（计算机系统结构专业论文）组播sla性能监测系统的设计与实现.pdf

摘要 组播s l a 性能监测系统的设计与实现 研究生：王栋平，导师：曹争，东南大学 随着i n t e r n e t 的飞速发展，能够更有效地利用网络带宽资源的i p 组播技术研究与应用成为当前科 研领域的一个热点。在日益强调服务质量的今天，网络传输中断、网络拥塞以及组播机制失效等问题如 果不能及时发现并解决，将严重影响组播服务的质量。这会极大地阻碍组播应用的部署和推广进程。组 播性能监测的任务就是及时发现组播网络所存在的故障并且提供相关信息知道故障的排除，c 作，从而 保证组播的服务质量。 本论文首先分析了组播性能监测技术的现状，分析了这些系统的工作原理和优缺点。在此基础上本 论文提出了一个基于s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 的组播性能监测系统一- m e m m ( m u l t i - d o m a i n s u p p o r t e de n d t o e n dm u l t i c a s tm o n i t o r ) 。m e m m 是一个分布式系统，针对端到 端组播监测的需求，支持多个管理域，采用主动和被动相结合的端到端组播监测机制。m e m m 针对管 理域内部和外部监测的不同特点，利用不同的监测策略，较好的解决了域间监测和组播监测扩展性的问 题，同时通过主动和被动相结合的测量手段可以兼顾监测的灵活性和准确性。 本文主要研究了m e m m 的运行机制，特别是m e m m 的主动测量机制、被动测量机制、多域协同 机制年| i 故障定位机制，然斤实现了组成m e m m 系统的三种实体( 组播性能监测代理。管理服务器，管 理员g u i ) 并且将m e m m 系统部署于组播试验网络，最后对m e m m 的性能进行了分析和比较。 【关键词】组播服务水平协议组播性能监测主动测量被动测量 垒竖翌竺 a b s t r a c t t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a s l a - b a s e dm u l t i c a s tp e r f o r m a n c em o n i t o r s y s t e m b yw a n gd o n g p i n g , s u p e r v i s e db yc a oz h e n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，m u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o n ，t h eo n e - t o m a n yo rm a n y t o m a n y d e l i v e r yo fd a t a , h a sb e c o m eah o tt o p i c f o ra l lt h ea t t e n t i o nm u l t i c a s th a sr e c e i v e d ，t h e r ea r es t i l l l s s u e st h a t h a v en o tb e e nc o m p l e t e l yr e s o l v e d f o ri n s t a n c e ，n e t w o r kb r e a k d o w n ，n e t w o r kc o n g e s t i o na n dm u l t i c a s t p r o b l e m sc a na f f e c tt h eq u a l i t yo fm u l t i c a s ts e r v i c e m u l t i c a s tp e r f o r m a n c em o n i t o r i n gi sr e q u i r e dt od e t e c t f a u l t si nm u l t i c a s tn e t w o r ka n dt og u a r a n t e et h eq u a i l t yo f m u l t i c a s ts e r v i c e f i r s t l y , c u r r e n tm u l t i c a s tp e r f o r m a n c em o n i t o r i n gs y s t e m sa r cr e s e a r c h e da n dc o m p a r e di nt h i sp a p e r a t t h es a m et i m e ，t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ep o i n t e do u t t h e nas l a - b a s e dm u l t i c a s tp e r f o r m a n c e m o n i t o r i n gs y s