（计算机应用技术专业论文）基于环状结构的应用层组播模型.pdf

弋 - 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机应用技术 研究方向：计算机通信与网间互连技术 作者：王司宇 指导教师：许建真副教授 l i i i l l 11i i l l li i ii iii iiii y 17 5 4 8 8 6 题目：基于环状结构的应用层组播模型 英文题目：a na p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tp r o t o c o lb a s e do n r i n g - l i k es t r u c t u r e 主题词：应用层组播；虚拟环；分层；加权级别；数据转发率 k e y w o r d s ：a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ；v i r t u a lr i n g ；w e i g h t e dr a n k ； h i e r a r c h i c a l ；d a t ad e l i v e r yr a t i o 工 南。t i 。f ，7 电大学硕：卜研究生学位论文摘要 摘要 进入2 l 世纪，互联网作为信息交流最重要的方式，已经彻底改观了人们的日 常生活，网络技术的迅猛发展和互联网的普及使各种各样的网络应用极大丰富 了人们获取信息的方式和彼此交流的载体。但与此同时，这些应用也对网络承载 能力提出巨大的挑战。 在互联网中，端用户个人计算机能力不断增强，与之对应的应用需求也有变 化。互联网的新的特点，使得传统的口组播方案的设计过去没有，将来也不会 在i n t e m e t 上成功的部署起来。而作为其替代品的应用层组播技术却成为主要方 案。 应用层组播将组播功能迁移到应用层，避免了组播应用对网络基础设施的依 赖，相对于i p 组播更易于大规模的部署和实施，其灵活性和可扩展性是i p 组播所 不可比拟的。本文提出了一种新型的坏状模型p b h v ( p r i o r i t y - b a s e dh i e r a c h i c a l v r i n g ) ，并对其性能进行仿真评估。此模型采用基于加权级别的分层虚拟坏技术， 以环作为基本的拓扑结构，把节点分别组织在主环和从环上，同时分别在主、从 原始环上建立虚拟环来减小网络半径。主环的建立采用区域划分机制，而在选择 从环链接点时采用基于加权级别的动态选择法。仿真结果表明：这种机制下，在 链路伸展度、数据转发率和链路压力等方面有提高。 关键词：应用层组播；虚拟环；分层；加权级别；数据转发率 南京邮i b 大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h eb e g i n n i n go ft h e21s tc e n t u r y , i n t e r a c ta st h em o s t i m p o r t a n tm e t h o do f c o m m u n i c a t i o nf o ri n f o r m a t i o nh a sr e v o l u t i o n i z e do u rd a i l yl i f e v a r i o u sk i n do f n e t w o r ka p p l i c a t i o n ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n i q u e sa n dt h e p o p u l a r i t yo fi n t e m e th a sg r e a t l ye n r i c h e db o t ht h em e t h o dt og e ti n f o r m a t i o na n dt h e c a r r i e ro fc o m m u n i c a t i o n b u ta tt h es a m et i m e ，i th a sf l u n gd o w na g r e a tc h a l l e n g et o n e t w o r kc a p a c i t y t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep ch a sb e e ni m p r o v e d ，t h ec o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n th a sc h a n g e da sw h i l e a c c o r d i n gt oa l lt h en e wf e a t u r e so ft h ei n t e r n e t ，i p m u l t i c a s tt e c