（计算机系统结构专业论文）基于主动网络环境下组播技术研究.pdf

摘要 摘要 随着i n t e m e t 的发展，基于组播的应用越来越重要了。传统网络上的组播应 用遇到了许多的困难，比如a c k 、n a c k 内爆问题，且拥塞问题也没有得到很好 的解决。主动网络由于具有良好的编程性，可以对流经主动节点的数据包执行用 户自定义的操作，因此产生了主动网络的可靠组播的概念。 文章首先描述了几个当前比较熟悉的可靠组播算法，而后提出了可靠组播中 基于主动网络的差错恢复恢复算法r m e r 和拥塞控制算法a m c c 。 差错恢复算法刚e r 充分地利用了主动路由器主动服务，解决了反馈风暴和 重传滋扰问题。该算法包括下面四个机制：丢失检测，n a c k 处理，本地恢复和 局部重传，因此该算法可以用于可靠组播。拥塞控制算法a m c c 采用t c p 流量 模型公式，同时充分利用了主动路由器的提供的主动服务，很好的达到了协议间 的公平性。文章最后用n s 建模语言进行了仿真实验研究，同时对仿真的结果进 行了分析，仿真结果表明，它们是合理的，具有一定的价值。本文的这些工作也 同时证明了主动网络具有独特的优势，将成为非常有潜力的下一代的网络处理平 台。 关键词：主动网络可靠组播差错恢复拥塞控制 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，t h ea p p l i c a t i o nb a s e do n 胛1 j a b l em u l t i c a s ti s b e c o m i n gi m p o n a n tm o r c 锄dm o r e m u 】t i c a s to n 仃a d i t i o n a ji i l t e m e ti sh a r dt od e p l o y f o rt l l ep r o b l e m ss u c ha sa c k i m p l o s i o i l ，n a c ki m p l o s i o na i l d 辩v e r cc o n g e s t i o n i n c o n t r a s t ，b e c a u s ea c t i v en o d e si n 删v en e t w o r ka r ep r o 伊咖n a b l e ，t h en o d e sc a i l p r o c e s s l ed a l a 仃a i l s f e 玎e d “at l l e m 越印p l i c a t i o nw i s h t h e r e f o r et h eg e i l e r a t i o no f r e l i a b l em u l t i c a s tb a s e do na c 右v ei 衙w o r kh a p p e l l s 1 n “sm e s i s ，w ef i r s t l yd i s c u s ss e v e r a l i l i 盯陀l i a b l em u l t i c a s ta l g o 珊l i n sb 船e d o na c t i v en e 咖r k 1 1 1 e nm e s i sp r o p o s e s 坩or c l i a b l em u l t i c a s ta l g o r i m m sb a s i m0 n a c t i v en e t 、v o r k ：i 蝴e rf o re 盯o r 帕v e r ya n da m c cf o rc o n g e s t i o nc o n n d l r j e rma ：k e st t l eb e s to fa c t i v e 翼f v i c ei na c t i v er o u t e ra n ds ot h a ti ts o l v e st l l e p r o b l e mo f 受e d b a c ki m p l o s i o na 1 1 d 删r a n s m i s s i o nn u i s a n c e 1 h ea l g o r i t h mi n c l u d e s f 0 i l r m e c h a n i s m s ：l o s s