（计算机应用技术专业论文）协同设计中可靠多播技术的研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 ，摘要 f 协同设计作为计算机支持的协同工作( c s c w ) 在设计领域中的应用， 是当前计算机应用技术的一个重要研究方向。在协同的过程中，不可避免地 要在多个参与者之间进行信息交互，要从某一个参与者向其它参与者同时发 送相同的信息。传统的点到点通信和广播通信不能适应协同设计中这种点到 多点的通信需求，i p 多播正是针对此类问题提出的一种新型网络传输方案， 它允许一个i p 节点将一个报文一次发送给网络上的一组特定节点，可以节省 网络资源，有效提高网络传输效率。然而i p 多播使用的传输层协议是u d p 协议，提供的数据传输只是“尽力交付”，不能保证数据传输的可靠性。而在 协同设计中的数据交互要求能够保证数据传输的完全可靠，因此必须在应用 程序中进行必要的控制方法来实现i p 多播的可靠传输。 本文根据西南交通大学c a d 工程中心提出的“协同设计系统整体框架”， 分析了协同设计系统与通信服务模块的关系，提出了协同设计系统中的通信 模块的体系结构。详细研究了i p 多播传输的流程、数据传输的差错检测方法 及差错恢复方法，提出在协同设计系统中实现可靠多播的控制方法：利用序 列号和计时器相结合的方法进行传输数据的差错检测，改进了基于n a k 反 馈信息的a r q 重传机制来实现差错恢复，并引入了滑动窗口机制来解决传 统n a k 方法的不足，采用“时间分槽一抑制”技术来解决由于进行多播可 靠控制而产生的“反馈内陷”问题。最后编程实现封装多播的可靠传输，为 协同设计系统提供可靠的多播通信支持。 可靠多播问题的研究是计算机支持的协同工作( c s c w ) 的关键支撑技 术，对协同设计系统的开发具有重要的现实意义。目前关于i p 多播的可靠传 输问题还在研究之中，并没有形成标准。作为国家8 6 3 计划项目： “2 0 0 1 a a 4 1 1 3 2 0 以成德绵为核心的区域现代集成制造系统开发及应用”与 四川省重大科技攻关项目：“0 1 g g 0 1 0 0 1 区域制造业信息化关键技术与应 用研究”的一部分，本文提出的方法可以有效抑制“反馈内陷”问题，能够 实现i p 多播的可靠传输，为协同设计系统提供可靠的多点通信支持，具有一 定的理论和实用价值。 关键词：可靠多播差错埠制协同设计c s c w v 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第h 页 a b s t r a c t a sa l l a p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs u p p o s e dc o o p e r a t i v ew o r k ( c s c w ) t o c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) f i e l d ，c o o p e r a t i v ed e s i g n i sa l l i m p o n a m d i r e c t i o no fc u r r e n t l yr e s e a r c h i n gi nc o m p u t e ra p p l i e a t i o n i ti su n a v o i d a b l et h a t i n f o r m a t i o ni se x c h a n g e da m o n g m u l t i p a r t i c i p a t o r s ，a n dt h es a n l ei n f o r m a t i o ni s t r a n s p o r t e df r o mo n et o o t h e rp a r t i c i p a t o r sa tt h es a m et i m e t h et r a d i t i o n a l u n i c a s ta n db r o a d c a s tc a n tm e e tt h ed e m a n do f p o i n t t o m u l t i p o i n t s c o m m u n i c a t i o nf o r c o o p e r a t i v ed e s i g a ，i p m u l t i c a s ti st h en o v e l t r a n s p o r t p r o t o c o lt o s o l v et h i s q u e s t i o n i tp e r m i t st h a t as o u r c ei nt h en e t w o r ko n c e d e l i v e r sap a c k e tt oa na r b i t r a r yn u m b e ro fr e c e i v e r s s oi tc a l lr e t r e n c ht h e n e t w o r kr e s o u r c e sa n de n h a n c et h et r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y