（计算机应用技术专业论文）基于overlay网络的组播系统及路由协议的研究与实现.pdf

摘要 随着全球互联网( i n t e r n e t ) 的迅猛发展，网络软硬件技术的快速提升，宽带网络迅速 普及。以视频会议、视频点播、远程教育为代表的新型多媒体组播应用成了宽带网络的宠儿， 日益受到人们的关注。但这一类新型应用的组播特性对网络传输方式提出了新的要求一单点 发送，多点接收。传统的点对点传输的单播方式已经不再能适应这类业务的要求，而目前 口组播的服务模型和协议仍然存在不足，无法在i n t e m e t 上得到广泛部署。因此，对新的组 播替代方案的研究非常迫切。o v e r l a y 组播技术就是其中之一。 o v e r l a y 组播将组播功能从路由器转移到端系统，由端系统来完成所有组播服务的功能， 如组管理、成员管理、分组复制和转发。所有组播组成员构成一个叠加在球网络之上的功 能性网络，在这个网络中构建o v e r l a y 组播树。 本论文主要研究了基于o v e r l a y 网络的组播系统，提出了一个新的o v e r l a y 组播协议， 优化了o v e r l a y 组播应用的实现框架，实现了支持多源交互性实时流媒体应用的组播原型， 并在其中应用了新的o v e r l a y 组播协议。论文的具体研究和实现工作包括以下几个方面： 分析了当前o v e r l a y 组播的发展状况，研究了o v e r l a y 组播路由协议的分类和评价方法， 系统地比较了多种经典o v e r l a y 组播方案的特点和性质，并从中找到研究的切入点。 夺 提出了一个新的o v e r l a y 组播协议q o m m p 。q o m m p 采用集中式控制下的m e s h - f i r s t 组播树构造方式；紧密围绕多源组播的特点，充分考虑了多源组播算法与单源组播算法 的不同之处；对q o s 服务定制的支持，不仅考虑延时和带宽两个因素，还结合了用户 对实时流媒体的服务质量要求；对组播路由，可以按照设定的多种标准，采用启发式算 法进行优化。对q o m m p 协议进行仿真，以组成员接纳率和平均相对延时代价为测度， 证明q o m m p 的有效性。 优化o v e r l a y 组播应用的实现框架。针对实时流媒体应用大数据量的特点，我们按照控 制与数据相分离的思想对系统的传输结构进行了优化，提高了数据的传输效率。 设计并实现了支持q o s 服务定制的o v e r l a y 组播应用原型系统c o a l m s 。该系统采用 p 2 p 结构与c s 结构相混合的体系结构，底层以p 2 p 路由协议p a s 时为基础，上层整合 了q o m m p 协议。对原型系统的测试结果表明c o a l m s 系统各个功能模块运行正常， 具有良好的服务能力，能够提供较为满意的服务质量，达到了设计目标。 本论文研究内容来源于国家自然科学基金项目“面向服务的o v e r l a y 网络及其关键技术 的研究”。 关键词；o v e r l a y 网络，应用层组橘，流媒体 分类号：t p 3 9 3 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h eg l o b a li n t e m e t ，b r o a d b a n dn e t w o r k sa r eb e i n gc o n e e m e db y m o r ea n dm o r ep e o p l e r e p r e s e n t e db yv i d e oc o n f e u m c i n g , v i d c o - o n - d e m u n & t e l e - e d u c a t i o n , a n e wt y p eo fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sh a sb e c o m et h ed a r l i n go fb r o a d b a n dn e t w o r k s b u ti t s m n l t i c a s tc h a r a c t e r i s t i cd e m a n d san e wt r a n s m i s s i o na p p r o a c ho f n e t w o r k , w h i c hi ss m g l e - s c o d i n g a n dm u l t i - r e c e p t i o n t r a d i t i o n a lp o i n t - t o - p o i n tt r a n s m i s s i o no fu n i c a s tm o d ei sn ol o n g e ra b l et o m e e tt h er e q u t r e m e n t s f o ri t s i n a d e q u a t et e c h n o l o g yo n 耐d e l yd