d e t e c t i o l l ，n a c k h a j l d l i n g ，l o c a lr e c o v e r y 锄d o p e d r e 仃a n s r n i s s i o n ，s oi tc a i lb cu s e di nm ea r e ao fr e l i a b l em u l t i c a s t a m c ca d o p t st c p t h r o u 曲p u tf o 加u l aa n di tm a k e st h eb e s to fa c t i v e r v e fma c t i v er o u t e rt o 船t 0 a c l l i e v ei n t 盯- p r o i o c o l 筋m e s s i i lt l l ee n do ft h et 1 1 e s i sn sm o d e l i n g l a l l g u a g ei s i i i l p l e m e n t e da n dt h et h e s i s 西v eae v a l u a t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt l tt h e s e 押oa l g o f i t l l m sa r er e 弱o n a b l ea 1 1 dt h e yh a v es o m ep m c t i c a lu s e 0 u rw o r k 血r n l e r c o n f i n s 帆a c t i v en e m o r kh 踮锄d i s t i n c ta d v a n 诅g eo v e r 仃a d i t i o i l a ln e t w o r k 卸d b e c o n l eap r o i i l i s i n gn e 愀c o m p u t i i l gp l 甜b 肿i nt l l ef l m 鹏 k e y w o r d ：a c t i v en e 押o r k r e i i a b i em u i t i c a s te r r o rr e c o v e r y c o n g e s t i o c o n t r o l 创新性声明 本人声明所呈交的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；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做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，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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论文( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 。 本人签名：醴 丛 本人签名：憋 熬 导师签钒- 亟圆 日期：理：f ：皇 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 虽然i n t e m e t 的规模正在迅速扩大【删，但其基于t c p ，m 协议的体系结构自2 0 年前确定后一直引用至今。基于t c p l p 协议的i n t e m e t 遵循“端到端的原则”【”， 也就是说，i n t e m e t 的网络层只提供不可靠的传输服务，而应用要求的可靠性等由 端系统自己来实现。这样可以大大简化i i l t e m e t 本身的复杂度。 2 0 年的实践证明了这种结构是非常成功的，但随着网络规模的日益扩大，一 些局限性也开始显现出来。如网络规模日渐庞大而且复杂，使得网络管理、资源 配置故障定位变得越来越困难；又如，新的网络应用层出不穷，它们需要新的 协议和服务的支持，而网络中的传输节点( 包括路由器和交换机等设备) 功能相 对固定，导致了协议和服务的推出始终无法跟上应用需求的步伐。 这种背景下，人们认为需要在传统i n t e n l e t 体系结构的基础上，研究新的网 络体系结构。