（计算机应用技术专业论文）基于p2p代理网格的广域网组播.pdf

摘要 i n t e r n e t 中传统的视频点播都是基于客户服务箸模式的，该模式具有很大的 局限性，对于服务器端有很高的负载。球组播是基于此的一种改进方式。服务容 可以只传输一份数据给客户，由路由器负责给每个客户分发，这样减轻了服务 篙j 的负担，大幅提高了整个应用系统的性能。但是i p 组播无法在广域网内很好 的实施，因此，迫切需要一种能够在广域网内进行组播的方法，应用层组播是 一个很好的解决方案，但需要建立很多的代理。当局域网段内没有代理时，就 无法向盖局域网内的客户进行组播。因此，我们将p 2 p 与组播和网格结合起来 使每个客户都作为网格服务的一个端点，各节点之间采用p 2 p 的协作，构建了 整个p e p 网格视频点播系统。我们提出了p 2 p 网格视频点播系统的模型和关键 的算法，并且给出了传输算法，并对这个算法的有效性作了实验验证。 a b s t r a c t t h em a j o r i t yo fi n t e r n e ts t r e a mm e d i ab r o a d c a s ts y s t e mi sb a s e do nc l i e n t - s e r v e rs y s t e m ， w h i c hi sr e l a t i v e l ye a s yt ob u i l d w h i l et h em o d em a k eah i g hr e q u i r e m e n to ns e r v e r sp r o c e s s a b i l i t ya n db a n d w i d t h i nt h i sm o d u l e t 1 1 es e r v e rb e c o m es y s t e m sb o t f l e - n e c k i pm u l t i c a s ti sa g o o dw a yt os o l v et h i sp r o b l e mb yj u s tt r a n s f e n i n go n ec o p yo fm e d i ar e s o u r c e t or e d u c e r e d u n d a n td a t a b u tt h i st e c h n o l o g yn e e d st h es u p p o no fs w i t c h s ow ec a nn o ta p p l yt h i s s o l u t i o no ni n t e m e t w ec o m b i n e dt h ea d v a n t a g eo fp 2 pw i tm u l t i c a s t ，a d d e dw i t hg r i d ，w em a k e e v e r yn o d ea s as e r v i c es u p p l i e ro ft h es y s t e m a l lt h e s en o d e sw o r k e dt o g e t h e rb yp 2 ps y s t e m ， i nt h i sw a y , w ea l l e v i a t et h eb u r d e no fs e r v e r w eg i v et h eb a s i ca l g o r i t h mo fb u i l d i n gt h ep z p s y s t e ma n dd a t aa a n s f e r a tt h ee n do fp a p e r , w eg i v et h ep e r f o r m a n c ee v o l u t i o no fa l g o r i t h m v 1 1 研究的背景 第一章前言 随着科技的迅猛发展，i n t e r n e t 上的传输内容已近逐渐由以文本为主转向 为多媒体信息为主的传输。这是一个重大的变革，用户能从网络获得更为丰富 的媒体资源，而不仅仅是以往的纯文本信息。这是网络时代到来的一个标志。 事实上，网络的快速发展也促进了多媒体相关产业的发展，产生了巨大的商 机。这个商机来自于多媒体应用以及通信与网络之间的结合。两者的技术整合 于多媒体应用，能促进多媒体网络的发展，推动技术的发展。在多媒体网路服 务越来越普遍，网络多媒体系统方面的研究日益重要。传统的系统主要是客户 与服务器形式的，由服务器提供统一的多媒体服务，客户通过客户服务器模型 向服务器请求媒体服务。该模型构架简单，易于实现，但最大的问题在于随着 客户的数量增加，服务器的性能迅速恶化，服务器成了整个系统的瓶颈。为了 优化这种模型，提出了i p 组播技术【1 】，【2 】。i p 组播技术可以向相同需求的客户 发送同一份数据，减少服务器端的冗余数据。 但是，由于以下的原因，i p 组播未能在网络上普及。 1 ：扩展性不佳。组播需要路由器记录每个组播群的状态，这使得路由器需 要记录和更新大量信息，使其成为瓶颈所在。 2 ：对传输层及以上层次的支持不佳，如可靠组播，组播拥塞控制等。