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北京邮电大学硕二l = 研究生论文摘要 可靠多播研究与实现 摘要 随着视频会议，信息分发系统等多播应用的逐渐发展与流行，对于多 播协议的研究也逐步深入，越来越多的可靠多播协议被提出。由于不同的 多播应用对多播的可靠性的差异需求，本课题作为欧盟技术发展第六框架 ( f p 6 ) 信息技术研究计划资助的欧盟中国网格互联( e c c i n ) 技术研究项目 下子课题，着力于多播拥塞控制模型和可靠性模型的研究，开发了r e l i a b l e m u l t i c a s t 中间件，并集成进入g i n t o n i c 中间件( e c g i n 的主要成果1 。 制约多播协议的完善与规范化的一个重要问题就是多播拥塞控制。如 果没有相应的拥塞控制机制，就很有可能在实现过程中导致严重的网络拥 塞，降低多播的效率。 随着网络规模的增大，以及复杂的异构网络环境，对于多播的可靠性 保证提出了新的挑战。目前主要有三种机制提供可靠性，全分布式、半分 布式和集中式。同时越来越多的交互式应用，需要对同一个多播组内存在 多个发送者时保证可靠性，这也就对可靠问题提出了新的需求与挑战。 本文首先就多播拥塞控制的关键问题展开讨论，如反馈爆炸问题、拥 塞指示过滤问题等。然后详细阐述现有的多播拥塞控制机制、现有的可靠 多播协议。之后介绍g i n t o n i c 的整体框架与各个功能模块，说明其中 r e l i a b l em u l t i c a s t 的各个参数的含义。接下来作为本文的核心部分，提出一 种更为有效的可靠多播机制g i n m ，包括多播拥塞控制机制g i n m c c 和对多 发送者可靠性模型。通过n s 2 下的仿真比较，g i n m c c 能够得到比传统方 案更高的吞吐和更好的t c p 公平性。 但由于目前网格环境以及多播都未实现大规模的应用，本文的结果也 只是在仿真环境下分析得到，在实现方面还有较多的工作需要持续。 关键词：网格，可靠多播，拥塞控制，多发送者 北京邮电大学硕_ 上研究生论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f r e l i a b l em u i t i c a s t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fg r o u pc o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o nl i k et e l e c o n f e r e n c e a n di n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o ns e r v i c e ，t h e r ei sag r o w i n gp o p u l a r i t yo nt h e r e s e a r c ho fm u l t i c a s t ，a n dan u m b e ro fr e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o l sh a v eb e e n p r o p o s e d a st h er e l i a b l er e q u i r e m e n to fv a r i o u sm u l t i c a s ta p p l i c a t i o n s ，t h i s t o p i c ，as u b - i s s u eu n d e rt h ee u r o c h i n ag r i di n t e r n e t w o r k ( e c - g i ，f o c u s e s o nm u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r o lm o d e la n dr e l i a b l em o d e la n dd e v e l o p i n gt h e r e l i a b l em u l t i c a s tm i d d l e w a r ei no r d e rt oi n t e g r a t et og i n t o n i cm i d d l e w a r e ( t h em a i na c h i e v e m e n to fp r o j e c te c - g i h o w e v e r ，ac r i t i c a lp r o b l e mt h a ta l lm u l t i c a s tp r o t o c o l sh a v et od e a lw i t hi s a ne f f i c i e n tc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m w i t h o u ta d e q u a t ec o n g e s