换句话说，需要研究具有适应，动态和智能化特性的网络。 主动网络( a “v e n e t w o r k ) 【2 】是目前已知的一种方向，其概念首次出现于1 9 9 4 年和1 9 9 5 年美国国防研究计划署d a m ，a 的研究社团( d a r p ar e s e a r c h c o m m u n i t y ) 关于“网络系统未来发展方向”的讨论会。该次会议针对传统网络的多 种弊端和不足，提出若干改进的途径，主动网络是会议的注意焦点。 主动网络是一种允许用户对网络中间节点( 如路由器、交换机等) 进行编程 的新型网络结构。具有智能的主动网络节点对应用敏感，可为不同的应用提供不 同的服务，例如根据线路状况寻找最佳路径，根据不同的消息激活不同的处理， 允许用户按需创建自己的服务并分布到网络中去。主动网络有强大的生命力，能 自我复制，自我再生，自我发展，自我保护，例如能主动避开受到破坏的节点； 当主动节点缺少服务时，相邻节点能复制自己，把备份传给它；主动网络上执行 的移动代码能自动扩展，自动消失，其扩散方式可以像细胞分裂，流体，只要其 中的一个节点有备份，它就能扩展；当网上的站点，中间节点受到攻击时能自动 启动保护程序。可见，主动网络的结构和行为不再取决于静态的设置，而是根据 情况动态变化的。 随着人们对网络的需求由简单的数据传输向综合的多媒体等业务发展，组播 作为一种可大大节省网络资源的技术在诸多领域有着广泛的应用，组播应用包括 音视频会议，电视视频广播、文件分发、内容分发计算机协同工作和分布式交 2 基于主动网络环境下组播技术研究 互仿真等。组播应用的效率和安全需求引发了对组播的深入研究，包括组播的路 由，可靠性传输和安全性问题等。 本文的选题正是来源于主动网络的可靠组播，在研究了几种组播协议的基础 上，针对可靠组播以及主动网络的特点， 错检错、差错恢复和组播拥塞控制协议， 试。 设计了在主动网络环境下可靠组播的差 同时在论文最后对该协议进行了仿真测 1 2 国内外研究现状 在主动网络中，由于路由器可以参与计算，因此，许多在传统网络比较难以 解决的问题在主动网络中都可以得到比较好的解决。下面简单的介绍一下主动网 络中实现的几种典型的应用和国内外发展的概况。 可靠组播在传统的网络中是一个难以解决的问题，而在主动网络中，路由器 可以直接参与可靠组播协议，使用组播路由树而无需另外构造逻辑树。 ( 1 )a r m ( a c t i v ei k i i a b l em u l t i c a s t ) 【3 】：是麻省理工学院计算机系开发 的一个可靠组播协议。a r m 是第一个提出的主动网络的可靠组播协议，需要主 动路由器的支持。a i t m 协议是一个基于n a c k 的方案，依赖于主动路由器提供 的主动服务，使用组播路由树进行本地恢复，a i t m 假设转发的组播路径相当于 反向单播路径。组播树上的路由器缓存经过的数据，检测到丢失后，接收者发送 n a c k 给源。当n a c k 到达路径上的一个主动路由器时，路由器检查它是否由请 求的包，如果有，那么就组播该包到n a c k 到达的接口的链路上，否则，向上游 转发该n a c k 。主动路由器也对在一定时间内的每个丢失包维护一个n a c k 记录 和修复记录，从而抑制重复n a c k ，n a c k 记录也包括一个位图来确定输出链路 以转发后续恢复1 5 j 。 a r m 中路由器提供尽力而为( b e s t e 肋r t ) 的数据缓存。组成员在逆行向上 ( 仃孙e 体e u p s 仃e 锄t o w a r d s ) 发送n a c k 报文，沿途经过的任何路由器都可以为其进 行差错重传，只要路由器缓存了被请求的数据。其差错恢复如图1 1 所示，删 对组播树结构的改变有很强的适应性，而且对于组播成员来说，不需要任何的数 据缓冲区来缓存数据。同时，a r m 中的路由器具有抑制n a c k 报文的功能，可 以很好地避免大量的n a c k 在网络中的传输p j 。 第一章绪论 图1 1a r m 差错恢复示例嘲 主动路由器 修复数据包 n a c k 圆圈表示出 现差错 ( 2 ) a e r ( a c t i v ee h d rr e c o v e r y ) 和p g m ( p r a g m a t i cg e n e r a lm u l t i c 船t ) h 。