（计算机应用技术专业论文）p2p覆盖网络中的组播问题研究.pdf

曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“”) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士吖论文( ( p 2 p 覆盖网络中的 组播问题研究，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读博士口硕士 日学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明部分外不包含他 人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：张睛 日期：2 0 1 0 6 2 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“”) ( ( p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究系本人在曲阜师范大学攻读博士口 硕士曰学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士日学位论文。本论文的 研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发 表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论文，可以公开 发表论文的全部或部分内容。 作者签名：张晴 导师签名：跏易 垓jo ” 一1 日期：? o f d 6 2 日期：扣f 。6 ) p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究 摘要 随着计算机与网络技术的飞速发展，i n t e m e t 传输和处理能力也有很大幅度地提高，网 络上出现了许多以多媒体为特征的新应用。比如说，视频会议、远程教育、网络直播等。 这些多媒体应用都具有较高的时延、较大的数据量和较长的持续时间，并且要求网络必须 具有较高的传输带宽和较强的实时性。如果采用广播或重复的单播方式来解决这些问题， 会严重地浪费网络带宽，所以研究者提出了组播。 组播是一种允许一个或多个发送者( 称为组播源) 一次同时发送单一数据分组到多个接 收者的技术。组播能使一个或多个组播源只把数据分组发送给特定的组播组，而只有加入 该组播组的主机才能接收到数据分组。组播节省了网络带宽，减轻了网络负载：避免了“广 播风暴”。组播可以分为i p 组播和应用层组播，由于i p 组播存在很多的缺点，所以不能得 到广泛地应用。但是以多媒体为特征的新应用迫切需要网络能够支持组播功能，所以研究 者提出了应用层组播。 与此同时，p 2 p 技术也在不断地发展，并且p 2 p 覆盖网络具有很多的优点，所以p 2 p 覆盖网络中的组播问题成为目前研究的热点。典型的基于p 2 p 网络的应用层组播有：c h o r d 组播、c a n m u l t i c a s t 、s c r i b e 和b a y e u x 。 本文对p 2 p 覆盖网络中的组播问题进行了研究。共分六章：第一章介绍了研究背景及 意义，组播研究现状，本文的研究目标和研究内容，并且对本文的组织结构进行了安排。 第二章介绍了p 2 p 覆盖网络与应用层组播。第三章介绍了改进的n e m o 协议。从簇首的 选择和数据转发这两个方面对以性能为中心的应用层组播协议n e m o 进行了改进。仿真结 果表明，改进的n e m o 协议在平均传输延迟和节点累积失效时的恢复代价这两个方面要比 原始的n e m o 协议优。第四章介绍了d p m ：基于磁盘原理的p 2 p 组播协议。文中描述了 d p m 层次结构的创建，节点加入、离开、维护的过程和在d p m 上组播的过程，并且将 d p m 与c h o r d 组播进行了对比。仿真结果表明，相同的网络规模下，在d p m 上进行组播 比在c h o r d 上进行组播时的传输延迟小；更重要的是，d p m 有较好的可扩展性，能够容纳 更多的节点，适合大规模组播应用。第五章介绍了c o n e m ：基于圆锥型的应用层组播模 型。文中描述了圆锥组播模型( c o n e m ) 的创建，节点加入、离开和c o n e m 组播的过程， 并且对c o n e m 进行了性能分析。仿真结果表明，在组播信息时，c o n e m 模型的平均链路 强度要小于n i c e 协议的平均链路强度，平均数据传输效率要高于n i c e 的平均数据传输 效率，更重要的是c o n e m 模型利用了系统中的每一个节点，避免了n i c e 中的“搭便车 现象”。第六章对论文进行了总结并且对未来的工作进行了展望。 