（计算机应用技术专业论文）基于环状结构应用层组播模型的设计与研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 近年来随着流媒体应用的快速发展，如何在大规模的因特网上高效提供媒体信息成为研究的热 点。在众多的研究中，i p 组播技术由于较高的网络资源使用效率，成为大规模的群组通信理2 息的数 据传输方案。然而，因为些固有的缺陷，匕匕女日域间路由问题、核心网的可扩展性以及对路由器的 完全依赖等等，组播技术没有被因特网大规模采用。 由于i p 组播技术在推广中陷入困境，学者们提出应用层组播技术。与组播相比，应用层组 播不需要改变底层网络设施，直接利用终端主机实现组播路由器的功能。但是基于终端主机的应用 层组播技术仍存在待改进的问题，首先应用层组播需要终端协同工作，因此设计低负载的终端管理 协议显得尤为重要：其次在应用层组播技术中，数据的转发在应用层实现，因此可能出现同一数据 在物理链路匕重复传输的现象。 针对匕述问题，本文设计了种新的应用层组播方案( 心) ，提出层次多环的叠加网结构模 型。该模型采用区间划分技术，在叠加网上建立传输拓扑转发数据；并且根据地理位置信息，将端 系统组织到不同的环状拓扑中进行管理以减轻主干网络的链路压力。仿真结果显示，该方案在控制 负载、带宽利用率、物理网络的链路压力以及路径长度方面存在优势。 关键字：应用层组播，控制负载，链路压力，路径长度 南京邮电大学硕士研究生学锭论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i l i at h er a p i dg r o w t ho f s t r e a m i n ga p p l i c a t i o n s , p r o v i d i n gs t r e a m 迦b r o a d c a s ts e r v i c eo v e rl a r g e - s c a l e i n t e m e ta l w a c t sl o t so f i n t e r e s t si nr e c e n ty e a r s i na l lt h o s er e s e a r c he f f o r t s , t r a d i t i o n a li pm u l l i c a s th a sl o n g b e e nk n o w na se f f i c i e n td a t ad e l i v e r ym e c h a n i s mi nt e r m so fn e t w o l kr e s o u w 冶u s a g ef o rg r o u p - o r i e n t e d c o m m u n i c a t i o nw i t hm a n yg r o u pp a r t i c i p a n t s h o w e v e r , i pm u l f i e a s ti sy e tt ot a k eo f f o ni n t e m e ts i n c e t h e r e h a v eb e e nm a n yb a r r i e r sa g a i n s ti t sd e p l o y m e n t , f o re x a m p l ei n t e r - d o m a i nr o u t i n gp r o b l e m , s c a l a b i l i t yo n c o r en e t w o r k s , f u l lm u t e r d e p e n d e n c ya n ds oo i l a sa l t e m a t i v et oi pm u l t i c a s t , a l m ( a p p l i c a t i o nl a y e rm u l f i e a s t ) h a sb e e ns u g g e s t e dt oc o m p l e m e n t t h o s ep r o b l e m so fpm u l t i e a s tw i t h o u tt h en e e df o rn e t w o r ki n f i a s m l e u es u p p o r t a l ms 1 1 i f 【sm u l t i e a s t f u n c t i o n a l i t i e sf r o m 嚣) l 觚t oe n d - h o s t s 。