目前 没有具体的有效解决方案。 3 ：最为严重的问题是i p 层组播需要路由器硬件支持。而目前i n t e m e t 上使 用的路由器普遍不支持i p 层组播，而且组播计费机制方面的技术也无突破性进 展，因此，只有少数网络服务提供l p 组播。 为了解决这一问题今年来提出了应用层组播【3 】的技术，将组播原来由l p 层 实现转为由应用层实现。随着架构技术的日益成熟，应用层组播技术已成为解 决客户端服务器架构的一个良好的解决方案。目前通行的解决方案是采用单播 来组成树状的结构，这样的结构称为叠加树( o v e r l a y t r e c ) 【4 】。 采用应用层组播的叠加树有以下几个好处： 1 ：应用容易。应用层组播结构与目前网络架构相符合，不需要更新已有的 硬件。 2 ：可扩展性高。应用层组播不需要路由器支持i p 层组播，对包的封装及 传送工作改由组成员或特定的服务器负责，路由器不需要记录组播群的状态。 目前对群组播的研究主要有两个议题： 1 ：叠加树的建立：主要探讨在不同应用的需求之下建立树新成员如何加入 叠加树的问题。 2 ：叠加树的维护：探讨组成员离开，断线修复树，最优化树等问题。 采用应用层组播的问题主要是要动态维护组播树，当用户数量上升时，组播 树的复杂度呈指数上升，应此，维护树的代价非常高，影响了此类应用的大规 模应用。 埘刚络传输力面的研究的另个热点是点对点领域。以点对点办式来传输资 第1 页共4 2 页 源。客户同时作为服务的接收者和提供者，客户向外共享自己已有的资源来向 其他的客户作为服务提供者。 点对点【5 】，f 6 1 ，【7 1 分为具有中央目录服务器的点对点系统和无中央服务器的 纯点对点系统。其区别是中央目录服务器的架构需要中央目录服务器作为各站 点之间的协调者和控制者，各成员站点通过中央目录服务器来获知存在哪些资 源以及这些资源所在的节点位置。由于媒体文件的已知性，不需要向p 2 p 网络 提供查询，只需实现节点管理和传输。 由于各节点既是服务的接受者，又是服务的提供者，因此，可以将每个节点 的应用布置为网格。各节点都作为网格服务，向其他节点提供协作。当一个节 点需要服务时，可以通过连接相近站点的服务而不必连接物理位置较远的中央 媒体服务器。这样减轻服务器带宽消耗的同时，还能向客户提供高质量的服务。 当一个节点故障时，亦可将该节点的所有下游节点分配到临近的其他服务节点 之上，整个系统可以向客户提供高质量的媒体服务。 1 2 研究的目标 本文主要侧重结合应用层组播和点对点技术，并结合网格服务的概念提出了 基于p 2 p 网格代理的广域网视频点播系统。由于当前的视频点播系统主要基于 客户服务器系统，当客户的数量到达一定数量级之后，服务器的性能显著恶化， 而应用层组播又无法在广域网内实施，本系统在大规模视频点播应用领域内具 有良好的前景。本文的目标是提出性能更为优良，在广域网范围内有可实施性 的视频点播系统解决方案，提出新一代视频点播服务的架构。 1 3 论文的内容与结构 在本文的第一章的前言中，主要回顾了当前的视频点播领域内的通行的架 构及其不足，并分析了提出基于p 2 p 网格代理的必要性和可行性。本文的第二 章对i p 层组播和应用层组播的概念和体系结构作了介绍。本文的第三章对点对 点技术以及点对点系统的框架和结构作了介绍，并分析了不同的架构之间的优 缺点和本系统拟采用的架构。本文第四章主要对网格服务做了简要介绍，并给 出了网格系统的大致架构和层次，以及每个层次相对的功能。第五章给出了系 统架构设计和节点连接及分组的关键算法和实验模拟数据，第六章作了总结， 并对接下来的研究做了展望。 1 4 本文的创新点 本文针对当前网络视频点播的系统存在的不足之处，构造了一种新的流媒体 视频点播方法。我们将p 2 p 技术与组播技术相结合，并将每一个节点都布置为 个网格应用，使得每个节点都可以向客户提供服务。 第2 页共4 2 贞 2 1 组播的简介 第二章组播的介绍 随着网络技术的不断发展，n 曙、 r r r p 、s m t p 等传统数据业务已经难以满 足人们对信息业务的需求，视频点播、远程教学、新闻发布、视频会议等业务在 应用中变得日益重要。这类业务的特点是，信息在一个组内以一对多或者多对多 的形式进行传输。例如新闻发布信息由一个服务器发布，大量不固定的接收端 接收。如果采用单播方式来传输这些信息( 如图2 1 ) ，那么发送源就必须维护每 个客户信息。当客户数目很多时，对于发送源来说还需要很高的传输速率。另外， 相同的数据可能在同一个链路上传输多次，消耗大量的网络带宽。因此需要一种 专门的组传输机制，这就是组播。组播可以在网络的各个层次上实现：物理层( 例 如，卫星、以太网) 、网络层( i p 组播) ( 如图2 2 ) 、应用层( 覆盖组播应用层 组播) 。 图2 1 单播 第3 页共4 2 页 2 2l p 组播 目前致力于组播研究的国际研究组织很多，其中i e t f ( i n t e m e t 工程任务组) 下属的组播工作组有：i d m r 、p i m 、m s e c 、r m t 、m a g m a 和s s m 。