关键词：i p 组播；应用层组播；p 2 p 覆盖网络；n e m o 协议；d p m ；n i c e 协议；c o n e m p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h ea b i l i t yo ft r a n s m i t t i n g a n dp r o c e s s i n go fi n t e r n e th a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y , m a n yn e wa p p l i c a t i o n sw i t hm u l t i m e d i a f e a t u r e sh a v ee m e r g e di nn e t w o r k f o re x a m p l e ，v i d e o - c o n f e r e n c i n g ，d i s t a n c ee d u c a t i o n ， n e t w o r km u l t i c a s ta n ds oo n t h e s em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sh a v eh i g h e rl a t e n c y , l a r g e rd a t a , a n d l o n g e rt i m e m o r e o v e r , t h e yr e q u i r eh i g h e rd e l i v e r yb a n d w i d t ha n ds t r o n g e rr e a l - t i m ep r o p e r t y i f t h e s ep r o b l e m sa r es o l v e db yb r o a d c a s ta n dr e p e a t e du n i c a s t ，i tw i l lw a s t en e t w o r kb a n d w i d t h s e r i o u s l y , s om a n y r e s e a r c h e r sb e g a nt os t u d ym u l t i c a s t m u l t i c a s ti sat e c h n o l o g yo ft r a n s m i t t i n gad a t ap a c k e tf r o mo n es e n d e r ( a l s oc a l l e d m u l t i c a s ts o u r c e ) o rm a n ys e n d e r st om a n yr e c e i v e r s m u l t i c a s tc a nm a k eo n eo rm a n ym u l t i c a s t s o u r c e st r a n s m i td a t ap a c k e t st ot h es p e c i a lm u l t i c a s tg r o u p ，o n l yt h eh o s t sw h oh a v ej o i n e dt h i s s p e c i a lm u l t i c a s tg r o u pc a nr e c e i v et h ed a t ap a c k e t s m u l t i c a s ts a v e sn e t w o r kb a n d w i d t h ，r e d u c e s n e t w o r kl o a d sa n da v o i d s “b r o a d c a s t i n g s t o r m ”m u l t i c a s tc a nb ed i v i d e di n t ot w oc a t e g o r i e s c a l l e di pm u l t i c a s ta n da p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t i pm u l t i c a s th a sal o to fd i s a d v a n t a g e s ，s oi t c a nn o tb ew i d e l yu s e di ni n t e r n e t b u tm a n yn e wa p p l i c a t i o n sw i t hm u l t i m e d i af e a t u r e sr e q u i r e t h a ti n t e m e tc a ns u p p o r tm u l t i c a s te a g e r l y , s om a n yr e s e a r c h e r sp r o p o s e dm u l t i c a s t i nt h es a l t l et i m e ，p 2 pt e c h n o l o g yd e v e l o p sg r e a t l y , a n dp 2 po v e r l a yn e t w o r k sh a v eal o to f a d v a n t a g e s ，s oa 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 do np 2 po v e r l a yn e t w o r k sb e c o m e st h eh o ti s s u e r e c e n t l y t h ec l a s s i ca 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 do np 2 po v e r l a yn e t w o r k sc a l lb el i s t e da s f o l l o w s ：m u l t i c a s tb a s e do nc h o r d ，c a n - m u l t i c a s t ，s c r i b ea