t i o nc o n t r o l a l g o r i t h m ，t h ea p p l i c a t i o no ft h em u l t i c a s tp r o t o c o l sm a yl e a dt ot e r r i b l en e t w o r k c o n g e s t i o na n dal o wm u l t i c a s tt h r o u g h p u t a st h ei n c r e a s i n gs c o p eo fn e t w o r ka n dc o m p l e xn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，t h e r e l i a b i l i t yo fm u l t i c a s tf a c e sm u c hm o r ec h a l l e n g e s t h e r ea r et h r e es c h e m e s w h i c hc a n s u p p o r tr e l i a b i l i t y ：c o m p l e t e l yd i s t r i b u t e d ，h a l f d i s t r i b u t e da n d c e n t r a l i z e d m e a n t i m e ，t h ei n t e r a c t i n ga p p l i c a t i o n s n e e dt h e r e l i a b i l i t y f o r m u l t i - s e n d e ri nam u l t i c a s ta p p l i c a t i o n t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ek e yt e c h n o l o g yq u e s t i o n si nm u l t i c a s tc o n g e s t i o n c o n t r o l f i r s t l y ，s u c h a s f e e d b a c k ，f i l t e r i n g o f c o n g e s t i o n f e e d b a c k t h e n s u m m a r i z ec u r r e n tm u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m e sa n dr e l i a b l em u l t i c a s t p r o t o c o l s t h ef o l l o w i n g sa r et h eb i gp i c t u r eo fg i n t o n i ca n de a c hf u n c t i o n a l m o d u l e a l s ow ew o u l dd e s c r i b et h e m e a n i n go f e a c hr e l i a b l em u l t i c a s t p a r a m e t e r a st h ec o r ep a r to ft h i st h e s i s ，am o r ee f f i c i e n tm u l t i c a s ts c h e m e i n c l u d i n g am u l t i c a s t c o n g e s t i o nm e c h a n i s m ( g i n m c c ) a n ds u p p o r t i n g r e l i a b i l i t yf o rm u l t i p l es e n d e r si sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e r i v e df r o m n s 一2s h o wt h a tg i n m c co u t p e r f o r m st h et r a d i t i o n a lm e c h a n i s ma n do b t a i na b e t t e rt c p f r i e n d l y h o w e v e r ，a st h em u l t i c a s ta n dg r i da p p l i c a t i o n sa r el i m i t e di nal o c a ls c o p e ， t h er e s u l t so ft h i sp a p e ra r ed e r i v e df r o ms i m u l a t i o n s t h e r ei sal o tw o r k b e i n g d o n et oi m p l e m e n tm u l t i c a s ti nr e a ln e t w o r ki nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：g r i dc o m p u t i n g ，r e l i a b l em u l t i c a s t ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ， m u l t i s e n d e r 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：主地 本人承担一切相关责任。 