t e m m e m m ( m u l t i d o m a i n - s u p p o r t e de n d - t o - e n dm u l t i c a s tm o n i t o r ) i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r m e m mi sad i s t r i b u t e ds y s t e mt h a ts u p p o r t sm u l t i - d o m a i nac o m b i n a t i o no fa c t i v em o d ea n dp a s s i v em o d ei s u s e dt om e a s u r et h ep e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e t h em e c h a n i s mo fm e m ma r ed e s c r i b e di nd e t a i li nt h i s p a p e r ，f o ri n s t a n c e a c t i v e m e a s u r e m e n t ，p a s s i v em e a s u r e m e n t ，c o o p e r a t i o n i nm u l t i - d o m a i n ，f a u l tl o c a t i n g ，e r e t h e i m p l e m e n ta n d d e p l o y m e n to fm e m m a r ea l s oi m p o r t a n tp a r i si nt h i sp a p e r m e m mi sc o m p o s e do ft h r e ek i n d so fe n t i t i e s ， i n c l u d i n gm o n i t o ra g e n t ，m a n a g e m e n ts e r v e ra n dm a n a g e ro u i f i n a l l y , t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nm e m m a n d o t h e rt y p i c a ls y s t e m si n d i c a t e st h eg o o dp e r f o r m a n c eo f m e m m k e y w o r d m u l t i c a s t s l am u l t i c a s tp e r f o r m a n c em o n i t o r i n ga c t i v em e a s u r e p a s s i v e m e a s u r e n 东南大学学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南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：望煎至 日期：2 幽二 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：望堡至 导师签名：日期：御，毕 绪论 绪论 随着i n t e r n e t 的飞速发展，能够更有效地利j _ | ； 网络带宽资源的i p 组播技术研究与应用成为当前科 研领域的一个热点。越来越多的企业也参与到这一领域的研究工作之中。例如，c i s c o 、v b r i c k 、 r e a l n e t w o r k s 、m i c r o s o f t 等公司均推出了支持i p 组捅的多媒体业务系统。在日益强调服务质量的今天， 网络传输中断、网络拥塞以及组播机制失效等问题如果不能及时发现并解决，将严重影响组播服务的质 链。这会极火地阻碍组播应用的部署和推广进程。组播性能监测的任务就是及时发现组 拧 网络所存在的 故障，并且提供相关信息知道故障的排除l 作，从而保证组播的服务质量。 绸捅麻j 目前主要集中在网络流媒体的传输，如音频会议、视频会议、网上实况转播等。这些席用 的一个共同特点就是：对传输的实日寸性要求比较高( 要求较小的延时和抖动) 可以容忍传输中少封数据 包错误和丢火，通过牺牲部分数据完整性来争取更好的实时性。组播性能监测的主要内容就是通过主动 测量或者被动测量的手段，如实地反映组播网络中组播服务的实时性和数据完整性状况。 本论文研究了几种具有代表性的组播性能监测系统，分析了这些系统的工作原理和优缺点。在此基 础上本论文提出了一个基于s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 的组播性能监测系统一- m e m m ( m u l t i d o m a i n s u p p o r t e de n d t o e n dm u l t i c a s tm o n i t o t ) 。