（计算机应用技术专业论文）环状层次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 组播( m u l t i c a s t ) 是一种同时发送数据到多个接收者的有效通信方式，如i p 组播和应用 层组播( a p p l i c a t i o n l a y e rm u l t i c a s t a l m ) 。尽管i p 组播比较简单，但是由于技术和商业模 式上的难题，i p 组播并没有得到大规模部署，取而代之的是应用层组播。a l m 在端系统 之间实现组播数据的转发，各端系统之间通过单播进行连接，在应用层建立一个虚拟的 o v e r l a y 网络，部分接收者收到数据后，通过单播连接转再发给其它接收者。i p 组播与应 用层组播的最大区别在于：i p 组播要在路由器上实现数据包的复制，而a l m 在终端节点 实现数据包的复制。目前，a l m 在视频点播、网络直播、视频会议和媒体文件分发等方面 都有广泛的应用。 本文提出了一种新型的环状层次结构应用层组播模型i t v r b ( h i e r a r c h yv i r t u a l r i n g b a s e d ) ，它以一种分布式和自组织的方式组网，适合于拥有大规模组播成员的组播组。 该模型以环作为拓扑结构，同时采用了改进的虚环及基于动态优先级的层次划分方法使得 该环状拓扑结构随时间的变化性能逐步得到提高，并且采取一定的措施使得当出现数据传 输错误时可以进行拓扑结构的快速恢复。 由仿真实验结果可知该模型具有较高的数据传输率、较低的控制开销，能较好的降低 转发树的深度。应用该应用层组播模型可以较好的提高组播的性能。 关键词：应用层组播；改进的虚环；优先级；层次结构 南京邮电大学帧十研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i c a s ti sa ne f f i c i e n tn e t w o r kl a y e rc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nm u l t i p l e m e m b e r s ，s u c ha si pm u l t i c a s ta n da l m a l t h o u g hc o n c e p t u a l l ys i m p l ea n de l e g a n t ，i p m u l t i c a s th a sn o ty e tb e e nw i d e l ya d o p t e db e c a u s eo ft e c h n i c a la n dc o m m e r c i a lp r o b l e m s e s t a b l i s h i n ga l lo v e r l a yn e t w o r ko nt h ea p p l i c a t i o nl a y e r ，a l mf o r w a r d sd a t aa m o n g e n dh o s t s w h i c hc o m m u n i c a t ee a c ho t h e rb ym e a n so fu n i c a s t i pm u l t i c a s td i f f e r sf r o ma l ma sf o l l o w s ：i pm u l t i c a s tr e a l i z e sd a t ar e p l i c a t i o ni ne a c h r o u t e rb u ta l mi ne a c hh o s t a tp r e s e n t ，a l mp l a y sag r e a tr o l ei nt h ev i d e oo n d e m a n d ， n e t w o r kl i v e - c a s t ，v i d e oc o n f e r e n c e ，a n dm e d i af i l e sd i s t r i b u t i o na n ds oo n t h i st h e s i sp r e s e n t st h ea n a l y s i s ，d e s i g na n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fh v r b ( h i e r a r c h y v i r t u a lr i n g b a s e d ) m o d e l ，an e ws c a l a b l ea l mm o d e lt h a te s t a b l i s h e sv i r t u a lt i n g sa si t s t o p o l o g ya m o n gg r o u pm e m b e r si nas e l f - o r g a n i z i n ga n dd i s t r i b u t e dm a n n e r ，w h i c hc a nb eu s e d f o rl a r g e g r o u pm e m b e r s m e a n w h i l e ，a d v a n c e dv i r t u a lr i n gc o n c e p t a n dd y n a m i cl a y e r p r o g r a m m i n gm e t h o db a s e d o np r i o r i t ya r ea l s oi n v o l v e di nt h i st h e s i