日期： 型孥叁! 兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 本授权书。 日期： 日期： 珈哆l 、，3 北京邮龟大学硕士研究生论文第一章 1 1项目背景 第一章引言弟一早 jl 苗 欧盟一中国网格互联( e c - g i n ) 技术研究项目是欧盟技术发展第六框架( f p 6 ) 信息技 术研究计划资助的首批研究项目之一，旨在联合欧洲和中国科研机构，在网格计算基 础构架优化方面共同开展研究活动，以提升当前互联网对网格应用和网格服务的支持 能力。 e c - g i n 项目重点是对网格中的通信关键技术进行研究。网格技术是利用互联网把 地理上广泛分布的各种资源( 包括计算机、存储器、带宽资源、软件资源、数据资源、 信息资源、知识资源等) 连成一个逻辑整体，就像一台超级计算机一样，为用户提供一 体化信息和应用服务( 包括计算、存储、访问等) ，最终实现虚拟环境下通过虚拟组织 的形式进行资源共享和协同工作，彻底消除资源 孤岛 ，实现信息共享。 然而，当前基于t c p i p 协议栈的i n t e r n e t 体系基础架构是面向普遍应用设计的， 并没有考虑到网格应用的特点。这种以不变应万变的工作模式在很多应用中虽可胜 任，但远不是最优的通信方案，也就很难具有针对网格通信定制解决方案的有效性。 为了解决这个问题，e c - g i n 项目将针对网格明显区别于一般网格应用的一些特点，精 心设计出相应的网络通信技术，以专门支持网格应用。 1 2 网格计算 1 2 1 网格的概念 网格是继因特网和万维网之后网络发展的又一次技术浪潮【1 1 。网格是利用高速国际 互联网或专用网络把地球上广泛分布的计算资源、存储资源、通信资源、网络资源、 软件资源、数据资源、信息资源、知识资源等连成一个逻辑整体，最终实现用户在格 网这个虚拟组织环境上进行资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。 网格就是一个集成的计算与资源环境，它能够充分吸纳各种计算资源，并将它们 转化成一种便捷的、随处可得的、可靠的、标准的同时还是经济的计算能力。网格的 概念类似于电力网，网格要实现的目标是用户在任何地方接入网络之后，就能获得上 述的计算能力，就好像将插头插入电网获得电力一样。除了各种类型的计算机以外， 网格所包含的计算资源还有网络通信能力、数据资料、仪器设备、甚至是人等各种相 北京邮电大学硕卜研究生论文第一章 关的资源。简单的说，网格就是把分散在不同地理位置的电脑整合成一台“虚拟的超 级计算机 ，它有两个显著优势，一个是数据处理能力超强，另一个是能充分利用网 上的闲置处理能力。 1 2 2 网格环境的特点 1 2 2 - 1 分布广泛，规模大 分布性是网格最重要的特征之一。网格资源组成的包括分布在不同地理位置、不 同计算能力的计算机、各类数据库、共享运算和存储，即各种计算资源、仪器资源、 信息资源、数据资源、知识资源以及人的智能资源等。因此，这种具有分布特征的网 格跨越的地理范围非常广泛，规模巨大，涉及的资源类型复杂多样。 由于网格资源分布复杂、规模巨大，导致集中计算在网格环境中是无法实现的， 而必须采用分布式计算的形式。网格计算实际就是下一代的分布式计算体系。在分布 式的网格应用中，由于数据海量、结构复杂，计算资源分散在不同地理位置等，需要 利用网格技术，并合理解决安全传输与通信，资源分配，任务调度，实时保障以及人 一机、人一人间的交互等问题，比如大气监测就是一个典型的分布广泛，数据量大， 结构复杂的例子。 1 2 2 2 资源充分共享与汇集 网格上的各种资源虽然是分布的，但用户可以通过网格技术可以对网格上的任何 资源进行有效利用。网格的资源汇集及充分共享特征最大限度地适应专有技术走向开 放的发展趋势和用户需求，使得任何使用者利用网络资源进行复杂计算成为可能。除 了通常的设备资源共享之外，服务资源共享更是网格不同于以往共享技术的本质特 征。虽然以往就有一些成熟技术实现了部分i t 资源的共享，但网格共享的意义在于不 同地域、不同地点、不同平台、不同专有系统之间的“无缝集成和协同计算环境 ， 即基于“进一步互联互通 的充分共享。 资源的共享与汇集是网格的重要特征和最终目的。其共享的含义也非常宽泛，不 仅指异地计算机、机群可以完成本地任务，还包括中间结果、数据库、专业模型库以 及人才资源、智能资源等诸多内容的共享。因此，分布资源共享是网格的核心，否 则，网格将失去意义。 分布是网格硬件的物理特征，共享是在网格软件支持下实现的逻辑特征，就网格 而言，二者都很重要。 