本论文主要研究了m e m m 的运行机制， 特别是m e m m 的主动测量机制、被动测最机制、多域协同机制平【i 故障定位机制，然后实现了组成m e m m 系统的二种实体( 组播性能监测代理管理服务器，管理员g u i ) ，并且将m e m m 系统部署予组播试验 网络，最后对m e m m 的性能进行了分析和比较。 全文结构安排如f ： 第一章介纠纲捅的基本概念以及组播技术的发展现状，对组播技术的优点和缺点作了说明汞1 分析。 第二章概述组播性能监测技术的发展和现状，详细介绍组播性能监测的几个关键机制，并介绍，l 种 典酗的细播性能监测系统，包括这些系统的实现机制和适用范围。 第三章详细说明m e m m 的系统结构，对m e m m 中各实体的功能模块以及实体间的交互作了详细 院明。 箱四章对m e m m 的通用报文格式，各种m e m m 报文结构以及报文结构中每个字段的跃度、内容 羽i 功能作了详细的说明。 第五章对m e m m 系统的运行机制作了详细的说明：包括主动测量，被动测量，性能报告采集和分 析，单一管理域监测策略，多管理域监测策略，m e m m 与绸播管理系统其它子系统之间的接口等等。 第六章详细说明了m e m m 的具体实现和部署。首先说明了系统开发和测试环境，然后介纠了m a 实体、m m 实体和管理员g u i 实体的实现方式，最后说明了m e m m 系统的部署步骤和操作方法。 第七章对m e m m 的性能作了分析和比较。 铺八章对总结了本论文的成果并对m e m m 提出了一些改进的意见。 东南大学硕士学位论文 第一章引言 本章主要进行i p 组播背景知识介绍，包括组播的定义、基本概念和实现技术。然后，本章对i p 组 播的优缺点也作了详细的分析。 1 1 组播技术介绍 1 1 1 组播的基本概念 在目前的i p v 4 网络通信中存在三种通信方式：单播( u n i c a s t ) 、广播( b r o a d c a s t ) 和组播( m u l t i c a s t ) ， 它们如图1 1 所示。单播是点到点数据传输，在发送方和每一个接收方需要单独的数据通道，从源主机 发送的每个数据包只能传送给指定单个目标主机：广。播是局部点到多点数据传输，源主机向一个特定的 网络地址发送数据包，与源主机处在同一网段所有主机都可以接收这个数据包；组播是全局点到多点数 据传输，源主机向一个特点的组网络地址发送数据包，所有加入该组的主机都可以接收这个数据包，接 收主机并不需要和源主机在相同网段1 1 1 1 2 1o 与单播相比，组播技术可以实现一对多，或者多对多的数据 传输，极大地减小了源主机的负载。而且节省了传输带宽，传输效率高；与广播相比，组播技术能够有 选择的将数据包发给指定的组成员，而不是所有邻近的主机，同时广播通常被限制在本网段内，不能通 过路由器进行转发，组播则没有该限制”1 。 图1 - 1 i p 网络的三种通信方式 组播技术基于群组的概念，用不同的目标地址来区别群组，发送者向该群组的组地址发送数据包， 群组的接收者显示的加入群组，以便组播路由协议能够正确地将数据包传送给群组的接收者。理论上， 组播组的范围是没有限制的( 而广播被局限在本地) ，但是考虑到规模性和稳定性等多方面的原因，通常 根据1 f r l 或者网络自治域来限制群组应用的范围。 2 第一章引言 l _ 1 2 组播地址编址 网络中的每一个网络接口必须拥有。个唯一的i p 地址。i p 地址为一个3 2 位二进制整数，如图1 - 2 所示分为5 类。单播地址唯一标识网络中的单个接口，组播地址标识网络中的一个群组。i a n a ( i n t e m e t a s s i g n e dn u m b e r sa u t h o r i t y ) 把d 类地址空间分配给组捅，_ | = ji p 地址的前4 位固定为1 1 1 0 米标识是组 播地址( 如图1 2 所示) ，因此i p 组播地址的范嗣从2 2 4000 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。 012 3 4 5 6 7 8 9 012 3 4 5 6 7 8 9 0l2 3 4 5 6 7 8 9 01 + + + + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ - + - + 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一十一十- + - + a 0 ln e ti d ( 7 b i t s ) h o s ti d ( 2 4 b i t s ) + + + + 一+ 一十一+ 一+ 一+ + 一十一+ 一十一十+ + 一十- + - + - + - + - + 一+ 一+ 一+ - + - - + 一十一十一十一+ 一+ 一+ b10 ln e ti d ( 1 4 b i t s )| h o s ti d ( 1 6 b i t s ) + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一十一十一+ 