h o w e v e r , i p m u l t i c a s tm a k eu s eo fu d p p r o t o c o lt od e l i v e rd a t a g r a mo nt h et r a n s p o r tl a y e r ， w h i c ho n l yp r o v i d e sa “b e s te f f o r td e l i v e r y ”s e r v i c e ，s ot h i sp r o t o c o lc a n ts u r e t h er e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n b u tt h ed a t at r a n s m i s s i o no fc o o p e r a t i v e d e s i g nd e m a n d st h ep e r f e c tr e l i a b i l i t y , s os o m en e c e s s a r ye r r o rc o n t r o lm e t h o d s u s e di n a p p l i c a t i o n a r e i n d i s p e n s a b l e t or e a l i z et h e r e l i a b i l i t y o fd a t a t r a n s m i s s i o n a c c o r d i n gt o f r a m e w o r ko fc o o p e r a t i v ed e s i g ns y s t e m p r o p o s e db yt h e c e n t e ro fc a de n g s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t y , t h i st h e s i sa n a l y s e st h e r e l a t i o nb e t w e e nc o o p e r a t i v ed e s i g ns y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c em o d u l e ， a n da l s op u t sf o r w a r dt h es t r u c t u r eo fc o m m u n i e a t i o ns e r v i c em o d u l ei nt h e c o o p e r a t i v ed e s i g ns y s t e m t h i s t h e s i sd i s c u s s e sd e t a i l e d l yt h ef l o wp r o c e s so fi p m u l t i c a s t ，e r r o rd i s c o v e r ym e t h o da n d e r r o rr e c o v e r ym e t h o d ，a n da l s op r o p o s e sa n e we r r o rc o n t r o lm e t h o dt oi m p l e m e n tr e l i a b l em u l t i e a s ti nc o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ed e s i g ns y s t e m ：s e r i a li n t e g r a t e s w i t ht i m e ra r eu s e dt od i s c o v e r e r r o r , a r qm e c h a n i s mb a s e do nn a kf e e d b a c k j sm o d i f i e dt oc o r r e c te r r o r , s l i d i n g w i n d o w ”m e c h a n i s mi s i m p o r t e d t om a k eu pt h ed r a w b a c k so f t r a d i t i o n a ln a k ，a n d s l o t t i n ga n dd a m p i n g t e c h n i q u ei s u s e dt or e s o l v et h e q u e s t i o no f “f e e d b a c ki m p l o s i o n w h i c h r e s u l t sf r o mm u l t i c a s tr e l i a b i l i t yc o n t r 0 1 a tl a s t ，f u n c t i o nm o d u l e so ft h ef o r e g o i n ga r ei m p l e m e n t e di nt h er e l i a b l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 m u l t i c a