类似a r m ，a e r 和p g m 也在网络中提供主动服务来改善可靠组播协议的性 能，不过方法不同a e r 和p g m 中，主动服务由网络中的主动服务器来提供，这 些服务器加入组播组，为恢复丢失而缓存数据包，抑制和聚合n a c k ，截获下游 n a c k ，恢复数据包，节省带宽。采用一种信号机制来建立从接收者到源的反向 路径，调用或废除主动服务a e r 采用自由延时机制来抑制n a c k 爆炸。主动路 由器和接收方都可以通过检测到包序列号的间隙来判断丢失发生。若侦测到丢失， 便发送n a c k 反馈到上游节点。主动路由器也使用缓存来存储数据包和修复数据 以快速恢复。每个主动路由器只缓存最近的数据，当新的数据包到达而没有空闲 的缓存，新的数据包回代替旧的数据包。当一个主动路由器或接收方想发送一个 n a c k ，它设置一个抑制时钟。假如它在自己的始终归零一枪收到一个带有相同 序列号的n a c k ，它就抑制自己的n a c k ；否则，当时钟归零，将发送n a c k 直到收到修复包为止。当一个主动路由器从下游节点接收到一个n a c k ，如果它 没有修复数据，它也会向它的整个子树传送n a c k 以抑制n a c k 。否则它将修复 包发送到整个子树。在发送或抑制了n a c k 之后，主动路由器或接收方设置一个 重传时钟。如果在时钟走完而n a c k 还没有被抑制，它回重传n a c k 。a e r 使 用一个层次结构的r t t 测量机制来测量r t t 的值，以决定抑制时钟和重发时钟。 在接收到一个修复包以后，如果主动路由器中有悬挂的n a c k 记录则向它的下游 节点发送修复数据包，否则存储在缓存中p j 。 基于主动网络环境下组播技术研究 ( 3 ) r m a n p ( r e l i a b l em u l t i c a s ta c t i v cn e m o r kp r o t o c 0 1 ) 1 6 】。在a r m a e r 和p g m 中，主动路由器( 服务器) 基于不同数据包类型来完成定制的操作， 这和主动网络的操作模式类似。r m a n p 是一个在主动网络中支持可靠组播的协 议，r m a n p 可以用一种类似删，a e r 或p g m 的方式实现如下操作：数据缓 存，本地恢复和n a c k 抑制等。 综上所述。虽然它们提出了不少建设性意见，但是它们的缺点也是比较明显 的。a r m 使用接收方来发现数据出错，这使得错误发现的时间被推迟。导致数据 恢复时间也跟着推迟。而且它没有考虑到某些主动节点连接了太多的节点后会出 现的局部n a c k 爆炸问题。它对主动节点的使用也不充分。对软存储的管理也十分 的粗糙。a e r 进一步的使用了主动节点的功能，用它来发现数据传输错误。但是 它主要采用采用延时的手段来镇压n a c k 爆炸，这实际上带来了数据恢复的延时。 同时它在主动镇压同层次的节点可能的n a c k 反馈的同时，没有考虑到某些次级节 点必然的n a c k 反馈，并主动镇压。本文结合这两个基本算法的基本策略，提出了 一个更加理想的主动可靠组播策略。 1 3 1 网络缓存 1 3 主动网络的应用前景 为了减小数据传输时延，在传统的广域网络中常采用的技术就是网络缓存。 具体来讲，就是在一些网络关键节点缓存一些用户最近用过的数据，使得用户再 访问这些数据时不需要再从远端的数据源获取数据，而从距自己较近的节点就能 获取数据，从而减小数据传输时延及网络负荷。 然而，这种网络缓存技术对于实时性应用的性能优化几乎起不到什么作用， 在某种程度上讲，由于缓存了一些过时的信息，反而会降低应用的性能。以实时 股市行情查询系统为例。股市行情查询系统由一个数据中心提供实时数据，用户 用w e b 浏览器透过i 珊巳丌l e t 进行浏览查询。在任何地方任何时候都能获取最新股市 行情信息是该系统的关键。一般地，通过w e b 页面缓存机制可以减小用户访问w e b 服务器的时延从而提高性能。但是，普通缓存技术在该系统中却不能起到什么作 用。首先，普通w e b 页面缓存无法保证数据的实时性，因为各条信息更新周期不确 定；第二，普通缓存技术无法动态调整数据缓存的大小和缓存数据的范围；第三， 普通缓存没有考虑最佳缓存点问题，基本都是静态配置，这将会消耗过多的网络 资源或影响网络整体性能i l ”。 第一章绪论 利用主动网络技术，可以使得网络具有自组织性。