1 2 2 3 功能与结构的动态增减 网格资源与功能在一个阶段可能是确定的，但随着时间的变化，原有的参与到共 享之中的资源与功能可能会动态增加或动态减少。这是由于网格资源与功能并非无 2 北京邮电大学硕士研究生论文第一章 限，当原有资源被占用时，功能必然要相对减弱。如果在某种大型计算资源暂被占 用，而同一时刻出现迫切的相关需求时，用户急需的计算功能将会受到某种程度影 响。当然这种影响可能是有时间性的，而网格可以迅速调剂、补充，予以解决。当 然，人才、智力资源的调剂补充情况要复杂的多。 网格资源动态变化的特征从客观上对管理人员提出了要求，网格管理者必须保证 网格资源在动态减少或出现障碍时及时采取措施，实现任务自动迁移，确保对高端用 户的透明服务或保证将用户损失降到最低点。 不同地理位置的资源决定了网格环境中必然会存在不同体系结构的计算机系统以 及不同类别的资源，而空间地理网格中的这种矛盾更加突出。因此，网格系统要解决 这些不同结构、不同类别资源的通信和互操作问题。无论是网格或是空间地理网格， 都需要依靠软件解决上述矛盾和问题，这为网格软件的设计和开发提供了发展空间。 1 2 2 4 同构类似，管理多重 同构类似这种情况在社会现象中大量存在，许多复杂系统都具有这类特征。三五 台p c 组成的小局域网与大型计算机网络尽管规模相差很大，但基本架构有相似之处： 一座大城市和一个县级市存在大小差异，但最基本构成和基础功能同构类似。网格的 整体和局部之间存着一定的相似性，局部往往具有全局的某些特征，全局特征也会在 局部有所体现。 国家级的网格是依托多个行业或各区域的网格基础建造起来的，它与区域性的网 格之间的区别在于带宽有差异、计算能力有差异、管理结点的功能有差异等。但无论 是一个单位小规模的实验网格，还是省级网格、行业网格，乃至国家级网格都具有同 构类似的特征。这为我们建造空间地理网格提供了启示，我国空间地理网格也可以由 小到大、由局部到整体分层次、分阶段实现。 管理多重主要体现在下述几个方面：一是网格上的资源归属于拥有者( 包括组织或 个人) ，它具有最高管理权限，而网格具有为资源拥有者自主管理资源提供支持的能力 和责任；二是网格资源必须接受网格的统一管理，实现资源集成和互操作，否则，各 类资源无法连通、无法共享、无法整体为更多的用户提供服务；三是管理方法、手 段、约束机制的协同，它们是有机的整体；四是对网格用户群，包括计算科学家和工 程师、实验科学家，社会和经济团体，大范围环境保护，培训和教育等协同服务和需 求满足。 当然，网格技术目前还远没有成熟，除了上述的一些特征之外，随着网格技术的 发展和进步，网格还有其它特征会凸现出来，有待认识和研究。 1 3可靠多播 3 北京邮电大学硕士研究生论文 第一章 1 3 1 多播 随着i n t e r n e t 的迅速普及和爆炸性发展，在i n t e r n e t 上产生了许多新的应用，其 中不少是高带宽的多媒体应用，譬如网络视频会议、网络音频视频广播、a o d v o d 、 c s c w 协同计算。同传统的数据业务相比较，这些新兴的业务有着数据量大，时延敏感 性强，持续时间长等特点。而i n t e r n e t 最初是为数据传输而设计的，是典型的点对点 通信模式，为保证数据可靠传输而设计的，所用的传输协议多为点到点的协议。同时 由于网络带宽的有限性等问题，新业务的这些特点必然带来了带宽的急剧消耗和网络 拥挤问题。例如：要将信息发送给网络中的多个而非所有主机，采用传统的通信技术 只有两种方法可以选择采用广播方式或者由源主机分别向网络中的多个目标主机单播 发送i p 包。广播方式会将信息发送给不需要的主机而浪费带宽，而且可能的路由回环 会引起广播风暴。单播方式由于包的重复发送会浪费掉大量带宽，同时也增加了服务 器的负载。垮1 。可见，传统的通信技术不能有效地解决单点发送多点接收的问题。 为了缓解网络瓶颈，人们提出各种方案：增加互连带宽，改变网络流量结构，应 用q o s 机制以及i p 多播( i pm u l t i c a s t ) 技术。其中采用不同于传统的单播和广播的 i p 多播技术是解决这些问题的关键技术。 多播是一种点到多点( 或多点到多点) 的通信方式，即多个接收者同时接收一个源发 送的相同信息。而通常意义的多播指在o s i 模型的网络层实现的网络层多播( i p 多播) 。 多播能使一个或多个多播源只把数据包发送给特定的多播组，而只有加入该多播 组的主机才能接收到数据包，从而有效地节省了带宽并解决了网络拥挤问题。目前， i p 多播技术被广泛应用在网络音频视频广播、a o d v o d 、网络视频会议、多媒体远程 教育、“p u s h 技术( 如股票行情等) 和虚拟现实游戏等方面。 i p 多播应用大致可以分为三类：点对多点应用，多点对点应用和多点对多点应用。 1 点对多点应用 点对多点应用是指一个发送者，多个接收者的应用形式，这是最常见的多播应用 形式。典型的应用包括：媒体广播、媒体推送、信息缓存、事件通知和状态监视。 媒体广播：如演讲、演示、会议等按同程进行的事件。其传统媒体分发手段通常 采用电视和广播。这一类应用通常需要一个或多个恒定速率的数据流，当采用多个数 据流( 如语音和视频) 时，往往它们之间需要同步，并且相互之间有不同的优先级。