h n o l o g yh a sn e v e ri nt h ep a s ta n d ，n e v e rw i l lb ed i s p o s e ds u c c e s s f u l l yi n t h ei n t e m e t b u ta st h es u b s t i t u t e ，a p p l i c a t i o n - l a y e rm u l t i c a s th a sg r a d u a l l yb e c o m e t h em a i ns c h e m e a sa p p l i c a t i o n - l a y e rm u l t i c a s tr e l o c a t e st h em u l t i c a s tf u n c t i o nt ot h e a p p l i c a t i o n l a y e r , t h ed e p e n d e n c e o nn e t w o r ki n f r a s t r u c t u r ei s a v o i d e d c o m p a r e d w i t h i p m u l t i c a s li ti se a s i e rt ob ed e p l o y e da n di m p l e m e n t e do nal a r g es c a l e i t s f l e x i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t ya r ei n c o m p a r a b l ea sw h i l e t h et h e s i sp r e s e n t sp b h v ( p r i o r i t y - b a s e dh i e r a c h i c a lv r i n g ) p r o t o c o l ，an e w s c a l a b l ea p p l i c a t i o nm u l t i c a s tp r o t o c o lt h a te s t a b l i s ham u l t i - r i n g st o p o l o g yw h i c hs e t s a l lt h er i n g si n t ot w ol e v e l s a n di no r d e rt or e d u c et h ed e l a yb e t w e e ne a c hm e m b e ri n t h em u l t i c a s tg r o u p ，t h ev i r t u a lr i n gt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nt h i st h e s i sw h i c hi s u s e di ne v e r y r i n gb ym e a n so ft h ee s t a b l i s h i n go fs p a r el i n k s a tt h es a m et i m e ，t h e j o i n t _ n o d e sa r es e l e c t e dt h r o u g ht h ep r i n c i p l eo fd y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o db a s e d i o n ak i n do fw e i g h t e dr a n k ( p r i o r i t y ) s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wm o d e lc a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c ei np a t hs t r e t c h ，d a t ad e l i v e r yr a t i oa n dl i n ks t r e s s k e yw 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 ； v i r t u a l r i n g ；w e i g h t e dr a n k ； h i e r a r c h i c a l ；d a t ad e l i v e r yr a t i o 南京l 1 1 人学硕士研究生学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 单播1 1 1 2 广播。2 1 1 3 口组播2 1 1 4 a l m 应用层组播3 1 2 本文主要工作4 1 3 本文的结构4 第二章组播技术6 2 1i p 组播技术6 2 1 1i p 组播的历史。