一+ 一+ 一+ c110 in e ti d ( 2 l b i t s )h o s ti d ( 8 b i t s ) | + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ - + - + - + - + 一+ - + - + 一+ - + - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ + d 1110 l m u l t i c a s tg r o u pi d ( 2 8b i t s ) + 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ ei 11 11 l ( r e s e r v e df o rf u t u r eu s e ) + 一+ 一十一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一十一十一+ 一+ 一+ 一十 图1 - 2 五类i p 地址格式 i a n a 按照用途将组播地址进行了划分，下面将对其中部分举例予以说明”】。从2 2 4 0 0 0 到 2 2 4 00 2 5 5 的组播地址是本地网络控制地址，用于组播的局域网络控制，路由器不转发属于此范围的数 据包。例如，组播路由协议p i m 使用2 2 4 001 3 交互组播路由信息。从2 2 4 0 1 0 到2 2 4 0 1 2 5 5 的组播 地址是鱼联网络控制地蚍，用于必须经过网络转发的协议控制数据。例如，n t p 协议使用组播地址 2 2 4 0 1 1 。从2 3 9 0 0 0 到2 3 92 5 5 2 5 5 2 5 5 的组播地址是管理域内组播地址，用于将组播的范围限制在管 理城内部。例如，本论文采_ h j 从2 3 9 6 4 0 0 到2 3 9 6 4 0 2 5 5 的组播地址用于管理域内部测量。 图1 - 3 组播地址映射到m a c 地址 为了实现组播通信，需要将组播地址映射到以太网的m a c 地址。i a n a 保留了一段m a c 地址刚于 组播通信，该段地址为0 1 0 0 - 5 e 一0 0 0 0 一0 0 到o l 一0 0 5 e f f f f f f 。组播地址的后2 3 位直接代入这种m a c 地址的后2 3 位，如图1 3 。由丁_ 组播地址的个数多于m a c 地址个数，因此可能出现多个组播地址( 最 东南大学硕士学位论文 坏的情况是2 5 个组播地址) 映射到同一个m a c 地址。组播l p 层协议来区分那些属于自己的报文，来 避免这种冲突“。 1 1 3 组播路由 组播路由同单播路由相同，都负责完成数据包由源点到宿点的路由选择功能。与单播路由不同之处 在于组播是点对多点，因此组播路由的结果不是建立一个点到点的数据通道，而是建立一个点到多点的 绢播分发树。为了提高分发效率，组播路由必须在保证所有成员都能接收到组播报文的前提下，尽量减 少网络资源- j 用量和组播报文的发送范围。 绸播路由协议可以分为两大类：域内组播路由协议和域间组播路由协议。如同单播领域中也分域内 路由协议和域间路由协议一样，域内组播路由协议负责网络自治域内部的组播路由功能，而域间绸播路 由协议负责不同网络自治域之间的组播路由功能。典型的域内组播路由协议包括d v m r p p j 、m o s p f ”1 、 c b t t 、p l m d m 【1 0 1 dp i m s m 1 等。典型的域间组播路由协议包括m b g p ”“、b g m p ”“等。 域内组播路由协议可以根据其实现机制分为如下两种： 1 稠密模式的组播路由协议 稠密模式采用泛洪加裁剪的机制建立组播转发树，认为组播组成员集中在一个相对较小的范围内( 或 者说网络内组播组成员比较稠密) 。源主机发送的最初的组播数据包被组播路由器向所有端e l ( 除了源端 口) 转发，组播网络接入路由器负责检查本地是否存在该组播组的成员如果存在组成员就维持其转发 状态；否则它要向发来报文的邻接点返回一个“裁剪信息”，通知该点不要再向自己发送该组的报文。若 一个路由器发现它所有的邻接点( 除了通往源点的那个之外) 都返回了裁剪信息，则也要向发来报文的 上行路由器返回一个裁剪信息。依此类推，当裁剪信息返回源点的邻接路由器之后就完成了整个组播转 发树的建立，剩f 的报文只会在组内广播。 这种方法要求路由器记住网络中各个群组的成员关系。但是群组关系是会动态变化的，因此要为这 些成员关系设立计时器，以便在一段时间后重新开始泛洪一裁剪过程，以更新成员关系。因此，这是一 种用内存换带宽的方法，通过记住群组的成员关系来减少无效的报文传输。虽然泛洪一裁剪方法比较简 单，但是泛洪一裁剪过程占用了大量的网络资源和路由器资源。在群组成员相对集中时，被裁剪掉的端 口相对较少，泛洪测试的代价也相对较小，该方法能体现出较高的效率。属于稠密模式的组播路由协议 有：d v m r p ，m o s p f ，p i m - - d m 等。 2 稀疏模式的组播路由协议 稀疏模式要求组播组成员显式地加入组播组，从而建立组播转发树，组播路由器只向请求转发数据 的端e 1 转发组播报文。