s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h es y s t e mp e r f o r m a n c ec o u l db ei m p r o v e da st h et i m eg o i n g - o n c et h et r a n s m i s s i o ne r r o ro c c u r si tc o u l dr e c o v e rt h et o p o l o g ys t r u c t u r eq u i c k l y t h em o d e l h a sah i g h e rd a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，a n dl o w e rc o n t r o l l i n go v e r h e a d k e y w o r d s ：a p p l i c a t i o n l a y e rm u l t i c a s t ；a d v a n c e dv i r t u a lr i n g ；p r i o r i t y ；h i e r a r c h y 南京邮电大学学位论文原创性声明 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，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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：圣篮堡 日期：卫五幺丝 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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、缩印或其它复制手段保存论 文。本文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) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：王犟华 导师签名：立兰三日期：垒z 丢也 南京邮电人学硕上研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景与目的 第一章绪论 随着i n t e m 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 中的多媒体应用逐渐增多，这些多媒体应用，例如，视 频点播( v i d e oo 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 yo f s e r v i c e ，q o s ) 要求严格。如果这些多媒体应用中的每个接收者同时建立 单独的单播连接到服务器，将会消耗服务器端的大量网络带宽，使服务器性能下降。 为了适应多媒体应用和快速下载的需要，在i n t e m e t 中要使用可扩展的数据传输技术。 组播是一种同时发送数据到多个接收者的有效通信方式，如i p 组播和应用层组播 a l m 【l 】【2 1 【3 】【4 】【5 1 。本论文中提出应用层组播模型，该模型以环作为拓扑结构，同时采用了改 进的虚环及【6 1 基于动态优先级【7 】【8 】的层次划分方法使得该环状拓扑结构随时间的变化性能 逐步得到提高。i p 组播的核心思想是通过路由器对数据进行复制【9 】，再转发给加入组播组 的每个接收者。尽管i p 组播的研究已经进行了十多年，但是由于技术和商业模式上的难题， i p 组播目前并没有在i n t e m e t 上得到广泛的应用。在技术上，首先是需要对参与组播的路 由器进行相关的处理。为了提供组播转发，需要在路由器上添加组播组管理协议，例如 i g m p 1 0 1 ，来维护组播接收者的状态信息，并且需要运行组播路由协议，例如d v m r p t l l 】、 m o s p f 1 2 】来转发数据，在路由器上的开销使得i p 组播的扩展性差：其次，i p 组播需要对 i n t e m e t 的所有不支持i p 组播的路由器进行更换，代价太大；再次，现有的i p 组播缺乏有 效的安全性、可靠性、以及拥塞控制等机制。最后还有一个比较重要的原因，在商业模式 上，运营商( i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r , i s p ) 方面，不同i s p 之间通常有服务级别协议，不同 i s p 通常按照网络间的数据包流量计费结算，从其他i s p 网络传入某个i s p 网络的单个i p 组播数据包，可以在该i s p 网络内部复制成多个，然后传到第三方i s p 网络，从而造成计 费的不对称。因此，即使有的路由器具有i p 组播功能，i s p 也没有开放路由器对i p 组播功 能的支持。 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 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( p e e r - t o 。p e e r ，p 2 p ) 1 3 】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 ) 1 4 】 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。与 i p 组播不同的是：a l m 是在端系统实现组播转发的，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，部分接收者收到数据后，再通过单播连接转发给其它接 收者。 