（计算机应用技术专业论文）基于主动网络的多播拥塞控制研究.pdf

摘要 摘要 网络技术的发展和用户应用的需求促进了高性能网络的研究，如何使网络提供灵活的服务定制、 服务质晕保证和安全性是当前因特网发展中的三个热点阀题。高性能网络的基本特征是服务定制、 资源控制和用户管理，这也是高性能网络体系结构和协议面临的长期的课题。本论文以多媒体多播 应用为应用背景，以主动网服务模型为研究框架，针对基于主动网的多播拥塞控制问题进行研究。 首先，在分析传统因特网体系结构与协议存在问题的基础上，提出了主动网体系结构和主动网 服务模型的研究课题。针对多媒体多播应用，研究了多播拥塞控制的基本问题，研究多播、单速率 多播、分层多播等多播传输机制。提出了一个基于主动网的分层多播服务模型，包括主动网封装报 文协议、主动标记分层机制和优先级分层传输机制，并给出了主动分层多播服务的框架模型。利用 m s c ( m e s s a g es e q u e n c ec h a n s ，报文顺序图) 对发送者、接收者和网络中间节点的协议行为进行形 式化描述。为主动分层多播拥塞控制机制提供理论基础。 其次，研究了基于主动网的多播拥塞控制的关键技术，提出了逐跳反馈控制机制、逐跳交互信 令机制、t c p 友好可用带宽的主动测量以及主动速率控制机制与算法。给出了适应性主动分层多播 拥塞控制方案的关键机制和算法的描述，并进行深入分析。 然后，提出了三个典型的主动分层多播拥塞控制方案。主动分层多播拥塞控制方案在基本主动 网服务模型的基础上集成了主动标记分层和优先级分层传输机制。其中，主动分层多播拥塞控制方 案a n l m c c 采用基于队长的主动拥塞检测和消除机制以及逐跳交互信令机制。h t a l m 方案采用了 逐跳t c p 友好可用带宽的主动测量机制以及主动速率控制机制与算法。d l a a l m 方案提出了适应 性的效用分层策略和逐跳反馈归并的算法。通过仿真实验对所提协议机制和算法进行了深入分析。 提出的方案对解决现有因特网上的分层多播拥塞控制问题具有很大的借鉴意义。 晟后，设计和实现了一个基于主动网的分层多播及拥塞控制原型系统，该原型系统基于构件的 服务定制模型。详细介绍了系统的实现框架接着，在该系统上研究了主动分层多播拥塞控制机制 和算法的具体实现，对主动分层多播系统的功能和性能进行了深入分析。 本论文对基于主动网络的分层多播拥塞控制问题进行了研究，研究结论对新型网络服务体系结 构及其多媒体分层多播拥塞控制研究具有很大的借鉴意义。 关键词：主动网，网络体系结构，多播，分层多播，主动分层多播，拥塞控制 分类号：t r 3 9 3 东南大学博：b 学位论文 a b s t r a c t d e v e i o p m e n to fn e m 0 r kt e c h n l q u e sa n d 印p l i c a “o nr e q u i r e m e n t sp r o m o t e st h er e s e a r c ho f 【1 i 曲 p e r f b m l a n c en e t w o r k st h e r ea r et h r e eh o t s p o t si nc u r r e n tn e t w o r kr e s e a r c h ，l n c i u d i n gs e r v l c e c u s t o m i z a t i o n ，q u a l l t yo fs e r v i c ea n ds e c u r i 吼t h eb a s i cc h 撇c t e r i s 石c so fm g hp e r f o m l a n c en e t w o r k a r es e r v l c ec u s t o m l z a t i o n ，r e s o u r c ec o n 廿o la n du s e rm a n a g e m e n tw h i c ha r el o n g - t e r mq u e s t i o n sm a t h i 曲p e r f o m l a n c en e c w o r ki sc o n f 0 n 亡e dw i t h j u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n c r o ib a s e do na c t i v en e t w o r k w a sr e s e a r c h e dm t hm u l t i m e d i ar m l l t l c a s ta p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d f i r s t ly ，b a s e do na n a l y s i n gt r a d i t i o n a lh l t