（无线电物理专业论文）rwlm：基于接收方的无线多媒体分层组播拥塞控制协议.pdf

摘要 r w l m ：基于接收方的无线多媒体 分层组播拥塞控制协议 专业：无线电物理 姓名：张丰沛 导师：周杰英 摘要 夔蓑遴信耀络窝嚣舞堍处理器豹麓速发震，多媒搏韭务曩藏成为计算瓤秘翘 络资源的主要消耗者之。与此同时，随着无线谗信技术的广泛应用和移动终端 性能的大幅提高，将无线通信与i n t e r n e t 十h 结合成为通信技术的另一发展趋辨。因 魏，魏餐在无线 n t e r n e t 上寒效传靛多潆葵鲎务成为当翦疆究熬热点。 分屎组播( l a y e r e dm u l t i c a s t ) 技术是流媒体分层编码技术、i p 组播披术以 及相应的速率控制技术有机结合的产物，是目前公认的在组播环境中解决网络异 穆洼及掰终动态蠖瓣蔽经方案。交予麴塞控专l 辍裁楚分屡墨援系绫瓣竣心润题， 而且目前i n t e r n e t 中的传输业务主要魁基于t c p 的，因此，研究一种适合于流媒 体传输的，并且具有搠塞退避机制，能够与t c p 公平分享带宽的分层组播传输 谤议曼褥十分重要。 本文提出了一种新的在接收端隐式计算的拥寒判定机制“双门限”搠塞 判定机制，它是针对无线网络环境下的分层组播系统设计的。熬个拥塞判定过程 完全在接浚端进嚣，不嚣要任餐源节焦或中闻节点瓣疆动，瓢纛有效蘧像诞了维 播系统的埘扩展性；两个判定门限的相互配合与补充，大大提高了拥塞判定精度； 孛出夫学醺士学控论文 r w l m ：基于接收方的无线多媒体分层组播拥寨控制掷议 基本波动系数和收敛因子的引入，则有助于提高t c p 友善性和各接收节点的收敛 性。 基于“双门限”拥寒判定机制，本文提出了一种新的应用于无线网络环境的 分层组播拥塞控制协议r w l m 协议。为了保证低误码率信道上的t c p 友善 性，除了使用类似t c p 的a i m d 捌塞控制原则外，r w l m 还在接收端中加入了“拥 塞坚持”机制，充分考虑了在低误码率信道上分组丢失对拥塞判定的重要性，大 幅提高了低误码率信道上的t c p 公平性表现；为了保证组播系统的稳定性， r w l m 目入一种带有学习能力的加入尝试机制，有效减少了加层失败的几率，增 加了系统的稳定性；为了提高链路层频繁断连情况下的速率稳定性，r w l m 提出 一种在接收端执行的断连速率维持机制，大幅提高了协议的传输稳定性。 本文提出的各种网络拥塞控制机制均在n s 2 网络仿真平台上进行了性能仿 真测试。仿真实验结果表明：r w l m 协议具备良好的通用性、稳定性和可伸缩 性；在有线信道及低误码率无线信道上具有良好的t c p 友善性，在中、高误码率 无线信道上能够保持稳定的媒体接收速率；在链路层频繁断开的环境卜- 能够保持 良好的传输性能；不同r w l m 会晤间能保持良好的吞吐量公平性。 关键词：t c p f r i e n d l y ，拥塞控制，分层组播，流媒体 a b s t r a c t r w l m ：ar e c e i v e r - b a s e dw i r e l e s s l a y e r e d m u l t i c a s t c o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o l f o rm u l t i m e d i a m a j o r ：r a d i op h y s i c s n a m e ：z h a n gf e n g p e i s u p e r v i s o r ：z h o uj i e y i n g a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dc o m p u t e rp r o c e s s o r , m u l t 蠡珏o d i as e r v i c ew i l lb e c o m eo n eo ft h ed o m i n a n ti n t e m e tb a n d w i d t hc o n s u m e r s 攮 t h ef u t u r e a tt h es a m et i m e ，w i t hb r o a da p p l i c a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d m o b i l et e r m i n a lt e c h n i q u e s ，t h ec o m b i n a t i o no fw i r e l e s sa n d n t e m e tw i l lb ea n o t h e r t r e n d 。