将不同的缓存策略注入到 网络节点中去，通过分析统计通过该节点的数据特性，从而动态地调整缓存策略， 如选置缓存点，确定缓存数据，设置缓存范围及大小，甚至变“拉”为“推”。 1 3 2 主动虚拟网络 虚拟网能以特别的连接要求、私有度等来控制一组用户的访问。因特网应用 的飞速增长对虚拟网的业务要求更复杂， 对不同网络结构的支持不具有可伸缩性。 问题。 现有的虚拟网方案解决能力有限，并且 将主动技术引入虚拟网正好能解决这一 主动网络能提供全新的方法解决多服务问题及支持多控制结构。这得益于主 动网络的可编程性，它使网络具有更好的定制能力和资源控制能力。 在主动虚拟网研究中，一种称为s p a w n j n g 的技术特别引人注目。s p 抓，1 1 i n g 就 是新的网络结构的自动产生、应用和管理的过程。该词来源于操作系统中的父进 程创建子进程，其子进程将继承同一硬件( 如c p 上父进程的属性。而网络的 s p a 啪i n g 过程则是克隆出来的虚拟子网继承了父网的网络结构特性，但虚拟父网 和虚拟子网可以分别满足不同用户的需求，而且虚拟子网还可以产生其自己的子 网，称之为嵌套( n e s t e d ) 虚拟子网。而且新的网络结构的产生、应用、管理和构 架是一个动态的过程，主要是通过一系列路由小模块( r o u t e l e t ) 和虚拟连接( v i m l a l l i n k l 完成。其中r o u t e k 代表虚拟网络拓扑中的虚拟路由器，能够转发基于实例化 的虚拟控制对象( i n s t a t i a t e do b j e c t ) 的包，r o u t e j e t 包括一系列分布式对象：封装、信 令( 如r s v p ，带内的方法) 、控制( 如区分服务、尽最大努力) 和管理( 如s n m p ，c m i p ) 等。这些对象和克隆的能力都被封装抽象在r o u t e l e t 中。虚拟连接则用于互连 i b u t e l e t 。在文献中还描述了一个分布到终端系统和网络结点中的“虚拟网络内核”， 它提供的中间件支持克隆不同的虚拟网络结构。研究s p a w n i n g 网最著名的是 c o l u l l l b i a 大学的g e n e s i s 项目组，该项目的关键技术是g e i l e s i s 内核，它能够克隆并 且自动产生、应用和动念管理不同的虚拟网络结构，并代表下一代的可编程网络 环境的发展方向。同时研究基于此体系结构的异质组播( h e t c r o g e n e o u sm u l t i c a s t ) 和区分服务将是研究方向”“。 1 3 3 可靠组播 可靠组播是一个比较复杂的问题， 组成员通常不只一个，问题就复杂了。 它不同于单播的可靠传输。因为组播中的 首先，如果有很多组成员都未收到发送者 6 基于主动网络环境下组播技术研究 的数据时，它们会同时发出相同的重传请求，于是就造成了所谓的n a k 阻塞 ( n e g a i i v ea c k n o w i e d g e m e n ti m p l o s i o n ) 。再者，若只一个接收者没有收到数据也会 导致重传数据给所有的接收者，很显然这浪费了大量带宽的。还有，另一个难题 是组成员不固定，老成员任何时候都可以离去，新成员任何时候都可以加入。主 动可靠组播a r m ( a c t v i er e l i a b l em u l t i c a s t ) 利用主动网络技术进行差错恢复，比较 好的解决上述问题。a l t m 的主要内容是： 1 ) 利用采用主动技术的中间路由器来保护发送者和带宽免受不必要重复的 n a k 和重传数据的干扰，避免n a k 阻塞； 2 ) 采用基于主动路由器的本地恢复方案，用于减少端到端广域网重传延时，并 且将重传的任务分散到多个路由器，减少发送者的负担。特别地，a r m 路由器能 自动调整缓存状态，尽最大努力缓存数据； 3 ) a 砌路由器采用部分组播的方式限制数据重传的范围，从而减少网络带宽 资源占用。 由于a r m 不依靠特定的路由器或接收者来完成差错恢复，所以删能够适 应网络拓扑的动态变化。a r m 不要求所有的路由器都是主动的。由于要实现主动 处理，网络负荷会有所加重，但分析和实验显示，适度的网络主动处理和缓存， 将极大改善端到端的性能和提高网络传输效率。 