6 2 1 2 组播基础知识7 2 1 3i p 组播地址8 2 1 4i p 组播中路由与重要协议9 2 1 5i p 组播的不足1 0 2 2 应用层组播技术a l m 1 l 2 2 1 应用层组播的基本概念1 2 2 2 2 组播拓扑的分类及典型协议1 3 2 4a l m 的性能评价标准2 0 2 4 1 评价手段2 0 2 4 2 评价指标2l 2 5 流媒体服务及相关技术2 2 2 5 1 应用层q o $ 2 2 2 5 2 流媒体传输协议2 3 2 5 3 流媒体同步2 4 第三章p b h v 协议及模型2 5 3 1 问题的提出2 5 3 1 1 覆盖网技术2 5 3 1 2v r i n g 协议简介2 8 3 1 3 突破点2 9 3 2p b h v 的拓扑结构3 0 3 2 1 节点的加入3l 3 2 2 虚拟环的建立3 1 3 2 3 链接点的选举3 2 3 3 数据传输3 4 n i 沌：蚋；电人学硕士研究生学位论文 目录 3 4 拓扑结构的维护3 6 3 4 1 定时自检3 6 3 4 2 节点的失效与退出3 6 第四章性能仿真与分析 4 1 仿真实现。3 7 4 1 1 仿真平台3 7 4 1 2 仿真过程3 9 4 2 性能参数3 9 4 3 仿真结果及分析4 l 第五章总结与展望 5 1 论文总结4 5 5 2 未来展望4 6 致谢 参考文献4 8 已发表及已录用文章5 1 i v 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 互联网技术发展迅猛，自从a r p a n e t 与n s f n e t ( 国家自然科学基金网) 两网互连 之后，其发展速度以指数速度增长，2 0 世纪的最后一个十年中，互联网的规模几乎以每年 翻一番的速度持续增长，新世纪以来更是有增无减，上网人数也是以几何倍数增长，互联 网技术早已成为多媒体通信中竞争最为激烈的领域。 与此同时，互联网更多的被应用于商业领域以及人们的日常生活，电子邮件、文件传 输、新闻、w o r l dw i d ew e b 等为使用者提供了无限的便利，而网络电视【1 1 、p 2 p 2 1 、在线游 戏、远程教育更是极大的丰富了我们的生活空间。为其提供技术支持的，是网络性能的大 幅改进，宽带接入的大量使用早已替代了早期窄带拨号，而当今的网络的传输以及处理能 力更是上世纪不可比拟的。所以相比于最早传统的w e b 、f t p 等业务，更多更高质量的， 高数据量的应用应运而生。当今社会人们在要求网络提供更多实用性的同时，更多的要网 络能够满足用户的高质量的视听追求以及娱乐目的，而随着多媒体视频应用这类数据量 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 ) 要求严格的网络应用逐渐成为新的业 务需求，传统的数据传输技术已经无法满足要求。 因为这类应用对组通信模式存在极大的依赖，假若仍然采用单播( u n i c a s t ) 方式，需要 对每一个接收者在服务器上保存一个副本，这种“单点发送，多点接收”的传输模式会使 得网上传输大量的重复报文，产生巨大的数据冗余及网络负载。在这种情况下组播 ( m u l t i c a s t ) 应运而生，它的出现解决了网络数据冗余的问题，尤其对于音频、视频数据，可 以节省大量网络资源，解决一个主机向多个接收者发送数据的问题。 在组播技术的实现上，i p 组播已经日益被应用层组播取代，其主要原因是应用层组播 能够很好的解决i p 组播由于先天的缺陷所无法解决的技术难题，从而更好地在网络中部 署。因此当下对应用层组播的研究已经如火如荼。 1 1 1 单播 单播( u n i c a s t ) 是一种主机之间“一对一 的通讯模式，网络中的交换机和路由器对数 据只进行转发不进行复制。基于传统单播传输模式的c s 架构是最简单的流媒体发布方式。 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一苹绪论 在这种系统中如果r 1 个客户机需要相同的数据，则服务器需要逐一传送，重复n 次相同的 工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应，所以现在的网页浏览全部都是采用m 单播 协议。网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径，将i p 单播数据传送到其 指定的目的地。 如上所述，单播的优点是服务器及时响应客户机的请求，但其缺点则更为明显，这种 服务器针对每个客户机发送数据流的模式在客户数量大、每个客户机流量大的流媒体应用 中服务器不堪重负。现有的网络带宽呈现的是一种“金字塔”结构，城际省际主干带宽仅 仅相当于其所有用户带宽之和的5 ( 当然，想把主干网带宽增加的费用是可想而知的) 。 如果全部使用单播协议，将造成网络主干不堪重负。