a l m 与i p 组播的根本区别在于：a l m 在端系统实现组播数据的复制转发，且不需 要路由器提供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转发。 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。第二，a l m 不需要对路由器进行任何升 级之类的额外技术支持，也不需要改变底层网络，组播服务的部署相对较为容易。不需要 在路由器上维护组播组的状态，可以支持大量的组播组，从这一点上看a l m 可以解决i p 组播扩展性差的问题。第三，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，可以很方便得到使用。最后，由于端系统的性能越来越强，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 具有很好的应用前景。 a l m 相关技术【1 5 】【1 6 】【1 7 】【1 8 】【1 9 】【2 0 】【2 l 】引起了人们的广泛关注，如视频点播、网络直播， 数据内容分发及视频会议等都与应用层组播技术密切相关。关于a l m 的很多模型被提出 来：如v r i n g 6 1 ，n i c e 2 2 1 ，n a r a d a 2 3 1 ， c h o r d z 4 1 ，c a n 2 5 】等等。在应用层实现组播的技 术在某些应用上甚至是用户越多，更能得到及时和优质的服务。 a l m 无需修改网络配置，只在终端实现，在某些应用上甚至是用户越多，更能得到 及时和优质的服务。但是，同时也带来了一些很严重的问题：如数据包延迟，网络带宽的 过度消耗以及不能对网络拓扑的快速改变及时地做出响应等。造成对网络资源的无节制的 掠夺与浪费。于是如何提高应用层组播的效率就成了迫在眉睫需要解决的问题。因此设计 一个控制开销小，数据传输率高的应用层组播方案具有现实意义。 1 2 本文的主要工作 基于对目前各种a l m 协议的分析研究以及目前a l m 协议存在的问题，本文在环状 拓扑结构基础上，引入分层和改进的虚环来提高组播成员之间的联系，降低了组播的路由 延迟，当出现节点失效的情况下可以进行拓扑结构的快速重构，提高了数据传输率。 2 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一章绪论 根据目前组播节点的组织方式，本文在环状拓扑结构的基础上提出了一种分层的基于 优先级的a l m 模型h v r b 。h v r b 同时通过o r i g i n 环和改进的v i r t u a l 链路传递数据，并 且根据组成员的性能，为每个组成员设定优先级，根据优先级的高低决定节点浮动的层次。 对于每层中的分组，根据组内成员的优先级的高低，从分组中选举出具有最高优先级的组 成员作为本组的l e a d e r ，并使用合理的分层数，使得整个分层结构达到优化状态。 本论文的创新点有：引入了改进的虚环，采用了基于动态优先级的层次划分方法使得 该环状拓扑结构随时间的变化性能逐步得到提高，采取一定的措施使得当出现数据传输错 误时可以进行快速的恢复。 最后，通过实验环境测试系统，验证相关结论。在l i n u x 平台上，由g t i t m 拓扑产 生器生成网络拓扑构造实验环境，进行仿真并对实验结果进行分析。 1 3 论文的组织结构 论文共分六章，首先，阐述了a l m 产生的背景和发展，然后，介绍a l m 存在的问 题，在分析问题的同时提出自己的解决方案，最后，对提出的方案加以论证。具体的内容 安排如下： 第一章为绪论，简单介绍了组播技术在网络上的应用背景以及a l m 与i p 组播相比的 优势和不足，指出了研究现状，接着阐述了本文所要研究和解决的问题以及论文的创新性 工作，最后介绍了论文的组织结构。 第二章首先介绍i p 组播中单播、广播及其组播的区别，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a l m 技术。 第三章首先介绍a l m 的原理，然后介绍了a l m 协议和性能参数，最后分析构建a l m 模型的关键因素并指出其存在的问题。 第四章在第三章指出的弊端的基础上提出一种新的a l m 用户管理模型h v r b ，并详 细介绍该模型的主要思想、系统设计、拓扑维护以及传输算法等。 第五章对第四章提出的模型进行实验仿真，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，最后分析结果并得出结论。 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。 1 南京邮电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 随着宽带多媒体网络的不断发展，各种宽带网络应用层出不穷。i p t v 、视频会议、数 据和资料分发、网络音频应用、网络视频应用、多媒体远程教育等宽带应用都对现有宽带 多媒体网络的承载能力提出了挑战。传统网络已经无法满足新兴宽带网络应用在带宽和网 络服务质量方面的要求，随之而来的是网络延时、数据丢失等等问题。此时通过引入i p 组播技术，有助于解决以上问题。组播网络中，即使组播用户数量成倍增长，骨干网络中 网络带宽也无需增加。简单来说，成百上千的组播应用用户和一个组播应用用户消耗的骨 干网带宽是一样的，从而最大限度的解决目前宽带应用对带宽和网络服务质量的要求。