s t p r o g r a m ，w h i c hp r o v i d e s r e l i a b l em u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o nf o r c o o p e r a t i v ed e s i g ns y s t e m r e s e a r c ho nt h er e l i a b l em u l t i c a s ti sak e y t e c h n o l o g yt os u p p o r tc s c w , a n d h a sa ni m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f o rt h e d e v e l o p m e n t o fc o o p e r a t i v e d e s i g ns y s t e m a tp r e s e n t ，t h ep r o b l e mo nr e l i a b l e m u l t i c a s tt r a n s m i s s i o ni s b e i n gi n v e s t i g a t e dy e t ，a n dd o n tc o m ei n t ob e i n gau n i f o r ms t a n d a r d a sap a r t o ft h en a t i o n a l8 6 3 p l a n n e dp r o j e c t - 一2 0 0 1a a 4113 2 0 r e g i o n a l m o d e r n i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r e s y s t e md e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o r i e n t e d c i t y c h e n g d u ，d e y a n ga n dm i a n y a n g a n dt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yk e yp r o j e c to f s i c h u a np r o v i n c e 一t h ee n g i n e e r i n gc o n f i g u r a t i o ni n t e l l i g e n tc a d t e c h n o l o g y o r i e n t e dt h ep r o c e s so f d e s i g n ”，t h i st h e s i sp r o p o s e sam o d i f i e ds c h e m e ，w h i c h r e s t r a i n se f f i c i e n t l yt h e f e e d b a c ki m p l o s i o n ”q u e s t i o n ，a n di sa b l et or e a l i z et h e r e l i a b l em u l t i c a s t t h i ss c h e m eh a s c o n s i d e r a b l y a c a d e m i ca n d p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：r e l i a b l em u l t i c a s t ；e r r o rc o n t r o l ；c o o p e r a t i v ed e s i g n ，c s c w 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 协同设计的发展背景 计算机技术的发展把人类社会带入信息化时代。随着信息化进程的不断 深入，通信技术与计算机应用技术及网络技术互相融合，给协同科学的研究、 应用提供了更加有力的支持。计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 这一新的研究领域的产生，可以说是信息化进程 发展的一种必然产物i i l 。 早在2 0 世纪6 0 年代，美国的d 英格巴特发表了一篇题为“ac o n c e p t u a l f r a m e w o r kf o rt h ea u g m e n t a t i o no f m a n si n t e l l e c t ”的文章，对协同系统的研 究起了开创性的作用；到2 0 世纪7 0 年代，德国斯图加特大学物理学家h e r m a n h a k e n 就提出了“协同学”研究的概念：1 9 8 4 年m i t 的i r e n eg r i e f 和d e c 的p a u lc a s h m e n 两位研究员正式提出了c s c w 的概念。这是他们为正在组 织安排有关如何用计算机支持交叉学科的人们共同工作的课题时提出来的 1 2 1 。 协同的概念发展到“c s c w ”是人类社会进入信息时代的必然产物。