播的技术在一些应用上甚至用户越多，越能 得到及时和优质的服务。 3 1 应用层组播基本原理 应用层组播的基本思想是屏蔽底层物理网络的拓扑细节，将组成员直接自组织成一个 逻辑覆盖网络( o v e r l a yn e t t 2 3 1 【2 4 1 f 2 5 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。a l m 将所有组播功能完全集成在主机中，由应用层软件 具体实现。a l m 与i p 组播的根本区别在于，a l m 在端系统实现组播数据的复制与转发， 并且无需路由器提供i p 层组播功能，而i p 组播必须在路由器上实现组播数据的复制与转 发。 另外，a l m 保持互联网原有的简单、不可靠、单播的转发模型。两种组播方式的对比 如图3 1 所示，其中终端l 为发送终端，终端2 、3 ，4 是接收终端。图( a ) 描述了典型的i p 组播流程，由路由器负责组成员的管理和组播树的创建与维护，传输过程中，数据沿着组 播树流向接收者，报文复制由路由器根据需要自动处理；图( b ) 是应用层组播流程，其将所 有组播功能迁移到终端主机，传输网络的构建完全独立于i p 层的物