1 d m r 工 作组致力于完成域问的组播路由；p i m 工作组主要研究域内组播路由；m s e c 工 作组主要研究组播安全方面的内容，保证只有合法成员才可以得到组通讯内容， 合法的组成员可以进行源认证和内容认证、抵抗拒绝服务攻击、组密钥管理和组 策略管理；r m t 工作组负责可靠组播传输的标准化工作；m a g m a 工作组研究 组播和任播( a n y c a s t ) 机制，其中涉及组播成员的认证、访问控制等等，这一点 与m s e c 工作组的工作类似；s s m 工作组负责定义特定信源组播机制。这些工 作组的分工不是十分明显。比如负责组播安全的m s e c 通常需要与具体实现安 全的i p s e c 等工作组交融，与诸如p i m ，r m t ，i d r m ，m a g m a 工作组进行联系。 总体上，根据这些工作组的分工可以将组播的研究领域大致分成：组播路由、安 全组播、可靠组播和特定源组播。表2 1 列出了几个典型的r f c ( r e q u e s tf o r c o m m e n t s ) 文件，详细信息可参h t t p ：w w w f a q s o r g f f c s n p h t m l 。 表2 1 常用组播r f c 协议列表 领域 r f c 描述 组管理 r f c3 3 7 6i g m p v 3 r f c2 3 6 2p i m s m r f c 2 1 8 9c b t v 2 组播路由 r f c l 0 7 5d v m r p r f c l 5 8 4m o s p f r f c3 9 1 3b g m p r f c l 9 4 9 可扩展的密钥芨布 r f c2 6 2 7 组播的密钥管理 安全组播 r f c3 7 4 0 安全组播框架 第4 页共4 2 页 r f c3 8 3 0 m i k e y 字支持多媒体传输的密钥管理 可靠组播r f c3 4 5 3基于f e c 的可靠组播 r f c 3 0 4 8 针对大量数据传输的可靠组播 指定源组播协议 r f c3 5 6 9 指定源组播协议概述 i p 组播技术是一项很实用的技术，有众多的厂商和i n t e r n e t 业务提供商参与 推动这项技术的发展。他们还成立了一个论坛型的组织“i p 组播倡议组织 ( i p m i ) ”。成员包括差不多所有全球主要的网络设备厂商、不少电信运营公司 和i s p l 9 ，如c i s c o 、朗讯、3 c o r n ，阿尔卡特、a t & t 、s p r i n t 、u u n e t 等几十 家。他们共同致力于i p 组播协议标准的开发、应用、推广、项目实旌和互通。 早在1 9 8 8 年d e e d n g 就提出了口组播机制。它是最早的、最有效的组播传 输机制。在i p 组播中，每个组播会话通过一个组播地址( i p v 4 1 2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ) 标识，即每个组播组对应一个组播地址。于是每个源发方只需 要向相应的组播地址传输一次报文，就可以保证所有的组成员都收到这个报文， 如图2 1 所示。其中，组播路由器( 图中的圆圈) 负责路由、复制和转发组播报 文。i p 组播避免了在链路上传输重复报文，从而节省了网络带宽，可实现高效 的组播通讯。 2 3 相关的基本协议：组管理协议和组播路由协议 在口组播通讯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 协议和组播路由协议。 i g m p 用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 协议来维护一个组播成员列表，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。在i g m p v 2 中，增加了退出通知这一功能。 一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 来决定是否加入到相应组通讯中，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由协议。其中域内组 播路由协议包括d v m r p ( 距离向量组播路由协议) 、m o s p f ( 最短路径优先 组播) 、p i m s m 、p i m d m ( 密集模式协议无关组播) 和c b t ( 核心树协议) 等；域问组播路由协议包括m b g p ( 组播边缘网关协议) 等。 为了将组播数据传送到所有的组成员，组播路由器之间需要建立和维护组播 转发树。因此按照构建转发树方法的不同可以分成有源树和共享树协议。有源树 协议需要为同一个组播会话中的每个组播源构建一个最短路经组播生成树：而共 享树协议需要在网络中选取某一点作为公共的根节点，然后再构建一棵生成树， 各个组播会话的组播数据均沿着一个公共的转发树发送。显然，有源树协议的构 造、维护代价比较大，但是传输过程中每个组播源都可以获得自己最佳的传输路 径。 