它 是现代社会中，以人们协同工作方式为背景，以计算机和通讯技术的发展和 融合为基础，以具有广泛的应用领域为前提而形成和发展的。 ( 1 ) 群体、交互、协作的社会工作方式：信息化社会中人的生活方式和 劳动方式的本来特征群体性、交互性、分布性和协作性等得到更充 分的体现【j i 。 ( 2 ) 信息及其表达、传播的多样性：在早期只能处理0 和l 二进制数字 信息的计算机时代，以计算机作为工具收集、表示和处理信息的能力是有限 的。如今，多媒体计算机技术的发展，使得我们以计算机为工具收集、表示 和处理信息多样性的能力大大提高了”】。 ( 3 ) 强大的计算机学科发展的技术背景：计算机技术( 高速c p u 、大 容量硬盘、光盘技术、现代操作系统、窗口技术) ，并行处理和分布式处理技 术，多媒体技术，数据库技术，人工智能等。 ( 4 ) 计算机系统结构的发展创造了网络计算和协同计算的环境：计算机 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 体系结构是沿着“单机用户一单机多用户一多机系统一计算机网络一计算机 互联、互操作和协同工作”这样的方向发展的1 5 】。而计算机互联、互操作和 协同工作构成的网络计算和协同计算，是实现c s c w 的基础。 ( 5 ) 通信和计算机技术的飞速发展及其两者的结合远远超过了它们单独 所能产生的作用和效果，即所谓“n e t w o r k c o m p u t e r + c o m m u n i c a t i o n ”的 功效【6 1 。 ( 6 ) 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 的概念几乎是和c s c w 的 概念同期( 1 9 8 6 年) 提出的。它是一种关于系统集成、并行设计及其相关过 程的系统方法。这种方法可以使开发人员一开始就能考虑到从概念设计到产 品更新换代的整个生命周期的所有因素，包括用户需求分析、试制、生产、 设计、产品销售、计划进度、质量控制、成本计算等等，可以获得提高质量、 缩短产品上市时间、降低成本等许多好处【7 1 。而大型工程项目更需要并行工 程技术的支持。并行工程强调团体协作( t e a m w o r k ) ，而对团体协作的技术支 持是和c s c w 的研究密切相关的。 ( 7 ) 系统工程需要c s c w 的支持：c s c w 的发展将为系统工程提供一 整套的方法和技术支持。系统工程广泛渗透到几乎包括工业、农业、军事、 商业等社会生活的各个领域。所有的系统工程都由其隶属的互相联系或互相 依存的群体事物所构成，它们具有集合性、层次性、交互性、目的性、协同 性等特征，这正是c s c w 的应用领域，也是协同概念在信息化时代的新发展。 c s c w 的目的是利用多媒体技术和通讯技术建立一个协同工作环境，在 此环境中人们可以互相合作，共同工作于一个产品，一个研究领域或一个项 目，或求解学术上的问题。在军事、工业、医疗、科研等诸多领域中，c s c w 正在发挥越来越重要的作用，协同设计( c o o p e r a t i v ed e s i g n ) 便是一个典型 的应用。现代复杂产品的设计大多需要许多人员共同参与，如一座电梯公寓 的设计，就需要结构工程师，建筑工程师，环境工程师等多学科的设计人员 的共同参与。协同设计能支持多学科专家的共同工作，从而大大提高工作效 率，缩短设计周期。 从c s c w 的应用角度来理解，可以认为协同设计是指在计算机的支持 下，各成员围绕一个设计项目，承担相应的部分设计任务，并行交互的进行 设计工作，最终得到符合要求的设计方案。一般认为协同设计具有如下的内 涵【8 1 1 9 | 1 1 0 l ： ( 1 ) 协同设计是一个协同工作的过程。如前所述，随着c s c w 的发展， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 人们将协同设计纳入到c s c w 的计算框架之中，将协同设计视为c s c w 的 应用，即各设计专家共同合作的设计过程。 ( 2 ) 协同设计是一个通讯处理过程。在这个过程中，通讯和协调是最重 要的问题。协同设计中的通讯语言机制和通讯规则有利于整个设计过程的通 讯监控。 ( 3 ) 协同设计是一个知识共享和集成的过程。各个设计专家必须共享数 据、信息和知识。各个设计小组内部必须能共享知识与设计经验，还要能从 其他设计小组获取信息，各个设计小组之间应该能够进行对设计背景与设计 目标的讨论。各个设计小组不单单是共享知识与信息，而且要把这些信息集 成而产生新的设计方案。 ( 4 ) 协同设计是一个管理过程。它强调在协同设计中的任务管理，如规 划、监控、调度、协商和决策支持。规划则考虑要执行任务的协同性，监控 则考虑如何实现这些目标的决策。 1 2 协同设计中的通信问题 在传统的计算机网络中，点到点通信和广播通信是两种主要的通信方式。 点到点通信允许单个网络节点向网络上的另一个网络节点发送报文；而广播 通信则允许某个网络节点将一个报文一次发送给网上的所有节点。传统的计 算机网络技术，主要研究的是计算机间的互联和互操作，特别是开放系统互 联参考模型中主要考虑的问题是点到点的通信问题，即各种计算机网络通信 服务都是通过一系列的点到点通信实现的，这也是计算机网络在互联和互操 作情况下的主要通信模型。这种通信模型能够满足计算机间基本的互联和互 操作。 