e m e ta r c h i t e c t l l r ea n d1 t sp r o t o c 0 1 s ，a c t i v en e t 、v o r k a r c h i t e c t l l r ea n da c d v en e t w o r ks e r v j c en l o d e lw a sr e s e a r c h e d f 0 c u s i n go nm u l t i m e d i am u l t i c a s t a p p l l c a t l o n s ，b a s i cp r o b l e m so fm u i t l c a s tc o n g e s t l o nc o 州r o la r er e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gm u l t i c a s t ， s l n 9 1 e r a t em u i t i c a s t ，a n d1 a v e r e dm u l 七1 c a s tt e c h n i q u e s a na c t i v en e t w o r k b a s e d1 a v e r e dm u l t l c a s t s e 州c em o d e lw a sp r o p o s e d ，i n c l u d i n ga c t i v en e t w o r ke n c a p s u l a d o np r o t o c o l ( a n e p ) ，a c t i v e1 a b e l l a y e r e dm e c h a n i s ma n dp r i o r i t yl a y e r e d 订a n s m i s s i o nm e c h a n i s m saf h m e w o r km o d e lo ft h e a c 缸v e 1 a y e r e dm u l t i c a s ts e r v i c ew a sp r o p o s e dm e s s a g es e q u e n c ec h a r t s ( m s c ) w a su s e da saf o m a lm e t h o d t os u b s c n b et h ep r o t o c o im e c h a n l s m so fs e n d e r s ，r e c e i v e r sa n di n t e n 眦d l a t en o d e st h i si st h et h e o r y b a s eo ft h ea c t i v el a y e r e dm u l t i c a s tc o i 增e s t i o nc o n t r 0 1 s e c o n d l y ，t b ek e yt e c l l i l i q u e so ft h ea c 石、他n e t w o r k - b a s e dl a y e r e dm u l t i c a s tw e r er e s e a r c h e d h 0 p - b y - h o pf e e d b a c kc o n 订o lm e c h a n i s m ，h 叩- b y h o pi n t e r a c 6 v es i g n a l l i n g ，t c p 缶1 e n d l ya v a i l a b l e b a n d w i d t hm e a s u r e m e n c ，a n da c t i v er a t ec o n h d lm e e h a n i s m sa n d 舡g o r 矗h m sw e r ep r o p o s e d t h ek e y m e c h a n l s m sa i l d “g 嘶m m sf o r t h ea d 叩h v ea c t i v el a y e r e dm u l t i c a s tc o n g e s 廿o nc o n 订u 1s c h e m ew e r e p f o p o s e da n dw e r er e s e a r c h e dd e e p l y t h l r d l y ，n l r e et y p i c a la c t i v e1 a y e r e dm u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n 仃o ls c h e m e sw e r 。