e p l o y i n go ni n t e r a c t , 1 1 m u l t i c a s tc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t st o o s o ，t h eu t m o s tu r g e n c yi st of i n dan e wm u l t i c a s t a l t e r n a t i v e o v e r l a ym u l t i c a s tt e c h n o l o g yi so n eo f t h e m i no v e r l a ym u l t i c a s tt e c h n o l o g y , a l lm u l t i c a s ts e r v i c ef u n c t i o n ss u c ha sg r o u pm a n a g e m e n t , c l i e n tm a n a g e m e n t ，d a t ac o p ya n df o r w a r d i n ga r em o v e df r o mi pl a y e ro f r o u t e rt ot h e 印p l i c a t i o n l a y e ro fe n ds y s t e m a l ln m l t i c a s tg r o u pm e m b e r sc o n s t i t u t eaf u n c t i o n a lo v e r l a yn e t w o r ko nt h e t o po f t h e 口n e t w o r k , w h e r et h eo v e r l a ym u l t i c a s tt r e ei sc o n s t r u c t e d i nt h i st h e s i s ，w ep r o p o s e dan e wo v e r l a ym u l t i e a s tp r o t o c o l ，o p t i m i z e dt h ef r a m e w o r ko f o v e r l a ym u l t i e a s ta p p l i c a t i o n , a n di m p l e m e n t e dam u l t i - s o u r c es n p p o r ti n t e r a c t i v er e a l - t i m e s t r e a m i n gm e d i aa p p l i c a t i o n sp r o t o t y p es y s t e m t h ef o l l o w i n ga r et h es p e c i f i cr e s e a r c ha n dt h e r e a l i z a t i o nc o n t e n t s ： 夺 a n a t y z e dt h ec u r r e n ts t a t eo f0 v e r l a ym u l t i c a s td e v e l o p m e n t , s t u d i e dt h ec l a s s i f i c a t i m xa n d e v a l u a t i o no fo v e r l a ym n l t i e a s tr o u t i n gp r o t o c o i s , s y s t e m a t i c a l l yc o m p a r e dt h ev a r i o u s c h a r a c t e r i s t i c so f e l a s s i eo v e r l a ym u l t i c a s tp r o g r a m sa n df o u n dap o i n to f d e p a r t u r e 夺p r o p o s e dan e wo v e r l a ym u l t i c a s tp r o t o c o lq o m m p q o m m pu s i n gc e n t r a l i z e dc o n t r o la n d m e s h - f i r s tm u l t i c a s tt r e es t r u c t u r e ；f u l l yc o n s i d e r e dt h ed i f f e r e n c e sb e w e e nm a l t i - s o n r e e m u l t i c a s ta l g o r i t h m sa n ds i n g l e - s o u r c em u l t i c a s ta l g o r i t h m s ；s u p p o r t e dn o to n l yt h e b a n d w i d t ha n dd e l a yq o