在实现计算机间基本的互联和互操作后，计算机网络技术的一个重要发 展方向是研究计算机支持的协同工作( c s c w ) ，研究计算机协同工作所需的 计算机网络技术，提供计算机协同工作所需的计算机网络通信服务i l l l 。在协 同设计中，不只是实现两台计算机的互联和互操作，需要协调的不仅仅是两 台计算机间的信息交流，而是一个计算机群体的同时协调工作，这就需要提 供点到多点的数据传输通信能力，传统的点到点通信方式或是广播通信方式 无法很好地解决此类问题【l2 1 。若采用传统的点到点通信方式，要把相同的报 文重复发送，浪费了网络资源，增加网络的传输负担，严重的影响通信效率； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 而广播通信不能越过路由器的限制，只能在同一个子网中传输，并且是把报 文传送到子网中的所有节点，不能实现与特定的部分节点的通信。 i p 多播正是针对此类问题提出的一种新型网络传输方案，是介于点到点 通信和广播通信之间的一种数据传输方式。多播允许一个i p 节点将一个报文 一次发送给网络上的一组指定节点，只有该组内的节点可以接收到该报文， 其它节点则不能收到。这一组i p 节点是动态形成的，每一个i p 节点都可以 动态地加入或退出该组。 i p 多播的主要优点有：1 1 3 1 ( 1 ) 高效的多目标传送。当一个发送者向多目标传送相同信息时，多播 通信相对点到点通信而言，数据传输量减少：也不象广播通信那样，必须给 每个目标都传送数据； ( 2 ) 传输目标不确定，参与通信的机器数量对程序透明。目标由一个组 地址来标识，而不是一系列具体地址，发送者使用这个组地址，可以向不确 定的一群接收者传输数据，接收者可以随时参加和退出组： ( 3 ) 对等通信，即没有客户和服务器之分，参与通信的主机可以使用同 一通信程序。 t c p i p 协议中的数据传输有两种方式：利用数据流方式的t c p 协议或是 利用用户数据报方式的u d p 协议。其中t c p 协议是面向连接的，在这种方式 下，两个进行通信的应用程序之间首先建立一种虚拟的连接关系，在数据传 输的过程中，各数据分组不携带目的地址，而使用连接号。本质上，连接是 一个管道，收发的数据不但顺序一致，而且内容相同。t c p 协议还通过差错 检测、差错恢复和流量控制等一系列手段保证数据的可靠传输；而u d p 协议 是无连接的，在这种方式下，每个数据分组都携带完整的目的地址，各分组 在网络中独立传输，每个分组都有可能丢失，也有可能后发的分组会先到达 目的地。u d p 协议提供的数据传输只是“尽力传送”，不能保证数据的可靠传 输。 传输层协议t c p 协议和u d p 协议中，只有u d p 协议可以支持多播通信。 i p 多播通信使用的传输层协议是u d p 协议，因此i p 多播通信也不能保证数 据的可靠传输，必须在应用程序中进行必要的控制来实现i p 多播的可靠传 输。而在协同设计过程中，不可避免地要遇到多个参与者之间的交互问题， 并且有可能要求从某个参与者发出的数据必须可靠地发送到组中的其它参与 者，这就是可靠多擂问题。为解决协同设计中的数据传输问题，必须进行可 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 靠多播的研究，这也是计算机支持的协同工作中的一项关键支撑技术，对协 同设计系统的开发具有重要的现实意义。 1 3 可靠多播的研究现状 1 9 9 9 年i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r st a s kf o r c e ) 成立了可靠多播传输工作 组，进行可靠多播传输标准的开发和制订。该工作组研究提出的可靠性多播 技术有三种【1 4 l ： ( 1 ) 环状多播( r i n g - b a s e d ) ：仿造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。缺点是管理起来比较困难，不支 持接收方数量较大的情况，只适合2 0 0 个节点以下的网络发送。 ( 2 ) 云状多播( c l o u d - b a s e d ) ：在发送方发送信息时，加上顺序号码， 接收方负责核对是否收到所有的分组，如果发现丢包，向发送方发送没有收 到的信号，发送方重新发送丢失的信包。这种方式可以支持更多的节点，而 且操作容易。 ( 3 ) 树状多播( t r e e b a s e d ) ：将所有的接收方组成层式的树状结构，由 树状顶层向下一层发送，依次类推，并负责确认下一层是否收到，这样就可 以支持大量的多播成员，但在管理接收方回送的确认信息时，会造成额外的 管理开销和麻烦。这种方式适用于卫星通信和w a n 。 关于可靠多播的问题，目前有很多人正在从事该方面的研究并获得了一 些成果。他们当中比较有代表性的有可靠多播协议r m p ( r e l i a b l em u l t i c a s t p r o l o c 0 1 ) 1 1 5 1 、可扩展可靠多播s r m ( s e a l a b l er e l i a b l em u l t i c a s t ) 1 6 1 、基于 日志的可靠多播l b r m ( l o g - b a s e d r e l i a b l em u l t i c a s t ) 【l ”、和可靠多播传输 协议r m t p ( r e l 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 ) i 哺】、群件通信系统，如 t o t e m 1 9 l 和t r a n s i s | 2 叭，同样使用可靠多播在一个小组内共享信息。 