稀疏模式有一个中心点，称为汇聚点r p 。稀疏模式并不为每个源点建立一个组播 分发树，而是以汇聚点为根建立一棵共享的分发树，群组中的所有数据源共享这棵分发树。属于稀疏模 式的组播路由协议有：p i m - - s m ，c b t ，o c b t ，h i p 等等。其中p i m - - s m 协议比较复杂，它允许在某 些情况转变成建立以源点为起点的最短路径分发树。咀提高路由效率。稀疏模式认为群组成员分散在一 个较大的范围内，部分区域内的群组成员较少。在这种情况下稠密模式的泛洪一裁剪方法会浪费大量的 网络带宽。而稀疏模式借助于主机和组播路由器加入组播组所发送的加入信息，建立组播转发树和更新 组捅路由器的转发表，因此稀疏模式可以极大的减少维护组播共享树所耗费的网络资源。 1 1 4 组播群组管理 i g m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g ep r o t o c 0 1 ) 是一种主机一路由器协议，规范主机如何向路由器通知成 员信息，以及路由器如何向邻接的主机请求成员信息。到目前为止，该协议有3 个版本( v l 、v 2 署1 iv 3 ) ， i g m p v l 和i g m p v 2 1 2 l 已经成为正式标准，i g m p v 3 1 1 4 1 还在制定之中，目前使用比较广泛的是1 g m p v 2 。 i g m p v 2 的基本工作机制如下。子网中的主机通过i g m p 协议向组播路由器报告它所属的群，从而使组 播路由器知道需要向这个子网转发有关的报文。组播路由器使用i g m p 肘子网内的主机进行定期探询， 以了解这个群成员是否依然存在，在子网附接多个组播路由器的情况下，则要选一个作为探询的代表 通常为i p 地址大者。i g m p 消息封装在l p 数据报文中，用l p 协议号2 来标识。传送i g m p 信息的j p 报 4 _ _ _ - _ = _ _ j 三塑立一 文设置t t l 值为】，因此i g m p 报文不会被路由器转发出去。 1 2 组播的优点 自从1 9 8 8 年提出组播概念以来，组播技术取得了眭足的发展，被越来越广泛的应用于网络之中，这 是因为和单播相比组播具有非常显著的优点。 1 2 1 节省带宽 与单播对比图 图1 - 4 绢播 在图1 4 所示的网络拓扑中，假设存在一台服务器需要向4 个客户发送一份相同的文件。如果采用 单捅进行文们传输，由丁| 单插通信仅能从一个源点传输到一个宿点，所以服务器必须向4 个接收者分别 发送4 份拷贝。但是如果采用组播进行文件传输，由于组播通信由组播路由器对数据流进行复制，所以 服务器仅仅发送l 份拷贝即可。定义数据流总带宽为同时发送一个连续数据流到所有接收者所需要的网 络带宽，它等于数据流传输速率和转发跳数的乘积。可以利用数据流总带宽对单播和组播的带宽耗费进 行定量比较。如果图1 4 中文件传输速率为5 0 k b p s ，则单播的数据流总带宽为7 5 0 k d p s ( 5 0 k b p s x1 5 ) ， 组播的数据流总带宽为4 0 0 k d p s ( 5 0 k b p s x 8 ) ，组播所消耗的网络带宽仅为单播的5 3 。由此可见，组 播技术对于网络带宽的节省是非常明显的。关注网络带宽消耗最大的链路服务器到邻接路由器之间 的链路，单播情况下该链路上网络带宽的消耗是与接收者数量成正比的，所以当接收者数量不断增加时， 将耗尽所有的带宽，导致网络拥塞；组播情况下该链路上网络带宽的消耗不随接收者数量的增加而增加， 因此不会引起网络拥塞。 东南大学硕士学位论文 1 2 2 减轻服务器的负载 图1 ，4 中利用单播进行文件传输时，由于服务器需要为每个接收者单独进行文件传输，所以随着接 收者数量增多，不仅网络带宽消耗将随之成正比增长，而且服务器的负载也将不断增加。服务器的负载 能力总是存在上限的，所以当接收者数量增加导致服务器负载接近极限时，服务器的服务质量和响应速 度就会严重降低，甚至无法响应新的客户服务请求。利用组播进行文件传输时，服务器仅需要进行一次 文件传输，组捅路由器负责复制数据流传送给多个接收者，接收者数量的增加对服务器的负载没有影响。 1 3 组播的问题 1 3 1 组播的可靠性 1 p 绢播数据包传输使用用户数据报协议( u d p ) ，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 绸播应用必定会遇到数据包丢失和乱序等问题。对于不同应用必须在确认方式( 肯定确认a c k 剌否定确认n a c k ) ，集中确认与分布确认、重传机制、重传范围、流量控制、拥塞控制、e n d t o e n d 延 迟和广播延迟、网络抖动、可伸缩性与网络的异构性等方面做出综合考虑，提出相应的解决办法。 