第5 页共4 2 贞 组播路 由协议 域 域间 m b g p 组播路 协议 图3 2 组播路由协议 有源树 共享树 d v m r p 是第一个在m b o n e 2 2 ( 组播试验床) 上得到普遍使用的组播路由 协议，它是一个洪泛剪枝协议。d v m r p 在r i p 协议的基础上扩展了组播功能。 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一跳，而d v m r p 根 据路由器到源方向的上一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 md m 使用“扩散与剪枝”机制来建立和维护转发树。路由器周期性地发送 h e l l o 消息，以发现相邻的p i m 路由器，并且负责在多路访问网络中选举指定路 由器，然后根据单播路由表的信息来确定上下游依赖关系。 p i md m 与d v m r p 十分类似，当组播源第一次发送组播报文时，使用 t r p b 2 4 算法沿着源的组播转发树向下转发组播数据包。 m o s p f 是o s p f 协议的一个扩展，它通过o s p f 路由表来获得网络拓扑。 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 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。 一种流行的组播体系结构是基于i g m p v 3 、d v m r p 、m o s p f 、p i m s m 和 m b g p 这些协议构建的。 2 4 可靠组播 当前，支持口组播的标准传输层协议只有u d p 2 6 ( 用户数据报协议) ，因而 组播报文的传输是不可靠的。i p 层的m u l t i c a s t 通信只提供尽力型服务，不保证 组播数据报文的可靠传输。研究高效和可靠的可靠组播( r m ：r e l i a b l em u l t i c a s t ) 机制，完成类似单播服务中t c p 的可靠传输功能，成为最近五年来i p 组播协议 研究中的重要方向。 对r m 机制的研究比对t c p 可靠机制的研究要困难得多，其根本的原因是应 用程序对可靠性的要求差异很大，不可能设计出一个可以满足所有应用要求的 r m 协议模型，所以每个协议都要针对一个应用类型进行设计。协议要综合考虑 应用的服务要求、应用的可扩展性能和应用所处的网络环境，并利用通信流的特 点提供高性能、低开销的r m 通信服务。 第6 页共4 2 贝 厂_ r m 的核心问题是如何根据组播通信过程中丢失分组报文的情况来迅速、高 效地恢复丢失的报文，使得接收者接收到正确、有序的报文。这里主要涉及缓冲 区的管理和对应答帧的处理。r m 必须在报文恢复的性能和代价之间折衷。其算 法主要包括r m 错误恢复算法和拥塞控制算法两部分。评价r m 性能的要素有两 个方面：一是数据吞吐率，即发送有用数据同冗余数据和控制报文的比例；二是 恢复的时延。最理想的r m 算法应当使吞吐率最大，而恢复的时延最小。 目前主要有三类r m 组播协议：云状可靠组播协议、环状可靠组播协议和树 状可靠组播协议。云状可靠组播协议直接利用i p 组播协议所建立的组播转发树， 根据谁负责发现错误的原则这类协议又可分为：基于发送方的可靠组播协议和基 于接收方的可靠组播协议。在基于发送方的可靠组播协议中发送源在发送数据包 时加上序列号，接收节点收到正确的数据包后就发送a c k 消息给发送源。这种 方式类似于t c p ，如果接收节点比较多，在发送源附近可能会出现a c k 消息爆 炸。早期一些协议采用这种方式，如x t p 2 7 。在基于接收方的可靠组播协议中， 发送源在发送数据包时加上序列号，接收节点负责核对是否收到数据包，如果发 现有丢包，向发送源发送n a c k 消息，发送源重新发送丢失的包。这种方式可 以支持更多的节点，而且操作容易。s r m 2 8 、m f l 甲2 9 、r a m p 3 0 、l b r m 3 1 等 属于这类协议。环状可靠组播协议仿照令牌环网的设计方案，利用令牌来保证成 功发送。特点是可靠性高、效率高。缺点是管理复杂，不支持接收节点数量较大 的组播，只适合2 0 0 个节点以下的网络发送。环状可靠组播协议有：t r p 3 2 、 r m p 3 3 等。树状可靠组播协议将所有的接收节点组成层次式的树状结构，由树状 顶层向下一层发送，依此类推，并负责确认下一层是否收到。这样就可以支持大 量的组播组成员，但是在管理接收节点回送的确认信息时会造成额外的管理开销 和麻烦。现在用于大规模通信的可靠组播协议基本上采用这种方式。t m t p 3 4 、 r m t ? 3 5 和t r a m 3 6 属于这类协议。 2 3 安全组播 i p 组播通讯不能简单地利用单播安全机制。首先，身份认证不再局限于一对 一的形式，而是一个群组成员相互认证的形式，所以群组成员的认证机制必须具 有可扩展性。第二，i p 组播是一个开放的传输系统，任何非组成员都可以随时向 组播组发送垃圾信息，因此组播通讯容易受n d o s ( 拒绝服务) 类型的攻击，导致 正常的组播业务质量下降；还有一些伪造的i g m p 信息会对组播路由器产生一定 的影响。