现在的p 2 p 应用就已经使主干经常阻 塞，只要有5 的客户在全速使用网络就会造成严重负载。 1 1 2 广播 广播( b r o a d c a s t ) ，作为数据传输的另一种形式，采用“一对所有”的传输模式，源主 机对同一网段中的每一台主机发送i p 数据包，而网络对其中每一台主机发出的信号都进行 无条件复制并转发，所有主机都可以接收到所有信息( 不管你是否需要) ，有线电视网就 是典型的广播型网络，由于其不用路径选择，所以其网络成本可以很低廉。 广播的最大优点是由于其不用路径选择，其网络成本可以相当低廉而且网络设备简 单，服务器流量负载也比较低。但由于广播中的接收方只能被动地接收所有包，而发送方 不会考虑各个接收方是否需要和接收的处理能力，使得广播中的主机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。另外无法针 对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务，也是广播的一种应用瓶颈。 1 1 3 lp 组播 组播技术主有两种分类：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。传统的p 组播( m u l t i c a s t ) 传输是介于单播与广播之间的，其实 这罩可以把广播看成是组播的一种特殊情况，即每个成员都是组员。但路由器对于这几种 播的处理是不同的，路由器是不转发广播包的，单播和组播包都可以通过路由器前转。组 播协议与现在广泛使用的单播协议的不同之处在于，个主机用单播协议向n 个主机发 送相同的数据时，发送主机需要分别向n 个主机发送，共发送1 1 次。一个主机用组播协 2 而求邮1 1 1 人学硕士研究生学位论文第一章绪论 议向n 个主机发送相同的数据时，只要发送1 次，其数据由网络中的路由器和交换机逐 级进行复制并发送给各个接收方，这样既节省服务器资源也节省网络主干的带宽资源。 i p 组播的优势是，节省了发送数据的主机的系统资源和带宽，并可以有选择地复制给 有要求的主机，从宏观上讲也大大降低了网络主干的负载。 但正如上所述，口组播没有在网络撒谎那个成功的部署，这个问题可以从以下若干方 面来考虑： 从商业的需求的角度讲，目前的组播无法提供有力的支持：组播数据包的复制和转 发都由路由器来完成，这首先就需要物理网络中所有路由器都必须支持m 组播功能。运营 者们从来不会希望因为任何技术原因而增加大量成本去更换设备，如果现有设备不支持i p 组播，就只能悲剧了。 从技术的角度讲，首先i p 组播提出时并没有考虑到组成员的移动问题，缺乏移动环境 中可靠的组播传输协议。因此目前的i p 组播路由协议无法在移动环境中正常工作，这是大 大限制i p 组播应用的一个原因；另外一些路由使用的是共享树组播路由协议，如p i m s m 和c b t ，他们的i s p 面临跨域组播管理的问题：如果集中点( r e n d e z v o u sp o i n t ，r v ) 和其 它组播源点不在同一个域内，难以进行流量控制和拥塞控制，而且i s p 对其它域中的r p 服务没有控制能力，所以当需要跨域的组播服务时，i s p 必须协调彼此间的跨域组播需要 花费相当大的代价；还有，组播的安全问题也无法得到保证，由于很多防火墙不能识别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 也造成一些安全漏洞。再加上i p 组播可扩展性差，缺乏灵活的地址分配等原因，造成了今 天i p 组播的尴尬位置。 1 1 4a l m 应用层组播 正是由于口组播业务在因特网中的发展困境，研究者提出将复杂的组播功能从网络层 移上移至应用层，实现在端系统的新思想，即应用层组播【3 1 4 1 5 】【6 】【7 1 ( a p p l i c a t i o nl a y e r m u l t i c a s t ) ，这是一种以底层现实网络为基础的应用层协议。和p 组播增加网络机制的方 法不同，应用层组播的基本思想是保持i n t e m e t 原有的简单、不可靠、单播的转发模型， 由端系统来实现组播转发的功能。在应用层组播中，路由器的性能不再是主要问题，因为 数据的路由、复制以及转发功能都由成员节点主机完成，这也就构成了由各个成员组成， 凌驾于i p 网之上的叠加网。叠加网中的成员主机既是应用层组播的参与者也是组织者。在 这个实现组播业务的逻辑性功能网络之下，网络层及其以下的数据传输仍然是本着“尽力 3 1 i 刺j i | ；fu 人学硕士研冗生学位论文第一苹绪论 而为”的原则，并采用传统i n t e r n e t 的单播技术。 应用层组播的主要优势【8 】【9 】有两个方面。首先，应用层组播便于实现和推广。它只需 要改变端系统，而不需要对路由器进行任何修改。其次，应用层组播便于针对特定应用进 行优化，可以针对不同的应用使用不同的实现方案，而不必同i p 组播那样必须统一到一 个模型中。 