ss e r v i c e sc u s t o m i z e b u ta l s oi n t e g r a t e du 5 e r s ，s e r v i c er e q u i r e m e n t s o nt h eq u a l i t yo f r e a l - t i m es t r e a m i n gm e d i a ；o p t i m i z , e , dt h em n l t i c a s tr o u t i n gw i t hah e u r i s t i c a l g o r i t h mb a s e do nd i f f e r e n ts e a m s s i m u l a t i o no nq o m m p w h i c h u s e sa c c e p t i n gr a t eo f g r o u pm e m b e r sa n dt h ea v e r a g er e l a t i v ed e l a yp e n a l t y 嬲m e t r i c p r o v e st h ev a l i d i t yo f q o m m p 夺o p t i m i z e dt h ef r a m e w o r ko f o v e r l a ym u l t i c a s ta p p l i c a t i o n c o r r e s p o n dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o fr e a l t i m es t r e a n a m gm e d i aa p p l i c a t i o n , w eo p t i m i z e dt h et r a n s m i s s i o ns t r u c t u r eu n d e r c o n t r o la n dd a t as e p a r a t i o ni d e a s ，a n di m p r o v e dt h ee f f i c i e n c y 夺d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h eo v e r l a ym u l t i c a s ta p p l i c a t i o np r o t o t y p es y s t e mc o a l m s 7 n l es y s t e mu s e sp e e r - t o - p e e rs t r u c t u r ea n dc ss t r u c t u r em i x e da r c h i t e c t u r e i n t e g r a t e dt h e b o t t o mo f t h ep a s t r yp e e r - t o - p e e rr o u t i n gp r o t o c o la n dt h eu p p e rq o m m pp r o t o c 0 1 t h et e s t r e s u l to fc o a l m ss h o w st h a ta l ls y s t e mf u n c t i o n a lm o d u l e so p e r a t i n gw e l la n dt h e p e r f o r m a n c ea c h i e v e dd e s i g ng o a l s t h er e s e a r c hw o r ki nt h e t h e s i si sa f f i l i a t e dw i t ht h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t “r e s e a r c ho nt h es e r v i c e - o r i e n t e do v e r l a yn e t w o r ka n di t sk e yt e c h n o l o g y ” k e y w o r d s ：o v e r l a yn e t w o r k ；a p p l i e 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 i t 东南大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：庭垂垒日期：三亟f 目，闼 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：垒垂松导师签名：研究生签名：丝垒楚导师签名： 期： e ，fo 基于o v e r l a y 同络的组插系统及路由协议的研究与实现 东南大学硕士学位论文 第一章引言 本章首先介绍了组搐技术的工作原理和其重要的应用背景与实用价值；分析口组插技 术在实际应用部署中的缺陷，引出o v e r l a y 组播技术的兴起，讨论了o v e r l a y 组播技术所具 有的优势和特点；然后介绍国内外o v e r l a y 组播技术的主要研究内容和研究现状；接着阐述 本论文研究的主要内容和所要解决的问题；最后点出了论文的创新工作和全文的组织结构。 