a i t m 尚在继续研究的问题是：如何有效的选择主动路由器在网络中的位置； 如何处理接收者的异质性问题( h e t e r o g e n e i t y ) ，即不同的接收者享有的服务质量 ( q o s ) 不同时，例如，当接收者中既有手持个人数字处理机( p d a ) 又有高性能工作 站时，如何处理差错恢复。 l ，3 4 网络安全 网络安全一直以来都是研究的热点，关于主动技术在网络安全中的应用研究 也很热。利用主动技术来探测与防止非法入侵与攻击有许多优点。首先，更薪系 统的安全防护系统方便迅速快捷，一旦发现了新的网络系统安全漏洞，能迅速更 新安全防护系统；再者，主动网络安全技术能自动找到最佳安全设防点；最后， 主动安全技术能优化网络资源的利用效率。主动安全的研究课题很多，目前较成 功的是一种称作“主动网络攻击探测与防范( a c t i v en e h v o r ki n t n l d e rd e t e c t i o na n d r e s p o f i s e ，a n i d r ) ”的技术。 a n i d r 系统的核心网由运行s a n t s 的主动路由器或交换机构成，a n i d r 根据 网络结构自动地找到最佳防护点。当有入攻击网络中的某服务器时，a n i d r 立即 就会探测到，a n i d r 随即激活该服务器周围的包过滤器，形成“防火墙”，对所有 第一章绪论 到该服务器的包进行检查。同时，利用反向跟踪机制将“防火墙”推向攻击者，最后 在最靠近攻击源的a n i d r 系统网络的边界上形成“专用防火墙”阻止攻击。 1 3 5 网络管理 针对目前网络管理方面的问题，主动网络技术是一种很好的解决的方法。通 过使网络内节点主动起来，可以将管理中心移动到网络中合适的地方从而减少带 宽利用率、网络管理响应的时延。可以对一些分组注入特殊的代码以便它们在遇 上有问题的节点时可以作“急救”。这些代码可以在有问题的节点上执行自动改变节 点的状态而不是等待管理中心的应答。其他的一些分组可以被看作“巡逻”分组，在 网络中，在“巡逻”分组被传输的过程当中，它们不断地监视有无异常情况的发生。 除此之外，由于管理中心可以向被管理的节点发送程序，所以它可以根据自己当 时的需求来实时“裁剪”信息。这样不但可以降低网内的业务量，而且在管理中心收 到信息后可以减少处理信息的时间。总之，在网络管理中采用主动网络技术可以： 为实现i p 组播传输，组播源和接收者以及两者之间的下层网络都必须支持组播：即 主机的t c p i p 实现支持发送和接收i p 组播；主机的网络接口支持组播；有一套用于 加入、离开、查询的组管理协议，即i g m p ( vl ，v 2 ) ；有一套i p 地址分配策略，并 能将第三层i p 组播地址映射到第二层m a c 地址；支持i p 组播的应用软件；所有介 于组播源和接收者之间的路由器、交换机均需支持组播：对于不支持i p 组播传输的 中闻路由器采用i p 隧道( t u n n e l i n 曲技术作为过渡方案。 ( 1 ) 更快速地检查到问题所在并自动报告给管理中心而不必轮询： ( 2 ) 管理中心可以方便地设在网络的中心处，所以响应时延和带宽利用率 都会降低； ( 3 ) “巡逻”和“急救”的主动分组可以分别迅速地跟踪问题和处理问题： ( 4 ) 返回管理中心的信息内容可以根据管理中心的需要进行“裁剪”因此网络 中的流量和处理时间都会降低： ( 5 ) 由于主动网络技术的固有的灵活性，当管理要求发生变化时，管理策 略可以非常容易进行调整。 下面举一个例子一用智能分组来阐明主动网络技术是怎样运用到网络管理中 去的。通过对这项研究的大概介绍可以看到i j i 述各点是怎样在实际中实现的。在 这项研究中将数据分组替换成可以携带程序的智能分组。智能分组中的程序是用 一种专为网络管理设计的、紧凑和安全的语言编写的。智能分组被设计称为一种 网络管理的工具，网络管理者通过它来有效的管理网络资源。有四种不同类型的 分组：程序分组、数据分组、出错分组和信息分组。程序分组中携带的是可以在 s基于主动网络环境下组播技术研究 相应节点上执行的程序代码。数据分组携带的是返回给原始的网络管理程序的执 行结果。信息分组携带的是传送的数据。出错分组返回出错信息。使用智能分组 可以将管理决策节点移近被管节点，锁定节点的某一些特定方面来获取信息，用 编程语言来实现抽象的网络管理概念，所有的这些使得管理庞大而复杂的网络的 工作变得简单起来。 