因此有必要进行传送认证，只允许合法的组成员在组内传送信息。第三， 组播传输过程中的成员不确定，允许组成员的动念加入退出。这样就要求保证后 向安全( 以使退出组的成员无法访问当前正在进行的组通讯) 和前向安全( 一个 新加入的组成员无法访问以前的通信内容) ，所以组会话密钥需要根据组成员的 变化情况随时更新。第四，由于组播大多用来传输海量的多媒体信息，很多应用 具有实时要求，因此可能需要更有效的数据加密机制。 总之，安全i p 组播通讯除了一些传统的数据传输加密，对安全还有特殊的要 求，涉及到安全数据传输机制、安全密钥管理机制和组成员的控制。对此，人们 也进行了大量的研究工作。表1 列出了一些1 e t f 颁布的安全组播协议标准。 第7 页共4 2 页 2 4 拥塞控制 同可靠组播相同，一种组播的拥塞控制协议不可能满足所有的需求，必须针 对不同的应用设计不同的协议。需求的多样性导致了组播拥塞控制协议指标的多 样性。其中有两个重要的评价目标：可扩展性和t c p 友好。可扩展性是指随着组 规模的增大，拥塞控制协议在性能下降前可以支持的用户数量，主要受到任务复 杂性、反馈爆炸问题、l p m ( 1 0 s sp a t hm u l t i c a s t ) 问题和网络随机延迟等4 个 因素的影响。t c p 友好保证组播流量和t c p 流量能公平地竞争带宽。这两个评价 目标在一定程度上是对立的，组播拥塞控制协议需要根据实际需求在两者问作出 权衡。 目前有两种拥塞控制方法。一种是基于窗口或速率。基于窗口的拥塞控制需 要在端系统维护一个拥塞窗口，与t c p 类似，通过拥塞窗口来控制未应答分组的 数量。没有拥塞时扩大拥塞窗口；拥塞发生时减小拥塞窗口。值得注意的是，在 基于窗口方案中，组播发送方需要为每个组播接收者维护一个独立的拥塞窗口， 所以这种方案的可扩展性很差，但是容易保证t c p 友好。基于速率的拥塞控制算 法则需要接受方和发送方之间的返回信息，根据网络拥塞情况动态调整发送速 率。 另一种是单速率和多速率方案。单速率方案十分简单，组播发送方以所有接 受方中接收速率最低的那个速率进行信息发送。多速率算法允许发送端使用多种 发送速率，从而在接收端以不同速率接收。在多速率方案中，一种典型的实现方 法是分层组播( 1 a y e r e dm u l t i c a s t ) ：数据被分为多个层，分别使用不同的组播 组进行发送。接收方订阅的层越多，数据质量越高。 - - 基于速率t r a m t e c c ，e t c 一单速率一 组撰璺塞叫，基于窗口r l a m t c p p g m c c ，e t c 拄币u 岵速率( 基十速率) r l mr l cf l i d - d l 。e t c 图2 4 组播拥塞控制 i p 组播面临很多问题，包括运营方面的管理和计费问题、安全可靠问题、 组播地址的唯一性的问题，导致从9 0 年代初至今，i p 组播一直没有能够在 i n t e r n 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。起码在现行 的网络上，单播比组播传输要稳定得多；对于安全组播方面，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i p 组 播在设计阶段没有能够重视安全问题。但是组播这种节约带宽( s t r e s s ) 、传输 快捷( s t r e t c h ) 的传输特性一直被人们推崇，于是人们又研究了应用层组播，希 望可以在现行的网络基础设施上来实现组播通讯。 第8 页共4 2 页 2 5 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 自组织成一个逻辑覆盖网络，并在应用层提供组播路由协议来构建和维护该网 络，为数据传输提供高效、可靠服务。它将转发树构建在应用层上。两个主机实 际的链路是底层的单播i p 路径。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。这一过程重 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。 但是，相对i p 组播而言，应用层组播在节点的稳定性、传输效率等方面面 临严峻的挑战。由于构建者是普通的网络主机，这些主机彼此不知在拓扑中的相 互位置关系，必须自己获得一个拓扑，并且在上面构建转发树。概括而言，影响 应用层组播传输效率不高的主要因素有以下几点： 担当复制转发任务的普通终端主机的性能不高； 复制转发工作在应用层通过软件实现； 通过主机自己测试产生的拓扑可能会导致构建出一个无法充分利用底层 一络设施的转发树； _ 为了弥补i p 组播在安全可靠方面的缺憾，应用层组播还要增加诸如安全 可靠之类的服务，这将进一步消耗主机的资源。 前三点就足以导致应用层组播的性能相对i p 组播大打折扣，可能会导致整 个服务不可用。对于这个问题，我们只能够在第3 点上作一些研究工作，同时尽 量开发出效率高的应用层组播软件。一些研究人员在致力于开发更好的转发树的 构建方法。无论如何，应用层组播为我们提供了一个解决组播问题的途径。 