1 1研究背景 随着全球互联网( i n t e m e t ) 的迅猛发展，互联网业务已成为多媒体通信业中发展最为 迅速、竞争最为激烈的领域。i n t e r a c t 网络传输和处理能力的大幅提高，使得网上应用业务 越来越多，特别是视音频压缩技术的发展和成熟，使得网上视音频业务成为i n t e m e t 网上最 重要的业务之一在i n t e r a e t 上实现的视频点播( v o d ) 、可视电话、视频会议等视音频业 务和一般业务相比，有着数据量大、对延敏感性强、单点发送多点接收等特点。因此采用最 少时间、最小空间来传输和解决视音频业务所要求的网络利用率高、传输速度快、实时性强 的问题，就要采用不同于传统单播( u a i c a s t ) 、广播( b r o a d c a s t ) 机制的转发技术及q o s 服 务保证机制来实现，而组播( m u l t i c a s t ) 技术是解决这些问题的关键技术。 1 i 1i p 组播简介 口组播1 1 1 2 1 1 ( 也称多址广播或多播) 技术，是一种允许一台或多台主机( 组播源) 发送 单一数据包到多台主机( 一次的，同时的) 的t c p i p 网络技术。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在网络音频，视频广播的应用中，当需要将一个节点 的信号传送到多个节点时，无论是采用重复点对点通信方式，还是采用广播方式，都会严重 浪费网络带宽，只有组播才是最好的选择。组播能使一个或多个组搐源只把数据包发送给特 定的组播组，而只有加入该组播组的主机才能接收到数据包。 一次完整的p 组播通讯需要多种机制的配合：专用的组播地址，控制成员加入退出的 组播成员管理，组播报文转发机制和组播报文路由机制。 ( 1 )组播地址 i p 组播通信必须依赖于i p 组播地址，i p 地址方案专门为组播划出一个地址范围，在i p v 4 中为d 类地址，范围是2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 ，2 5 5 2 5 5 ，并将d 类地址划分为局部链接组播地 址、用户组播地址，管理权限组播地址如图1 1 所示。局部链接地址用于局域网，路由器不 转发属于此范围的i p 包；用户组搔地址用于全球范围或网络协议；管理权限地址组织内部 使用用于限制组播范围。 ( 2 )组成员管理 使用同一个i p 组播地址接收组搔数据包的所有主机构成了一个组橘组。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 基于o v e r l a y 同络的组播系统及路由协议的研究与实现东南大学硕士学位论文 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对组播组成员进行管理的协议称为组播成员管理协议，目前最常 用的是i g m f ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l 尸1 g h 但目前有三个版本v l ，v 2 ，v 3 i g m p v l 中定义了基本的组成员查询和报告过程，i g m p v 2 在此基础上添加了组成员快速离 开的机制，i g m p v 3 中增加的主要功能是成员可以指定接收或不接收某些组播源的报文。 2 3 9 2 5 5 2 5 5 ，2 5 5 2 3 9 0 0 0 2 3 8 2 5 5 ，2 5 5 2 5 5 2 “o 1 | o 2 2 4 0 0 2 5 5 2 2 4 0 0 0 图1 1 组播地址划分 ( 3 ) 组播报文转发 为了向所有接收主机传送组播数据，用组播分布树来描述口组播在网络中传输的路径。 组播分布树有两个基本类型：有源树和共享树。 有源树是以组播源作为有源树的根，有源树的分支形成通过网络到达接收主机的分布 树，因为有源树以最短的路径贯穿网络，所以也常称为最短路径树( s p t ) 。 共享树以组播网中某些可选择的组播路由中的一个作为共享树的公共根，这个根被称为 汇合点( 1 i p ) 。共享树又可分为单向共享树和双向共享树。单向共享树是指组播数据流必须 经过共享树从根发送到组播接收机。双向共享树是指组播数据流可以不经过共享树。 逆向路径转发( r p f ) 是组播路由协议中组播数据转发过程的基础，其工作机制是当组 播信息通过有源树时，组播路由器检查到达的组播数据包的组播源地址，以确定该组播数据 包所经过的接口是否在有源的分支上，如果在，则r p f 检查成功，组播数据包被转发；如 果r p f 检查失败，则丢弃该组播数据包。 ( 4 )组播路由协议 组播路由协议运行于组播路由器之间，负责构建转发树和路由组播包。按照组播路由协 议使用的范围可以分为域内组播路由协议和域闻组搐路由协议。