b u ta l mm e c h a n i s m sb a s e do ne n d - h o s t ss t i l ln e e dt os o l v es o m e i n e f f i c i e n c yp r o b l e m si nd e p l o y m e n ta n dp e r f o r m a n c ea s p e c t s f i r s ts i n c ea l m i si n h e r e n t l yac o o p e r a t i v e v e n t u r e , i ti si m p o r t a n tt od e s i g nap r o t o c o lw i t hl o wo v e r h e a ds u c ht h a tt h ec o s to f e n d - h o s tm a n a g e m e n ti n a na l mg r o u pj u s t i f i e st h eb e n e f i t s ，s e c o n db e c a u s ed a t ad i s s e m i n 砸 o ni sa c h i e v e db yp a c k e tr e l a yi n a p p f i e a t i o nl a y e r , t h es a m ep a c k e tm a y b et m n s f e n e ds e v e r a lt i m e so n o n e p h y s i c a ll i n e t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s , t h i sp a p e rp r o p o s e san o v e la l mm o d e lc a l l e dh m r pb a s e do n h i e r a r c h i c a lm r s - r i n ga r c h i t e c t u r e 。血蛔蛾t l a e 单联酾函嗜t 趱h n o l o g y , t h et m n s m i t t i n gt o p o l o g yi s e s t a b l i s h e da b o v et h eo v e r l a yn e t w o r k , a n da l s o ，d i f f e r e n te n d - h o s t sa l em a p p e di n t od i f f e r e n tr i n gt o p o l o g i e s t o 舔娟n 舀l i 曲t h e i rg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n , a n dt h i sr e d u c e st h el i n ks t r e s si nt h eb a c k b o n en e t w o r k 。 s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ee f f i c i e n c ym e t r i c s ，s u c ha sc o n t r o lo v e r h e a d , l i n ks t r e s s ，a n dp a t h l e n g t hi nh m r p a r ei m p r o v e d k e yw o r d s ：a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i e a s t , c o n t r o lo v e r h e a d , l i n ks t r e s s , p a t hl e n g t h i i 南京邮电大学学位论文独创性声鼹 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导魉指导下进行的研究 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 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材 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：芏垩丝誉麓：2 ：璺童丛 南京邮电大学学位论文使愚授权声臻 南京邮电大学、中国科学技术信息研究新、量家图书壤有投保留 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。除在保密期岗戆保密论文外，允许论文被查阕和借阕，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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：耋兰竺叁，导师签名：丛兰。避期：墓! 竺蔓：箜堕 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着i m e m e t 的普及，越来越多的用户使用网络下载以及多媒体在线观看等功能，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 式不能吏待大规模的网络应用。故针对c s 模式的缺陷，组播方案应运而生。 上世纪9 0 年代初d e e r i i l g 在他的论艾1 1 中提出了组播技术，即种在网络层实现组播的架 构。在该架构中，支持组播功能的路由器构成个组播转发树，组播源只发j 羞份数据拷贝，组播 路由器负责对数据进行复制和转发，最后到达每个接收终端。