p r o p o s e d a c t i v e 1 a y e r e dm u l 廿c a s ts e m c em o d e li n t e j ，a t e sa c 廿v el a b e l1 a y e r i n ga n dp r i o r i t y1 a y e r e dt r a n s m l s s l o n m e c h a n l s m a n l i c cs c h e m eu s e sa c t l v ec o n g e s t i o nd e t e c t l o na n dr e l e a s em e c h a n l s ma n d h o p _ b y h o pi n t e r a c t i v es i g n a l l m g 仃1 e c h a n s i m h r a i ，m u s e sh o p 七y - h o pt c p 一鲕e n d l ya v a i l a b l e b a n d w i d t hm e a s u r e i n e n ta 工1 da c t i v er a t ec o n 呐1m e c h a l l i s m sa n da l g o r i t h m s d l a a l ms c h e m eu s e s a d a p 廿v eu m 时l a y e n n gp 0 1 i c ya n dh 叩j b y _ h 叩f e e d b a c km e r g i n ga l g o r i t h 1 s t h ep r o p o s e dp r o t o c o l m e c h a n i s m sa n da 1 9 0 r i t h m sw e r er e s e a r c h e dd e e p i y 1 r o u 曲s i m u i a t i o ne x p e r i m e n t s t h e s es c h e m e s p r o p o s e da r ev e r yu s a b i ea i l dv a i u a b 工et os o i v et h ep r o b l e m so f1 a y e r e dm u j t i c a s tc o n g e s t l o nc o n t r 0 1l n e x l s t i n gh l t e m e t l a s t l xa na c t l v en e t w o r k _ b a s e dl a y e r e dm u l t i c a s tc o n g e s 石o nc o n t r o lp r o t o t y p es y s t e mw e r e d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h e s es y s t e m sa r es e r v i c ec u s t o m i z a t l o nm o d e lb a s e do nc o m p o n e n t t h e f h m e w o r k so ft h es y s t e m sa r ep r e s e n t e di nd e t a i l s t h e n ，1 m p l e m e n t a t l o no ft h ea c t i v e l a y e r e d m u l t l c a s tc o n g e s t l o nc o n t r 0 1m e c h a n i s m sa n da l g o r i t h sw e r er e s e a r c h e db a s e do nt h e s es y s t e m s a c t i v en e 协7 0 r k _ b a s e d1 a v e r e dm u l t i c a s tc o n g e s t l o nc o n t r 0 1p r o b l e m sa r ef b c u s e do na n ds o m e r e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r ea c h i e v e d t h e s er e s e a r c hc o n c l u s i o n sc a nb ea p p l i e dt ot h en e wg e n e r a t l o n n e t w o r ks e i c ea r c h i t e c t u r ea n dm u l t i m e d i al a y e r e dm u i t i c a s tc o n g e s t i o nc o n i ，a n dh a v eg r e a t r e f