其中域内组播路由协议包括 d v m r p ( 距离向量组播路由协议) 、m o s p f ( 最短路径优先组播) 、p 1 m 2 s m 、p 1 m 2 d m ( 密 集模式协议无关组播) 等；域间组播路由协议包括m b g p 、m s d p 等( 如图1 2 所示) 。 2 基于o v e r l a y 罔络的组插系统及路由协议的研究与实现 东南大学硕士学位论文 淼卜t d v m r p r ，f 路由协议1l 一。一一 i 域问 m b g p m 组播技术有效她解决了单点发送多点接收的问题，实现了m 网络中点到多点的高效 数据传送，能够大量节约网络带宽，降低网络负载。利用m 组播技术可以方便地提供一些 新的增值业务，包括在线直播、网络电视、远程教育、远程医疗，网络电台、实时视频会议 等互联网的信息服务但是从因特嗣中口组播的应用现状看，尽管经过了2 0 多年的发展， 口组播并没有取得预期的成功。较为典型的应用只有m b o n e 试验网p 】和一些校园网络中的 组播应用，基本上都是试验性质的局部范围内的应用部署，至今还没有全因特网范围的组播 业务出现。 仔细分析m 组播在i n t e m e t 上的部署障碍，既有其本身技术上的缺陷不足也有市场方面 的原因： 夺组播数据的转发依赖于组播路由器，所以m 组播技术的应用需要改造p 网络基础设施， 将普通路由器升级为组播路由器。但是在h t e m e t 全嬲范围内实现这样的改造即不现实 也不经济； 夺 口组播体系结构缺乏可扩展性。路由器必须为每个活动的组播组保存状态，而且这些 组播地址不能聚合，网络中大量的活动组将需要路由器巨大的存储和处理开销； 夺 组播组成员的动态使网络必须动态维护路由状态，更增加了组播路由器的处理开销： 夺用统一的模型来适应所有应用，算法设计困难； 夺 开放的p 组播模型在开放的因特网环境中难以支持有效的管理和控制机制。接入控制， 组管理、组地址的协调机制一直没有有效的解决方案： 夺 组播地址空间太小( 针对i p v 4 ) ，一旦大规模部署，很容易造成组播地址空间不足，。影响 正常业务的开展； 夺i p 组播打破了传统的根据进入流量计费的机制，还没有清晰的商业费用模型； i p 组搔在安全、拥塞控制等方面也存在问题。 1 1 3 0 v e r l a y 组播 限于上述问题的限制i p 组播无法在i n t e m e t 上有效部署，但是i n t e m e t 用户对组播服 务，尤其是多媒体组播服务有着巨大的需求。于是，人们开始寻找一种新的技术米替代i p 组播以实现i n t e m e t 组播服务，o v e r l a y 组播就是在这种背景下被提出来的。 3 基于o v 盯h y 孵络的组播系统及路由协议的研究与实现 东南大学硕士学位论文 o v e r l a y 组播的基本思想是保持互联网原有的简单，不可靠、单播的转发模型，由端系 统而不是核心路由器实现组播通信的所有功能，这也是。e n d - t o - e n dm g u n m n t ”川所倡导的 思想。不同于口组擂，o v e r l a y 组播把原本由网络层路由器完成的任务，如组管理、成员管 理、分组复制和转发等迁移至端系统的应用层来实现，由端系统按照预定的路由机制通过单 播来实现组播功能。 图1 3 疋组播与o v e r l a y 组播的比较 图1 3 比较了口组播与o v e r l a y 组播的传播方式的差剐。另外o v e r l a y 组播与简单的单 播复用是有很大差别的，o v e r l a y 组播通过o v e r l a y 组播路由协议的控制，可以有效减少单 一数据包在同一链路上的重复发送次数，大幅度降低网络流量负载。 既然是作为p 组播在i n t e r n e t 上的替代方案，o v e r l a y 组播必然有其利于部署实现的特 点和优势： 扩展性好，不需要在路由器上维护组播组的状态，可以支持大量的组，解决口组播扩 展性差的问题： 便于实现和推广，无需路由器支持，也不需要改变底层网络，只需对端系统进行新的改 进； 灵活性高，可以根据网络条件的变化，动态的优化组播树的结构，实现服务定制功能； 不受d 类口地址限制，可以很好的解决组播组地址分配不足的问题： 夺 利于实现介入控制和计费管理，便于实现商业化运作： 可以利用t c p 的拥塞控制机制使o v e r l a y 组播具有更好的可靠性。 以上这些优势正是o v e r l a y 组播技术能够成为研究热点，成为m 组播在i n t e r n e t 环境下 最合适的替代方案的根本原因。当然，在o v e r l a y 实现组播也存在一些固有的问题和不可避 免的缺点f ：5 1 ： 稳定性：终端系统的稳定性比路由器差； 可靠性：端系统性能无法保证，可能导致延迟、转发速率等性能的下降； 可扩展性：底层的路由信息对o v e r l a y 组播来说是隐藏起来的，影响可扩展性； 夺 延迟比较大：i p 组播主要是链路上的延迟，而在o v e r l a y 组播中，数据还要经过终端 系统，因而延迟相对要大一点； 传输效率：o v e r l a y 组播在数据传输过程中会产生数据冗余，因此它们比口组播的效 率差。 