t h e r e f o r e ，h o wt ot r a n s m i tm u l t i m e d i as e r v i c eo nw i r e l e s si n t e r n e te f f i c i e n t l y h a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t l a y e r e dm u l t i c a s t ，w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no fs t r e a m i n gm u l t i m e d i al a y e r e d e n c o d i n g ，i pm u l t i c a s ta n dc o r r e s p o n d i n gr a t ec o n t r o l l i n gt e c h n i q u e s ，i sr e c o g n i z e da s t h eb e s ts c h e m ef o rs o l v i n gd y n a m i c sa n dh e t e r o g e n e o u s n e s so ft h en e t w o r ki n m u l t i c a s t e n v i r o n m e n t c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi st h ec e n t r a lp r o b l e mo f l a y e r e dm u l t i c a s ts y s t e m a tp r e s e n t ，t h ed o m i n a n ti n t e r n e tt r a f f i ci st c p b a s e d ， t h e r e f o r ei t sv e r yc r i t i c a lt od e v e l o pn e wl a y e r e dm u r i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r o l p r o t o c o l sw h i c ha r ef i tf o rm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa n dc a n s h a r eb a n d w i d t hw i t ht c p f l o w sf a i r l y i nt h i st h e s i s , an e wc o n g e s t i o nd e t e c t i o nm e c h a n i s m d o u b l et h r e s h o l d s c o n g e s t i o nd e t e c t i o nm e c h a n i s mi sp r o p o s e d ，w h i c hi sd e s i g n e df o r t h el a y e r e d m u l t i c a s ts y s t e mi nw i r e l e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n t t h ee n t i r ec o n g e s t i o nd e t e c t i o n p r o c e s si sc a r r i e do u ta tr e c e i v e r sw i t h o u ta n ya u x i l i a r yo fs o u r c eo ri n t e r m e d i a t e n o d e s ，w h i c he n s u r e st h ee x p a n s i b i l i t yo fm u l t i c a s ts y s t e m a tt h es a m et i m e ，w i t ht h e c o o p e r m i o no ft h et w ot h r e s h o l d s ，t h ep r e c i s i o no fc o n g e s t i o nd e t e c t i o nc a nb e 孛出夫学颈士学整论文 1 1 1 r w l m ：媾丁接收方的光线多媒体分层组播搠j 塞控制协议 i m p r o v e dg r e a t l y ；b a s i cf l u c t u a t i o nf a c t o ra n dc o n v e r g e n c ef a c t o rh e l pt oe n h a n c e t h et c p f r i e n d l i n e s sa n dc o n v e r g e n c eo f e a c hr e c e k e r i nt h i st h e s i s ，b a s e do n “d o u b l et h r e s h o l d s ”m e c h a n i s m ，an e wl a y e r e dm u l t i c a s t c o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o lf o rw i r e l e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n ti sp r o p o s e d ，w h i c hi s c a l l e dr w l m 。