c r e n c ev a l u et ot h ef a r t h e rr e s e a r c h k e y w o 州s ： a c t i v en e 押o r k ( a n ) ，n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ， m u l t i c a s t ，i a y e r e dm l i l t i c a s t ， a c t i v e i a y e r e dm u i t i c a s t ，c o n g e s t i o nc o n t r o i i i 图索 图索弓 剀i 1 主动网中多播通信、分层编码和分层多播的包含关系 图2 1 主动网络体系结构 图22a n e p 报头格式 图2 3a n e p 选项格式 圈2 4 因特网中的拥塞控制 图25 异构分层多播 图2 6 引入主动节点的多播通信拓扑示意图 图31 主动分层多播服务模型 图32 主动分组格式定义 图3 3 主动分层多播服务模型框架 图3 4 主动网与i n s a 、0 s 坍l m 的大致对应关系 图35 主动分层多播服务模型的m s c 图36 主动分层多播拥塞控制模型的m s c 图41 主动分层多播拥塞控制体系结构 图4 2 逐跳反馈控制算法流程图 圈4 3 逐跳反馈控制算法时序图 图4 4 逐跳反馈控制算法h b h f b c 图4 5 交互信令时序图 图4 6 逐跳交互信令机制的算法描述 图4 7 逐跳r 1 r r 测量时序图 2 圈51 主动分层多播模型4 6 图5 2 主动分组格式定义一4 7 图53 交互信令时序图4 8 图5 4 仿真拓扑图4 9 v i i 9 m m m n 舛 卯 嬲 孔 强 n ” ” 弛 弘 剪 “ 东南大学博士学位论文 图5 5r 11 、r 1 2 、r 1 3 和f 2 的吞吐率变化 图5 6 a n l m c c 与r l m 下的r 1 1 吞吐率比较 图6 1 主动分层多播模型 图6 2h t a l m 主动分组格式 图6 3 逐跳r t t 测量时序图 图64 仿真拓扑图 图6 5h t a l m 下r 1 1 、f 2 l 和r 3 1 吞吐率变化 图6 6 h t a l m 下r l l 图67 r l m 下r 1 1 与 图6 8r l l 、r 2 1 、r 3 l 、 与r 1 2 _ t c p 吞吐率比较 r 1 2 - t c p 吞吐率比较 r 1 2 t c p 的平均吞吐率 图7 l 主动分层多播模型 图7 2d l a a l m 主动分组格式 图7 3d l - a a l m 方案中主要功能模块， 5 0 5 0 6 6 6 7 一6 9 图74 仿真拓扑圈 图7 5 d l a a l m 下“i 、r 2 i 和r 3 1 吞吐率变化 图7 6d l a a l m 下r 11 与r 1 2 - t c p 吞吐率比较 图7 7r l m 下r 11 与r 1 2 t c p 吞吐率比较 图78d l - a a l m 与r l m 平均系统效用比较 8 1a n t s 系统的体系结构 8 2 主动代码的按需装载过程 8 3 涛议组合层次结构 84 加入共享树时j o i n p m n e 封装包 85 d a t a 封装包转发路径 8 6a n l m 系统的实现框架 8 7 订1 、r 1 2 、r 1 3 和r 2 的吞吐率变化 8 8a n l m c c 与r l m 下的r 1 1 吞吐率比较一 v i i i 7 l 7 2 7 2 7 2 7 2 巧 弱 鼹 n 旺 缸 诬 眈 ” 两 他 叭 盯图图图图图图图圈 表索目 表索引 表5 1a n l m c c 和r l m 下r 1 1 平均吞吐率及其抖动特征比较 表6 1h t a l m 和r l m 吞吐率特征比较 5 0 6 4 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：吐堕鱼日期：三竺丛6 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 容和纸质沧文的内容相一致。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( 包括干u 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括干0 登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：堕堕圈导师签名日期： 第一章绪论 第一章绪论 视频会议、网络教育、视频点播等多播应用近年来发展迅猛，现已广泛应用于校园网和企业网 中，但是在因特网上还没有得到有效的部署，一个很重要的原因是这些应用是基于“尽力服务”网 络的，缺乏有效的拥塞控制机制。