虽然，o v e r l a y 组播存在一些不足，但是和它的优势相比这些局限和不足是完全可以 4 基于o v e r l a y 网络的组播系统及路由协议的研究与实理 东南大学硕士学位论文 接受的。此外，随着计算机软硬件的飞速发展，端系统的性能和可靠性正在得到不断的提高， 这也为o 、啊畸组播技术的研究和应用起到了促进作用。目前o v e r i a y 组播研究集中于视频会 议系统、媒体流的分发系统( 如视频点播) 和网络教育等。它主要用于“时间上集中、空问上 分布”的实时多媒体传输。 1 2 o v e r l a y 组播研究现状 o v e r l a y 组播是下一代互联网研究中不可或缺的一个部分，也是近年来网络技术研究的 热点。经过短短几年的发展。目前国内外对o v e r l a y 组搔的研究主要集中在以下几个方面： 夺 应用层组播体系结构 国际上对o v e r l a y 组播的研究按照系统结构可分为基于主机( h o s t - b a s e d ) 和基于代理服 务器的( p r o x y - b a s e 赶) 两类。前者是完全在主枧之间构成组播路由，主机既是客户方也是服 务方，代表性系统有c m u 的e s l v i f 6 x n ，a c i r i 的y o i d s l ，w a s h i n g t o n 大学的a p 等； 后者则由组播服务节点( m s n ) 和客户( c l i e n t ) 组成。m s n 负责构造核心组播分发树， c l i e n t 必须先连接到m s n 上，方可进行数据的收发。p r o x y - b a s e d 系统也被称为o v e r l a y 组 播网络m n ) ，其代表性系统有u c b 的s c a t t e t c a s t t l 哪和1 3 ，c i s c o 的o v e r c a s t 【“l ，w a s h i n g t o n 大学的a m c a s t 。 夺o v e r l a y 组播协议 有关o v e r l a y 组播路由协议的研究非常活跃，许多研究机构都提出了自己的o v e r l a y 组播 协议。2 0 0 0 年至今针对不同的环境不同的需求已经出现数十种的o v e r h 姐播协议，第二章 将对具体协议进行详细的分类和分析。其中有几个问题是o v e r l a y 组播协议研究的关键：组 播节点的组织方法，组播节点的维护方法，安全问题，以及网络性能测量技术。 组播节点的组织方法决定了节点之间的关系，目前主要为“树”( t r e e ) 、“网”( m e s h ) 和特定的逻辑结构。组播节点的维护包括节点的加入、退出和“失效”节点的检测。m 组播 中安全就十分重要，o v e r l a y 组播中数据通过可信度不高的主机转发，安全更为重要。 网络性能测量技术对于o v e r l a y 组插的实用十分重要，主要用于： ( 1 ) 在m e s h 中选择 数据转发路径需考虑性能；( 2 ) 新节点加入时要选择性能较好的邻居节点( 或父节点) ； ( 3 ) 组播组结构调整时需测量性能。 其他相关技术 媒体编码传送技术 1 2 1 【1 2 】与o v e r l a y 组播算法息息相关。流媒体编码方式可以分为两类， 一类是自适应编码方式，属于单层编码，一般通过调节编码量化因子或者采取主动丢包、丢 帧等策略来实现媒体速率的调整，以达到网络资源自适应，其实现方式相对简单；另一类是 分层编码方式，它将媒体数据分成由基本层和增强层构成的多个层次的编码结构，其中增强 层只能和基本层一起侵用，越多的增强层和基本层解码厩的媒体播放质量越好。因此在分层 编码方式下，一般是通过控制加入层次书的手段来达到媒体速率的调整，其控制粒度受编码 层次的影响。 p e e r - t o p e e r 技术，是基于p 2 p 拓扑结构发展起来的一项新型网络通讯技术，从层次上划 基于o v e r l a y 同络的组播系统及路由协议的研究与实提 东南大学硕士学位论文 分，p 2 p 应该属于两络应用层技本在p 2 p 网络中的参与者既是资源提供者，又是资源获取 者信息的传输和服务的实现都直接在结点之间进行，没有中心控制，避免了可能的瓶颈。 也带来了其在可扩展性和健壮性等方面的优势。p 2 p 技术带来的诸多好处是显而易见的，最 大的好处就是资源将得到充分利用和最大化的共享，并且p 2 p 技术还加强和改进了许多原 有的应用。目前p 2 p 研究的热点包括基于p 2 p 的o v e r l a y 组播以及安全问题。 1 3主要研究内容 结合实验室国家自然科学基金项目“面向服务的o v e r l a y 网络及其关键技术的研究”，对 现有的o v e r l a y 组播系统和协议进行深入研究的基础上，针对实时交互的多媒体组播应用， 研究支持服务定制的高效的交互性多源组播路由协议，设计并实现基于o v e r l a y 网络的高性 能组播系统具体的研究和实现工作有以下几个方面： 夺 o v e r l a y 组播协议的研究。