它 们往往要求较高的带宽、较小的延时抖动，但是对绝对延时的要求不是很高。 媒体推送：如新闻标题、天气变化、运动比分等一些非商业关键性的动态变化的 信息。它们要求的带宽较低、对延时也没有什么要求。 信息缓存：如网站信息、执行代码和其他基于文件的分布式复制或缓存更新。它 们对带宽的要求一般，对延时的要求也一般。 事件通知：如网络时间、多播会话日程、随机数字、密钥、配置更新、有效范围 4 北京邮电大学硕士研究生论文 第一章 的网络警报或其他有用信息。它们对带宽的需求有所不同，但是一般都比较低，对延 时的要求也一般。 状态监视：如股票价格、传感设备、 带宽要求根据采样周期和精度有所不同， 常对带宽和延时的要求一般。 2 多点对点的应用 安全系统、生产信息或其他实时信息。这类 可能会有恒定速率带宽或突发带宽要求，通 多点对点应用是指多个发送者，一个接收者的应用形式。通常是双向请求响应应 用，任何一端( 多点或点) 都有可能发起请求。典型应用包括：资源查找、数据收集、 网络竞拍、信息询问和j u k eb o x 资源查找：如服务定位，它要求的带宽较低，对时延的要求一般。 数据收集：它是点对多点应用中状态监视应用的反向过程。它可能由多个传感设 备把数据发回给一个数据收集主机。带宽要求根据采样周期和精度有所不同，可能会 有恒定速率带宽或突发带宽要求，通常这类应用对带宽和延时的要求一般。 网络竞拍：拍卖者拍卖产品，而多个竞拍者把标价发回给拍卖者。 信息询问：询问者发送一个询问，所有被询问者返回应答。通常这对带宽的要求 较低，对延时不太敏感。 j u k eb o x ：如支持准点播( n e a r - o n d e m a n d ) 的音视频倒放。通常接收者采用“带外 的”协议机制( 如哪、r t s p 、s m t p ，也可以采用多播方式) 发送倒放请求给一个 调度队列。它对带宽的要求较高，对延时的要求一般。 3 多点对多点的应用 多点对多点应用是指多个发送者和多个接收者的应用形式。通常，每个接收者可 以接收多个发送者发送的数据，同时，每个发送者可以把数据发送给多个接收者。典 型应用包括：多点会议、资源同步、并行处理、协同处理、远程学习、讨论组、分布 式交互模拟( d i s ) 、多人游戏和j a ms e s s i o n 等。 多点会议：通常音视频和文本应用构成多点会议应用。在多点会议中，不同的数 据流拥有不同的优先级。传统的多点会议采用专门的多点控制单元来协调和分配它 们，采用多播可以直接由任何一个发送者向所有接收者发送，多点控制单元用来控制 当前发言权。这类应用对带宽和延时要求都比较高。 资源同步：如日程、目录、信息等分布数据库的同步。它们对带宽和延时的要求 一般。 并行处理：如分布式并行处理。它对带宽和延时的要求都比较高。 协同处理：如共享文档的编辑。它对带宽和延时的要求一般。 远程学习：这实际上是媒体广播应用加上对上行数据流( 允许学生向老师提问) 的 支持。它对带宽和延时的要求一般。 讨论组：类似于基于文本的多点会议，还可以提供一些模拟的表达。 5 北京邮电人学硕：仁研究生论文第一章 分布式交互模拟( d i s ) ：它对带宽和时延的要求较高。 多人游戏：多人游戏是一种带讨论组能力的简单分布式交互模拟。它对带宽和时延 的要求都比较高。 j a ms e s s i o n ：这是一种音频编码共享应用。它对带宽和时延的要求都比较高。 由于多播技术自身的特点，多播的应用前景相当广阔，教育，商业，军事，媒 体毫不夸张的说，社会的方方面面都能找到多播的用武之地，目f i f i p 多播的应用 范围还不够大，但它将从根本上改变网络的体系结构。 历经2 0 多年的研究和发展，i p 多播已经形成了较为完整的多播协议体系，包括多 播主机和网络的交互协议、多播路由协议、多播的地址管理协议等。然而，从因特网 中i p 多播的应用现状看，i p 多播并没有取得预期的成功。一方面，因特网中的网络极 少开放i p 多播业务，至今还没有全因特网范围的多播业务；另一方面，基于i p 多播的上 层应用也屈指可数。 造成上述结果的原因归结起来如下。首先，i p 多播体系结构缺乏可扩展性。路由器 需要为每个活动的组维护路由状态信息，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。其次，开放的l p 多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。任何节点都可以创建组，可以向组发送数据，节点可以加入任何感兴趣 的组接收数据。在这种模型下，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。再次，i p 多播还没有清晰的商业费用模型，网络运营商之间有不同的利 益取向。目前骨干网运营商以带宽使用获得收益，对承载的是l p 单播业务还是l p 多播业 务没有必要区分，也就没有动力在路由器中增加对i p 多播的支持。纵使i p 多播面临着许 多问题，但其仍作为改善网络状况，提升吞吐的有效手段，随着视频应用的广泛普及， 交互式的应用涌现，i p 多播以及基于此技术的发展仍是可观的。 