n db a y e u x w es t u d ym u l t i c a s ti np 2 po v e r l a yn e t w o r k si nt h i st h e s i s t h i st h e s i sc a nb ed i v i d e di n t o s i xc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e rd e s c r i b e ss t u d yb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ，r e s e a r c hs t a t u so f m u l t i c a s t ，s t u d yt a r g e ta n dc o n t e n to ft h i st h e s i s i na d d i t i o n ，w ea r r a n g et h eo r g a n i z a t i o n a l s t r u c t u r eo ft h i st h e s i si nf i r s tc h a p t e r t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e sp 2 po v e r l a yn e t w o r ka n d a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t t h et h i r dc h a p t e rd e s c r i b e st h ee n h a n c e dn e m op r o t o c 0 1 w e e n h a n c e dn e m ow h i c hi sap e r f o r m a n c e - c e n t r i c ，o v e r l a yl a y e rm u l t i c a s tp r o t o c o li nt h ea s p e c t o fc l u s t e rl e a d e r ss e l e c t i n ga n dd a t af o r w a r d i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee n h a n c e d n e m o p r o t o c o li sb e t t e rt h a nn e m op r o t o c o li nt h ea v e r a g ed e l i v e r yl a t e n c ya n da c c u m u l a t i v e f a i l u r er e c o v e r yo v e r h e a d t h ef o u r t hc h a p t e rd e s c r i b e sd p m ：am a g n e t i cd i s k b a s e dp 2 p m u l t i c a s tp r o t o c 0 1 w ei l l u s t r a t et h ec o n s t r u c t i o no fd p mh i e r a r c h y , t h ep r o c e s s e so fn o d e j o i n i n g ，n o d el e a v i n g ，n o d em a i n t e n a n c ea n dd p m m u l t i c a s t w em a k eac o n t r a s tb e t w e e nd p m a n dc h o r dm u l t i c a s tb ys i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tm u l t i c a s t i n go nd p mh a sl e s sd e l i v e r y l a t e n c yt h a nt h a to fo nc h o r du n d e rt h es a m en e t w o r ks i z e w h a ti sm o r ei m p o r t a n t ，d p mh a s b e t t e rs c a l a b i l i t ya n dc a na c c o m m o d a t em o r en o d e s i tc a nb eu s e di n l a r g e s c a l em u l t i c a s t p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究 a p p l i c a t i o n s t h ef i f t hc h a p t e rd e s c r i b e sc o n e m ：a na 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 d o nc o n e w ei l l u s t r a t et h ec o n s t r u c t i o no fc o n e m ，t h ep r o c e s s e so fn o d ej o i n i n g ，n o d el e a v i n g a n dc o n e mm u l