仔细分析现有o v e r l a y 组播协议的优势和不足，针对实时多源 交互性组播服务，设计新的交互性流媒体o v e r l a y 组播协议q o m m p 。协议结合q o s 保障和服务可定制进行设计优化。 夺 对所设计的协议进行仿真测试，进一步分析它的性能。 夺 o v e r l a y 组播系统设计框架的优化。通过深入分析现有o v e r l a y 系统的设计思路及存在的 问题，结合新的交互性实时流媒体组播应用，找出满足设计要求的最佳解决方案，对系 统设计框架进行优化。 实现基于o v e r l a y 网络的高性能组播原型系统c o a l m s ，开发支持服务可定制的多媒 体网络视频会议应用，并将理论部分研究的组播协议q o m m p 在原型系统中实现，对 原型系统及它的各个功能模块进行测试和评价。 1 4 论文的创新工作 本论文的创新工作主要体现在以下几个方面： 研究及提出新的o v e r l a y 组播协议q o m m p 。通过仔细分析现有的o v e r l a y 组播协议的 优势和不足，根据交互性组播应用和服务定制的需求，本论文的研究点将立足于可服务 定制的多源交互式o v e r l a y 组播协议：提出修正o v e d a y 组播网络模型支持多源交 互的q o s 组播路由；提出新的路由协议和算法一本着协议机制和控制策略相分离的 思想，注重新的协议和算法的可扩展性和灵活性。对所设计的协议进行仿真一测试分 析它的性能。 夺 o v e r l a y 组播系统设计框架的实现和优化：通过深入分析原有系统的设计思路及存在的 问题，结合新的应用，对系统设计框架的实现和优化具体分为：按照两络教育、视频会 议等交互性视频应用的要求，设计实现新的客户端和服务器：根据数据传输和控制信令 相分离的系统设计思想，改进系统的传输模式，提高传输效率；将理论部分研究的新的 o v e r l a y 组播协议在原型系统中实现。 6 基于o v e r l a y 网络的组播系统及路由协议的研究与实现 东南大学硕士学位论文 1 5论文的组织结构 根据以上研究内容，本论文的组织结构安捧如下： 第二章，主要阐述了o v e r l a y 组播技术的基础，介绍了当前典型的几个o v e r l a y 组播方 案的技术原理，分析了目前o v e r l a y 组播技术的发展现状。 第三章，研究了支持q o s 的o v e r l a y 组播路由问题，提出了一个新的支持q o s 保障和服 务可定制的o v e r l a y 组播路由协议，并给出相应的算法和仿真测试。 第四章，研究提出了一个新的基于代理服务器结构的o v e r l a y 组播服务网络体系结构， 并详细介绍了原型系统的实现。 第五章，从功能和性能两个方面对原型系统作了全面的测试，并对测试结果和数据作了 具体分析，进一步验证上述概念模型的正确性。 第六章，对整篇论文进行总结，并对未来工作进行展望。 7 基于o v e r l a y 同络的组播系统_ 及路由协议的研究与实现东南大学硕士学位论文 第二章o v e r l a y 组播路由协议和算法的研究 本章首先介绍了o v e r l a y 组播的概念，然后介绍目前国内外已有的o v e r l a y 组播路由协议 和算法的研究情况，详细分析典型的o v e r l a y 组播协议的技术原理，接着介绍o v e d a y 网络组 播的测量标准，最后对现有各类o v e r l a y 组搐协议进行比较分析。 2 1 o v e r l a y 网络概述 o v e r l a y 网络又称覆盖网、叠加网，它是在底层网络之上构建的又一层网络。o v e r l a y 网 络指出了网络研究的一个方向，它在互联网单播路由转发的网络架构基础上，在服务器或主 机之间构造一个o v e r l a y 网络来实现某种应用。 接收者 数据源 7路由器 。端系统 物理链路 覆盖链路 物理路径 图2 1o v e r l a y 组搐路由示意图 图2 1 为o v e r l a y 组播路由的示意图。由图可见，端系统节点通过o v e r l a y 链路构成了上 层的o v e r l a y 组播树，数据源节点将沿着该o v e r l a y 组播树向数据接收节点发送数据，而每个 非叶子接收者在接收数据的同时，还要向其孩子节点继续转发。不同于m 组播，在o v e r l a y 组播中，上述组播功能都是由参与组播组的端系统节点完成的，而下层m 网络只要完成端 到端的单播通信功能，即保证每条o v e r l a y 链路所对应的一条下层物理路径的通信即可。 2 2 o v e r l a y 组播路由协议的分类 有关o v e r l a y 组播路由协议和算法的研究十分活跃，已经提出一系列解决方案1 1 8 l ，所涉 及的技术非常广，要想找到某种统一而全面地方法来对o v e r l a y 组搔协议进行分类很困难， 本文按照协议的管理方式可将现有的o v e r l a y 组播协议分为集中式和分布式两种。 