2 5 1 体系结构 目前主要有3 种系统结构来实现应用层组播： ( 1 ) 对等型 每个组成员节点都是平等的，动态变化且完全分布。节点之间通过一定的算 法、协议自组织成控制网络和数据转发树。每个节点仅维护自身参与组的状念信 息，所有组播相关功能以软件实体形态集成于参与组播会话的节点中，每个节点 完成相同的工作。 ( 2 ) 代理型 这是一种基于固定节点配置的覆盖式组播技术，一般由增值服务提供商根据 一定策略在i n t e r n e t 的某些位置部署应用层代理节点。代理节点之间的数据传 输路径和传输方式也由增值服务商预先确定。终端主机通过接入距自身最近的代 理节点获取数据。从某种程度上来看，代理节点类似于组播路由器。 ( 3 ) 服务器型 介于对等型和代理型之间。转发树的主卜由一些负载较大的服务器构成，不 同于代理类型，这些服务器不一定来源于i s p ，可能是作为普通用户加入的、性 能较高的刚络终端主机。在服务器型和代理型应f j 层组播中存在些节点，其性 第9 页共4 2 页 能相对较高，所以基于这些节点构建的转发树也比较稳定，可支持规模相对较大 的应用层组播服务。 2 5 2 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。协议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。 在过去的几年里，人们提出许多应用层组播协仪。根据构建转发树的策略， 可以将它们分成集中式和分布式两类。集中式协议假设有一个服务器知道成员之 间的关系，即成员之间的拓扑，然后这个服务器运行最小延迟、最大带宽、最小 代价之类的算法来计算转发树，随后将转发树中节点之间的关系发布给相应的节 点。显然这种方法虽然简单，但是扩展性不好，同时存在服务器这样一个关键节 点，容易出现单点故障。 分布式协议中，由每个组成员运行应用层组播协议，分布地构造转发树。为 适应系统的动态性，保证组播传输的有效性，分布式协议还引入了控制和数据两 种拓扑。控制拓扑( m e s h ) 中节点对之间存在多条路经，主要负责监视节点变化、 维护网络的连通性。数据拓扑( t r e e ) 就是指转发树。因此分布式协议可以分成 m e s h 优先和t r e e 优先两类。先构造m e s h ，然后再在m e s h 的基础上构建树的协 议叫做m e s h 优先；先构建树，再在树的基础上引入额外的边形成m e s h 的协议叫 做t r e e 优先。二者在性能方面表现不同。相关协议参见图2 5 。 应用层 组播协议 t r e e 5 恍：n i c e , o v e r c a s t ，y o i d ，h m t p ，h o s t c a s t , e t c 一 m c s h 魄先：c h o r d ，s c r i b ，n a r a d a ，e t c 基于速率) r l mr l cf l i d d l 。e t c 图2 5 组播拥塞控制 3 1 点对点简介 第三章点对点系统 p 2 p 不是一个全新的概念，自从上个世纪7 0 年代i n t e r n e t 出现以来他就存在 了。近来由于技术上的变化和桌面系统的计算能力提高给p 2 p 带来了更大的发 展基础。 知道如今，类似的系统主要通过l a n ，b b s 和f 限在一个限于少数人的圈子 内为已知的用户共享文件。同样，基于p 2 p 模型的应用程序所延伸到的范围夜 仅限在已知计算机用户组之间共享文件。如果一个人想要向未知用户传输文件， 他必须使用i r c 或其他b b s 系统。到了上世纪8 0 年代，大型机非图形用户界 面的限制和在线用户的增加促进了p c 机互联的迅猛发展，更重要的是促进了 p c 机和一种新的服务器计算机的互联。单个的计算机在1 9 9 4 年之前一直是永 久分配i p 地址，较新的浏览器软件被开发出来用来从p c 机访问互联网。这些 p c 机与过去的大型机不同，不是一直保持在线状态，会不断地连上和断开网络 连接，这就造成了皿地址的不足。i s p ( 网络服务提供商) 开始就每个会话为用户 分配新的i p 地址，临时的i p 地址禁止用户为其他端提供任何数据或提供支持 w e b 的应用程序。 由于基于w e b 的服务需求的增长，使得用户感到有必要来直接控制，改变 和共享资源。同时，上个世纪9 0 年代后期，p c 机的性能在速度和处理能力上 提高得很快。因此，软件开发者意识到他们能把服务器软件放到单独的p c 上， 而且可以在段之间传递全双工的信息流，这就导致了p 2 p 的复兴。 有趣的是，口路由的基础结构仍然是p 2 p ，i n t e m e t 上的路由器作为一个端 为网络中的两端找到一条最好的路由。这个结构体系是分为几层的，用户从i s p 那里得到i n t e m e t 连接，而i s p 是依次连接终端用户的每一层。这些i s p 遵从同 样的p 2 p 体系，类似的，对等邮件服务器网络路由电子邮件。