但是，应用层组播的这些优势，都是基于以下在应用层组播算法【1 0 】【l l 】【1 2 1 的设计中的一 些假设，首先在影响网络性能的两个原因中，网络带宽和转发资源充足，而服务器的能力 才是短板。因为使用应用层组播会比i p 组播消耗更多的带宽，但是最起码和单播方案相 比，它还是可以在有效的降低服务器的负载的同时减少带宽的使用：其次，要求组播的成 员( 端系统) 都可以贡献出一部分资源用于组播的转发，否则组播功能难以实现。 1 2 本文主要工作 目前对应用层组播的研究，已经集中在了协议的改进上，已有多种协议与模型被研究 人员提出，但其针对点各不相同，有的旨在提高组播的效率，有的把a l m 的安全性放在 了首位来考虑，本文则是针对现在a l m 已提出的环状拓扑，由于环自身传输时延大的缺 点，很多文章都在致力于改进环结构，作者提出了一种新的多环模型p b h v ( p r i o r i t y - b a s e d h i e r a c h i c a lv r i n g ) ，把原始单坏结构按照不同层次分化为主环以及从环，并在每一换上辅 以虚拟环的使用，大大降低网状拓扑的延迟，此外，由于环结构中的节点必须按照性能分 别给予评价而不可“一视同仁 ，所以在考虑连接点的时候，提出了一种较为合理的运算 公式来计算各节点的加权级别，此公式中综合考虑了节点性能、节点行为( 恶意退出等) 、 存活时间与数据源活性等各个影响因素，给予各节点最全面的评判，使得此协议在数据转 发上更加合理。 1 3 本文的结构 本文共分六大章：第一章绪论主要介绍了本文课题的一些研究背景知识，简述了计算 机互联网中文件传输的三种模式：单播，组播与广播，并简介了应用层组播的实现原理， 以及本文所提出协议所做的一些工作，为后续深入讨论坐下铺垫。 第二章详细讲述了i p 组播，介绍i p 组播的i p 组播的基本原理，技术特点，应用与不 足之处。并着重分析其自身的缺陷，使应用层组播的提出顺理成章。 4 ， 南鼻湖g 电人学硕士研究生学位论文第一章绪论 第三章介绍了应用层组播的原理，分析其优缺点，详细介绍应用层组播当前广泛研究 的若干协议，并分析应用层组播的相关技术和构建应用层组播模型的关键因素，也就是本 文所提模型的突破点所在，给p b h v 模型的提出提供充足的理论依据，另外，在结尾处展 望了应用层组播的发展趋势。 第四章为本文重点，在这章中提出一种新的应用层组播模型p b h v ，并详细介绍了组 播模型的构建、系统设计、相关运算公式以及拓扑维护等内容。 第五章对p b h v 模型进行试验仿真，对仿真时用到的指标，相关的定义，以及仿真的 环境都进行详细的介绍，最后的仿真的结果进行了演示并加以分析说明，凸显本模型在相 关性能上所体现的优越性。 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。 5 钉糸邮f h 人学硕士研究生学位论文第二章组播技术 第二章组播技术 随着全球互联n ( i n t e r n e t ) 的急速发展，网民数量正以几何级数快速增长，以因特网技 术为主导的数据通信在通信业务总量中的比例也同时迅速上升，因特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 m e t 网络传输和处理能力的大幅提高， 使得网上的应用业务已不再是简单的邮件与网页，人们有了更高的需求，特别是随着视音 频压缩技术的发展和成熟，视音频业务已渐渐成为i n t e r n e t 网上最重要的业务，并大有垄 断趋势。 组播协议与现在广泛使用的单播协议不同，一个主机用单播协议向n 个主机发送相同 的数据时，发送主机需要分别向n 个主机分别发送，共发送次数为n 。但主机用组播协议 向n 个主机发送相同的数据时，只要发送1 次，这是因为其数据在网络中被路由器和交换 机逐级进行复制并发送给各个接收方，这样既节省服务器资源也节省网络主干的带宽资 源。与广播协议相比，只有组播接收方向路由器发出请求后，网络路由器才复制一份数据 给接收方，而不是盲目的，不考虑接收方意愿的全部发送，从而节省接收方的带宽。 尤其在当今广为应用的p 2 p 领域中，在i n t e m e t 上实现的在线电影观看，视频会议以 及在一些以视频短片为主要业务的门户网站中观看视频，其有着海量的数据传输，但同时 又对时延非常敏感，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、广播机制的转发技 术及服务质量保证机制来实现，而i p 组播技术正是解决这些问题的关键。 2 1i p 组播技术 2 1 1 ip 组播的历史 i p 组播的概念第一次被提出，是在1 9 8 8 年斯坦福大学的s t e v ed e e r i n g 的博士论文中， 次年，d e e r i n g 又对标准的网络层协议进行了扩展，提出了p 组播的相应规范，1 9 9 2 年3 月组建了第一个组播主干网m b o n e ，并且i e t f 成功的在组播网上举行了一次会议，这也 标志着组播网络在概念上的成熟，但是，虽然组播技术出现的比较早，可发展比较缓慢， 原因就是之前已经提过的组播通信模式对路由器的复杂需求难以满足。 