t oe n s u r et h et c p f r i e n d l i n e s so fr w l mi nl o wb e rc h a n n e l s ， “c o n g e s t i o n p e r s i s t m e c h a n i s mi sa d d e di n t os i n kn o d e sb e s i d e st h ea i m d c o n g e s t i o nc o n t r o lp r i n c i p l e ，w h i c hs u f f i c i e n t l yc o n s i d e r st h ei m p o r t a n c eo fp a c k e t l o s sf o r c o n g e s t i o n d e t e c t i o ni nl o wb e rc h a n n e la n dg r e a t l y i m p r o v e st h e t c p f r i e n d l i n e s so ft h ep r o t o c o l 。t oe n s u r et h es t a b i l i t yo fm u l t i c a s ts y s t e m , as t a b l e j o i n - t r y i n gm e c h a n i s mw i t hl e a r n i n ga b i l i t y i s p r o p o s e d ，w h i c hc a nr e d u c et h e p r o b a b i l i t yo fj o i n - f a i l u r ea n di m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m 。t oe n s u r et h e s t a b i l i t yo fr e c e i v i n gr a t ei nt h ee n v i r o n m e n tw i t hf r e q u e n tl l n kl a y e rd i s c o n n e c t i o n ，a r a t e m a i n t a i nm e c h a n i s mi s a d o p t e da tr e c e i v e r , w h i c hc a ng r e a t l yi n c r e a s et h e s t a b i l i t yo ft r a n s m i s s i o n s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：r w l mh a sg o o d g e n e r a l i t y , s t a b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y ；r w l mn o to n l ya c h i e v e se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i nt c p f r i e n d l i n e s so v e rl o wb e rw i r e l e s sc h a n n e l s ，b u ta l s ok e e p ss t a b l er e c e i v i n g r a t eo v e r h i g hb e rw k e l e s sc h a n n e l s ；r w l mm a i n t a i n s s t a b l et r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c ei nt h ee n v i r o n m e n tw i t hf r e q u e n tl i n kl a y e rd i s c o n n e c t i o n ；r w l m o b t a i n se x c e a e n ti n t r a - p r o t o c o lf a i r n e s sb e t w e e nd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o ns e s s i o n s a l ll a y e r e dm u l t i e a s tc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o l sp r e s e n t e di nt h i st h e s i sh a v e b e e ni m p l e m e n t e di nn e t w o r ks i m u l a t i o ns y s t e m ( n s s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo f t h e s ec o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o l sh a v er e a c h e dt h eg o a l o ft h ed e s i g n s ， k e y w o r d s ：t c p f r i e n d l y , c o n g e s t i o nc o n t r o l ，l a y e r e dm u l t i c a s t ，s t r e a m i n gm t f l t i m e d i a 第1 章前； 第1 章前言 1 1 论文选题的背景和意义 近年来，作为多媒体和网络领域的交叉学科，流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 技 术的应用和研究得到了迅速发展。流媒体不同于传统的媒体，它以流的形式进行 数字媒体的传输，从而使用户可以在线观看连续不断的媒体内容。流媒体的应用 系统、国际标准和基础研究正成为目前业界密切关注的焦点。 但在i n t e m e t 上传输流媒体，还面临很多挑战。主要原因是： 1 、流媒体的实时性，决定了它对数据的到达时延、时延抖动、分组丢失率 等业务质量( q o s ) 的要求都相当高。然而，i n t e r n e t 上所使用的i p 协议是一种 面向非连接( c o n n e c t i o n l e s s o r i e n t e d ) 的协议。它以“存储一转发”的方式把数 据报发送到目的地，不需要维护每个连接的状态信息，也不需要考虑下层网络提 供的服务，能应用于各种底层的网络技术上，并具有良好的扩展性能。这种简单 高效的“尽力而为( b e s te f f o r t ) ”网络层传输机制主要是为突发性的数据传输而 设计的，并不适用于连续媒体流。在通常情况下，i n t e r n e t 中的路由器平等地对 待所有的应用业务，没有为这些业务设立不同的优先级，网络不保证数据分组在 网络上的时延，也不保证数据分组能够正确地到达目的地。因此，在b e s te f f o r t 网络上传输流媒体，q o s 既不可控制也不可预测。 2 、近年来，无论是i n t e r n e t 的骨干网或接入网，其带宽都有了显著的增加。 然而，随着用户几何级数的增长，i n t e r n e t 上的带宽仍然是有限和昂贵的，而流 媒体的传输则需要非常大的网络带宽。如何利用有限的带宽传输多媒体业务，成 为目前i n t e r n e t 上亟待解决的问题。 3 、目前i n t e r n e t 上的主要协议t c p 和u d p 并不适合直接传输流媒体。t c p 能通过“每包确认机制”保证通信的可靠性，有利于对分组丢失率敏感的流媒体 中山大学硕士学位论文 r w l m ：基于接收方的无线多媒体分层组播拥塞控制协议 传输，而且它集成拥塞控制机制，大幅提高了网络系统的稳定性。但是，t c p 的网络负载和时延均比较大，不适合直接传输流媒体：拥塞控制机制也只适合于 传输成块数据( b u l kd a t a ) 业务，因为t c p 在拥塞时的速率减半策略容易引起 流媒体数据传输速率的过大波动，会明显降低用户可察觉的服务质量 ( u s e r p e r c e i v e dq u a l i t y ) 1 1 。u d p 协议【2 1 的简单性在一定程度上迎合了多媒体 流的实时性以及对丢失具有一定容忍能力的特点。但是由于u d p 不具备拥塞退 避机制，当网络出现拥塞时，它将会大量抢占使用拥塞退避机制的协议流的带宽， 同时自身的丢包也迅速增加。这些违规流的快速增长将会引起网络系统不稳定， 并增加了网络系统崩溃的危险。为了保证系统的稳定性和服务的公平性，业界正 在研究各种积极的队列管理机制，如s f b l 3 1 ，r e d p d 4 1 ，c h o k e 5 1 ，s c h o k e 6 1 等，以便在拥塞的情况下对违规流进行严厉的惩罚( 显著加强对其丢包) ，保护 守约的协议流获取公平的带宽份额。在这些系统中，使用u d p 协议传输的流媒 体在遭遇拥塞时，将会遇到更为严重的性能衰减。 针对i n t e m e t 上缺乏q o s 保证的问题，i e t f 先后提出了综合业务( i n t e g r a t e d s e r v i c e s ) 【7 】与区分业务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 【8 】等基于i p 网络的q o s 业务协 议模型。但这些o o s 业务模型的提供一般需要全面升级i n t e m e t 上的路由设备以 及改变它们传统的工作方式，还要涉及如何制定i s p 与用户之间的s l a ( s e r v i c e l e v e la g r e e m e n t ，服务水平协议) 1 9 以及如何对s l a 进行监视，测量与保证用户 的o o s 符合s l a 规定等一系列复杂的技术问题。因此，这些q o s 业务模型目前 尚未能在i n t e m e t 中广泛应用。