该架构将数据报文复制转发的任务交 给路由器来处理，而不需要由源节点来一次复制多个同样的数据报文发送，同一数据在物理链路中 只传输一次，减少了数据包在网络中的冗余传输，提高了传输效率。由于能有效地将数据包的复制 减小到最小的限度，i p 组播技术_ 直以来被认为可以最有效的实现数据群发，这也正是当初d e e f i n g 提出p 组播的原因。 然而，由于p 组播本身所带来的各种难点和缺点闭，使得p 组播虽然经过十多年的研究和发 展，依然无法得到广泛的部署和应用。主要原因在于： ( 1 ) i p 组播要求路由器为每个细播组保留状态信息。这样路由器的路由表和转发表将需要 对每个不同的组播地址保留个相应表项，但是组播地址并不像单播地址那样容易集成，因此增加 了路由器的系统开销和复杂陛； ( 2 ) i p 组播是种尽力而为( b e s te f f o r t ) 的服务。当其需要向高层提供特殊服务时，例如： 可靠传输、拥塞控制、流量控制以及安全管理等，就会比简单的单播要困难得多。虽然目前已经出 现了许多针对以上特性的解决方案，但是在大规模应用前需要进行更为完善的研究； ( 3 ) i p 组播需要针对现有网络进行较大规模改变。同时由于在运营模式上无法突破，目前只 有少数的服务提供商支持p 组播。当前组播技术的研究主要还是受学术的驱动，而客户需求驱动 较少。 基于以上考虑，国内外些学者开始研究新的组播架构，试图绕开p 组播的种种难题。近年 来，应用层组播网【4 】阿嗣【刀【8 】( a p p l i c a t i o nl a y e rm u l f i e a s t ，a l m ) 技术吸引了广泛的研究，与i p 组播 不同的是：a l m 中组播功能由端系统实现，端系统在现有物理网络连接的基础上，于应用层建立 个虚拟的叠加网络，些接收者收到数据后，通过单播连接将数据转发给其他接收者。 1 南京邮电大学铆i 士研究生学位论文第一章绪论 a l m 具有诸多优点：首先，a l m 不需要对瑗有的霹络j 戋罢设备进行改动，只需要通过端系统 之i 甸的协作，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、 可靠性保障等机制，因而可以很方便睦得以实施：最后，通过剩用其它端系统的资源( c p u 处理能 力、存储等) ，a l m 可以分担组播源的压力。a l m 并不仅仅是p 组播的简单替代品，更是具有很 好的应用前景。与此同时国内外大量针对应用层缨播协议的研究团【潮，表明应用层组播仍存在着许 多亟待解决的问题。首先与p 组播相比，应用层组播在端系统之间需要建立个叠加网，为了维护 组播叠加网，需要设计较为复杂的消息机捌，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，造成数据在同物理链路上的重复传输。因此 设计个盛制开销小，链路压力小的应用层组播方案具有现实意义。 王。2 本文主要工作 基于墨蒋洛种应焉层组播鼢汉的分析研究潋及当翁应用层组播协议存在的问题的分析，本漂题 提出了种新的应用层组播方案。应用层绸播方案凼两个协议模块构成：组播组管理协议、数据转 发协议。本课题提出的应用层组播方案稠环形叠加潮络结构；节点管理采用分布式方案。该方案 减少了控制开销并针对主要链路进行优化，提高了传输| 生能，并最终通过建立仿真模型进行了证明 分析。 研究内容： ( 1 ) 应用层组播叠加网结构的构建 叠加网是匣用层组播技术实现的基础，设计个简单易维护的叠加网对提高组播组的数据传输 性能有着极为重要的意义。目前应用层组播方案主要采用的三种类型的叠加网：树型结构、网型结 构以及层次型混合结构。 ( 2 ) 节点维护机制的设计 叠加蹲鳓建在应用r 罢2 _ k ，丽叠拥网络的节点是个人计算机。与路出器相比，作为组搂成员节 点的个人计算机由于其操作习惯缺少稳定性，随时都可能退出、加入绸播网。因此需要设计叠加网 络节点的维护极制，以维护叠加霹的完整性。匿前针澍节点的维护采用蘧种方式：集中式控制和分 布式控制。良好的维护机制在减少控制开销的同时可以快速地恢复组播业务。 ( 3 ) 应用层组搔传输拓扑的构建算法设计 叠加网构建的最终目的是在此基础匕构建传输拓扑，本课题采用区间划分技术，根据链路状态 参量，分布式地构建传输拓扑。 。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 应用层组播协议模型的仿真分析 根据提出的模型进行仿真，并针对仿真结果进行分析，从而论证提出方案的合理性和先进性。 1 3 论文结构 本文共分六章。 第一章：主要讲述论文的研究背景、主要工作以及论文的章节安排。 第二章：首先介绍数据群发的实现方式，然后介绍i p 组播技术与应用层组播技术。 第三章：介绍应用层组，在分析应用层组删的同时指出其缺陷所在。 第四章：在第三章的基础上提出种新的应用层组播模型，并详细介绍组播模型的构建、系统 设计、拓扑维护等。 第五章：针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：首先总结新模型的特点，然后提出还有待解决的问题。