迄今为 e ，尽管在广域网环境中已经存在许多可靠组播协议，包括可靠组播协议r m p ( r e l i a b l e m u l t i c a s tp r o t o c 0 1 ) 、可扩展可靠组播s r m ( s c a l a b l er e l i a b l em u l t i c a s t ) 、基于日志的可靠组播l b r m ( l o g b a s e dr e l i a b l em u l t i c a s t ) 和可靠组播传输协议r m t p ( r c i i a b l em u l t i c a s tt r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) ，但组 孺的可靠性研究仍然是国际上的重点研究课题之一。 1 3 2 组播的安全性 安全组播就是只有注册的发送者才可以向组发送数据；只有注册韵接收者才可以接收组播数据。然 而i p 组播很难保证这一点。 首先，l p 组播使用u d p ，任何主机都可以向某个组播地址发送u d p 包，并且低层组播机构将传送 这些u d p 包到所有组成员。其次，i n t e m e t 缺少对于网络层的访问控制。第三，组成员可以随时加入，退 出组播组。这儿点使组播安全性问题同组播的可靠性问题一样难以解决。 总的来说，安全组播可分为集中式和分布( 分层) 式密钥管理体系。目前，对于组播安全性问题已 有n a i v e 密钥管理、l o l u s 、n o r t e l 框架和s r m ( s e c u r er e l i a b l em u l t i e a s t ) 等解决方案。m a t t h e wj m a y e r 等人提出了安全组播评估标准，回顾并讨论了安全组播体系结构、组密钥管理和信源认证等问题。然而 现有的解决方案都不同程度的存在不足，安全组播仍然是一个技术难点i l ”。 1 3 2 组播的性能监测 从端到端传输延迟和可靠性方面考虑，组播应用可大致分为三类： 1 ) 实时交互应用，如视频会议系统，这类应用对可靠性要求相对较低，但对端到端传输延迟和网络 抖动的要求很高。 2 ) 实时非交互型应用，如数据广播，这类应用传输延迟要求相对前一类应用较低，但在一定延迟范 同内，却对可靠性提出更高要求。 3 ) 非实时应用，如软件分发，这类应用中，可靠性是最基本的要求，在满足可靠性要求的前提下， 必须保证传输延迟在可接受的范围之内。 针对不同类型的应用，组播q o s 的提高要求网络管理者对端到端传输性能进行监测。单播领域中， 相关的性能指标定义和测量手段已经形成比较完善的一套体系结构。但是在组播领域中，情况则比较复 杂。首先，组播的性能指标还未完全定义，仅有部分指标完成了标准化工作。其次，性能指标的测量机 制还不完善，在目前已有的组播性能监测系统中分别进行了不同测量机制的探索。最后，组播端到端性 6 第一章引言 能对于整个组播网络性能的映射关系尚未明确，如何利用端到端性能数据表述整个网络的组播传输性能 还有待研究。 本论文i i ：是在组播性能监测方面做了一些探索，希望本论文的实践能够对于解决上述问题有所启示。 本章小结 本章首先对组播技术的基本概念、组播地址、绢播路由和组播群组管理进行了简单介绍，然后着重 阐述了组捅技术的优点种i 目前面临的问题。 今年4 月，教育部高校防治非典科技攻关视频会议依托中国教育和科研训算机n ( c e r n e n 成功地 在全国8 个城市1 7 个单位同时举行。该视频会议系统是基于下一代互联网的大规模组播视频技术在我国 首次成功应用，也是r 一代高速计算机互联网典型应用普及化的开始。与其他视频会议系统相比，该系 统具有超强的交互能力，任何一个会场都可以显示所有会场的图象并成为大会中心，进行自由的讨论。 从理论上讲，只要有充足的带宽，该系统可以支持无限多个会场同时举行会议。由于依托c e r n e t 高速 计算机互联网，该会议系统图像清晰，价格低廉，特别适合广泛应用于各种会议、远程教育、远程医疗 等各个领域。 i p 组播的发展要求相应的管理技术协调发展，本论文以l p 组播性能监测为核心论题，设计并实现 了一个基于s l a 的组播性能监测系统 7 至要盔兰塑主茎垡笙兰 第二章组播性能监测的发展现状 本章介绍目前组播性能监测技术的发展现状，说明组播性能监测的需求，组播性能监测技术面临的 关键问题，以及几种具有代表性的组播性能监测系统。 2 1 组播性能监测的应用要求 i p 绢播通信正在成为目前研究的热点。这种提供一到多或者多到多功能的数据传输方式正在被科研 机构、标准化组织以及网络服务提供者所关注。自从1 9 8 8 年s t e v ed e e r i n g 在博士论文中首次提出组播 理论和1 9 9 2 年美国圣地亚哥所举办的i e t f 会议上首次进行了大范围的组播应用试验开始【1 6 1 ，组播技术 已经逐渐从试验走向实用。组播的许多方面问题必须得到妥善解决，其中包括组播可靠性，组播安全性， 绢播可管理性，以及部署组播体系的复杂性。组播技术需要成为种稳定的网络服务，才能促使网络服 务提供者广泛部署组播体系。并进一步促进组播技术自身的发展。因此，上述方面正在吸引越来越多的 研究者参与进来。 网络管理一直是吸引研究机构和商业机构兴趣的热门领域。到目前为止，单播通信网络管理已经研 究出了比较完善的解决方案，但是组播网络管理系统的研究还很不充分。