t i c a s t w ea n a l y z ec o n e mb ys i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea v e r a g e l i n ks t r e s so nc o n e mi sl o w e rt h a nt h a to fo nn i c e ，a n dt h ea v e r a g ed a t ad e l i v e r yr a t i oo n c o n e mi sh i g h e rt h a nt h a to fo nn i c ei nt h ep r o c e s so fm u l t i c a s t i n g w r l l a ti sm o r ei m p o r t a n t ， c o n e ma v o i d sf r e e r i d i n gw h i c he x i s t si nn i c eb y m a k i n gu s eo fe v e r yn o d ei ns y s t e m t h e s i x t hc h a p t e rs u m m a r i z e st h i st h e s i sa n dp r o s p e c t st h ef u t u r ew o r k k e y w o r d s ：i 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 ；p 2 po v e r l a yn e t w o r k ； n e m op r o t o c o l ；d p m ；n i c ep r o t o c o l ；c o n e m i i i p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 组播研究现状2 1 2 1i p 组播2 1 2 1 1i p 组播概述2 1 2 1 2i p 组播分类和组播协议2 1 2 1 3i p 组播存在的问题3 1 2 2 应用层组播3 1 2 2 1 应用层组播概述3 1 2 2 2 应用层组播分类4 1 2 2 3 应用层组播的评价标准8 1 3 本文的研究目标和研究内容8 1 4 本文的组织结构9 第二章p 2 p 覆盖网络与应用层组播1 0 2 1p 2 p 覆盖网络概述1 0 2 1 1p 2 p 简介1 0 2 1 2p 2 p 的分类1 0 2 2 基于p 2 p 覆盖网络的应用层组播1 3 2 2 1 在c h o r d 上实现应用层组播的方案1 3 2 2 2 基于c a n 的应用层组播1 4 2 2 3s c r i b e 组播方案15 2 2 4b a y e u x 组播方案15 2 3 其它基于p 2 p 覆盖网络的应用层组播1 5 2 4 基于p 2 p 系统的组播分类1 7 2 5 本章小结1 7 第三章改进的n e m o 协议l8 3 1 簇首的选择。18 3 2 数据转发18 3 3 算法描述19 3 4 性能分析2 1 3 4 1 平均传输延迟2 1 3 4 2 节点累积失效时的恢复代价2 l 3 5 本章小结2 2 p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究 第四章d p m ：基于磁盘原理的p 2 p 组播协议2 3 4 1 磁盘传输数据的原理2 3 4 2d p m 层次结构的创建2 3 4 3 节点加入、离开与节点维护。2 4 4 4 组播信息的过程2 5 4 5d p m 与c h o r d 组播的对比2 8 4 5 1 相同网络规模下的情况。2 8 4 5 2d p m 的其它优点及不足2 9 4 6 本章小结3 0 第五章c o n e m ：基于圆锥型的应用层组播模型3 1 5 1 圆锥组播模型( c o n e m ) 的创建3 1 5 2c o n e m 模型的相关内容31 5 3 节点的加入3 2 5 4 节点的离开3 3 5 5c o n e m 模型的组播过程3 4 5 6c o n e m 模型的性能分析3 7 5 6 1 定义性能参数3 7 5 6 2 仿真分析3 7 5 7 本章小结3 9 第六章总结与展望4 0 6 1 论文的总结4 0 6 2 未来工作的展望4 1 参考文献】4 2 在校期间发表的学术论文4 6 致谢4 7 v p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 当今社会已经进入了信息时代，计算机技术和网络技术也在飞速地发展。随着网络传 输及处理能力的大幅度提高，网络上以多媒体为特征的新应用越来越多。特别是视频和音 频压缩技术的发展和成熟，使得网上视频、音频应用成为网络上最重要的应用之一，出 现了如视频点播、视频会议、远程教育和计算机协同工作等以多媒体为特征的新应用。这 些多媒体应用都具有以下特点：数据量大、时延要求高、持续时间长；都依赖于一对多或 多对多的数据传输模式；所要求的传输带宽大、实时性强。不论是采用重复单播还是广播 通信方式来解决这些问题，都会严重地浪费网络带宽，增加端到端的延时，而只有组播才 是最好的选择。 组播，也称为多播技术，是一种允许一个或多个发送者( 称为组播源) 一次同时发 送单一数据分组到多个接收者( 称为接收端) 的技术。它是一种一点到多点的通信方式， 能有效地节省网络带宽。除了一点到多点的通信方式外，多点到多点的通信方式也是一种 组播方式。