即使这些服务将来能够广泛地推广，仍然会有很 大的一个用户群体，他们需要用比较低廉的价格来传输实时流媒体，价格最低廉 的自然是b e s te f f o r t 服务。另外，即使在那些支持区分服务( d i f f s e r v ) 的网络 上，在相同服务等级中，各个用户享用资源的权利是平等的，他们互相之间还是 一种b e s te f f o r t 的服务关系。因此，研究在b e s te f f o r t 网络系统上传输流媒体数 据是非常有意义的工作。 针对流媒体带宽需求量大的问题，除了增加网络的物理带宽以外，i p 组播 技术是解决此问题的一种非常有效的途径。组播技术是指源节点一次发送的数据 分组被传递到一组目的地址的数据传输技术，它可以在发送方和接收方之间建立 点对多点的传输关系。对于同一缎播组，无论其接收者有多少，组播路由器都会 2 第1 章前言 按照组成员物理位置的分布状况对组播数据分组进行最少数量的复制( 保证每条 链路最多只有一份数据拷贝) ，使属于同一个组播组的所有成员都能收到同样的 数据分组。这种传输方式可以大量减少流媒体通信中的带宽消耗，提高传输效率； 同时，组播系统中的点对多点传输关系与网络电视、视频点播、会议电视等点到 多点的多媒体业务模型相当吻合。因此，研究如何利用i p 组播技术进行流媒体 数据传输具有十分重要的实用价值与广阔的应用前景。 针对t c p 和u d p 协议不适合在i n t e r n e t 上传输流媒体的问题，就必须发展 一种新的适合流媒体传输的协议。该协议必须存在一定的速率控制机制，以保证 在网络出现拥塞或者即将出现拥塞时进行拥塞退避操作，维持b e s te f f o r t 网络系 统的稳定性；同时，该协议必须充分考虑到流媒体传输的特点。一般来说，速率 控制操作可以由网络的路由节点来实施，也可以由端系统的拥塞控制模块来实 施。由于i n t e r n e t 上的骨干节点需要承载大量的业务流，出于系统伸缩性的考虑， 不适宜在网络骨干节点上使用复杂的流量控制操作。因此，本文把研究的重点放 在端系统的拥塞控制机制上。 i n t e r n e t 是一个典型的异构网络。鉴于i n t e r n e t 底层的异构性，使组播业务 比传统的点对点的数据传输业务在流量控制等方面显得更为复杂。由于各个组成 员所处的网络环境、各自对媒体质量的需求以及各自的处理能力都不尽相同，因 此组播传输系统既要满足各个组成员对q o s 的不同要求，又要提高组播的传输 效率，还要满足系统的可扩展性要求，这是当前在组播传输中一个十分重要的研 究课题。分层组播( l a y e r e dm u l t i c a s t ) 技术【1 0 ，1 1 , 1 2 , ”l 是目前公认的在组播环境 中解决网络异构性以及网络动态性的最佳方案。拥塞控制是分层组播系统的核心 技术问题。分层组播系统需要使用一种高效的、具有自适应能力的拥塞控制机制， 使该系统能够自动适应网络的动态变化，在网络状态许可的情况下，为接收方提 供最佳的媒体接收质量。 目前i n t e r n e t 仍然是一个b e s te f f o r t 的传输网络，当网络出现拥塞时，有赖 于在网络上传输的各种协议流使用适当的拥塞退避机制，以减缓网络的拥塞程 度，保持网络系统运行的稳定性、可靠性与公平性。由于当前i n t e r n e t 上的主要 业务仍然使用基于t c p 的应用协议【1 4 ，1 5 1 ( 如h 兀甲、f t p 、s m t p 等) ，因此设 计一种既适合于实时流媒体传输，又具有拥塞退避能力，并能够与t c p 协议公 中山大学硕士学位论文 3 r w l m ；基于接收方的无线多媒体分层组播拥塞控制协议 平分享带宽的分层组播拥塞控制机制就显得尤为重要。为此，本文的研究工作将 围绕i n t e r n e t 上的t c p f r i e n d l y 分层组播拥塞控制机制而展开，提出了新的应用 于无线网络环境的t c p - f r i e n d l y 分层组播拥塞控制协议：r w l m 。 1 2 论文的主要贡献 拥塞判定是无线i n t e m e t 上的难点技术问题。本文提出了一种新的在接收端 隐式计算的拥塞判定机制“双门限”拥塞判定机制，它是针对无线网络环境 下的分层组播系统而设计的。整个拥塞判定过程完全在接收端进行，不需要任何 源节点及中间节点的辅助，有效地保证了组播系统的可扩展性；同时，两个判定 门限的相互配合与补充，大大提高了组播系统的拥塞判定精度；基本波动系数和 收敛因子的引入，则有助于提高t c p 友善性和各接收节点的收敛性。 现有的分层组播拥塞控制协议都是基于有线网络而设计的，这些算法都无法 应用在误码率比较高的无线网络中。为此，本文提出了一种新的应用于无线 i n t e m e t 的t c p f r i e n d l y 分层组播拥塞控制协议r w l m 。为了保证r w l m 协 议在低误码率信道上的t c p 友善性，本文除了使用类似t c p 的a i m d 拥塞控制 原则外，还在接收端中加入了“拥塞坚持”机制，充分考虑了在低误码率信道上 分组丢失对拥塞判定的重要性，大幅提高了协议在低误码率信道上的t c p 公平 性表现；为了保证组播系统的稳定性，本文提出了一种带有学习能力的加入尝试 机制，有效减少了加层失败的几率，增加了系统的稳定性；为了提高r w l m 协 议在链路层频繁断连情况下的速率稳定性，本文提出了一种在接收端执行的断连 速率维持机制，大幅提高了协议的传输稳定性。 