造成现状的主要原因是组播通 信拥有许多不同于单播通信的特点，因此不能直接将用于单播通信网络管理的比较完善的技术应用到组 播网络管理中来，研究者必须针对组播的特点开发新的管理技术。具体而言，组播具有以下这些不同于 单播的特点： 1 ) 实现一到多、多到多通信，通信链路呈树型； 2 ) 采用开放模型，任何网络结点都可以发送和接收组播信息； 3 ) 组播成员具有很强的动态性，可以随时加入或离开； 4 ) 组播转发所需的信息仅在组播会话生存期内存在，不易预先进行分析； 5 ) 组播可能具有相当大规模的潜在成员。 一个好的网络管理系统通常包含如下的几个重要功能和能力i l7 j ：流量管理、性能监测、容量规划、 故障监测、故障定位和故障预防。上述几个方面是密切相关、相互协同工作的，其中性能监测是整个系 统的基础。性能监测是获取网络运行状况数据的直接手段。是网络管理人员掌握网络情况的直接工具。 性能监测部分与其他部分协同工作，能够更好的保障网络服务质量。性能监测获取的信息可以指导流量 管理部分进行网络的优化。例如，如果性能监测发现某链路由于拥塞造成丢包率过高，可以要求流量管 理进行流量控制，从而自动保障网络服务质量。长期性能监测得到的历史数据将被容量规划部分用来进 行分析，得出结论。故障监测、故障定位和故障预防更是离不开性能监测。通常性能监测指标劣化到一 定程度就会产生故障告警，通知故障监测部分。故障定位则必须综合分析来自于不同性能监测点的数据， 才能正确定位故障发生的区域。故障预防也需要通过通信行为预演结合性能监测来进行。总之，组播性 能监测在憨个组播管理系统中具有重要地位，因此对组播性能监测的研究有着积极意义。本论文的重点 也正是组播性能监测的原理与实现。 2 2 组播性能监测面临的难题 如上文所述，组播通信具有许多不同于单播通信的特点，导致许多在单播领域已经得到解决的问题 成为组播性能监测领域的难题。性能指标的选择，性能采集机制，性能指标的测量和性能监测代理的分 布原则是当前组播性能监测面临几个比较关键的问题。 在性能指标方面，主要问题是性能指标缺乏标准化。单播性能监测领域，i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 组织的i p p m ( i pp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ) 工作组已经定义了一整套比较完备的性能指 8 第二章组播性能监测韵发展现状 标，用于描述网络服务性能。但是对于组播性能监测领域，其标准化工作则远远落后了。如何确定组播 性能监测的性能指标目前还没有标准可依，必须根据实际需求、实现代价和可行性等多方面来综合决定。 在性能采集机制方面，目前存在两种主要采集机制：基于s n 肝协议，通过测量代理测量。基于s n m p 协议的性能采集有一套比较成熟的机制，许多单播领域的经验可以直接应用与组播领域的性能监测，但 是其前提是建立相应的m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 。而目前组播性能指标标准化工作的滞后 也影响了组播m i b 的建立，因此基于s n m p 协议的组播性能采集机制还不具备实现基础。通过测量代理测 堵的性能采集机制是目前组播性能监测系统的主要实现方式，它可以实现标准性能指标和定制性能指标 的测鼙，适应灵活多样的系统需求。但是整个系统的实现代价和部署代价都比较高。 在性能指标的测量手段方面，目前存在两种主要手段：主动测量和被动测量。主动测量的问题在于 会引入额外的流量，该流量会随网络规模的扩大而增加，严重时会造成网络性能劣化，同时测量的准确 性不高。被动测量也存在一些问题；首先，难以获得性能统计信息；其次，难以在网络中获得足够的组 播流量：再次，难以获取活跃组播会话；最后，如何选择合适的组播会话作为测量目标也是一个难题。 最后，组播性能监测代理的分布原则直接影响性能监测的方法和效果。已有的组播性能监测系统虽 然都是采用分布式的系统结构，但是对于组播性能监测代理的分布原则却有所不同。有些系统要求在路 由器中部署监测代理，部署的代价非常高，需要将路由器( 特别是骨干路由器) 全部更新，这几乎是不 可能的。另一些系统的监测代理部署具有随意性，性能监测结果无法被组播网络管理系统的其它子系统 利用。 2 3 组播性能监测的研究现状 伴随着组播技术的发展，研究者开发了许多组播监测系统。这些系统按照用途来分，大致可以分为 三类【1 q ：管理，诊断，建模。图2 - 1 表示这些系统所属类别和时间顺序。 船： 2 0 0 0 2 0 0 2 前数据来自【1 8 】。 管珥工具渗断干具建模工社 图2 - i组播监测工具分类及时间表 9 东南大学硕士学位论文 虽然组播s l a 性能监测研究开展并不十分广泛，但是，组播性能监测是目前国际上比较活跃的一个 研究领域，从图2 - 1 可以看出它从组播技术诞生开始就伴随着组播技术的发展而发展。在初期，研究重 点是组播内在的运行机制，性能监测关注的重点是指定链路和通道的性能，目标是作为网络故障处理的 辅助手段。因此早期的组播监测工具都围绕着组播诊断这一目的。