组播能使一个或多个组播源只把数据分组发送给特定的组播组，而只有加入该 组播组的主机才能接收到数据分组。组播节省了网络带宽，减轻了网络负载，避免了“广 播风暴”。 目前存在两种组播体系结构：i p 组播和应用层组播。文献【1 提出了i p 组播体系结构。 在i p 组播体系结构中，与组播相关的功能是在路由器中实现的，网络中的路由器利用分布 式算法定义了一棵数据转发树。当组播包在数据转发树上传递时，它们在树的不同分支点 处，由路由器进行复制。i p 组播使网络中的分组复制数量达到最少，节约了网络带宽，提 高了数据传输率。 虽然i p 组播具有很多的优点，但是它也存在很多问题 2 - 5 1 ，这样使得i p 组播不能得到 大规模的应用。近年来研究人员提出了应用层组播( a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ) 的新思想， 应用层组播又被称为覆盖网组播( o v e r l a ym u l t i c a s t ) 。在应用层组播中，与组播相关的功 能都是由成员主机完成的，成员主机之间基于自组织算法建立和维护了一个覆盖在i p 网络 之上的、实现组播服务的覆盖网络。在应用层组播中，网络中的节点是成员主机，所以应 用层组播比i p 组播更易于部署。 p 2 p 覆盖网络是在一个发送者和一个接收者之间直接互换信息和服务的系统，它允许 网络中的任何两个节点相互交换信息。它是一个大规模的、动态变化的覆盖网络，具有自 组织、健壮性等特点，所以在p 2 p 覆盖网络上更容易实现应用层组播应用( 如，直播流、 视频和组合w e b 服务等等) ；并且组播是支持p 2 p 应用( 如内容分布、文件共享、协同合作 和用户对用户的多媒体通信) 的一种可扩展方式。因此，基于p 2 p 覆盖网络的应用层组播成 为了应用层组播技术研究的热点之一。 p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究 1 2 组播研究现状 1 2 1i p 组播 1 2 1 1 i p 组播概述 1 9 8 9 年，s d e e r i n g 提出了i p 组播( i pm u l t i c a s t ) 。他认为i p 组播是一个i p 报文到一 个“主机组”的传输，“主机组”是指若干个有确定i p 地址的主机【lj 。在以后的r f c 文档 中也相继定义了一组用于i p 组播的协议，用于在i n t e m e t 上实现i p 组播的功能。在i p 组 播体系结构中，路由器实现与组播有关的所有功能，网络中的路由器利用分布式算法定义 了一棵数据转发树。当组播包在数据转发树上传递时，它们在树的不同分支点处，由路由 器进行复制。i p 组播能够使网络中的分组复制数量达到最少，是一种最有效的组播数据转 发方式。 图1 1 是i p 组播的示意副6 1 ，数据在路由器l 处被复制，然后被传送到组中的每一个 用户，同一个数据包在组播转发树中的每一条链路上只被发送一次。 图1 1i p 组播示意图 1 2 1 2i p 组播分类和组播协议 i p 组播分为两种方式：一种是主机组( h o s tg r o u p ) 模型【7 】，一种是单源组播模型。在 主机组模型中，接收同一个组播包的主机成员组成一个组播组，组播组由d 类i p 地址标 记。d 类i p 地址的最高4 位为“1 1 1 0 ”，其范围从2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。单源组播 模型是指源节点只有一台主机，在组播过程中，它把组播包发送到多台主机。 i p 组播中的协议主要有：i n t e m e t 组管理协议( i g m p ) ，用来帮助组播路由器识别加 入到一个组播组的成员主机。除了i g m p 协议，还有路由器之间运行的组播路由协测引。 组播路由协议可以分为域内组播路由协议和域间组播路由协议。域内组播路由协议包 括：距离向量组播路由协议d v m r p ( d i s t a n c ev e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 1 9 j ，它的 最初设计来自于刚p 协测1 0 】。m o s p f ( m u l t i c a s to p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) i 】协议，它依赖 p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究 于o s p f t l 2 1 协议构造单播路由表。c b t ( c o r eb a s e dt r e e ) 路由协议【1 3 l ，它解决了d v m r p 和m o s p f 中存在的问题，提高了协议的可扩展性。p i m d m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n t m u l t i c a s t d e n s em o d e ) 协议i l4 。，它是专门为具有大量成员的组播组设计的。p i m s m ( p r o t o c o li 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 ) 1 1 5 j 协议。在p i m s m 中，组播树的核心节点 被称为汇聚点i 冲，汇聚点是是组播源节点和接收节点的汇聚处。