多播拥塞控制对于维护因特网稳定运行，防止拥塞崩溃具有重要 意义， 冈此，i e t f 要求因特网上的多播应用必须提供适当的拥塞控制机制。多播拥塞控制问题由 于其复杂性和重要性，一直是网络研究中的一个热点问题。 1 1 立题背景和目标 上个世纪9 0 年代中期，随着因特网应用的飞速发展，用户迫切要求网络能提供灵活的和可定制 的网络服务。而传统的因特网由于体系结构的局限，无法满足用户的这种要求。传统因特网体系结 构存在的问题可归结为：( 1 ) 缺乏良好的资源控制机制：( 2 ) 缺乏用户管理功能，例如计费功能： ( 3 ) 缺乏服务定制机制，在“尽力而为”的i p 服务模型下，用户无法灵活地创建和部署特定用户 或特定应用的网络服务1 1 川。在这种背景下，在1 9 9 5 年，美国国防部高级研究计划署d a r p a 发起 并资助了新型网络体系结构的研究，掀起了主动网络体系结构研究的热潮f 3 】h n 参与研究的有美国 的高校和科研机构，如m i t 、u p e m 、g r r 、u l a l l 、b b n 等。国内的部分高校也对主动网体系结构 及其服务做过一定的研究“。主动网体系结构较好地解决了传统因特网体系结构所固有的问题，为 现有的网络难题提供了全新的方案。 在主动网络体系结构中，用户可以灵活地创建各种特定用户或特定应用的网络服务，包括正得 到广泛应用的多媒体多播应用。然而，由于体系结构的差异，传统因特网上的多播服务和应用不能 简单地应用到主动网体系结构中，所以有必要对基于主动网体系结构的多播服务做专门和深入的研 究。 任何网络服务和应用要在网络中部署，都离不开有效的拥塞控制机制，否则很容易造成网络拥 塞崩溃”。由于多播服务目 9 1 涉及的范围广、参与的用户数多，因此，多播拥塞控制的效果将对网络 的稳定运行产生重大影响。 动态性和异构性是因特网固有的两大特征。所谓动态性，是指因特网中的流量是时刻变化的， 这就使得用户的可用带宽不是恒定不变的，如何适应这种动态特征，使得用户得到最大的服务质量， 是一个值得研究的课题。所谓异构性，是指网络中各条链路的带宽存在差异，用户接入网络的带宽 也各不相同，导致参与通信的各个接收者的可用带宽千差万别，具有异构性。在多播通信中，如何 适应网络的动态性和异构性是多播服务必须解决的关键技术问题。 东南大学博士学位论文 为了适应网络的动态性和异构性，提出了分层多播的思想。在分层多播协议中，发送者采 用分层编码的方式：岛视频和音频数据进行编码并同时向多个多播组传输，接收者根据自己的接收能 力加入到相应的多播组接收数据，当可用带宽发生变化时，接收者通过加入或离开多播缎的方式实 现接收速率的调节。 分层多播是分层编码技术与多播传输协议相结合的产物。 、 分层编码属于多媒体领域的技术，而多播传输协议则属于网络 通信领域的范畴。本论文将着重研究主动网体系结构下的多播 纩 孬 一7 本论文是国家自然科学基金重大研究计划( 课题编号：、兰型! 9 0 1 0 4 0 0 9 ) “下一代网络服务体系结构及其关键技术的研 图1 1 主动网中多播通信、分 层编码和分层多播的包含关系 究”项目的子课题之一，着重对基于主动网的多播拥塞控制算 法和协议机制进行研究。 本论文的目标是在研究主动网体系结构原理和分层多播技术及相关协议的基础上，提出基于主 动网的分层多播的拥塞控制算法，继而对算法中的相关机制和协议进行深入的剖析，并通过仿真实 验对算法进行验证，最后给出原型系统的设计和实现。 1 2 论文研究的关键问题 传统的因特网体系结构不能满足用户灵活的服务定制要求，从而提出了一种新型的网络体系结 构主动网体系结构。主动网体系结构下的多播服务关键技术的研究成为一个重要的研究课题。 主动网体系结构提供了灵活的多播服务定制能力，为主动多播拥塞控制提供了全新的方案。异构性 和动态性是网络的两大特征，分层多播是适应网络异构性和动态性较有效的方案。本论文将对主动 网体系结构和基于主动网的分层多播展开研究，提出基于主动网的适应性的分层多播拥塞控制算法。 为了使我们提出的算法和实现方案具有实用性和可行性，我们将待解决的问题划分为若干个子问题 展开研究和论述。论文需要解决的问题包括： ( 1 ) 主动分层多播服务模型研究 构建在主动网体系结构上的主动多播服务模型与基于i p 多播服务模型有着根本的不同。主动网 体系结构具有很强的可编程性，具有灵活的服务定制能力。主动分层多播服务模型是对主动多播服 务的扩展，在网络编程模型、服务编程接口、服务创建方法上，具有显著的灵活性。主动分层多橘 服务模型研究是本论文研究的一个关键问题。 2 第一章绪论 主动网封装报文协议a n e p ( a c t i v en e m o r ke n c a p s u i a t i o np r o o c 0 1 ) 【1 2 1 是主动网服务模型中的 基本支持协议，a n e p 主动报文是主动网服务定制的基础。 