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：增加互连带宽；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；应用q o s 机制，把带宽分 配给一部分应用：采用i p 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 数据传输方式及其比较 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： 分别是单播、广播及组播。 2 1 1 单播传输 单播( u n i c a s t ) 传输：在每一对发送者和接收者之间实现点对点网络连接。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 果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时却很难实现，将导致发送者负担沉重、延迟 大、网络拥塞，并使服务器主机网络有负载沉重甚至瘫痪的危险。与此同时对于服务器、 客户端之间的分发网络，则会引发网络延迟增大、拥塞等诸多问题，为保证一定的服务质 量必需增加硬件和带宽。 4 南京邮电大学硕t j 研究生学位论文 第二章i p 层组播 2 1 2 广播传输 广播( b r o a d c a s t ) 传输：是指在i p 子网内广播数据包，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，不论这些主机是否愿意接 收该数据包。然而广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，因为路由器会封锁广播 通信，广播传输增加非接收者的开销。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。采用这种方式发送数据包不仅占用了不需要此数据包的主机 处理时间，而且也造成了局域网带宽的浪费，易诱发网络拥塞。 2 1 3 组播传输 组播( m u l t i c a s 0 传输：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 n y t o - m a n y ) 通信。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a l m 。 2 2i p 组播技术 2 2 1i p 组播的原理 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。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。 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，以 此来达到节约网络带宽和减小服务器负载的目的。组播能使一个或多个组播源只把数据包 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。在组播网络中，无 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p 层组播 论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。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。 2 2 2i p 组播技术的特点 i p 组播技术有效地解决了单点发送多点接收、多点发送多点接收的问题，实现了i p 网络中点到多点的高效数据传送，能够有效地节约网络带宽、减轻服务器及网络的负载。 因此具有增强效率、优化性能、分布式应用等优点。 由于i p 组播是基于u d p 的，所以i p 组播也可能有信息包传送不可靠、信息包重复、 信息包不按序到达、无流量控制等缺点。 2 2 3i p 组播的服务类型 ， i p 组播最早的应用是音频视频会议，但音频视频会议只是众多i p 组播应用之一。除 此之外，还包括数据分发，实时数据组播，以及游戏和仿真应用等。但是由于带宽和工作 站、路由器处理能力的限制，最后只有音频会议得到了广泛应用。但音频会议和基于d 组播的数据共享应用相结合( 如先前提到的白板工具) ，提供了一个功能非常强大的多媒 体会议系统，而它并不消耗很多的带宽，同时这也适用于网络教学。 数据分发是i p 组播应用的另一个领域，并且非常实用。通过使用i p 组播，在可靠组 播区域内，允许将文件和数据传送到各个网络节点。 i p 组播非常适合于网络游戏和仿真应用。现在，很多网络游戏使用单播，是点对点 的连接。这对于p c 机或工作站的处理能力而言是n 2 数量级的负担，i p 组播可用于有大量 参与者的游戏与仿真。p c 机或工作站只需进入i p 组播组就可以接收游戏或仿真数据。通 过把数据分成多个信息流，分属不同的组播组，p c 机或工作站还可以对他们当前参加的游 戏或仿真所需要的收发做出限制。 2 3i p 组播路由协议 组播协议分为主机路由器之间的组成员关系协议和路由器路由器之间的组播路由协 议。组成员关系协议包括i g m p ( - f f 连网组管理协议) 。组播路由协议分为域内组播路由协议 以及域间组播路由协议。 6 南京邮电大学硕七研究生学位论文第二章i p 层组播 域内组播路由协议包括m o s p f ，c b t ，p i m - s m ，p i m d m ，d v m r p 等协议，域内 的组播协议又分为密集与稀疏模式的协议。d v m r p ，p i m d m ，m o s p f 属于密集模式。 c b t ，p i m s m 属于稀疏模式。由于m o s p f 的扩展性很差并且过于复杂，很少被实现， 并且不支持隧道，已经被抛弃。c b t 简单，但端到端的性能无法满足，不适于用在全网性 的组播应用中。故在域内，主要使用p i m s m ，p i m d m ，d v m r p 协议。 