1 3 2 多播的可靠性 由于传统的多播是基于u d p 协议传输，缺少对于可靠性的支持。而日益涌现的应用 迫切需要能够提供可靠的点对多点，多点对多点的传输的支持，女i c d n 网络里面的内容 同步过程，将引入极为频繁地可靠多播传输需求。基于此，提供可靠的多播传输是迫切 需要解决的问题。 为了提供可靠的多播传输，主要有两种实现机制。 其一是反思i p 多播体系结构本身的问题，提出将复杂的多播功能放在端系统实现 的新思想。端系统实现多播业务的思想是将多播作为一种叠加的业务，实现为应用层 的服务，也就是应用层多播。应用层多播可以避开网络层实现多播功能的许多难题： 一是应用层多播的状态在主机系统中维护，不需要路由器保持组的状态，解决了业务 的扩展性问题。二是多播应用可以随时部署，不需要网络设备的升级和功能扩展。三 是可以简化多播的控制、可靠等功能的实现，可以直接使用t c p 、u d p 服务，如可以 6 北京目电大学碗研兜生论立 * 一口 利用t c p 的拥塞控制简化多播的拥塞控制。 其二是在现有的i p 多插基础上，基于u d p 提供可靠传输。应用层多播虽然需要特殊 的网络支持，但是实际以单播方式进行传输会引入额外的传输时延。同时由于成员负责 传输转发，势必无法满足稳定性的要求，即结点的自由进入组，退出组会极大地降低性 能。同时考虑到现有的传输协议无法满足e l 益增长的传输需求，本文将基于现有口多播， 设计更为合适的多播拥塞控制，更为合理机制满足可靠性需求。 14相关工作 可靠多播的研究主要包括可靠性模型和多插拥塞控制模型两个方面，而这两方面是 相互影响、相互制约的。 14 1 可靠传输 可靠性模型方面，一些协议实现是需要特定的路由器支持的，如p g m ，一些是分布 式的可靠性模型，即每个节点是对等的，都可以辅助其他节点的可靠性保证，如n o r m ， 一些是采用半分布式的可靠模型，印需要一些辅助节点帮助发送者保证可靠性，如 r f f i p “1 ，一些是采用数据分层模型，通过编码等技术保证可靠性，如a l c 。1 。 1 4 1 1r e l i a b l e m u l t i c a s t t r a n s p o r t p r o t o c o l ( r m t p ) 圉一 j 北京邮电大学硕：l ：研究生论文第一章 图1 - 1r m t pd e si g n a t e dr e c e i v e r s 1 r m t p 是不需要路由器协助的基于树形结构的单速率实现，通过引入d e s i g n a t e d r e c e i v e r s ( d r ) ，构成了以发送者为根，d r 为子结点的修复树。其中d r 负责收集本地节 点的信息，提供本地修复功能，回复报告给上层节点。接收者与d r 通过单播传播信息。 1 4 1 2 异步分层编码a l cp r o t o c o l a l c 是一个很容易扩展和升级的可靠内容分发协议。它结合了分层编码传输( l c t ) 以及前向纠错( f e c ) 来提供流量控制，支持从单一发送者到多个接收者的多速率非同 步数据发送。在a l c 中接收者不向发送者发送反馈。每个接收者异步的初始化一次传输 过程，而每个接收者根据自己的接收能力来调节接收速率，并根据最大发送速率来决 定加入哪个多播组。 多播组成员的异构性不仅是理论的，而且是相当实际的问题。不同的接收者具有不 同的带宽。如果发送者以同一速率发送，低带宽的接收者可能遭受拥塞，而高带宽的接 收者仍然没有充分利用。 数据分层技术中源数据被编码成若干层，这些层之间可以是相关的也可以是非相关 的，相关型层可以组合起来提供逐步渐进的接收质量。非相关层方案中，各个层提供不 同的速率，这些层不能累加，每个接收者只能根据自己的带宽限制接收一个合适的层。 分层方案提高了总体的传输效率，并且能一定程度上避免低带宽的接收者产生拥 塞。分层多播特别适合音频视频分组的传输，接收者可以接收不同数量的曾获得尽可能 好的o o s 。对于文件传输而言，由于所有接收者必须最终接收完全相同的拷贝，不同速 率会导致低带宽接收者的延时，因此传输对于所有接收者不是同步的陴1 。 r e c e i v e r s 图1 - 2 分层编码典型拓扑 8 北京邮电大学硕士研究生论文第一章 匕= = _ _ - _ _ s o u r c e 1l a y e r = 1m u l t i c a s tg r o u p r e c e i v e r s j o i ni n t e r v a ll e a v ei n t e r v a l 一盥到 鳓囊闰趟阍簟豳喇 j o i n l e a v e 图卜3 多播多速率拥塞控制 如图1 2 ，1 3 所示，每个接收者通过路由器以不同的速率来接收发自同一发送者的 内容相同的文件。多播多速率传输的典型实现方法是分层多播，即发送者在多个层上 发送数据，每一层对应不同的传输速率，使用独立的多播组发送，接收者可同时在多 个层上接收数据。这样可使不同接收能力的接收者独立地以不同的速率接收相同内容 的数据。