r m p t o t e m 和t r a n s i s 使用环状多播技术，允许多个发送者将信息发送 到接收者，与t o t e m 和t r a n s i s 强行指定发送者发送报文的顺序所不同的是， r m p 允许用户按数据多播的需要指定发送的顺序。但是以上这几个协议都依 赖于一个单独的协调器来对发往同一多播组的信息进行排序，用户端响应的 时间较长，协调器会成为性能的瓶颈，并且如果协调器出现故障，则整个多 播传输就会中断。因此这些协议的伸缩性较差。 s r m 是在当前分布式自板应用( w h i t eb o a r d ) 中使用的广为人知的可靠 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 多播协议，s r m 规定接收者必须跟踪在同多播组内其它所有接收者的状 态。这种处理方法对s r m 允许任意个接收者能够重传丢失数据来说是必 要的，但随着多播组规模的扩大，这种方式也就变得不实用了。s r m 允许多 个发送者同时将信息多播传输并且不对数据到达接收者的顺序进行强行的规 定，这是针对电子自板的需求定制的可靠多播协议。但是并不适合数据的可 靠传输。 l 1 3 r m 和r m t p 都使用树状多播技术，对于一个拥有大量接收者的网络， l b r m 依靠的是随机挑选的部分接收者返回的肯定方式的确认信息，而与 需要重传信息的接收者的数目无关。如果对这些接收者的挑选不当，就相当 于对使用多播重传或单播重传的选择不当，而肯定方式的确认将影响伸缩性。 r m t p 是为可靠多播文件而设计的，不太适合通用数据的可靠传输。 l b r m 和r m t p 引入了层次概念并将所有的接收者组成一定的结构组， 每个组中指定一个特殊的接收者( 代理) 负责收集、归并本组的反馈信息， 并向上一级组或接收者发送反馈信息。这种方法在很大程度上解决了多播的 伸缩性问题，但却需要增加附加的网络设备或向现有的网络设备中添加复杂 的归并算法，实现起来十分复杂【2 ”。 1 4 本文选题 在计算机网络中，传统的点到点通信和广播通信是两种主要的通信方式， 并且能够满足计算机基本的互联和互操作的需求。随着计算机网络和计算机 应用技术的不断发展，计算机支持的协同工作( c s c w ) 成为计算机技术发 展的必然趋势。协同设计作为计算机支持的协同工作( c s c w ) 在设计领域 中的应用，是当前计算机应用技术的一个重要研究方向。在协同的过程中， 不可避免地要在多个参与者之间进行信息交互，要从某一个参与者向其它参 与者同时发送相同的信息。传统的点到点通信和广播通信不能适应协同设计 中这种点到多点的通信需求，i p 多播正是针对此类问题提出的一种新型网络 传输方案，它允许一个i p 节点将一个报文一次发送给网络上的一组特定节 点，可以节省网络资源，有效提高网络传输效率。然而i p 多播使用的传输层 协议是u d p 协议，提供的数据传输只是“尽力交付”，不能保证数据传输的 可靠性。而在协同设计中的数据交互要求能够保证数据传输的完全可靠，因 此必须在应用程序中进行必要的控制方法来实现l p 多播的可靠传输。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 与传统的点到点的可靠数据传输协议不同的是，“o n es i z ef i t sa l l ”的定 律并不适用于可靠多播传输，不同的多播应用对数据传输服务的要求存在着 很大的差异，没有一种可靠多播协议能适用于所有的情况，比如说音频视频 等媒体信息的多播更注重实时性，对可靠性要求较低；白板等会议工具对延 时敏感，并且要求有可靠性保证；而数据传输应用只关心数据的完整性。这 就造成了低层的可靠机制有很大的差别：在数据传输应用中，丢失的数据包 可以在一轮传输后进行重传：在会议工具中，丢失的数据包必须尽可能快地 恢复：而在音频视频等媒体信息的多播中不能应用重传来恢复丢失的数据包。 因此可靠多播的研究必须针对某种具体的应用进行。 可靠多播问题的研究是计算机支持的协同工作( c s c w ) 的关键支撑技 术，对协同设计系统的开发具有重要的现实意义。目前关于i p 多播的可靠传 输问题还在研究之中，并没有形成标准。本文根据对协同设计环境中的通信 问题研究，提出一种改进的可靠多播差错控制方案，能够实现i p 多播的可靠 传输，为协同设计系统提供可靠的多播通信支持，具有一定的理论和实用价 值。 1 5 本文主要工作 可靠多播问题的研究是计算机支持的协同工作( c s c w ) 的关键支撑技 术，对协同设计系统的开发具有重要的现实意义。目前关于i p 多播的可靠传 输问题还在研究之中，并没有形成标准，而且具体的多播应用对可靠性的要 求也不尽相同。所以本文针对协同设计中数据的可靠多播传输问题进行了分 析，试图找出一种适合协同设计中数据可靠多播的控制方法。而要保证数据 传输的可靠性，必须能够发现数据传输中的错误，并且能够改正这些错误。 