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章组播技术 2 1 数据群发方式 第二章组播技术 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： ( 1 ) 单播 所谓单播通信是指份数据只能有个接受方，这就意味着数据提供方每收到份请求，就需 要发送份数据，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。如图2 1 所示服务器向每个节点发送份数据，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。当一台主机服务器同时只给少 量的接收者提供服务，则客户端的服务质量能得到有效的保证。但如果有大量客户端主机向服务器 提出需求时，将导致服务器主机网络负载沉重导致出口堵塞的情况出现。与此同时对于服务器、客 户端之间的网络链路，会引发网络延迟增大、拥塞等诸多问题。 图2 1 单播j 亘信方式 ( 2 ) 广播 数据群发的另种实现方式是广播。如图2 2 所示，源主机向同一网段中的所有主机发送广播 包。广播包目的地址中的主机地址部分根据使用的不同网络层协议进行设置。 4 南京邮电大学硕士研究生学俄论文 第二章缀播技术 网络中的主枫都能识别出广播地址作为目标地址的数据包，个子网中的所有主机都接收p 地址为本子网广播地址的数据包。除非特别配置，路由器般不会转发广播信息包，否则可能造成 路由环路，并将引起广播风暴。广播通信方式_ 般出现在本地的子网内。 在广播通信方式中，源主饥只需发送份数据包，交换机负责数据的复制和转发。通过发送广 播数据包实现多点砖送的办法虽然最简单，但是i 塞将强制子网惠听有计舞朝接收该数据包，终端主 机只有决定如何处理的权力，而没有决定是否接受的权力。采用这种方式发送数据包不仅占用了不 需要此数据包的圭视处理时闻，也造成了局域网带宽的浪费，易诱发网终拥塞。跨鼷段的羔兰胡。之闻 无法相互发送广播包。 ( 3 ) 组播 组播是介于单播和广播通信之间的种数据传送方式。组播的特点是能够在网络e 提供单点到 多点( o n e - t o - m a n y ) 通信以及多点茔i 多点( m a n y - t o - m a n y ) 通信。相对于单播、广播，组播可以更 有效地利用网络带宽、降低网络流量以提高数据传输效率。 西前的组播技术主要分为两种：一种是在网络层实现的，嚣p 传统的p 组播；另种是在应用层 实现的，即应用层组播。 2 2i p 组播技术 2 ，2 1ip 组播技术概述 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章缀播技术 早在1 9 8 8 年o e e r 堍就提出了p 组播礁制。它是最早、最有效的组撵传输机制。在i p 组播 中，镯 个组摺转辅舌通过悯摺 地址( i p v 4 1 2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ； i p v 6 f f ：) 标识，h p 每 j - 组播组对应叫蟠播地缝。于是每个源发送方只需要向相应的组播地址传输一次报文，就可盼螽壤： 所有的组成员都收到这个报文，如图2 。3 所示，组播路由器负责路由、复制和转发组播报文。p 组 播避免了在链路e 传输重复报文，从而节省了网络带宽，可实现高效的组播通讯。 图2 3p 绷播 在m 组播通信中需要完成两个方面的基本工作：组播成员如何加入组播，如何将组播信息路 由到每个接收者那里去。这样就产生了两类基本的协议：组管理协议和组播路卣出议。蛩d p l l l 悃 于主机与边缘组播路由器之间。主机使用i g m p 消息通知本地的边缘组播路由器它想加入的组，即 通知相应组的组播地址。组播路由器通过i g m p 协议来维护嘲播成员歹l 表，并且定期发送“成 员询问”消息来探寻表中的各个成员是否仍然存在。 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 d f i c a s tl i s t e n e rd i s c o v e r y ：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， 希望鸯鹜入组播组；路由黼i g m p 查询本地子网中是否有属于某个组播组的主枫。 ( 1 ) 加入、组播组 当某个主机方霹入某个组播组时，它通过“成员赘格报告 消息通知它所在的p 子网的组播路 由器，同时自己的p 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 它所在的矛子阙中第一台加入该组播组的主机，将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 6 南京邮电大学硕士研究生学能论文 第二苹缀播技术 在i g m p v l 中，当圭枫离开菜个绣播组时，它将自行退出。组播路由器定时( 掘1 2 0 秒) 使 用“成员资格查询”消息向子网中的所有主机的组地址( 2 2 4 0 0 1 ) 查询，如果某组播组在 蛩子瞬中已经没有任何成员，那么当组播路由器确认该事件焉，将不在予嬲中转发该组播组的数据。 与此同时，通过路由信息交换，从特定的组播组分布树中删除相应的组播路由器。这种不通知任何 节点而璃悄离歼的方法，使得组撬潞由器知道p 子网中已经没有任何成员的事件延时了_ 段时闯， 所以在i g m pv 2 0 中，当每个主机离开某个：组播组时，需要通知子网组播路幽器，组播路由器 立蠢p 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。