与传统的i p 分层多 弁不同的是，主动分层多播以主动标记的方式区分分层数据，各层的数据不 需要通过许多多播组传输，而只需要放在一个多播组中传输，有效避免了多个多播组的维护开销， 也有效避免了加入和退出多播组的延时。 由于采用主动标记的方式传输分层数据，使得本论文中提出的方案能够与优先级分层传输机制 有效集成，主动标记一方面用于区分分层数据，另一方面区分各分层的优先级，赋予低层分层数据 具有较高的优先级，从基层到最高增强层，分层优先级逐层降低。在网络发生拥塞时，优先过滤掉 较高层的较低优先级的分层数据。因此，本论文将对优先级分层传输机制和算法进行研究分析。 ( 2 ) 基于主动网的分层多播拥塞控制的关键技术 逐跳反馈控制机制与算法 逐跳反馈控制机制是在相邻的上下游主动节点之间实现反馈信息抑制或聚台，控制反馈信息数 量的一种机制。逐跳反馈控制机制有助于消除和避免发送方的反馈爆炸问题。在多搔拥塞控制中， 反馈控制机制对于防止反馈爆炸、提高链路利用率是一种必不可少的手段。主动网服务模型中，主 动节赢的可编程性，有利于实现这种逐跳反馈控制。反馈控制机制和算法也是本论文将要研究的一 个重要研究内容。 逐跳交互信令机制与算法 逐跳交互信令机制是用于主动节点之间交换状态信息，以保持状态的同步，例如，队列状况、 链路可用带宽、拥塞状况等。逐跳交互信令机制是保持主动分层多播有效运行的控制信令机制， 分层多播数据经主动路由器的过滤，调节成满足下游低速率链路需要的多种低速率的数据流。 随着网络拥塞状况的改变，当下游路由器的出口链路转发的数据层数改变时，主动路由器需要通知 上游路由器不再转发下游需要过滤掉的层数据。保持上下游路由器的多播会话状况的更新与同步， 减少无用分层数据的转发。 在拥塞响应的过滤动作完成之后，或拥塞消除增加转发层次之后，路由器之间需要通过交互信 令机制使得下游路由器能够将多播会话的转发状态反馈给上游节点，并根据上游路由器的状态更新 下游路由器状态，以保持上下游路由器状态的同步。 t c p 友好可用带宽的主动测量 为了使速率调节满足t c p 友好，必须测量链路的t c p 友好的可用带宽。可分为逐跳链路测量和 端到端测量两种方式。本论文中采用逐跳链路测量方式，具有带宽测量响应快、准确的特点。 主动速率控制机制与算法 在主动网服务模型中，用主动节点代替传统的i p 路由器，中间节点的计算能力有了很大的增强。 3 东南大学博士学位论文 这就使得基于主动网服务模型的主动分层多播的拥塞控制可以采用更加富有灵活性的方式。在网络 发生拥塞时由网络中间节点和端系统协同工作，对网络拥塞采取主动的适应方式，将会大大提高 分层多播拥塞控制的效率和适应性。网络中间节点的计算能力将会越来越便宜，因此发挥网络中间 主动节点的适应性作用是可行的。为此，我们以主动网服务模型的研究为基础，以基于分层多播的 多媒体应用为研究背景，展开主动分层多播拥塞控制研究，提出了主动速率控制的算法思想。 1 3 论文主要内容及组织结构 论文的内容安排如下： 在第二章中，首先分析主动网体系结构的基本概念和原理，其次，分析i p 多播通信，包括i p 多橘通信的基本原理、单速率多播和分层多播，以及相应的多播拥塞控制算法。最后，分析主动多 播通信，在介绍主动多播服务模型的基础上，分析了主动多播拥塞控制协议机制与算法。 在第三章中，在明确研究环境和研究目标的基础上，提出基于主动网的分层多播服务模型( a c h v e n e t w o r k b a s e dl a y e r e dm u i l l c a s ts e i c em o d e i ，a l m s m ) ，包括主动研封装报文协议、主动标记分 层机制和优先级分层传输机制，并给出了主动分层多播服务的框架模型。利用m s c ( m e s s a g e s e q u e n c ec h m s ，报文顺序图) 对发送者、接收者和网络中间节点的协议行为进行形式化描述，是 后面章节中所提出的算法和关键机制的基础。 在第四章中，研究并提出了基于主动网的多播拥塞控制的关键技术，包括逐跳反馈控制机制、 逐跳交互信令机制、t c p 友好可用带宽的主动测量以及主动速率控制机制与算法。重点给出了适应 性主动分层多播拥塞控制方案的关键机制和算法的描述，并进行深入分析。 在第五章中，研究并提出了一种基于主动阿的分层多播拥塞控制方案( a n l m c c ) 。该方案基 于主动分层多播服务模型，采用主动标记分层和优先级分层传输机制、基于队长的主动拥塞检测和 消除机制以及逐跳交互信令机制，通过仿真实验对其进行了深入分析。 在第六章中研究并提出了一种逐跳t c p 友好的主动分层多播拥塞控制方案。该方案采用主动 标记分层和优先级分层传输机制、t c p 友好可用带宽的主动测量机制以及主动速率控制机制与算法。 通过仿真实验对其进行了深入分析。 在第七章中，研究并提出了一种基于适应性效用分层策略的主动分层多播拥塞控制方案。该方 案采用适应性效用分层策略、主动反馈控制机制以及主动速率控制机制与算法。并通过仿真实验对 其进行了深入分析。 