所以本文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 协同设计系统与通信服务模块框架 首先介绍了协同设计系统的总体框架，讨论了协同设计系统与通信服务 模块的关系，以及协同设计系统中的通信特征，提出了协同设计系统中通信 服务模块的体系结构。 ( 2 ) 协同设计系统中数据传输差错检测方法研究 研究了常用的两种差错检测方法：基于发送者的计时器策略差错检测方 法和基于接收者的序列号策略差错检测方法，分析了两种方法的实现方式和 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 性能对比。晟后结合协同设计中数据多播传输的具体情况，采用计时器策略 和序列号策略结合的方法来检测数据传输中的差错。 ( 3 ) 协同设计系统中数据传输差错恢复方法研究 探讨了两种差错恢复处理技术：自动重传技术( a r q ，a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ) 和前向纠错技术( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 。根据两种差错 恢复技术的不同特点，针对协同设计中数据多播传输的具体情况，选用a r q 技术进行差错恢复，重点解决因为进行可靠控制而产生的反馈内陷( f e e d b a c k i m p l o s i o n ) 问题。 ( 4 ) 协同设计系统中多播数据可靠传输的方案设计 根据对协同设计中可靠多播数据的传输流程的分析以及常用差错检测方 法与差错恢复方法的研究，针对协同设计中多播数据传输特点，提出一种在 协同设计系统中进行多播数据可靠传输的控制方案。 ( 5 ) 协同设计系统中多播数据可靠传输的算法与实现 最后编程实现了封装协同设计系统中多播数据的可靠传输，为协同设计 系统提供可靠的多播通信支持。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章协同设计系统与通信服务模块框架 本章首先提出了协同设计系统的总体框架，然后讨论了协同设计系统与 通信服务模块的关系，分析了协同设计系统中通信服务模块的特点，最后给 出了协同设计系统中通信服务模块的体系结构 2 1 协同设计系统总体框架 西南交通大学c a d 工程中心在原有的自主版权的c a d 系统一工程智能 c a d 核心系统的基础上，通过对协同设计系统的分析研究，提出了个协同 设计系统的总体框架。其结构示意图如图2 - l 所示： 图2 1 协同设计系统的总体框架 网 络 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 协同设计系统中各个模块的主要功能如下： 应用系统：我们知道协同设计是一个复杂的交互过程，设计者不仅 要和自己所用的专业设计工具交互，同时又要感知他人的工作并让他人感 知自己的工作，因此该应用系统除了提供专业设计工具界面外，还提供多 媒体界面( 如音频、视频等) ，使工作者一方面能方便地完成他所负责的 那一部分工作；另一方面，用户应能方便地感知其他用户的工作状态，以 便了解协作者的意图并采取相应的行动。另外，对于用户身份的不同，系 统的功能也应有所不同。 s _ c a d 核心系统：专业设计核心系统，进行工程设计的主要支撑 平台。 知识库管理系统：在协同设计系统的知识处理中，必然存在着各类 知识的协调应用，知识库管理系统用来协调与管理来自不同知识库的事实 和规则，保证不会影响系统原有的各类知识库。 协同应用模块：协同设计与传统的工程设计最重要的区别之一就是 协同设计中的协同感知和冲突消解功能。为了实现此功能，我们在协同设 计系统中的客户端设计了协同应用模块，该模块主要用来完成协同感知和 冲突消解以及与应用程序、数据库和通信服务模块的交互。 通信服务模块：针对协同设计环境，向协同设计系统提供各种通信 服务。接收其他协同设计者传来的消息，并交给协同应用模块进行处理， 以及可靠的数据传输、文件传输等通信支持功能 。 2 2 协同设计系统与通信服务模块的关系 传统的计算机网络研究的是计算机间的互联和互操作。这时的通信模型 是点到点模型，即各种计算机网络通信服务都是通过一系列的点到点通信实 现的。在实现了基本的互联和互操作后，计算机网络技术的一个重要发展方 向是协同工作，研究计算机支持的协同工作所需的计算机网络技术，提供计 算机协同工作所需的计算机网络通信服务。 协同设计作为计算机支持的协同工作的一个重要应用方向，向计算机网 络研究提出了新的挑战，即提供以点到多点通信为特征的通信服务。协同设 计系统中通信研究所面临的主要问题包括： 从点到点的通信模型，到点到多点的通信模型变化； 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 复杂网络环境中的网络资源分配和管理； 对多媒体通信的支持； 点到多点模型下的路由问题、可靠传输问题和安全问题等。 基于以上的分析，我们认为： 计算机网络是协同设计的重要支撑技术： 提供协同设计所需的网络通信是计算机网络的重要发展方向 多点通信问题是计算机网络与协同设计的结合点。 2 3 协同设计系统中的通信特征 我们所讨论的通信是指把数据分组传送到一个由若干台计算机组成的一 个集合的所有成员，协同设计系统中通信研究是对传统的计算机网络概念的 发展，需要引入一些原来没有或不重要的新特征。 ( 1 ) 点到多点的通信 已有的计算机网络技术，特别是开放系统互联参考模型( o s i r m ) 中主 要考虑的问题是点到点的通信，这是计算机网络在互联和互操作情况下的主 要通信模型。在协同设计中，需要协调的不仅仅是两台计算机问的信息交流， 而是一个计算机群体的同时协调工作，需要提供高效的点到多点通信能力。 ( 2 ) 多媒体通信 协同设计系统中通信模块研究不仅需要协调计算机群体的行为，而且需 要通过计算机及其网络来协调人类群体的行为。人类群体行为的协调通常包 括音频、视频等多媒体信息的实时传送，要进行大量多媒体信息的实时截获、 传送和对地域分布分散的多个用户播放，这对网络带宽和延时提出了更高的 要求。 ( 3 ) 复杂的用户环境和网络环境 与点到点通信相比，协同设计系统中通信模块研究面临更加复杂的用户 环境和网络环境。同一群组中各用户可能在机器类型、操作系统、外设性能、 c p u 处理能力等方面存在巨大差异；连接各用户的各段网络会在带宽、延时 和误码率等方面存在差异。这对通信模块研究带来很大的影响，对计算机网 络提出了更高的技术要求。 目前的研究工作表明，现有的网络通信协议不能满足协同设计系统中通 信服务的全部要求，由此引发了对协同设计系统中通信服务问题的研究【1 1 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 4 协同设计系统的通信服务模块体系结构 基于对协同设计系统中通信服务特征的分析，在协同设计系统通信服务 中需要解决以下3 个关键问题： ( 1 ) 群组管理 群组地址分配、群组建立、群组关闭、群组成员动态加入和退出、错误 恢复等群组的管理功能。通过为特定群组分配的群组地址，所有发送到该群 组的数据都以这个群组地址为接收方地址，所有该群组成员都接收发送到该 群组的数据。 ( 2 ) 资源分配 为了保证实时多媒体信息的有效传送，需要提供相应的资源预留机制， 确保足够的可用资源( 如传送带宽、路由器的转发能力、用户机器的处理能 力等) 。 ( 3 ) 群组通信的服务质量( q o s ，q u a l i t y o f s e r v i c e ) 网络拥塞和缓冲区溢出会导致数据丢失。在协同设计中要求可靠的数据 传送，丢失的数据必须由发送方重传。通过群组通信的流量控制和重传机制 可以有效地减少拥塞和重发，提高网络效率，提供可靠的群组通信。 针对协同设计系统中通信服务所面临的问题，本文把协同设计系统通信 服务模块划分成一个4 层结构。 协同应用支持层 u 群组管理层 j r 可靠传输层 u 资源预留层 一 u 一一 网络 图2 - 2 协同设计系统中通信模块结构框架 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ( 1 ) 资源预留层 其功能是改善多播发送在带宽和延时等方面的性能，保证多播通信的有 效进行。为了实现多媒体信息在复杂网络环境中的实时有效传送，须对有限 网络资源的使用进行控制。本文没有讨论这一部分内容，留待以后做进一步 研究时解决。 ( 2 ) 可靠传输层 通过群组通信各方的缓冲机制、差错检测以及差错恢复机制，实现可靠 的和有序的通信。本文的主要研究内容集中在这一部分，研究多播数据的可 靠传输。 ( 3 ) 群组管理层 群组建立、群组关闭、群组成员动态加入和退出以及数据分组的发送和 接收等群组的管理功能。通过为特定群组分配的群组地址，所有发送到该群 组的数据都以这个群组地址为接收方地址，所有该群组成员都接收发送到该 群组的数据。 ( 4 ) 协同应用支持层 是协同设计系统与通信服务模块的接口，提供面向应用的不同通信服务， 例如群组通信中的音频和视频传输，可靠的数据传输，可靠的文件传输等通 信服务。 2 5 本章小结 本章详细讨论了协同设计系统与通信服务模块的关系，以及协同设计系 统的环境对通信技术的影响，提出协同设计系统中通信服务模块的体系结构。 在以下的几章中，本文的研究重点主要集中在如何在协同设计系统环境中提 供可靠的点到多点数据传输服务。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第3 章协同设计系统中可靠传输控制方法研究 要保证数据传输的可靠性，必须能够发现数据传输中的错误，并且能够 改正这些错误因此可靠多播的涵义为：多播+ 差错检测+ 差错恢复本章首 先介绍了i p 多播的相关知识，研究了常用的差错检测方法，包括数据被污染 的检测和数据包丢失的检测，并且分析了各种方法的实现方式和性能对比； 探讨了两种差错控制技术：自动选择重传( a r q ) 和前向纠错( f e c ) 的长处 和不足 3 1i p 多播的相关知识 本节介绍了i p 多播的基本概念，研究了i p 多播分组的加入和退出管理 以及i p 多播报文的发送和接收。对i p 多播的数据传输原理和流程进行了较 为深入的分析和研究，为进一步的i p 多播可靠传输问题的研究奠定了基础。 3 1 1i p 多播的基本概念 i p 多播通信是指把同一数据块( 报文、分组或是文件等) 从一台计算机 同时传送到一个由若干台计算机组成的集合的每个成员的过程【25 1 。在这个传 送过程中，发送计算机只需一次发送，就可实现从一个发送方到n 个接收方 的数据传送过程，多播并不是同时向多个目的节点独立地发送数据报。如图 3 1 所示，表示多播与同时向多个目的节点发送数据报的区别。图中三个节 点a ，c 和d 构成一个组。另一个节点s 向该组的三个节点进行多播。可以 看出，源节点s 发出的数据报