在i g m p v 2 中，增加了 退出通知这一功能。 旦组播路由器知道了所在域是否存在组播成员，就可以通过组播路由协议来决定是否加入至l 相应组播组中，即是否进入组播的转发树中。此时需要组播路由协议。它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间组 播路卣譬敝。其中域内组播路由协议包括d v m r p e l 2 】( 距离向量组播路鼠防议) 、m o s p f 1 3 】( 最短 路径优先组播) 、p i m 和c b l f f l 4 】( 核心树协议) 等；域间组播路由协议包括m b g p ( 组播边缘网关 协议) 等。为? 将组播数据传送爨i 所有的组成员，组播路由器之间需要建立和维护组播转发辩。 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。 ( 1 ) 洪泛法( f l o o d i n g ) 这是最简单的向前传送组播路由算法，并不构造所谓的转发树。其基本原理如下：当组播路由 器收到发往某个组播地墟的数据包后，首先判断是否首次收到该数据包，如果是曾次收到，爨i 将其 转发到所有接豳上，以确保该数据包最终胄巨| j 逆撕隋接收者；如果不是首次收到，则抛弃该数据包。 ( 2 ) 有源树 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 t p a t h t r e e ：s p t ) 。它是以组播源为根构造的 从掇墅l 所有接收者路径都最短的转发树。如果组中有多个组播源，贝l l 必须为每个组播源构造裸组 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。 ( 3 ) 共事树 共享树也称r p 树( 糊叮) ，是指为每个组播组选定个共用根( 汇合点r p 或核心) ，以r p 为 根建立的组播树。同镪播组的组援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 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章组播技术 是由根到所有组成员的最短路径合并而成的树。 构造匕述类型的转发树，需要以下协议的支持。 d v m r p 是第个在m b o n e ( 组播试验床) 上得到普遍使用的组播路由协议，它是个洪泛 剪枝协议。d v m r p 在r i p 协议的基础匕扩展了组播功能。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_ 跳，而d v m r p 根据路由器到源方向的上_ 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。 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 1 5 】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匕匕侈0 。 p i m - d m 基本上与d v m r p 相同，属于数据驱动型协议，路由算法构成组播树，但协议只是直接使 用点到点路由算法给出的路由表转发数据，因而独立于点到点协议。 p i m - s m 1 司含义是：首先拥有组成员的子网数量远远小于i n t e m e t 中网络数量，其次是组所搜盖 的网络资源不足。在这种模式中，分组接收节点通过向指定点( i 强：r e n d e z v o u sp o i n t ) 发送明确的 加入消息加入组中，数据发送节点通过r p 公布自身的存在。然后数据在以r p 为根的共享树中流动。 m o s p f 是o s p f 协议的1 咿展，它通过o s p f 路由表来获得网络拓扑。由于o s p f 应用 d i j k s t r a 算法进行路由选择，因此每个节点都要保存全网的拓扑信息，节点根据全网链路状态表计算 组中每个数据源的组播树。为了减少计算，m o s p f 可以按需执行算法，即只有当个节点收到一 个数据源关于某个组播组的第个分组时，才执行算法。这种做法的缺点是对第个分组带来较大 延时。m o s p f 的最大优点是享有o s p f 对网络拓扑的变动快速反应能力。然而这个能力是以对路 由器c p u 资源的巨大消耗为基础的。而且随着网络中组数t 的增加，这种消耗也在迅速增加。m o s p f 路由器除了进行组播路由选择外，还要进行正常的o s p f 单播路由选择。像o s p f 一样，m o s p f 也是使用层次路由，包括区内组播路由、区间组播路由、自治系统间组播路由。 c b t 共享树由个核心路由器生成，它为个组播组的所有源和成员建一棵树。这个组播组的 所有流量都经过该组播树传输。当发送者希望成为某个组播组的成员时，它就向该组的核心路由器 发送加入请求。所有中间路由器处理该请求，检查请求传入的接口，然后生成到请求节点的c b t 共享树。 c b t 的基本目标是减少网络中路由器组播状态，以提供组播的可扩展| 生。