在1 9 9 9 年到2 0 0 0 年之间，当n a p s t e r 革命性地让用户在i n t e r a c t 上共享音乐时，人们开始意识到 p 2 p 的真正潜力，n a p s t e r 是第一个在资源共享上取得大范围商业成功的p 2 p 应 用。 基于p 2 p 模型与客户朋艮务器( c s ) 模型相比，其优势在于降低了对服务器的 依赖和它的分散控制( 相对于服务器的集中控制) 。一些p 2 p 模型甚至不需要服 务器，用户可以不经过服务器和其他用户进行连接。用户在p 2 p 模型下比传统 的客户n 务器结构有更多的命令，在传统的结构下必须使用传统的规则。p 2 p 系统和c s 系统不同，他没有单一的失败点。在一些模型中，p 2 p 把服务器放 到合适的位置，服务器的作用被限制到最小。为了共享文件，用户不需要服务 器的帮助，他们之间可以直接做这件事情。 由于这些优点，两种模式有很大发展，两种模型各有千秋。例如，在c s 模型中，当服务器接受过多用户的服务，就会造成服务器资源紧张，形成瓶颈。 p 2 p 模型与之相反，在网络用户之间传送过多信息会造成网络本身负载增加， 使网络瘫痪。除此之外，在商业管理和控制方面，p 2 p 优于c s 模型。但是纯 p 2 p 难以实现。一些公司如i n t e l 和i b m 都在应用上投入数百万美元和大量人力。 在2 0 世纪9 0 年代，客户n 务器计算体系极为流行。但1 9 9 9 年的n a p s t e r 第1 1 页共4 2 页 向这种体系提出了挑战，他是基于p 2 p 的应用，延伸了共享的意义，超出了c s 创建者的想象。通过m p 3 文件的共享系统，n a p s t e r 使得网络的深度和广度又 向前迈进了一步，并为获得更大的可伸缩性而进行优化。 关于p 2 p 的流行和应用，许多商业机构正在各自的领域内寻求合作。p 2 p 的另一个有点就是公司可以建立集体的计算能力，而不必考虑昂贵的服务器和 昂贵的存储设备。p 2 p 已经在共享资源和服务器开销方面对网络造成了巨大的 反响。与c s 模型相比，p 2 p 是更好的选择，他正变得更灵活，更通用。 3 2 各种p 2 p 模型 带有中央服务器的p 2 p 模型( 图3 1 ) 纯p 2 p 模型( 图3 2 ) o oo oo 图3 1 带中央服务器的p 2 p 第1 2 虹共4 2 页 o 3 2 1 纯p 2 p 模型 图3 2 纯p 2 p 纯p 2 p 模型完全依赖计算机( c s 模型中的客户) 。这似乎是矛盾的，因为每 个网络模型都像传统的c s 模型一样涉及到客户和服务器，但是纯p 2 p 模型中 的端动态的发现其他连接端，向连接端之间的通信完全不需要来自服务器的任 何帮助。我们所说的传输数据就是通过通信端来上传和下载文件，执行在线活 动，发送请求和接受响应等。 纯p 2 p 模型打破了c s 传统模型的通信方式，在以前的c s 模型下，客户和 服务器之间整个的通信是基于服务器设定的规则。纯p 2 p 模型允许用户设定他 们自己的规则和建立自己的网络环境，这种设定避免了用户成为利用i n t c r n c t 服务器和i s p 的一部分销出了他们的麻烦。 为了与i n t e r a c t 合作，p 2 p 模型提供了近似的即插即用的特性，即使你只要 连上i n t e r n e t ，就能使用p 2 p 的特性。纯p 2 p 模型的另一个优点是它不仅能够在 i n t e m e t 下有效的工作，而且对于l a n 和i n t r a n e t 也非常有用。 纯p 2 p 模型存在的问题是网络上的端发现问题，因为没有一个中心管理者注 册登陆到网络上的端，所以用户自己必须定位其他的端。 3 2 2 带有中央服务器的点对点系统 这个名称暗示了这种模型的结构，这样的p 2 p 模型实际上包括一个服务器， 而服务器管理节点，其中还分为2 个类型 带有简单的发现服务器的p 2 p 服务器的作用仪限于登记为加入的节点提供名字以及记录这些节点。当一个 节点要求加入系统时，j j 鹾务器提供一个以连接的节点列表来辅助劂络的建市， 第1 3 页共4 2 页 节点之间自由进行连接和通信。这样的p 2 p 模型通过提供给端一系列已经连接 的清单而超出纯p 2 p 模型，这样增加了发现网络上大量端的机会。为了下载资 源，端必须单独和每个连接端接触并发出请求，这样会消耗大量的处理时间。 带有发现和查找服务器的p 2 p 这种模型服务器用来提供相连端和他们之间的可用资源，因此这种模型为增 强服务器的功能而继承了纯p 2 p 和带有简单发现服务器的p 2 p 两种特性。这种 模型减轻了节点的负担，因为不再需要通过访问每个节点来查找必要的信息。 这种模型的服务器初始化两个节点之间的通信，然后，这两个节点之自j 建立通 信，保持连接并执行各种活动，例如登陆进入相连结点的信息数据库，进入他 们共享的资源目录等。 3 3 现有的p 2 p 应用 3 3 1n a p s t e r n a p s t e r 是第一个区的大范围商业成功的p 2 p 应用，它是基于我们讨论过的 带有中央服务器的p 2 p 模型。n a p s t e r 的开发者s h a w nf a n n i n g 在1 9 9 9 年开发 这个引用程序时1 9 岁。