m i p ( m u l t i c a s ti n t e m e t p r o t o c 0 1 ) 1 1 6 j 协议，m i p 独立于单播路由协议，它类似于p i m s i m 可以使用共享树也可以 使用最短路径树。 域间组播路由协议主要包括：y a m ( y e t a n o t h e r m u l t i c a s t ) i l7 j 协议，在y a m 协议中， 当新节点加入时可以不采用反向路径检查。q o s m i c ( q u a l i t yo fs e r v i c es e n s i t i v em u l t i c a s t r o u t i n gp r o t o c 0 1 ) l l8 j 协议，在组播中它采用了q o s 路由的思想，q o s 是由用户观察到的参 数定义的。p t m r ( p o l i c yt r e em u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 1 1 9 j 协议，它利用了面向策略的 转发模式对p i m s m 协议进行了扩展，是一个单层的路由协议。 1 2 1 3i p 组播存在的问题 i p 组播存在很多的问题【2 。5 】：第一，可扩展性问题。组播地址很难聚集，但是在i p 组 播中，每一个路由表必须为每一个组播组维护一个地址项，所以网络开销会大大地增加。 第二，部署问题。i p 组播要求网络中的路由器都必须具有组播功能，所以不利于i p 组播 的推广。第三，不同的组播应用对组播的要求不同，这样就给组播算法的设计带来了很大 的困难。第四，网络管理方面的问题。i p 组播中，节点加入、离开组播组的开销较大。第 五，i p 组播的地址空间太小，没有较好的流量计费模型，并且在实现可靠性和拥塞控制方 面也存在一定的困难。所以至今为止i p 组播无法得到广泛地应用。 1 2 2 应用层组播 1 2 2 1 应用层组播概述 由于i p 组播不能得到广泛地应用，所以研究者提出了应用层组播的新思想。应用层组 播又被称为覆盖网组播( o v e r l a ym u l t i c a s t ) 。在应用层组播中，成员主机完成与组播相关 的功能，它们基于自组织算法建立和维护了一个覆盖在i p 网络之上的、实现组播服务的覆 盖网络。与i p 组播相比，应用层组播更易于在网络上被大规模的部署。 应用层组播的思想如图1 2 所示1 6 j 。图1 2 ( a ) ，1 2 ( b ) ，1 2 ( c ) 显示了在相同的网络拓 扑结构下，不同的应用层组播协议构造不同的覆盖网络的例子。 p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究 1 - 2 ( a )1 - 2 ( b )1 - 2 ( c ) 图1 2 应用层组播 应用层组播的缺点：第一，端系统的稳定性比较差，会给组播包的传输造成很大的影 响。第二，应用层组播消耗的网络带宽较多。文献 2 0 】指出应用层组播所用的带宽是i p 组 播所用带宽的2 倍。第三，数据分组被重复传送会给网络层带来一定的负担。 虽然应用层组播具有以上缺点，但它也具有很多优点：第一，完全独立于现实网络体 系结构，便于实现和推广。它只需要改变端系统，而不需要对路由器进行任何修改。第二， 建立组播树时比较灵活，可以设计相应的组播方案来满足各种不同的组播应用。 1 2 2 2 应用层组播分类 文献 6 】从算法设计和需求两个角度对应用层组播进行了分类： 1 从算法设计的角度： 应用层组播协议一般按照控制拓扑和数据拓扑组织组成员，通常把控制拓扑称为网， 把数据拓扑称为树。根据构造控制拓扑和数据拓扑的顺序，应用层组播协议又可以进一步 分为3 类：基于树的应用层组播协议，基于m e s h 网的应用层组播协议和基于隐含组播转 发拓扑结构的应用层组播协议。 基于树的应用层组播策略，代表协议有y o i d t 2 1 ，h o s tm u l i t c a s t 2 1 1 ，a l m i 3 1 ，s w i t c h t r e e 2 2 1 ，o v e r c a s t l 2 3 1 ，t b c p 2 4 1 和t a g l 2 5 1 。文献 2 6 】进一步将基于树的应用层组播策略分为 单树组播结构和多树组播结构。 单树组播结构通过一棵组播树来传递组播数据，组播树的根节点就是组播源节点。每 一个内部节点都从其父节点中得到组播数据，然后复制数据并将数据传给它的所有子节 点。在这个过程中，叶子节点仅从它的父节点中得到数据，并不进行数据的复制和转发。 在组播过程中，当一个内部节点失效时，它的子节点在一段时间内就得不到数据，这时系 统必须重建组播树以保证组播树中的所有节点都能收到数据，这一过程被称为组播树的维 护。进一步研究发现，在p 2 p 技术中可以用分布式哈希表( d h t ) 来创建并保持组播树与 覆盖网络的结构。 4 p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究 基于单树组播的缺点是：在组播树中只有内部节点复制和转发数据，所有的叶子节点 只是从别的节点那罩接收数据，并不对系统做出贡献。这样系统中很多节点的能力就会被 浪费并且会引起系统的不平衡。为了解决这个问题，后来的研究者考虑用“垂直链路1 2 7 j ” 或多树组播来代替单树组播2 8 , 2 9 】。 多树组播结构比单树组播结构复杂，它利用了覆盖网络中每一个节点的容量，这样就 大大增强了系统的有效性和平衡性。这种结构的一个代表就是s p l i t s t r e a m 2 8 1 协议，它将数 据分成k 份s t r i p e 来转发，并且为每一个s t r i p e 创建了一棵组播树。