为此，c b t 被设计成 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹组播技术 稀疏模式( 与p i m - s m 相似) 。c b t 中的核c o r e 对应于组播树中的个路由器，其作用类似于 p i m - s m 中的r p 路由器。c b t 组播树的生成过程与p i m - s m 也非常相似。在双向共享树中，路由 器中所有与组播转发状态相关联的链路端口都能同时收发组播包。这样一来，一个路由器节点在确 定组播状态时，通常并不是必须计算到某个核的最短路径，因为这么做并不能保证其反向路径也 是最短的。所以生成c b t 组播树并不一定采用r p f 的技术。路由器节点的组播状态可以由路由表 计算，也可以由某种策略指定。 c b t 不同于p i m - s m 协议还有很重要的一点就是核和r p 在各自协议的不同阶段的地位和所起 的作用不同。在p i m - s m 协议中，r p 无论是在组播树的生成阶段还是组播数据包传送阶段都是中 心和关键点。而c b t 树则不同，只有在双向共享树的生成阶段所有的d r 节点才向核发送加入请求， 一旦组播树建立起来，在组播数据包的传送阶段，核就与其它组播树上的节点没有什么不同，组播 包只往就近的树上节点发送。 2 2 2 ip 组播技术存在问题 p 组播避免了在链路匕传输重复报文，从而节省了网络带宽，可实现高效的组播通讯。m 组播 技术在商业应用中还面临着些需要解决的问题，如组播服务的收费方式和方法：组播网络的监控； 组播成员的身份认证；如何保证组播的q o s ；采用何种商业模式向用户推销组播服务等。p 组播的 缺陷导致从9 0 年代初至今，p 组播直没有能够在i n t e m e t 上得到大规模的广泛应用。例如如何 针对流量进行计费，如果对于每个用户按照接收带宽进行计费，那么用户就宁可选择单播传输方式。 由于m 组播在设计阶段没有能够重视安全问题，还需要实现封闭的组播通讯，故起码在现行的网 络上，单播比组播传输要稳定得多；对于安全细播方面，还需要实现封闭的组播通讯，防止拒绝服 务攻击，这个问题至今都没有能够解决，这是因为疋组播在设计阶段没有能够重视安全问题。 根据对p 组播技术的分析，可以总结出p 组播存在以下缺陷： ( 1 ) i p 组播服务模型本身还存在些有待解决的技术问题：要求路由器保存每个组的状态，这 就破坏了最初设计i n t e m e t 时所提出的“无状态”原则； ( 2 ) i p 组播提出时并没有考虑到组成员是移动用户的隋况，缺乏移动环境中可靠的组播传输 协议。因此目前的m 组播路由协议无法在移动环境中正常工作，这也带来了巨大的复杂性，限制了 系统的可扩展性； ( 3 ) i p 组播服务模型虽然有i g m p 协议，但是i g m p 缺少组播组安全管理机制，如缺乏组创 建的管理，没有对接收者和数据传输的授权机制，发送者可以随意传输数据而不需要进行任何身份 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二苹组播技术 验证和注册工作，主机可以动态加入或离开组播组，发送者不能阳ie 其它发送者也选用同样的地址； ( 4 ) 缺少访问控制机制会带来很多问题：l t - , 女t j 恶意地泛洪攻击，当大量无用的数据传输到组播 组中会导致拥塞和报文丢失； ( 5 ) 组播的安全问题：由于很多防火墙不能识别p 组播使用的d 类i p 地址，目前的解决办 法是使用隧道技术来穿越防火墙，这样在部署组播服务的同时也造成些安全漏洞； ( 6 ) 组播服务质量问题：p 组播是基于u d p 协议，而u d p 是种“尽力而为”( b e s t - e f f o r t ) 协议。因此，p 组播应用必定会遇到数据包丢失和乱序等问题。要想在它之匕实现更高质量的服务， 例如可靠性、拥塞控制和流控制等功能，比通过单播实现要困难很多； ( 7 ) 可扩展性差。要求路由器保持每个细播组的状态信息，而这些d 类地址不能很好地聚合， 组播组的数量一旦大量增加，必然增加路由器存储和处理开销； ( 8 ) 缺乏灵活、可扩展的地址分配机制。节点不能有效地发现个立即可用的组播地址，而只 是随机地选取个来使用，这样随着组数目的增加，组播地址冲突的可能性也随之增加。而且在现 有的i p v 4 下使用d 类地址作为组播地址，还可能面临着地址空间用尽的问题； ( 9 ) 域间组播路由协议对组播技术大规模地实施有重要的作用，它使i s p 可以将他们网络互连 的同时隐藏各自网络的拓扑结构。但是，p 组播还没有成熟有效的域间组播路由协议。 2 3 应用层组播技术 面对p 组播业务在因特网中的困境，些研究者开始反思组播体系结构本身的问题，提出 将复杂的组播功能放在端系统实现的新思想。端系统实现细播业务的思想是将组播作为种叠加的 业务，实现为应用层的服务，因此，端系统组播又称为应用层组播( a p p l i c a t i o nl a y e rm u l f i c b s t ) 。 应用层组播是指组播功能是实现在终端主机的应用层而不是网络层路由器上。这主要体现在以下两 个方面： ( 1 ) 对同个数据包向多个接收者的发送是由应用层根据某种应用层的组播路由协议，利用网 络的u d p 或t c p 协议提供的单播服务分别单播给多个接收者； ( 2 ) 在应用层实现组播组的创建、组成员的加入和退出及安全认证等所有关于组播组的管理与 维护功能。 