接收者可以根据所在网络的拥塞状况选择从哪些层上接收数据，如果接收者 在一段时间内没有经历拥塞，它将继续加入高一层的多播组；如果检测到了拥塞或是 发现有了拥塞的趋势，接收者就从它当前正在接收数据的最高层中退出，在较低的层 次上接收数据。要想把多速率多播真正应用到i n t e r n e t 中，依然有很多问题有待研究， 例如对现有流的公平性问题，可扩展性问题，对拥塞的快速响应和有效利用带宽等。 1 4 1 3p g m p r o t o c o l p g m l 2 】是一种需要路由器协助的单速率的可靠多播实现方式。p g m 旨在提供简单 的通过路由器来增强可扩展的一种方式。如下图所示，p g m 定义了很少的数据类型， 如原始数据( o d a t a ) ，选择性的丢失确认( n a k ) ，n a k 的确认( n c f ) ，重传数据( r d a t a ) ， 源路径信息( s p m ) 。 9 北京m e 咆 学碾b 研究生论文 第一章 均。 胁l 幛 轴h 憎 图卜4p 删的n c f n a k 图【9 i p g m 源端发送o d a t a ，r d a t a 数据，并对路由器回复的n a k 进行确认。接收端与路由器 变互n a k ，n c f 确保数据的可靠传输。需要说明的是上述路由器必须是p g m 协议使能的路 由罂，所以才能接收和发送n a k , n c f 。通过路由器的支持，使得p g m 非常适合实时性的 应用，并且能够很好地扩展，从而能够支持大规模大范围的应用。 14 1 4 n o r m 协议 n o r m ( n e g a t i v ea c k n o w l e d g m e n to r i e n t e dr e l i a b l em u l t i c a s t ) 协议是非路由器 协助的非树形结构的单速率的端到端数据传输。n o r m 是n a c k 协议族的一种，其核心是 选择性的n a c k 反馈算法。不同于t c p ，接收者在成功的接收到包时并不发送a c e ，而只 在它们检铡到丢包时发送n a c k 反馈。为避免反馈爆炸，n 0 胁使用基于定时嚣的选择性 n a c k 压制策略。在n o p 弛i 协议中使用t f m c c 1 流量控制机制，来保证n o r m 协议公平的与其 他网络协议享用网络带宽。 值得注意的是n o r m 不仅支持单个发送者，还能够支持多个发送者。n o 刚的目标是提 供一种有效的，可扩展的大文件传输协议。 n o r m 可以使用对称的或者是非同步( 反馈可能使用单播) 的多播连接。n o r m 可以使 得发送者和接收者灵括的加入或离开多播组，而只在参与者之间使用很少量的控制信 心和同步时钟，n o r m 同时还可以配簧基于f e c 的丢包恢复机制。n o r m 可以适应很大范 围的网络情况变化而无需作出大规模的预先配置，并且在严重的丢包和拥塞发生时仍 能保证高效率的性能。 北京邮电大学硕士研究生论文第一章 主要的包类型及其作用如表1 - 1 所示： 表1 - 1n o r m 包类型和作用 包类型 作用 n o r m _ d a t a通常的多播应用数据 n o r m _ c m d ( f l u s h )发送者命令：用来激活接收者的修复请求 n o r m _ c m d ( s q u e l c h )发送者命令：用来广播当前的修复窗口 n o r mc m d ( r e p a i r - a d v ) 发送者命令：用来广播当前的修复当收到 单播反馈信息 n o r m _ c m d ( c c )发送者命令：用来收集r t t ，拥塞控制状态 信息 n o r m - n a c k丢包时发送者请求修复 n o r m a c k接收者提供拥塞控制的反馈 l - 4 2 多播拥塞控制 多播拥塞模型中，主要根据调节参数，调节者，数据与编码做划分。调节参数有窗 口，速率，方程三类，基于窗口的方案有着与差错控制和通信量调节很好的集成性；基 于速率的方案非常适合流媒体应用，但较难达到与t c p 的友好性；基于方程的调整能够 与t c p 达到长期的友好性。调节者主要分为收方驱动和发方驱动，发方驱动的方案由发 送者负责通信量调节，发送者维护所有接收者的状态信息，会随着接收者数量增多导致 性能下降；收方驱动的方案将调节的任务转移到接收者，发送者只需要保持连续发送分 组知道接收到某个接收者的反馈，重传丢失的分组，接收者的作用是负责监测分组丢失， 并且传送反馈给发送者。数据编码与分组的一个中心问题就是选择单速率还是多速率， 单速率中发送者以同一速率发送给所有接收者，发送的速率受最慢的接收者的限制：多 速率更加灵活，接收者可以根据自己的带宽限制选择合适的速率。 采用上述分类，现有的多播拥塞控制分类如表1 - 2 。 表l 一2 多播拥塞控制分类 调节参数调节者 调节算法数据分层与编码 r l m 们 速率接收者 a i m d 累加层型 o r m c c t l o 】 速率接收者 a i m d 单速率 t f m c c t 1 速率接收者基于方程单速率 g g m c c 【1 2 】 窗口 接收者 a i m d单速率 m t c p n 3 1 窗口 接收者 a i m d 单速率 r e p r e s e n t a ti v e s 【1 4 】速率发送者 a i m d 单速率 m c a 1 5 】 速率联合基于方程单速率 北京邮电大学硕上研究生论文第一章 1 5工作提要 本文基于对现有的可靠多播协议以及多播流量控制的学习和分析，并结合新的网络 环境，提出了更为有效的拥塞控制g i n m c c 。