在第八章中，给出了一个基于主动网的分层多播服务原型系统的设计与实现，该原型系统基于 构件的服务定制模型，详细介绍了系统的实现框架。接着，在该系统上研究了主动分层多播拥塞控 d 第一章绪论 制机制和算法的具体实现。以第五章提出的a n l m c c 方案为实例，对其性能进行了分析，并对其 实用性、可行陛进行了分析和验证。 在第九章中，我们对研究成果及创新点进行了总结，同时也指出了研究的不足以及存在的问题， 了1 1 提出了未来可能的研究方向。 1 4 论文主要贡献 论文的主要贡献可概括为如下几个方面： ( 1 ) 提出基于主动网的分层多播服务模型，集成了主动网封装报文协议、主动标记分层机制和 优先级分层传输机制，并给出了主动分层多播服务的框架模型。利用m s c ( m e s s a g es e q u e n c ec 1 1 a r t s 报文顺序图) 对发送者、接收者和网络中间节点的协议行为进行形式化描述。 ( 2 ) 提出了基于主动网的多播拥塞控制的关键技术，包括逐跳反馈控制机制、逐跳交互信令机 制、t c p 友好可用带宽的主动测量以及主动速率控制机制与算法。给出了适应性主动分层多播拥塞 控制方案的关键机制和算法的描述，并进行深入分析。 ( 3 ) 提出了一种基于主动网的分层多播拥塞控制方案( a n l m c c ) 。该方案基于主动分层多播 服务模型，采用主动标记分层和优先级分层传输机制、基于队长的主动拥塞检测和消除机制以及逐 跳交互信令机制，通过仿真实验对其进行了深入分析。 ( 4 ) 提出了一种适应性t c p 友好的主动分层多播拥塞控制方案，该方案采用主动标记分层和优 先级分屡传输机制、t c p 友好可用带宽的主动测量机制以及主动速率控制机制与算法。通过仿真实 验对其进行了深八分析。 ( 5 ) 提出了一种基于适应性效用分层策略的主动分层多播拥塞控制方案，该方案采用适应性效 用分层策略、主动反馈控制机制以及主动速率控制机制与算法。并通过仿真实验对其进行了深八分 析。 ( 6 ) 给出了一个基于主动网的分层多播及拥塞控制原型系统的设计与实现，该原型系统基于构 件的服务定制模型，详细介绍了系统的实现框架。接着，在该系统上对主动分层多播拥塞控制机制 和算法进行了实现，并对其功能和性能进行了分析。 东南大学博士学位论文 第二章研究基础 多捅通信为“点到多点”或“多点到多点”之间的通信提供了一种节省带宽的有效方式，成为 当前多媒体应用的基础。目前基于口多播的多媒体多播应用正得到越来越广泛的应用，有关多播中 关键技术的研究止成为一个重要的研究热点。 首先分析主动网体系结构的基本概念和原理，其次，分析i p 多播通信，包括i p 多播通信的基 本原理、单速率多播和多速率多播，以及相应的多播拥塞控制机制和算法。最后，分析主动多摇通 信，在介绍主动多播服务模型的基础上，分析主动多播拥塞控制算法。重点分析现有的多播拥塞控 制算法。 2 1 主动网体系结构 与传统的网络体系结构相比，主动网( a c t i v e n e t w o r k ，a n ) 1 是一种新型的网络体系结构， 采用了全新的网络节点体系结构和报文结构。主动网增加了路由器或交换机等网络中间节点的计算 能力，从而为用户提供了方便的、灵活的网络服务定制能力。随着网络应用的曰益增长和多样化， 用户越来越要求网络能够提供灵活的、可扩展的网络服务。 2 1 1 主动网体系结构的提出 主动网是美国国防部高级研究计划署( d a 砒，a ) 于1 9 9 4 1 9 9 5 年在关于未来网络系统发展方 向的讨论中提出的。主动网概念的提出主要是为了解决2 0 世纪9 0 年代中期因特网面临的问题，例 如：( 1 ) 网络协议从研究制定到在实际网络中部署要经过漫长的标准化过程，一般需要8 到1 0 年的 时间，难以适应因特网应用的发展速度：( 2 ) 因特网的分层协议之间存在功能冗余，导致处理低效； ( 3 ) 难以引入新型的网络服务，缺乏网络服务定制能力，不能适应因特网应用快速发展的需要 。 相对于传统的网络技术而言，主动网技术是一种全新的解决方寨，旨在解决传统网络中存在的问题， 构造具有高度灵活性和动态可扩展性的网络体系结构。 主动网自1 9 9 6 年提出以来，得到了美国d a r p a 的高度重视并得到专项资助，各重点院校和科 研机构均纷纷投入主动网的研究，掀起了主动网研究的热潮。早期的主动网研究重点集中在主动网 体系结构的研究，具有代表性的有美国麻省理工学院( m i t ) 提出的主动网传输系统a n t s 【“，美国 宾夕法尼亚大学( u p e m ) 提出的主动网原型系统s w i t c h w a r e ，美国乔治弧理： 学院( ga = ：r e c h ) 提出的主动网原型系统b o a n 。这些主动网原型系统为主动网技术的研究和开发提供了良好的 实验平台。此外，在一些大的公司科研机构则注重主动网技术的应用，例如美国b b n 公司的s m a r 6 星三至! ! ! 