集中式协议中通常由一个节点来集中控制和处理节点的加入、离开和失效，方法简单效 率较高，但同时也限制了协议的可扩展性。集中节点的单点故障会影响整个系统的运行。现 有协议有；a l m i 和h b m 。 分布式协议，由每个组成员运行o v e d a y ：组播协议，分布地构造分发树。可以接纳较多 基于o v e d a y 同络的组擂系统及路由协议的研究与实现东南大学颈士学位论文 的用户，具有较好的可扩展性，但是对节点的控制和管理效率较低为适应系统的动态性， 保证组播传输的有效性，分布式协议还引入了控制和数据两种拓扑组成员通过控制拓扑传 递和更新信息，相互之间辨别是否仍然“活跃”，还是已经失效或离开，控制拓扑可能存在回 路，又称为转发网( m e s h ) ：而数据转发拓扑通常是控制拓扑的一个子集，组播数据沿转发 拓扑传递，因此它不能存在回路，也称为组播树( t r e e ) 。因此分布式协议可以按照组播树 构建的顺序分为树优先( t r e e f i r s t ) ，转发网优先( m e s h f i r s t ) 和隐式构建组播树( i m p l i c i t ) 三种。如果先构造m e s h ，然后再在m e s h 的基础上构建树的协议叫做m e s h f i r s t 协议，这种方 式可以检测到组播树节点的失效和组播树的断裂，并进行高效的恢复和处理，适用于底层网 络性能不好或可靠性较差的情况。现有的协议有n a m d a 、s c a t t c r c a s t 、b a y e u x 等：反之，先 构建树，再在树的基础上引入额外的边形成m e s h 的协议是t r e e - f t r s t 协议，适合对延时敏感的 应用，如实时应用，现有的协议如y o i d 、o v e r c a s t 、t b c p 、h m t p 、n i c e 、z i g z a c ：“1 等； 隐式方式是基于某种特性隐式地构建控制拓扑，同时构建m e s h 和t r e e ，两种拓扑的转化不需 要额外的成员之间的交互，适合规模较大的组播组，现有的协议如s c 曲e f 5 】、p t o m 、s p r e , a d u ， s p l i t s t r e a m 等。分类如图2 2 所示。 a l m lh b m y o i do v e r c a s t t b c ph m t p n i c e z i g z a g n a r a d a s c a t t e r c a s t b a y e u x 图2 2o v e r l a y 组播协议分类 2 3 o v e r l a y 组播算法的评价方法 s c r i b e p r o m i s e s p r e a d l t s p h t s t r e a m o v e r l a y 组播算法的特点是它的设计针对某种应用进行优化，对其评价时没有统一的标 准。下面我们列举一些常用的评价标准 1 3 1 5 】1 7 埘1 进行分析。 夺 数据路径的质量( q u a l i t yo f d a t a p a t h ) 数据路径的质量是o v e r l a y 组播算法最常用的评价指标，通常分为三个不同尺度来度量： 重度( s t r e s s ) 、展度( s t r e t c h ) 和覆盖网络直径( d i a m e t e r ) 。 1 )重度是指一条物理链路上传输同一个数据报的次数。对于i p 组播来说链路上没有多 余的数据报文复制，冈此网络中的每条链路或节点来说，s t r e s s 尺度值均为1 。而对于 o v e r l a y 组播米说，其链路s t r e s s 尺度均大丁等t - 1 ，将所有链路s t r e s s 尺度取平均得到的 平均重度值( a v e r a g es t r e s s ) 来反映从网络带宽角度看某种o v e r l a y 组播方案需要消耗的 o 基于o v e r l a y 罔络的组播系统及路由协议的研究与实现 东南大学硕士学位论文 网络带宽资源的额度。平均重度越接近l ，则带宽资源利用越高；平均重度越大于l ，则 带宽资源消耗越多 2 )展度指从源点到某一成员之间在o v e r l a y i t f 路上延时和在赢接单播路径上延时的比 值。这是一个为每个组成员定义的尺度显然，对于采用s ”分发树的m 组播而言，组 成员的展度s t r e t c h 值为1 。同样，可以求所有目标节点的平均值得到平均展度( a v e r a g e s t r e t c h ) 。平均展度反映从用户角度看某种o v e r l a y 组播方案感受到的平均时延性能。平 均展度越接近l ，则用户感受到的平均时延越小；平均展度越大于1 ，则用户感受到的平 均时延越大。 3 1 o v e r l a y 网络直径是指组播分发树源点到目标节点的最大“长度”在源基树中，定 义组播分发树的直径为从源到所有目标节点的最大o v e r h y 网络时延；在共享树中，定义 组播分发树的直径为任意源节点、目标节点对之间最大的o v e r l a y 网络时延。分发树直径 越大，则路由效率越低