g i n m c c 的优势主要集中在两个方面。 更低的丢包率 接收方对于网络状况的感知，以及研究方案中接收者沉默区和维持区的设定，可 以更加灵活而且有效地控制发送速率。这样就能够更有效的传送数据，减少无谓的丢包。 丢包率的降低无疑会增强可靠多播的性能。 更有效的拥塞报告过滤 通过引入传输序号等方式，极大地减少了接收方重复发送反馈包的几率。同时发 送方智能地区分有效无效反馈，正确的过滤无效或者过时的信息，准确地调整发送速率， 提高系统吞吐。 最后基于n s 一2 对算法做了详细的仿真验证。在仿真过程中，与现有的实现o r m c c 做了详细的对比，结果显示g i n m c c 无论在对拥塞的反应速度，还是拥塞过程的处理过 程，都表现得更为出色，这也使得g i n m c c 能够更好得利用带宽。更为重要的是，g i n m c c 跟t c p 协议具有公平分享带宽的能力。这无疑极大程度地促进了g i n m c c 在广域网的普 及。 1 6本文的组织结构 本文通过分析可靠多播所面临的问题，以及网格环境对于可靠多播的新的需求等， 对现有的协议进行改进与增强，从而提高性能。本章中介绍了一些多播的相关实现和研 究现状。接下来的论文内容组织如下： 第二章阐述整个e c - g i n 项目组中的各个模块和与本课题研发的可靠多播中间件的相 关参数的功能与特性 第三章分析可靠多播中的拥塞控制架构，提高更低丢包率，更高吞吐的拥塞控制策 略，不仅更好地满足多播的可靠性，同时提升了网络的整体性能。 第四章将对可靠多播中多发送者支持问题以及反馈压制问题进行讨论，并提出相应 的解决方案。 第五章集中展示了上述的改进方案的仿真验证结果。 第六章中描述的是用j a v a 实现的类框图。u m l 图描述了类之间的关系与实现的框架。 最后在第七章中给出本文的结论及未来的工作。 北京邮电大学硕士研究生论文第二章 第二章可靠多播模块 2 1g l n t o n i c 中间件 g i n t o n i c 全称为g r i di n t e r n e t w o r k i n gt o o l b o xn e s t l e di nt h ec o r e n 引，为e c g i n 项目组开发旨在基于现有的网络为网格应用提高更好支持的中间件。g i n t o n i c 作为 网络层与应用层之间的中间件，处理来自网络层和应用层的事件。不仅满足一些特殊 应用的需求，同时也透明地增强那些传统应用的需求，做到的透明性与非透明性有效 而广泛的统一。 图2 - 1g i n t o n i c 层次 g i n t o n i c 的总体框图如图2 - 2 ，每个功能模块都包含了许多的组件，代理。 、 c o o r d i n c r e dn e 丁w o r kf i l 王。豫a n s f e r r e s o u r c ea d v a n c e d e w s e r v i c e s k ：u r n y r e s e r 帅o nr e s e r ：、：声m o n p r e d i c n o n d i s c o v e f 丫a n d t r u s t ，lj c o n g e s l l o n f l o wp e e rt r a 嗣c c o n 丌r o l c o n t r o la ：w f a r e n e s s m u l = 兀c a s t 虬氏n a g e m e n t ， g l n t o n l c 图2 - 2g i n t o n i c 的总体框图 如上图所示，包含1 0 个功能模块。现就其功能做简单介绍。 1 - c o o r d i n a t e dr e s o u r c er e s e r v a t i o n 模块允许应用一个a p i 调用预留终端和相关 1 3 北京邮电大学硕士研究生论文 第二章 的网络资源，这个过程需要与n e t w o r ka d v a n c er e s e r v a t i o n 模块以及一些网格 标准的资源预留接口做交互。 2 n e t w o r ka d v a n c er e s e r v a t i o n 模块可以设定传输区间从而预留一定的网络带宽。 合理地计算出可用的链路带宽之后，协同f l o wc o n t r o l 模块预约相应的网络带 宽。 3 f i l et r a n s f e rd e l a yp r e d i c t i o n 模块基于共享瓶颈带宽的信息预计传输的时间。 与p e e ra w a r e n e s s 模块共同发现共享瓶颈带宽。 4 s e r v i c ed i s c o v e r y 模块提供在分布式网络中更为有效服务发现模型。是核心的 模块，大部分其他的模块