例如r t p m o n ( r e a l - t i m et r a n s p o r t p r o t o c o l m o n i t o r ) 【l ”和r e t r a c e 【2 0 】。这些工具适合于组播研究的专家用来获取组播网络的细节信息。它 们要求使用者具备丰富的组播知识，这一特征使此类工具的使用范围受到很大局限。在现阶段，其关注 的重点则逐渐转移到全网的性能，其目标也变为帮助网络服务提供商提供高质量的组播服务。 目前，世界上许多研究机构都在开发自己的组播性能监测系统，例如u c s b ( t h eu n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a i ns a n t a b a r b a r a ) 的m r m ( m u l t i c a s t r e a c h a b i l i t y m o n i t o r i n g p r o t o c 0 1 ) 2 i j 、u m ( u n i v e r s i t yo f m a s s a c h u s e t t s ) 的h p m m ( h i e r a r c h i c a l p a s s i v e m u l t i c a s t m o n i t o r ) l z z l 和n l a n r - d a s t 的m u l t i c a s t b e a c o n t “j 等等。这些方案在总体上都采用了分布式组播性监测代理和中心管理服务器协同工作这样种分布式的 方案，但在组播性能监测的具体实施上，分别进行了不同的探索。 2 4 典型组播性能监测系统的分析 组橘性能监测技术发展至今，出现了许多典型系统。早期的典型系统有r t p m o n 和s d r - m o n i t o r 等， 目前的典型系统有m r m h p m m ，m u l t i c a s tb e a c o n 等，下面分别对这些组播性能监测系统作一些介绍 祠1 分析。 2 4 1r t p m o n ( r e a b t i m e t r a n s p o r tp r o t o c o l - m o n i t o n 作为最早的组播性能监控工具之一，r t p m o n 的原理非常简单。它通过采集和分析r t c p 源点和接 收者报告来得到组播网络性能状况。r t c p 要求全体组播组成员都定期向组播组发送性能报告，因此 r t p m o n 加入其中就可以获得定期性能报告，从而计算出端到端的性能指标，包括丢包率和传输延时抖 动。 该工具的局限性十分明显，主要有以下几点： 依赖于r t c p 如果组播成员仅进行数据收发，而不发送性能报告，r t p m o n 则不能工作。 数据采集依赖于组播，如果组播系统出现故障，r t p m o n 将不能工作，因此也无法为解决故障 提供帮助。 采集性能指标较少，并且局限于当前活跃组播会话所涉及的组播网络，不能胜任对整个组播网 络进行监测的任务。 2 4 2s d r - m o n i t o r ( s e s s i o nd i r e c t o r yt o o l m o n i t o r ) s d r - m o n i t o r 是一种应用层组播可达性监测工具。它是通过监测向全部组播成员发送的组播会话通 告来实现可达性监测的。这些通告被广泛的用于向潜在用户传播活跃组播组的信息。组播研究者们利用 这种通告机制宣告可用的组播音频、视频、白板或文本会话。在s d r - m o n i t o r 系统中，这些定期出现的 通告被用作心跳消息来监测组播网络的可达性。 s d r m o n i t o r 采用分布式体系结构。如图2 - 2 所示，它包括下面几中实体： 会话通告产生者：任何主机发送会话通告到众所周知的会话通告地址( 如s d r 或其它工具) 就被认 为是s d r m o n i t o r 心跳消息的一个源，即会话通告产生者。 s d r - m o n r o r 参与者：任何s d r 用户都可能成为s d r m o n i t o r 参与者，但是s d g - m o n i t o r 参与者 的总数是有限的，活跃的s d r - m o n i t o r 参与者的数量大约为2 5 3 0 。s d r - m o n i t o r 参与者定期将本机所 接收到的组播会话通告清单以e m a i l 的方式提交给中央采集结点。 中央采集处理结点：在这里，管理程序接收来自s d r - m o n i t o r 参与者的e m a i l 并且进行处理，产生 w e b 页面来显示可达性矩阵。同时，管理程序还为可达性矩阵定期生成快照留作长期分析使用。 1 0 第二章组播性能监测的发展现状 图2 - 2s d r m o n i t o r 体系结构 该工具的局限性主要有以下几点： v ， s d r - m o n i t o r 与s d r ( s e s s i o nd i r e c t o r yt 0 0 1 ) 服务有很强的依赖关系。s d r - m o n i