堑兰型 p a c k e t s 项目等应用主动网技术进行高效的分布式网络管理和控制等方面的研究。 从主动网的研究发展过程看，主要分为两个阶段。1 ) 上个世纪9 0 年代中期到世纪末，为主动网 体系结构和原型开发阶段，主要是制定主动网体系结构的参考模型框架，以及实现主动网原型系统。 2 ) 2 0 0 0 年以来，为主动网支持的典型应用的研究开发阶段，如主动可靠多播，主动式网络管理，网 络安全，适应性的网络拥塞控制等。实际上，网络技术的研究始终不能离开网络应用的推动和发展。 主动网体系结构的提出受到了主动技术及移动代码技术的推动以及用户需求的牵引。用户需求 如，防火墙、w 曲代理、多播、移动代理、视频网关等系统开发者都需要一种通用的模型以满足一 类应用的需要。当前编程语言、编译器和操作系统上的技术进展提供了移动代码片段安全有效执行 的关键技术：主动技术已在各端系统和端刮端网络层上得到应用，如j a v a8 p p l e t ( 从服务器端下载 到客户端执行) 和a g e n t 技术( 从客户端移动到服务器执行) 。技术推动和需求牵引使得主动网的研 究在2 0 世纪9 0 年代成为了网络研究领域中一个重要的研究热点”】。 2 1 2 主动网体系结构的主要目标 主动网是以定制服务和组合服务为主要目标的网络体系结构，提供了研究、开发和部署新型网 络服务的平台，主动网体系结构除了描述主动网体系结构框架、主要构件及其功能接口以外，还必 须规定组合定制新服务的机制。 主动网体系结构的主要目标是i ”】： ( 1 ) 尽可能减少必须的全局约定，支持网络服务的动态更新。 ( 2 ) 应能支持传统分组的快速路径优化。 ( 3 ) 具有向后兼容性，能将现有网络纳入主动网体系结构框架。 ( 4 ) 具有良好的可缩放性。 ( 5 ) 具有安全性和鲁棒性。 ( 6 ) 支持各个网络层次上的可管理性。 ( 7 ) 能够提供不同级别不同类型不同质量的服务。 主动网体系结构的设计目标决定了体系结构设计的具体内容。 当前，网络服务和应用的发展速度远远大于网络技术本身的发展速度，增强网络灵活性，加快 网络服务提供进程。成为网络用户的最迫切需求之一。多方参与的网络应用( 多播，网络游戏等) ， 实时多媒体应用以及移动计算等，这些新型应用需要网络提供的支持能力在现有因特网上不能得到 满足。 7 东南大学博士学位论文 2 1 - 3 主动网的基本原则 在讨论主动网体系结构之前，必须首先明确主动网的基本原则，这样才能从根本上把握主动网 技术在网络技术中的定位。 原则1 ：主动网的基本功能是通信而不是计算，最初主动网研究注重在已有的网络节点增加计 算能力，构造网络节点的分布计算平台，这样的结果违背了网络节点主要用于通信的基本目标，将 主动网研究混同于类似分布对象计算技术的研究。所以，在1 9 9 8 年发布的主动两节点体系结构草案 中明确了这项基本原则。 原则2 ：主动网的复用单元是分组，主动网节点还是通过分组转发技术互联。这样就确定了主 动网是基于因特网分组交换技术的基本特征。并且主动网与因特网一样，也是假定对下层服务的要 求尽量降到最低限度。这样，主动网对下层传输子网的要求也必须是最基本的尽力而为的数据报递 交服务。 原则3 ：每个主动网节点都被个管理域管理，但是整个主动网不是被唯一的一个管理域管理。 主动网中的可信度必须明确指定。这里界定了主动网可以是一个多管理域的网络，但是每个主动网 节点只能属于一个管理域，而且主动两中的可信度不是默认的，而是需要明确设定的。 2 1 4 主动网体系结构的基本原理 主动网技术与传统的因特网相比，显著的区别是网络中传输的分组不仅携带用户的数据，而且 可以携带一段程序代码，这段代码在分组流经网络节点时执行，用以定制网络节点对分组的转发处 理行为。主动网中能够携带程序代码的分组称作主动分组( a c h v e p a c k e t ) 或封装包( c a p s u l e ) ，能 够处理主动分组并执行主动分组中携带的代码的节点称为主动节点( a c t i v e n o d e ) ，例如主动路由器 或可编程交换机。主动网中，网络中间节点对用户数据分组处理的模式为存储一计算一转发处理【3 】【”。 用户的主动应用使得主动分组携带特定用户或特定应用的程序代码，从而可以动态裁剪网络节点的 处理行为。主动网为网络用户、服务提供商和第三方产商创建和部署新型的网络服务提供了极大的 灵活性和可扩展性，通过定制特定用户或应用的协议和服务，有可能避免各分层间的功能冗余，实 现高效的网络协议处理，同时又能保证一定的安全性和鲁棒性。这是主动网技术相对于传统网络的 重要优势所在。 封装包( c a p s u l e ) 或者主动分组( a c t i v ep a c k e t ) 代替了传统的分组，其中包含的一段程序可 以由用户定制。在流经主动节点时执行封装包中的这段程序，从而可以灵活地产生用户所需要的分 组转发处理行为。 主动节点(