n a p s t e r 设计模型的重点放在共享一种特定扩展名的文 件上，可执行的文件或单个文档文件都可以被共享，这也是我们的应用程序中 已用到的概念，以便在计算机之间容易的上传下载文件。 因为n a p s t e r 只允许带有m p 3 扩展名的文件，所以当用户想要下载某一歌名 的m p 3 ，用户只需打开n a p s t e r 软件，n a p s t e r 通过用户的i n t e r n e t 连接登陆到中 心服务器上，中心服务器保存了所有在线用户的一个索引，也维护了这些用户 存储在机器上的m p 3 音乐文件的目录。这些目录随着用户的每次登录或退出都 更新。 当客户需要查找某一歌曲而发送请求时，中心的n a p s t e r 服务器会在当前用 户的索引中查找，然后n a p s t e r 服务器会给用户显示具有这首歌名的用户清单。 客户可以点击清单上的名字，与这用户建立一个连接。中心服务器在两个客户 建立完连接之后退出，文件在用户之间传输，服务器不存储实际的文件。 n a p s t e r 不出售，存储或传送音乐文件，它只是一个平台能使你找到你所需 求的文件，n a p s t e r 服务器能使你搜索到其他的p c 机上的可用音乐并允许在用 户之间传送文件，这些记录会在每次登录时更新。当你在p c 机上下载并安装 n a p s t e r 时，他会询问你选择共享那些目录 3 3 2g u n t e l l a 1 9 9 9 年，n a p s t e r 使的人们重新思考网络的模样，以及由于n a p s t e r 延伸了 信息技术的行业标准，使得人们思考怎样重定义网络。n a p s t e r 尽管受到了版权 律师和音乐界的批判，但它的受欢迎程度并没有减低并且保持上升的趋势。受 到n a p s t e r 的启发，另一个基于p 2 p 的模型g n u t e l | a 进入市场。 g n u t e l l a 是基于纯p 2 p 模型，f 载g n u t e l l a 并安装在计算机上，一旦g n u t e l l a 的机器连 ：网络，就会发送消息给台机器，然后由这台机器发送给其他连上 第1 4 页共4 2 页 i n t e m e t 的g n u t e l l a 网络的机器，这样其他机器就知道这个客户的存在。消息转 发机制工作方法如下：客户a 连上网络通知某台机器，该机器通知网络上的其 他机器，这样整个网络就知道了客户a 的存在。 g n u t e l l a 是一个基于客户的软件，有文件共享和一个迷你搜索引擎。一旦把 g n u t e l l a 安装到机器上，就可以为其他用户提供服务，有点像服务器；另一方 面就是通过g n u t e l l a 网络发送请求来定位拥有你所需服务的用户，找到你想要 得到的内容，这样就可以直接从其他用户那里下载。在g n u t e l l a 网络上搜索如 同在其他搜索引擎上工作一样，网络上g n u t e l l a 的工作是显示被请求的客户。 在g n u t e l l a 上搜索更方便且前景更好，因为这种搜索直接在用户的机器上进行， 而无须通过中央服务器，这带来的最大好处事避免了因中央服务器负载增加而 引起的延迟，所有的服务会减慢或停止。虽然g n u t e l l a 的搜索是免费的，但还 有一些限制。从数据搜索着的观点来看，请求被处理的方向是不确定的，因为 网络上有许多的数据提供者，要想使客户发祥哪个能满足这个请求是不可能的， 这个信息可能在将来需要。从数据提供者来看，不可能监听到所有的查询请求。 但是谈到文件共享系统，g n u t e l l a 优于其他的p 2 p 模型。n a p s t e r 的用户通 过中央服务器共享音乐文件，而g n u t e l l a 不使用中央服务器。 g n u t e u a 最大的缺点是无法验证信息的来源，处理客户信息的节点不能充分 被定位。 3 3 p 2 p 系统的功能划分 对于一个p 2 p 系统，它应该具有以下几个功能模块。首先，它要有节点管 理模块。该模块担负着维护该节点与网络中其他节点的关系。其次是资源查询 模块，当用户需要某些资源时，要向网络提交所查询的资源，然后得到查询返 回结果。第三是资源管理模块。该模块担负着管理崩节点的资源并向资源请求 者提供服务。以下是这三方面的详细讨论 3 3 1 节点管理 节点管理主要功能是发现其他节点 在基于纯p 2 p 模型中，由于这个模型没有服务器，节点动态发现其他节点并 在它们之间进行通信。因此，这种模型不受传统的客户服务器模型中的条款的 约束和规则限制。虽然本地的配置方案和网络信息服务是可用的，但是登录到 该模型上的用户不可能一直拥有可以发送请求的节点的真实数目，另外，节点 之间的直接通信会影响到安全性。 在中央服务器模型中，由于带有一个中央服务器，该服务器在数据库中存储 了所有注册用户的位置。任何端节点都会从服务器得到节点的部分或全部信息。 会从服务器得到用户清单，然后通过节点清单于其他节点交互。 3 3 2 资源查询 用户开始请求内容，一旦端已经发现和定位任何应用都可以向它请求内容。 第1 5 顷共4 2 页 节点可以提供该内容服务。可以通过服务器来协