2 3 1 域内组播协议 ( 1 ) 距离向量组播路由协议( d v m r p ) 第一个支持组播功能的路由协议就是距离向量组播路由协议，它已经被广泛地应用在 组播骨干网m b o n e 上。d v m r p 为每个发送源和目的主机组构建不同的分布树，每个分 布树都以一个组播数据源作为根，以组播接受目的主机作为叶的最小扩展分布树。这个分 布树为发送源和组播组中每个接收者之间提供了一个最短路径，这个以跳数为单位的最短 路径就是d v m r p 的量度。当一个发送源要向组播组中发送消息时，一个扩展分布树就根 据这个请求而建立，并且使用广播和修剪的技术来维持这个扩展分布树。 扩展分布树构建过程中的选择性发送组播包的具体运作是：当一个路由器接收到一个 组播包，它先检查它的单播路由表来查找到组播组发送源的最短路径的接口，如果这个接 口就是这个组播包到达的接口，则路由器就将这个组播组的信息记录到它的内部路由表 ( 指明该组数据包应该发送的接口) ，并且将这个组播包向除接收到该数据包的路由器以 外的其它邻近路由器继续发送。如果这个组播包的到达接口不是该路由器到发送源的最短 路径的接口，则这个包就被丢弃。这种机制被称为“反向路径广播 ( r e v e r s e p a t h b r o a d c a s t i n g ) 机制，保证了构建的树中不会出现环，而且从发送源到所有接收者都是最短 路径。 对子网中密集分布的组播组来说d v m r p 能够很好的运作，但是对于在范围比较大的 区域上分散分布的组播组来说，周期性的广播行为会导致严重的性能问题，因此，d v m r p 不能支持大型网络中稀疏分散的组播组。 ( 2 ) 独立组播密集模式协议( p i m d m ) 独立组播协议( p i m ) 是一种标准的组播路由协议，并能够在i n t e m e t 上提供可扩展的 域问组播路由而不依赖于任何单播协议。p i m 有两种运行模式，一种是密集分布组播组模 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p 层组播 式，称为独立组播密集模式协议( p i m d m ) ：另一个是稀疏分布组播组模式，称为独立组 播稀疏模式协议( p i m s m ) 。 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，甚至不惜增加由于数据包复制引起的额外开销。 ( 3 ) 独立组播稀疏模式协议( p i m s m ) p i m s m 将组播限制在需要收发的路由器上，其围绕一个被称为集中点( r e n d e z v o u s p o i n t ，r p ) 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。 ( 4 ) 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。 2 3 2 域间组播协议 域间组播路由有两类解决方案：短期方案和长期方案。短期方案包括三个协议m b g p ， m s d p ，p i m s m 。m b g p ( 组播边缘网关协议) 用于在自治域间交换组播路由信息，m s d p 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p 层组播 ( 组播信源发现协议) 用于在i s p 之间交换组播信源信息。以及域内组播路由协议p i m s m 。 长期方案目前讨论最多的是m a s c ，m b g p ，b g m p 。它们建立在现有的组播业务模型上， 其中m a s c 实现域间组播地址的分配、m b g p 在域间传递组播路由信息、b g m p 完成域 问路由树的构造。此外还有一些组播路由策略，如p i m s s m ( 特定信源协议无关组播) 等， 建立在其它的组播业务模型上。目前仅短期方案m b g p ，m s d p ，p i m s m 是成熟的，并 在许多的运营商中广泛使用，其他方案的标准还在研究中。 i g m p 用来帮助组播路由器识别加入到组播组的成员主机，建立并且维护路由器直联 网段的组成员关系信息。域内组播路由协议根据i g m p 维护的这些组播组成员关系信息， 运用一定的组播路由算法构造组播分发树进行组播数据包转发。域间组播路由协议在各自 治域间发布具有组播能力的路由信息以及组播源信息，以使组播数据在域间进行转发。 2 4i p 组播的不足与解决方案 2 4 1i p 组播的不足 尽管i p 组播已经提出了十多年，但是由于技术和商业模式上的难题，i p 组播目前并 没有在i n t e m e t 上得到广泛的应用。其原因主要是目前的i p 组播存在着以下若干缺陷： ( 1 ) 为了提供i p 组播，需要对i n t e r n e t 的所有不支持i p 组播的路由器进行更换，代价 太大。 ( 2 ) 为了提供组播转发，需要在路由器上添加组播组管理协议，例如i g m p ，来维护 组播接收者的状态信息，并且需要运行组播路由协议，例如d v m r p ，m o s p f 来转发数据， 在路由器上的开销使得i p 组播的扩展性差。 ( 3 ) i s p 方面，不同i s p 之间通常有服务级别协议，不同i s p 通常按照网络间的数据 包流量计费结算，从其他i s p 网络传入某个i s p 网络的单个i p 组播数据包，可以在该i s p 网络内部复制成多个，然后传到第三方i s p 网络，从而造成计费的不对称。因此，即使有 的路由器具有i p 组播功能，i s p 也没有开放路由器对i p 组播功能的支持。 ( 4 ) 现有的i p 组播缺乏有效的安全性、可靠性、以及拥塞控制等机制。 