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章组播技术 图2 4 应用层组播 应用层组播的基本思想是屏蔽底层物理网络的拓扑细节，将组成员节点直接自组织成们翌辑 叠加网络用，在应用层提供组播管理协议来构建和维护该网络，并通过特定的路由协议为数据传输 提供高效、可靠的服务。如图2 4 所示，终端节点在p 网的基础e 形成个叠加网，数据的转发和 复制由终端主机完成，它将转发树构建在应用层上。在网络层层面来讲，应用层组播其实是由单播 方式实现的组播。具体来讲：组播源准备数据、查询组播路由表，获得子节点的单播i p 地址，再 分别打包、转发。数据包通过相应的单播路径传输给子节点，子节点接收数据包后查询路由表，再 分别打包、转发。这过程重复进行，直到所有节点都收到数据包。查询、打包、接收和转发工作 都在网络终端主机的应用层上完成。通过在主机上安装相应的应用层组播软件就可以实现广域网范 围内的组播服务。应用层组播可看作是传统的c s 模式和i p 组播的种折中方式，相对于c s 模式， 应用层组播分散了服务器的负载，相对于p 组播，存在数据在物理链路中重复传输的问题。 应用层组播与p 组播相比较的优点主要是： ( 1 ) 应用层组播不需要改变底层网络，不需要路由器支持组播功能，组播服务的部署相对容易； ( 2 ) 应用层组播不需要路由器支持，也不需要在路由器匕维护组播组的状态，因此具有良好的 扩展性； ( 3 ) 利用t c p 的拥塞控制、错误控制等机制使得应用层组播具有更好的可靠性。由于单播技 术在这方面比较成熟，而应用层组播是通过终端系统之间单播来实现的，所以差错控制、流控制、 拥塞控制容易实现； ( 4 ) 应用层组播可以很好地解决组播地址分配不足的问题。 l l 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第三章应用层组播协议 第三章应用层组播协议 应用层组播技术将网络层协议的复杂性和处理负载转移到了应用层，不可避免地造成数据包的 传输效率要低于基于网络层的组播。但是这一思想具有更好的伸缩性和对下层网络服务的无关| 生， 它能够在任何仅支持p 数据包的转发的网络上实现各种不同服务质量，如可靠不可靠和实时q 实 时的组播传输，而不需要扩展任何现有底层网络的通信协议。为了提高组播数据包高效率地传输以 及组播组成员的管理，研究人员设计提出多种应用层组播协议。 3 1 应用层组播相关协议 应用层组播协议不仅要提供有效的数据组播转发树，还要针对节点的动态性提供可靠的组管理 算法。b 唪i , j l 设计强调在动态网络环境下维持网络的稳定性。应用层组播路由协议设计面临的主要问 题是如何在广域环境下针对节点的动态性在节点上建立必要的状态信息，并根据这些信息构建和维 护优化的组播路由协议。目前出现了多种应用层细播协议，根据算法设计可以分为以下几类： 3 1 1 小规模的多源组播方案 代表协议是e n ds y s t e mm u l l i c a s t l l 刀和a l m i l l 8 1 。针对小规模、多数据源的j 晴况，典型匣用是视 频会议系统。e n ds y s t e mm u l f i c a s t 的方案是：首先将组播组的成员组织成个“网”( m e s h ) ，每个 成员都维护所有组成员的列表，提高了组播组的可靠性；在m e s h 上以每个数据源为根各构造一个 生成树( s r m n m gt r e e ) ，这样可针对每个数据源进行性能优化。其缺点是系统开销比较大，降低了 系统的可扩展性，适合小规模组播组的情况。a l m i 在组播成员之间维护个“最小生成树”( m s t ： m i n i i n u l t ls p a i m i n gt r e e ) ，减小了维护开销，但从每个源出发传输开销无法单独优化。生成树的维 护开销限制了组播组的规模。 3 1 2 大规模的单源组播方案 代表协议是n i c e t l 9 】和z i g z a g 刚。它们解决在只有个数据源时构造大规模组播树的问题，都 使用了“分层”( h i e r a r c h i c a l ) 和“分群”( c l u s t e r ) 的思路。大部分组成员位于分层结构的底层， 只和少量固定数目的节点存在联系，这样就降低了大部分组播成员的处理开销。它们的不同是：n i c e 把c l u s 舸管理和数据分发这两个功能放在个节点上；而在z i g z a g 中是由不同节点完成的，目的 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章应用层组播协议 是提高系统的可靠性。 3 1 3 基于多树的方案 代表协议是c o o p n d 2 1 1 。它假设网络带宽比较充足，而组播节点的稳定性不能保证。主要思路 是：在组成员之间同时维护多个鲴播树；利用m d c 算法把媒体编码成n 个媒v $ - 流，沿多个组播 树传播；组成员收到n 个媒体流中的任何m ( m n ) 个就可完成解码。算法的问题是：维护多个 组播树开销较大；在“多路同时传送”机制下，数据的同步是个难点；m d c 编码和单路编码相 比效率较低，对网络带宽的浪费较大。 