6 南京邮t u 火学硕+ 研究生学位论文第二章组播技术 随着英特网的长足发展，网络环境得越来越复杂，这同时也给p 组播中组播协议的发 展与实现设置了重重障碍。即便后来出现了一些设计精巧的组播路由协议如p i m d m ， p i m s m 等，也很难扭转口组播的颓势。 2 1 2 组播基础知识 在介绍i p 组播时，首先要关注其中的“组”字。组是一系列主机成员的标识，一个组 播组用一个组播i p 地址来标识，与单播i p 地址不同的是，组播i p 地址只是数据包的目的 地址，是多个目的主机的标识，因而组播口地址不能作为源地址出现在数据分组中。可以 这样定义口组播：一种多点传输技术，这种技术是一种把数据从源传送到多个加人该组的 目的主机上的数据传送方式。 作为一种多目的地传输，在研究i p 组播时，涉及到以下若干问题： 数据源把数据发送给谁，以及如何发送是作为数据发送方要考虑的。这罩用组播i p 地址作为接收数据的标识，即组播数据的目的地。为每个组分配一个相应的i p 地址，而组 的定义是按照不同的应用来区分的。数据发送方只需要根据相应协议向路由器发出加入相 应组播组的请求以加入此组播组，然后把数据的目的地址设置为此组播i p 地址在相应的网 络接口上发出即可。 那么组播组的成员主机如何接收组播数据呢，组成员为了能够正确接收到组播数据， 也要利用相应的协议向路由器申请加人组。也就是说收、发端都是已经加入组播组的成员 主机。加人组成功后，组成员主机的网络接口卡开始侦听与其加人组播组地址相关的数据 链路层地址。路由器利用相应的路由协议把数据包从组播源传递到有组播成员的网段上的 路由器，然后此路由器根据组播信息包中的组地址转换出与它相关的数据链路层地址，并 用这个地址建立数据链路层的报文。此网段内的组播成员网络接口卡和网络驱动程序侦听 这个地址，接收到达的组播数据，然后将数据递交给上层协议进行处理。再次是主机如何 加人或退出组播组以及组播数据包如何在网络上转发的问题。主机利用i g m p 1 3 】协议来通 知相应的路由器加入其感兴趣的组。具体协议内容及功能将在本文的稍后部分讨论。 组播协议分为两类，一类协议研究组成员之间的关系，即主机路由器之问的协议，另 一类是有关路由方法的协议，即研究路由器路由器之间的组播协议。组成员关系协议中最 主要的是互联网组管理协议( i g m p ) 。而按照域的范围，组播路由协议又分为域内组播路由 协议及域问组播路由协议。域内组播路由协议包括p i m s m 、p i m d m 、d v m r p 等协议， 域间组播路由协议包括m b g p 、m s d p 等协议。此外还有一些第二层协议也在组播中起着 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章组播技术 作用，如i g m ps n o o p i n g 、c g m p 等组播协议，是为了抑制组播数据在链路层扩散的。 i g m p ( 详见2 1 4 节) 建立路由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个自治域之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 1 3ip 组播地址 在口组播通信中需要涉及两类地址：组播地址和以太网组播地址。p 组播地址标识 一个组播组。而所有m 数据包都是封装在以太网的帧中，所以还需要一个组播以太网地址。 为使组播正常工作，主机应能同时接收单播和组播数据，这意味着主机需要多个口和以太 网地址。 为方便组播业务的使用，i p v 4 中的d 类地址中的( 2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ) 被划 分出来用来专门支持组播通信。需要注意的是，每一个地址代表的是整个组播组的用户而 不是单一的某个数据流接收端。这些地址被划分3 类：局部链接组播地址，预留组播地址 和管理权限组播地址类。局部链接组播地址是一种为路由协议和其他用途保留的地址，范 围是2 2 4 0 0 0 2 2 4 0 0 2 5 5 ，路由器并不转发属于此范围的i p 包，因为此地址的信息只用作 局部网内传输。预留组播地址( 2 2 4 0 1 0 - 2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ) 用于全球内网络协议；管理权 限地址( 2 3 9 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ) 是私有地址，供组织内部使用，类似于私有i p 地址， 不能用于i n t e r n e t ，可限制组播范围。 另外，要高效的实现i p 组播功能，还需要i p 层能够充分利用硬件级组播，这样可以 使数据在到达i p 层之前，硬件把那些没用的数据过滤掉。