可知实现i p 组播对网络层设备有较大的依赖，需要对组播路径上所有的网络层设备 进行调整和升级，为大范围部署i p 组播带来了阻碍。i p 组播要求在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控制开销，对一些热点问题( 如：域问路由) q 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p 层组播 上仍然没有好的解决方案。另外，i p 组播缺乏有效的可靠性机制和拥塞控制手段，且缺乏 有效的计费机制等，使得i s p 在网络层进行组播业务时格外小心。 2 4 2i p 组播的解决方案 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p 2 p 网络 的解决方案以及基于c d n 网络的解决方案。 在p 2 p 网络中，用户的端系统直接相互协作构建一个o v e r l a y 网络来实现多媒体内容 的分发，一个用户端系统可以连接到多个其它用户端系统，因此，p 2 p 网络中没有集中的 服务器，每个端系统既做客户端，也作服务器，与传统的c l i e n t s e r v e r 模型相比，p 2 p 网 络的端系统间通过协作，利用逐步提高的主机性能和网络带宽，通过增加主机之间的自组 织，提高应用的灵活性，降低服务器的负担，解决c l i e n t s e r v e r 模型中的单点故障问题。 在c d n 网络中，由一组地理上分散的边界服务器的端系统相互协作构建一个o v e r l a y 网络来将多媒体内容传输到各个边界服务器，并在边界服务器上实现组播数据的复制，然 后，用户端系统再直接连接到最近的边界服务器获得多媒体内容，就减小了用户对内容的 访问时延，但是，c d n 网络需要部署专门的边界服务器。c d n 网络是对c l i e n t s e r v e r 模 型的扩展，目的是分散单个服务器的处理负担，减少网络中重复信息的传播，其应用偏重 于非实时的、文件形式的传输。 无论是基于p 2 p 网络还是基于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。与i p 组播不同的是，a l m 是在端系统实现组播转发的，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，部分接收者收到数据后，再通过单播连接转发给其它接收者。a l m 与i p 组播的根 本区别在于，a l m 在端系统实现组播数据的复制转发，且不需要路由器提供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转发。 a l m 将路由器的组播功能提升至端主机的应用层实现，即组成员主机在接收报文的 同时，还将报文复制并传递给其它组成员主机，实现了应用层的数据组播( 而报文在网络 层实际是用单播机制传送的) 。它不改变网络的基础设施的结构，仅在终端主机上实现组 播转发功能，所以也被称为终端系统组播。 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章应用层组播原理及其协议 第三章应用层组播 向大规模的用户群提供高质量、可交互的服务一直都被认为是当今i n t e m e t 技术发展 的主要目标之一。传统的c l i e n t s e r v e r 架构远远不能满足大量并发用户对高质量服务的需 求。 基于此目前有两种主流的解决方法，其一就是通过i p 层的组播技术和客户端流合并 技术来提高系统的并发服务量。然而由于i p 层组播在通用性、可靠性、安全性等方面存在 的缺陷，使得这种技术在实际网络环境应用中没有得到有效的推广。 其二就是取代i p 组播而在应用层实现的组播技术，能够满足集群用户的服务要求， 人们为此建立了很多模型：v r i n g 6 1 ，n i c e 2 2 1 ，n a r a d a 【2 3 】，c h o r d 2 4 1 ，c a n 2 5 1 等等。此类 在应用层实现组播的技术在某些应用上甚至是用户越多，更能得到及时和优质的服务。 3 1 应用层组播技术 3 1 1 应用层组播的原理 a l m 是在端系统之间实现组播转发的，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，部分接收者收到数据后，再通过单播连接转发给其它接收者。a l m 与i p 组播的根本区别在于，a l m 在端系统实现组播数据的复制转发，且不需要路由器提 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转发。a l m 的功能是在 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方面： ( 1 ) 对同一个数据包向多个接收者的发送是由应用层根据应用层的某种组播路由协 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以及安全认证等所有关于组播 组的管理与维护功能。 另外，a l m 保持了互联网的单播、尽力转发模型。两种组播方式的对比如图3 1 所示。 其中：( a ) 为i p 组播数据传输的方式，数据在网络内部的路由器上进行复制；( b ) 为a l m 的数据包在网络的终端系统进行复制。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章应用层纽播原理及其协议 ( a ) i p 组播 口粼由器o 揪端 图3 1 两种组播传输方式 a l m 与i p 组播的主要区别： ( 1 ) 报文转发位置：a l m 数据转发节点是覆盖式网络中的终端主机，而i p 组播的报 文转发必须由核心路由器来处理。 ( 2 ) 网络拓扑的创建方法：a l m 的覆盖式网络是由节点间直连而成的一个虚拟图( 有 向图或无向图) ，完全隐藏了底层的物理网络拓扑。这种覆盖式网络拓扑是完全可控的， 且可以利用一些额外的知识或特定的度量对网络拓扑进行优化。而在i p 组播中，路由器 是预先部署的，因此网络拓扑难以控制和改变。 ( 3 ) 组成员关系维护：i p 组播的组成员关系信息分布于组播路由器，而a l m 的成员 关系由系统中的汇聚点集中控制或完全分散于各个节点。 3 1 2 覆盖网的主要类型 目前应用层组播所采用的覆盖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的几种类型：集中式、分层式、树型。下面对这几种结构 逐一进行讨论。 ( 1 ) 集中式拓扑结构 集中式拓扑结构是目前使用的最普遍的网络拓扑结构，c s 模式、数据库系统以及w e b 服务器等都是采用这种拓扑结构，这些系统把所有的系统功能以及信息资源都集中在中一t h , 服务器上，客户端直接向服务器发送请求、获取信息资源。在集中式的拓扑结构中，应用 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原理及其协议 层组播需要一个中心节点负责维护整个组播组节点的信息，节点的加入和离开都需要同中 。t l , 节点通信。 简单是集中式拓扑结构的一个重要优点，因为组播组中所有的节点集中管理比较方 便，但是集中式最大的缺点也是因为系统中的数据都存储在一处，中心服务器的负载过重， 成为影响组播组性能的瓶颈。当这个中心服务器出现错误时，系统中的所有节点都不能够 正常工作，可扩展性较差。 ( 2 ) 分层式拓扑结构 在分层式拓扑结构的应用系统中，节点进行分层管理，一些节点为中心节点的同时其 本身也是其它层次的普通节点。可以说分层式结构就是多个集中式结构的组合结构。在分 层结构中，节点的信息由所在层的中心节点维护，不会出现单点实效问题，但同时又带来 一个问题，即节点加入，退出的等待时间延长，组播组管理的算法复杂。 ( 3 ) 树型拓扑结构 树型拓扑结构是指在组播组中所有的节点按照某种规则组织成树状结构，树型结构可 以在树的任意节点上增加信息资源，但是这种方式同样会带来信息资源管理的复杂性，树 型结构比起集中式系统具有较好的容错能力，但是根节点仍然是系统中的单点瓶颈所在。 其安全策略也比集中式系统难以实现。如果系统中的一个高层节点出现问题，那么它的子 节点都会受到影响，同样当一个节点把消息传送给树的根节点的时候，中间节点很可能会 篡改信息的内容。树型结构的一个主要优点是该结构的可扩放性，新的节点可以插入系统 中任意树的节点上。 3 1 3 应用层组播的主要算法 用单一方法对a l m 的算法分类很困难，这里从应用特点和算法设计方法这两个角度 分类介绍。 ( 一) 小规模的多源组播方案 代表是e n ds y s t e mm u l t i c a s t 和a l m i t 2 1 ，针对小规模、多数据源的情况，典型应用是 视频会议系统。e n ds y s t e mm u l t i c a s t 的方案是：首先将组播组的成员组织成一个网，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 p a n n i n 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 l 2 1 在组播成员之间维 南京邮电人学硕七研究生学位论文第三章应用层组播原理及其协议 护一个最小生成树( m i n i m u ms p a n n i n gt r e e ，m s t ) ，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。 ( 二) 大规模的单源组播方案 代表是n i c e 2 2 1 和z i g z a g 9 1 ，它们解决在只有一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，这样就大大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 2 2 把c l u s t e r 管理和数据分发这两个功能放在一个节点上，而在z i g z a g 9 】 中是由不同节点完成的，目的是提高系统的可靠性。 ( 三) 基于多树的方案 代表是c o o p n e t 2 6 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组播树，利用m d c 算法把媒体编码成n 个媒体流， 沿多个组播树传播，组成员收到n 个媒体流中的任何m ( m 钏个就可完成解码。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，数据的同步是一个难点，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。 ( 四) 应用层网关的方案 代表是s c a t t e r c a s t t 2 7 】和o v e r c a s t t 2 8 1 。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。 ( 五) a l m 和i p 组播结合的方案 代表是y o i d 1 8 1 和h o s tm u l t i c a s t t 2 9 1 。主要思想是在局部、小规模、支持i p 组播的网络 中使用i p 组播，而在i p 组播构成的“小岛 或没有i p 组播支持的主机之间使用应用层方 式连接。它是一种混合方案，不受网络条件的限制，而且可以充分利用i p 组播的优点。 ( 六) 基于特定逻辑结构的方案 代表是b a y e u x t