3 1 4 应用层网关的方案 代表协议是s c a t t e w a 俨 和o v e r e 舻j 。主要思路是：在网络中部署一些专用服务器，在应用层 构造一个实现组播转发功能的特殊网络。这和完全基于用户主机的方案相比具有更高的稳定性；但 使用专用的服务器降低了灵活性。 3 1 5 应用层组播和i p 组播结合的方案 代表协议是y o i d r 2 4 1 和h o s tm u l f i c a s t t z , l 。主要思想是在局部、小规模、支持p 组播的网络中 使用组播，而在组播构成的“小岛”或没有p 组播支持的主机之间使用应用层方式连接。 它是种混合方案，不受网络条件的限制，而且可以充分利用p 组播的优点。 3 1 6 利用拓扑信息的方案 代表协议是t a c 印。它把鲴播节点之间的拓扑信息用于组播树构造，减少报文的转发延迟和在 同链路e 重复传递的报文数。拓扑测量时它将延迟作为最重要的指标，也考虑带宽。构造组播树 时它使新力1 ：i 入的节点和父节点能够共用尽可能长的网络路径。t a g 使用拓扑信息获得性能提高， 但它破坏了网络的分层结构；拓扑测量和网络性能测量还需要研究。 3 2 应用层组播评价标准 应用层组播算法的个特点是它的设计针对某种应用进行优化，所以对其评价时没有统一的标 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章应用层组播协议 准。常用的 烈愀包括： ( 1 ) 带宽的使用：应用层组播会比p 组播消耗更多的带宽； ( 2 ) 延迟：可以用数据传播的时间，大规模组播树时也可用树的深度来反映延迟； ( 3 ) 可扩展| 生( s c a l a b i l i t y ) ：只在大规模组播算法时才需要考虑； ( 4 ) 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 应用层组播应提供一定的鲁棒| 生，并适应不同应用的要求。提出 建议：使用“洪泛 机制；在系统中增加冗余；提供陕速错误发现和修复机制； ( 5 ) 传输负载强度( l i n ks t r e s s ) 其定义为从源节点到组播组其它节点，同一数据包在数据传 输拓扑上的每条连接路径匕的重复发送份数。对整个数据传输拓扑的连接路径可以计算它的平均传 输负载强度来衡量它的传输负载指标。该指标可以比较粗略地衡量协议的数据传输效率； ( 6 ) 组播组维护的开销：包括保存状态信息的数量；组播节点之间为维护组播组的交互信息数 量；组播节点加入、退出、失效等信息在组播组内同步的时间开销等； ( 7 ) 组播节点的“度 ( d e g r e e ) ：主机的资源有限，所以需要限制节点的“度”； ( 8 ) 伸展度( s t r e t c h ) 其定义为从数据包源节点到组播组其它某一节点的经过的路径长度除以 直接通过单播服务所需经过的路径长度的比值。 3 3 应用层组播面临问题 、 目前的组播拥塞控制和流量控制机制无法做到可扩展性、t c p 友好性以及组内公平性这三者 的统解决。应用层组播的特点在于组播数据的复制和组成员的管理是在应用层实现，路由器只需 要提供单播数据传送能力就可以，对目前的i n t e m e t 没有提出额外的要求。应用层组播中数据传输 是分段进行的，任何两个应用层组播成员之间的数据传输均采用单播传输协议，大大简化了m 组播 所面临的拥塞控制和流量控制问题。相对于p 组播，应用层组播实现简单，更有可能成为群组通信 的实瑚l 方式。 然而应用层组播的简易性是用一定的代价得到的。与组播相比应用层组播对网络资源利用率 不高，端到端的数据传输时延较大。此外由于应用层组播对数据的复制和组成员的管理在端系统中 实现，同时把端到端的数据传输拆分为多段点到点的传输，而端系统相对于路由器的可靠性要低很 多，因此，应用层组播端到端的可靠性较差。应用层细播缺乏有效的应用层组播路由协议。由于应 用层组播树的建立是由端系统完成的，而端系统并不了解网络的拓扑和组成员的分布，因此它所建 立的组播树往往与组成员实际的拓扑分布相差较大，导致建立的应用层组播树性能很差，因此需要 设计出既具有扩展性又能生成商| 生能组播树的应用层组播路由协议。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章应用层纽播协议 本文提出的应用层组播方案面向大规模的组播组，在减少组播组节点控制开销，降低链路压力， 以及减小转发树深度方面具有优势。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章基于多环结构的应用层组播模型 第四章基于多环结构应用层组播模型 应用层组播模型需解决组播组成员的管理和数据如何传输的问题，通过对目前各种组 播协议的研究，本文提出基于多环结构的应用层组播模型h m r b ( h i e r a r c h i c a lm u l t i - r i n g b a s e d ) 。 4 1 叠加网设计 目前应用层组播所采用的叠加网结构类型因为应用需求不同，具体的结构也不尽相 同，但是归结起来可以分为如下几种类型：集中型【1 8 】【2 6 1 、分层型【2 7 】、树型【2 8 1 ，本章将针对 这几种类型逐一讨论。 (