s p l i t s t r e a m 采用d h t 协议创建组播结构，维护组播算法。典型的多树结构还包括c o o p n e t 2 9 1 ，它采用了m d c ( 多描述编码) 机制处理媒体数据，然后沿着不同的组播树路径在不同的层上传递媒体数 据。 尽管多树组播结构不依赖于稳定的和可靠的网络环境，但是网络中大部分节点的容量 都比较小，尤其是当i n t e r n e t 中上行带宽比较短缺时，节点的容量会更小，所以多树组播 结构没有从根本上解决单树组播结构的主要问题。树结构使得每一个内部节点仅支持单个 子节点的服务，实际上它已经变成了线结构。 综上所述，基于树的应用层组播策略为一个特定的源节点建立一棵或几棵不相交的组 播树。这种策略的缺点是：所建立的组播树对于一个源节点来说可能是最优的，但当存在 多个源节点时，这棵组播树对于其他的源节点不一定是最优的；如果为每一个源节点都建 立一棵组播树，那么开销非常大；并且在组播树中一般节点接收数据的路径是唯一的，这 样可能引起单一故障点；所以这种方法的可靠性比较差。 基于m e s h 的应用层组播策略，代表协议有n a r a d a 【5 】，s c a t t e r e a s t 3 0 1 和k u d o s 3 。在这种 组播结构中，组成员之间组成一个应用层覆盖网络，网络中的每一个节点通过自己的逻辑 邻居节点得到组播数据。这样避免了对单个节点的依赖性，并且提高了通过用基于g o s s i p 组播协议来获得组播服务的成功率。 图1 3 是n a r a d a 5 】中m e s h 网的示意图，带箭头的虚线表示以节点a 为根节点的一棵 生成树。 图1 3n a r a d a 中的m e s h 网 s c a t t e r c a s t l 3 0 】也是一种基于m e s h 网的应用层组播协议，它是一种两级的服务模型。组 播过程中需要进行组播成员和s c x ( s c a a e r c a s tp r o x i e s ) 的通信以及s c x 之间的通信。 p 2 p 覆盖网络中的组播问题研究 s c x 由i s p 提供，所以它动态变化的速率相对较低。 k u d o s 3 1 】是一种层次结构的应用层组播协议，覆盖网络拓扑结构被组织成两个层次。 底层的节点被组织成多个簇，每一个簇都有唯一的簇首。新节点通过簇首加入和离开簇， 可以将k u d o s 用于大规模的组播应用。 典型的m e s h 结构还包括c o o l s t r e a m i n g 3 2 】，p r o m i s e 3 3 】和g n u s t r e 锄【3 4 】等等。在基于 m e s h 的覆盖网络中，通过s c a m p 3 5 j 来保持覆盖网络，s c a m p 是基于g o s s i p 的协议。在 s c a m p 中，每一个节点随机地与网络中的其他节点建立邻居关系，并且每一个节点周期 性地给它的邻居发送心跳信息。邻居节点可能是这个节点的父节点也可能是帮助它在组播 树中升级或降级的节点。基于g o s s i p 的协议有较好的可扩展性和可靠性，这种方案主要是 为了增强覆盖网组播的稳定性。当一个节点突然失效或离开时，它的子节点能快速地从同 伴列表中得到新的父节点，并且延迟时间也较低。 c o o l s t r e a m i n g 协议基于g o s s i p 协谢强】，是一种实用的m e s h 结构。c o o l s t r e a m i n g 充 分利用了s c a m p 3 5 】的可靠性和可扩展性，很好地解决了大规模动荡组播结构的保持问题。 c o o l s t r e a m i n g 的主要优点是具有容错性和可扩展性，网络的动荡改变和节点频繁地加入与 离开网络，对它几乎没有影响；并且用于这个结构的算法比较简单，容易实现；另外它还 适用于大规模的组播系统。 与基于树的组播结构相比，基于g o s s i p 协议的组播结构能够很好地适应覆盖网的波动 性并且可用于大规模的组播通信。但是它也具有很多缺点：它的随机性质使得网络丌销比 较大并且保证性也较低；g o s s i p 协议会产生大量的冗余数据和严重的网络开销，所以直接 用它进行组播传输是非常低效的。文献 3 6 】表明所有节点从它们的邻居节点中收到更新消 息的概率依赖于在每一个周期中随机选择的节点数目k 和周期数i 。如果k = l o g n + c ( n 是网 络中的节点总数，c 是常数) ，那么概率就是e 卜矿一。假设c - - 2 ，那么网络中仅有8 0 的节 点可能收到这条信息。 基于隐含组播转发拓扑结构的策略，代表协议有n i c e 3 7 1 ，d e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n s l 3 8 】， c a n m u l t i c a s t 3 9 1 ，s c r i b e 4 0 1 和b a y e u x 4 l 】等。在这种策略中，控制拓扑中就隐含地定义了数 据转发路径。因此m e s h 和转发树是同时根据应用层网络路由机制创建的，组成员之间并 不需要进行额外的信息交互。使用这种方式的应用层组播协议通常可以支持规模相当大的 组播组。 n i c e 协议是一种层次化的可扩展的应用层组播协议，可以支持大量不同的数据转发 树。在每一层中，网络按照节点之间的邻近信息将节点分成多个簇。在n i c e 协议中，网 络中的所有节点都出现在最底层，即第0 层