1 3 论文的内容安排 本文共分为六章。 第1 章为全文的前言部分。该章阐述了本文选题的背景和意义，概述了本文 4 第1 章自口言 的主要贡献，描述了本文的内容安排。 第2 章介绍了i p 组播的相关知识，包括组播的原理、组播分布树生成算法 和组播路由协议。 第3 章介绍了分层组播的相关知识，包括分层组播系统的构成、分层编码策 略、t c p f r i e n d l y 组播拥塞控制机制的研究现状以及t c p f r i e n d l y 拥塞控制协议 性能的评估方法，为后面分层组播拥塞控制协议的研究作好了理论铺垫。 第4 章提出了一种新的在接收端隐式计算的拥塞判定机制“双门限”拥 塞判定机制。此章首先简述无线t c p 拥塞判定的研究现状，接着从理论上推导 出两个门限随网络拥塞状况的变化，最后用仿真实验进行验证。 第5 章提出了一种针对无线网络环境的t c p f r i e n d l y 分层组播拥塞控制机制 r w l m 。此章中，我们详细描述了r w l m 协议的设计目标、r w l m 协议的 拥塞判定机理、r w l m 协议的工作过程、r w l m 协议的t c p f r i e n d l y 拥塞控制 机制、r w l m 协议的到达间隔波动系数和r t t 波动系数、r w l m 协议的稳定加 入机制、r w l m 协议对基础层数据的q o s 保证以及仿真实验结果。 第6 章对全文内容进行了总结，并展望了今后的工作。 中山大学硕士学位论文 5 r w l m ：基于接收方的无线多媒体分层组播拥塞控制阱议 第2 章i p 组播概述 2 1i p 组播的基本原理 i p 组播技术对多媒体传输有其独特的优越性：对于同一组播会晤，即使用 户数量成倍增长，每条链路所需的带宽并不会随之增加。组播技术允许发送方和 接收方建立点对多点的传输关系，源节点只需将一份数据发送到链路上，路由器 就会按照组成员物理位置的分布状况对组播数据包进行最少数量的复制( 保证每 条链路最多只有一份数据拷贝) ，使属于同一个组播组的所有成员都能收到同样 的数据包。这种传输方式对于需要大量带宽的流媒体来说尤其重要。 单播传输 图( 2 1 1 ) 单播与组播 组播传输 从图( 2 1 1 ) 可以看出： 单播( u n i c a s t ) 传输一对于同一份数据，发送者必需为每个接收者建立单 独的点对点数据通道。如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时，单播传 输将导致带宽的严重消耗和发送者的沉重负荷。 组播( m u l t i c a s t ) 传输尽管有多个接收者，但同一份数据在任何一条链 6 第2 章p 组播概述 路上只需传送一次。因此，组播能够大大提高数据传输效率，减少网络出现拥塞 的可能性。 2 2 组播分布树 组播分布树是组播路由的核心问题。在单播巾，数据包在网络中沿着单一的 路径从源主机向目标主机传递；但在组播中，组播源所知道的组地址仅仅代表一 个组播组，而不是一个确切的目的地址。为了能让所有接收者收到数据，一般采 用组播分布树来描述组播数据在网络中经过的路径。 组播分布树有以下几种类型：泛洪法、有源树、共享树和s t e i n e r 树。 ( 1 ) 泛洪法( f l o o d i n g ) 泛洪法是最简单的组播路由算法，并不构造所谓的分布树。其基本原理如下： 当数据包到达后，将其转发到除输入接口外的所有输出接口。泛洪法的关键是避 免出现数据包的重复投递。这需要维护个最近通过的数据包列表，以确定数据 包是否首次收到。若是首次收到，则转发到所有接口；若不是首次收到，则抛弃。 泛洪法适合于对组播需求比较高的场合，并且能做到即使传输出现错误，只 要还存在一条到接收者的链路，则所有接收者都能接收到组播数据包。然而，泛 洪法不适合用于i n t e r n e t ，因为它不考虑链路状态，并产生大量的拷贝数据包。 ( 2 ) 有源树( s o u r c e b a s e dt r e e ) 有源树也称为最短路径树( s h o r t e s tp a t h t r e e ，s p t ) 。它以反向路径转发 ( r e v e r s ep a t hf o r w a r d i n g ，r p f ) 为基础构造从所有接收者到组播源都最短的分 布树。如果组中有多个组播源，则必须为每个组播源构造一棵组播树。由于不同 组播源发出的数据包被分散到各自分离的组播树上，因此采用s p t 有利于网络中 数据流量的均衡。同时，因为从组播源到每个接收者的路径最短，所以端到端 ( e n d t o e n d ) 的时延性能较好，有利于流量大、时延性能要求较高的实时流媒 体应用。s p t 的缺点是：要为同一个组的每个组播源构造各自的分布树，当组播 源很多而数据流量不大时，构造s p t 的开销相对较大。 中山大学硕士学位论文 7 r w l m ：基于接收方的无线多媒体分崖组播拥塞控制协议 ( 3 ) 共享树( c e n t e r - b a s e dt r e e ) 共享树是指为每个组播组选定一个核心，以核心为根建立的组播树。