因此网络接口必须把i p 组播目 的地址转换成网络硬件识别的链路层组播地址。就以太网而言，m a c 地址中的0 1 ：0 0 ：5 e 被预留作为d 组播m a c 地址的前缀，并规定了组播i p 地址到m a c 地址的映射关系。4 8 比特的m a c 地址的第2 4 位为l 被预留，所以此位必须为0 ，因而3 2 比特的口组播地址 只能映射m a c 中的2 3 位。具体的映射方式如下：把i p 地址的低2 3 位放到m a c 地址前 缀0 1 ：0 0 ：5 e 的后面，同时将m a c 地址的第2 4 位置0 。这种映射关系所带来的问题是不同 的i p 地址可能产生相同的m a c 地址，因为d 类组播i p 地址除了前缀l1 1 0 的4 比特是所 有d 类地址公有的外，另外2 8 比特有效位只有2 3 比特映射到了m a c 地址中，这样就有 可能a 属于组播组g l ，却由于m a c 地址与组播组g 2 的组播组地址映射成的m a c 地址 相同，尽管a 并不希望收到由组g 2 发出的信息，但是a 的网络接口卡无法过滤此组的组 播帧而收到垃圾。这就需要高层协议来考察收到的是否是其需要的组播数据包，而这也会 一一 、 南京l | i | j 电大学硕士研究生学位论文第二章组播技术 加重c p u 的额外处理负担。目前已有针对此问题的相关协议，如m a s c ，m a d c a p 被提 出。 2 1 4i p 组播中路由与重要协议 ( 1 ) 组成员关系协议( i g m p ) 前面和已经提到过，组播路由器和实现组播的主机必须使用i n t e r n e t 组管理协议 ( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，i g m p ) 来进行组群成员关系信息的通信。i g m p 协议 运行于主机和与主机直接相连的组播路由器之间，主机通过此协议告诉本地路由器希望加 入并接受某个特定组播组的信息，同时路由器通过此协议周期性地查询局域网内某个已知 的组成员是否处于活动状态( 即该网段是不是仍有属于某个组播组的成员) ，实现所连网 络组成员关系的收集与维护。 i g m p 有三个版本，i g m p v l 由r f c l1 1 2 定义，目前通用的是i g m p v 2 ，由r f c 2 2 3 6 定义。i g m p v 3 目前仍然是一个草案。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 以指定接收或指定不接收某些组播源的报文。这里着重介绍i g m p v 2 协议的功能。 i g m p v 2 通过查询器选举机制，为所连网段选举唯一的查询器。查询器会周期性的发 送普遍组查询消息进行成员关系查询；主机发送报告消息来应答查询。当要加入组播组时， 主机不必等待查询消息，主动发送报告消息。当要离开组播组时，主机发送“离开组”消 息；收到“离开组”消息后，查询器发送特定组查询消息来确定是否所有组成员都已离开。 通过上述i g m p 机制，在组播路由器里建立起一张表，其中包含路由器的各个端口以 及在端口所对应的子网上都有哪些组的成员。当路由器接收到某个组g 的数据报文后，只 向那些有g 的成员的端口上转发数据报文。至于数据报文在路由器之间如何转发则由路由 协议决定，i g m p 协议并不负责。 ( 2 ) 网络二层组播相关协议 网络二层组播相关协议包括i g m ps n o o p i n g ，i g m pp r o x y 和c g m p 协议。 i g m ps n o o p i n g 的实现机理是：交换机通过侦听主机发向路由器的i g m p 成员报告消 息的方式，形成一个组成员和交换机接口的对应关系；交换机根据该对应关系将收到组播 数据包只转给含有组成员的接口。 i g m pp r o x y 与i g m ps n o o p i n g 实现功能相同但机理相异：i g m ps n o o p i n g 只是通过侦 听i g m p 的消息来获取有关信息，而i g m pp r o x y 则拦截了终端用户的i g m p 请求并进行 q 雨删也入学硕士研究生学位论文 第2 _ 2 章组播技术 相关处理后，再将它转发给上层路由器。 c g m p ( c i s c og r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 是c i s c o 基于客户柳服务器模型开发的私有 协议，在c g m p 的支持下，组播路由器能够根据接收到的i g m p 数据包通知交换机哪些主 机何时加入和脱离组播组，交换机利用由这些信息所构建的转发表来确定将组播数据包向 哪些接口转发。g m r p 是主机到以太网交换机的标准协议，它使组播用户可以在第二层交 换机上对组播成员进行注册。 ( 3 ) 组播路由协议( p i m s m ) 众多的组播路由协议中，目前应用最多的协议是p i m s m 稀疏模式协议无关组播。 在p i m s m 域中，运行p i m s m 协议的路由器周期性的发送h e l l o 消息，用以发现邻 接的p i m 路由器，并且负责在多路访问网络中进行指定路由器( d r ) 的选举。这里，d r 负 责为其直连组成员朝着组播分发树根节点的方向发送“加入剪枝”消息，或是将直连组播 源的数据发向组播分发树。p i m s m 通过建立组播分发树来进行组播数据包的转发。组播 分发树可以分为两种：以组g 的r p 为根的共享树和以组播源为根的最短路径树。p i m s m 通过显式的加入剪枝机制来完成组播分发树的建立与维护。 i p 组播中还使用到了其他若干协议，这里不一一列举了。 2 1 5ip 组播的不足 第一章中已经讨论过，无论是商业上，还是技术上，i p 组播都有自身不可避免的缺陷， 导致了i p 组播至今还没有能在以太网上得到广泛部署。本节详细罗列并分析i p 组播存在 的各种缺陷如下： ( 1 )网络运营者们最为关心的当然是利益问题，但i p 组播没有成熟稳定的商业计费 模型，这大大制约了i p 组播的商业应用，也是最为一个致命的缺陷。 ( 2 )i p 组播服务模型本身还存在一些有待解决的技术问题：要求路由器保存每个组 的状态，这破坏了最初设计i n t e m e t 时所提出的“无状态”原则。 ( 3 )协议不完善。首先，i p 组播提出时并没有考虑到组成员是移动用户的情况，缺 乏移动环境中可靠的组播传输协议；其次，i p 组播服务模型虽然有i g m p 协议，但是i g m p 缺少组播组管理机制，如缺乏对组播组的创建的管理，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，发送者不能阻止其它发送者也选用同样的地址；另外，域间组播路由协议 l o 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章组播技术 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，口组播还没有成熟有效的域间组播路由协议。 ( 4 )组播的安全问题：由于很多防火墙不能识别m 组播使用的d 类口地址， 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一些安全漏 洞。而且，口组播缺少访问控制机制。这使得恶意地泛洪攻击成为可能。 ( 5 )组播服务质量问题：i p 组播是基于u d p 协议，而u d p 是一种“尽力而为 ( b e s t - e f f o r t ) 协议。因此，i p 组播应用必定会遇到数据包丢失和“乱序 等问题。要想在 它之上实现更高质量的服务，例如可靠性、拥塞控制【1 4 】和流控制嗍等功能，比在i p 单播 ( u n i c a s t ) 上实现要困难很多。 ( 6 )可扩展性差。要求路由器保持每个组播组的状态信息，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。 ( 7 )缺乏灵活、可扩展的地址分配机制。节点不能有效地发现一个立即可用的组播 地址，而只是随机地选取一个来使用，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。 ( 8 )由于目前绝大部分口地址都使用的是i p v 4 ，而由于很大一部分i p v 4 地址被浪 费掉了，所以i p v 4 面临的困难是地址短缺，带来的问题是组播地址空间太小，由于组播地 址是很有限的，只使用i p v 4 中的d 类地址，因而完全静态的分配往往满足不了需求，需 要对地址进行动态分配和管理。 这是因为m 组播存在的这些问题，而组播在网络应用中又无法取代，所以当今的网络 环境中强烈的需求一种新的组播技术来弥补i p 组播的种种缺陷，这就使得应用层组播技术 应运而生。 2 2 应用层组播技术a l m 在互联网的体系结构中，网络实体由于实现不同的功能而被传统的区分成两大类，即 端节点与网络节点。在组播技术中，段节点一般是指网络用户，即主机，而网络节点则是 路由与交换机之类的网络设备。之所以有这种划分，原因就在于端节点与网络节点在网络 中扮演着不同的角色，承担着不同的功能职责。在互联网7 层协议中，网络层的功能无非 就是“尽力而为”的发送单播数据报，而至于其他众多功能如差错、拥塞、流量控制等， 都是由端节点来实现的。互联网之所以能够有今天这样成功的商用价值原因也在于此，正 l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章组播技术 是因为网络实体的划分，使得互联网体系结构慢慢从研究领域走向全球商业运用。然而， 随着网络的发展与普及，各式各样更加丰富网络功能与应用能够满足用户更高的应用要 求，却对网络本身提出了更加丰富的要求。而组播功能究竟应该在哪一层实现? 之前提到， i