同一组 播组的所有组播源将数据发送到核心，再由核心向其它成员转发。同一组播组的 所有成员共享一棵分布树。 共享树在路由器中所需存储的状态信息数量和路由树的总代价两个方面具 有较好的性能。当组的规模较大，而每个成员的数据发送率较低时，使用共享树 比较适合。但当通信量大时，使用共享树将导致流量集中到核心附近而形成瓶颈。 ( 4 ) s t e m e r 树 s t e i n e r 树是总代价最小的分布树，它使连接特定图( g r a p h ) 中的特定组成 员所需的链路数最少。然而，s t e i n e r 只是一种理论模型，它无法应用到实际网络 中。原因主要是： s t e i n e r 问题是n p c o m p l e t e 。换句话说，s t e i n e r 问题没有一般性且有效率的解 法，解决此问题所需的时间随着节点数，l 的增加呈指数型式的增长。其复杂度为 o ( n l o g n ) 。 树的形状相当不稳定，随着组中成员关系的变化而变化。变化后，s t e i n e r 树 必须重新计算，这将耗费大量的c p u 资源。 s t e i n e r 树是无方向树，这意味着它仅适用于所有链路都是对称的网络。而对于 很多大中型网络，其链路速率通常都是不对称的，s t e i n e r 树无法使用于这样的网 络。 2 3i g m p 组管理协议 i g m p ( i m e m e t g r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 协议是一种应用于主机和与其 直接相连的组播路由器( 称为d e s i g n a t e dr o u t e r ，或者d r ) 之间的组播管理协 议。主机使用i g m p 协议加入或退出组播组；d r 通过i g m p 协议获取其子网内 的组成员信息。 8 第2 章p 组播概述 加入组播组 当某台主机希望加入组播组时，它向d r 发送i g m p 加入消息( j o i n m e s s a g e ) ，同时让自己的i p 模块做好相应的准备，以便接收来自该组播组的数 据。如果d r 已经位于该组播组的分布树上，则d r 开始向接收节点所在的网段 转发该组的数据；如果d r 当前并不在该组播组的分布树上，则d r 通过组播路 由协议向上游节点发送嫁接消息( g r a f tm e s s a g e ) ，请求把自身嫁接到该组播组 的分布树上，以获取该组的数据，并将其转发到相关的接收节点。 退出组播组 在i g m pv l 中，当主机离开某一个组播组时，它将自行退出。这种不通知 任何人而“悄悄离开”的方法，使得组播路由器知道i p 子网中己经没有任何成 员的事件延时了相当一段时间。因此，i g m pv 2 中加入了快速离开机制。当一台 主机离开某组播组时，要向其d r 发送i g m p 离开消息( l e a v em e s s a g e ) ，这将 减少组播系统处理停播的时问。当d r 收到“l e a v em e s s a g e ”后，立即向子网内 的所有主机广播“i g m pg r o u p s p e c i f i cq u e r y ”消息，以查询是否还有别的主机 正在参与该组播会晤。若路由器在规定的时间内收到一台或多台主机的反馈信 息，则代表还有别的主机正在参与该组播会晤，d r 将继续向子网转发该组播组 的数据；若超过了一定的时间，d r 仍没用收到任何主机的反馈信息，可能存在 两种情况：1 、先前发送“l e a v em e s s a g e ”消息的主机是子网内该组播组的最后 一名成员，现在子网内已经没用该组的任何成员。2 、路由器发送的“i g m p g r o u p - s p e c i f i cq u e r y ”消息在传输过程中丢失了。为了保证组播系统的可靠性， 路由器将广播2 - 3 次“i g m p g r o u p s p e c i f i c q u e r y ”消息，而每次询问会持续1 3 秒，这将造成2 - 9 秒的离开时延。换句话说，当最后一台主机离开某组播组后， 要经过2 - 9 秒，d r 才会真正向上游路由器发送剪枝消息( p r u n em e s s a g e ) ，使 组播树不再向这一分支继续发送数据信息，这就是所谓的i g m p 离开时延。 2 4 组播路由协议 组播路由协议分为两大类：域内组播路由协议和域间组播路由协议。 中山大学硕士学位论文 9 r w l m ：基于接收方的无线多媒体分层组播拥塞控制协议 2 4 1 域内组播路由协议 目前，域内组播路由协议已经相当成熟，在众多的域内路由协议中， d v m r p 1 6 】( 距离矢量组播路由协议) 、m o s p f ”】( 开放式最短路径优先组播路 由协议) 、p i m d m 18 】( 密集模式协议无关组播) 、p i m s m 1 9 ，2 0 ( 稀疏模式协议 无关组播) 和c b t l 2 1 ，2 2 】( 有核树组播路由协议) 是目前讨论得最多的协议。 ( 1 ) d v m r p ( d i s t a n c ev e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) d v m r p 是第一个在m b o n e 上得到普遍使用的组播路由协议，它在r i p 协议的基础上扩充了对组播的支持。与r i p 不同之处是：r i p 根据路由表前向转 发数据，而d v m r p 则是基于反向路径转发( r p f ) 。r p f 的基本思想是：当分 组达到路由器时，路由器查看此分组的输入接口是否在返回到源端的最短路径 上。如果是，则转发此分组到其它输出接口；如果不是，则抛弃此分组。r p f 能 够有效地避免组播路由回路的产生。 d v m r p 使用“泛洪与剪支( f l o o d & p r u n e ) ”的方式建立其s p t 组播分布 树。为了让新加入的组播成员能及时收到组播数据，d v m p r 定时将数据泛洪到 网络中的所有成员。当叶子路由器不需要组播数据包时，它向组播源发送剪枝消 息，对组播树进行剪枝，借此消除不必要的通信量。上行路由器将收到剪枝消息 的接口置为剪枝状态，停止数据转发。剪枝状态与一个超时计时器相关联，当计 时器超时，剪枝状态又重新变为转发状态，组播数据再次沿着这些分支下行。另 外，当剪枝区域内出现了组播组成员时，为了减少反应时间，下行不必等待上行 剪枝状态超时，就可以主动向上行发送嫁接报文，以便剪枝状态变为转发状态。 由此可见，d v m r p 组播路由表的建立是业务驱动的，转发特点可以概括为“被 动接受，主动退出”。 d v m r p “泛洪与剪枝”的特性导致大量数据包的扩散，限制了网络规模的 扩大。另一方面，d v m r p 使用跳数作为计量尺度，其上限为3 2 跳，这对网络 规模也是一个限制。 1 0 第2 章衅组播概述 ( 2 ) m o s p f ( m u l t i c a s to p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) m o s p f 是一种基于链路状态的路由协议，是对单播o s p f 协议的扩展。与 d v m r p 相比，路由丌销较小，链路利用率高，然而d i j k s t r a 算法计算量很大， 为了减少路由器的计算量，m o s p f 执行一种按需计算方案，即只有当路由器收 到组播源的第一个组播数据包后，才对( s ，g ) s p t 计算，否则利用转发缓存 ( c a c h e ) 中的( s ，g ) s p t 。m o s p f 继承了o s p f 对刚络拓扑变化的响应速度 快的优点，但拓扑变动将导致所有路由器的缓存失效，必须重新计算s p t ，因而 消耗大量路由器c p u 资源。这就决定了m o s p f 不适用于动态性高的网络( 组 成员关系变化大、链路不稳定) ，而适用于连接状态比较稳定的网络。 ( 3 ) p i m - d m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t - d e n s em o d e ) p i m d m 与d v m r p 很相似，都属于密集模式协议，都采用了“泛洪与剪枝” 机制。主要不同之处在于d v m r p 依赖于特定的单播路由协议r i p ：而p i m d m 则不依赖于某一特定单播路由协议，它可利用各种单播路由协议建立的单播路由 表完成r p f 检查功能。 p i m d m 模式适合于下述几种情况；高速网络；组播源和接收者比较靠近， 发送者少，接收者多；组播数据流比较大且比较稳定。 ( 4 ) p i m - s m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t - s p a 璐em o d e ) p i m s m 的设计出发点是在i n t e m e t 范围内同时支持有源树和共享树，并使 两者之间灵活转换，因而集中它们的优点以提高组播效率。p i m s m 与p i m d m 有一个显著的差别是p i m s m 使用显式加入模式，即接收者向汇聚点( r p ) 发 送显式加入消息，而路由器只在己加入某个组播组的输出接口上转发该组的数据 包。 ( 5 ) c b t ( c o r e b a s e dt r e e ) c b t 的基本目标是减少网络中路由器组播状态，以提供组播的可扩展性。 为此，c b t 被设计成稀疏模式( 与p i m s m 相似) 。c b t 使用双向共享树，双向 共享树以某个核心路由器为根，允许组播信息在两个方向流动。这一点与 中山大学硕士学位论文 r w l m ：摹丁接收方的无线多媒体分层组播拥塞控制协议 p i m s m 不同( p i m s m 的共享树是单向的，在r p 与组播源之间使用s p t 将组 播数据转发到r p ) ，所以c b t 不能使用r p f 检查，而使用i p 包头的目标组地址 作检查转发缓存。这就要求对c b t 共享树的维护非常小心，以确保不会产生组 播路由循环。 从路由器创建的组播状态的数量来看，c b t 比s p t 的协议效率高，在具有 大量组播组和组播源的网络中，c b t 能把组播状态优化到组的数量级。但随着 组播流量的增大，c b t