委托制的网络管理是将代码移到网元上执行口见图1 2 。它的最根本的原则是 实现管理功能的函数可以被动态的委托给网元以便被分散执行而不是集中执行。 和传统的网络管理将数据从被管节点传送到管理节点不同，它是将管理应用代码 分发到有数据的网元上。委托制的网络管理为可升级的、分布式的、自动的管理 提供了强有力的计算体系结构。 中央臂理f 台 督e! 鉴为 管 代 委 e主 型 理 码 动 代 应分 怫沮 服 理 用 发 务 器 叶。 图1 ，2 基于主动网络技术的网络管理模型1 1 ” 在这种机制中，一个弹性服务器提供便携式操作系统的扩展来支持委托代理 的运行；一个委托协议用来将委托代理动态分配到远端服务器上并控制它的执行。 委托代码是由应用或业务提供者发送给网络节点来实现对它自己数据流的管 理。委托代码在指定路由器上被执行并通过一个控制应用编程接口( a p i ) 来管理资 源。对a p i 不应限制太严格，因为这样会限制代理的效用，同时也不能给予太多权 利，这样可能会导致系统无效。在这里网络中的资源被组成一个资源序列以便于 被管理。a p i 函数被分为大量的类；其中一个类允许委托代码改变资源序列，另一 个类允许委托代码进行路由选择；还有一个类接受和发送消息。通过询问有无变 化发生委托代码可以监视网络状态。委托制的网管减少了用于管理的网络带宽利 用率和读取远程数据的时延，同时它还帮助开发者根据需要来修改管理策略。在 管理功能上委托制网络管理获得了时间和空间上的分布i i ”。 1 4 论文研究的意义和所做的工作 在主动网络中，可靠组播研究的内容主要是探究一种组播数据传输可靠性保 第一章绪论9 证的机制，为此必须要进行差错恢复，在保证可靠性的同时又要兼顾传输的效率 和如何利用网络资源，为此必须又要提高组播的拥塞控制机制来对它进行有效的 控制，可靠组播因此主要是对组播的差错恢复和拥塞控制的探究和分析。 差错恢复机制是可靠组播的首要任务，它的主要功能是重传丢失的数据包， 保证数据包的可靠投递到所有的接收者。实现简单的高效的可扩展的差错恢复机 制，但是它遇到了许多的困难：首先是可扩展性的问题，也就是在组播的成员特 别庞大的，如何保证组播能有效的处理大量的反馈信息，包括确认报文( a c k ) ， 否认报文( n a c k ) ，状态报文等。如果对这些报文处理不当，将会引起严重的后 果，产生反馈风暴和归零( d m p t 0 z e r o ) 问题，甚至出现网络崩溃，影响了网络 中的其它主机。 此外组播遇到拥塞控制的问题，其中公平性是拥塞控制能否得到认可的关 键。公平性指可靠组播流与t c p 在共享瓶颈链路时，能否公平的占用带宽。i n t e m e t 之所以能够稳定的运行，很大程度上归应于t c p 对网络状态的自适应性调节和公 平性，而且目前8 0 的i n t e m e t 数据流使用t c p 流作为可靠传输协议。如果可靠 组播流不能与t c p 流公平地共享网络带宽，而使t c p 流得不到应有的带宽，这 将最终导致整个网络崩溃。 基于以上两点，文章中提出解决的办法，在第四部分提出主动网络的组播协 议差错检错和反馈控制协议r m e r 和主动网络的组播拥塞控制协议a m c c 。前 者是在综合分析了现有的差错恢复协议的基础上提出的一种针对主动网络的差错 恢复协议，它充分利用了主动网络的特点，有效的解决了n a c k 风暴问题，而且 能大大的减少网络中n a c k 产生的流量，节约了网络的带宽。此外，结合主动网 络文章中又提出了基于主动网络的拥塞控制协议a m c c ，它是一个基于t c p 流 量公式的，因而t c p 友好性得到了很好解决，同时它结合主动网络的特点，利用 主动节点来进行计算结果，能更加快速把结构反馈给组播源，组播源同时能快速 响应来进行速率调节。 1 5 论文结构 本文一共分为六章： 第一章绪论。提出主动网络的可靠组播，同时简单介绍了国内外的研究现状， 然后介绍了论文研究的意义和所做的工作。 第二章现有组播技术。从组播的发展历史说起，对组播的编址方法详细的描 述，然后对组播的路由算法和组播的路由协议进行了简单的叙述，以及对可靠组 l o基于主动网络环境下纽播技术研究 播进行了定义。 第三章主动网络的体系结构。这一章主要是介绍一下主动网络基本知识。对 主动网络的基本概念，体系结构做了简单介绍，同时把当前主动网络的几个比较 热门的主动网络执行环境做了介绍，本章最后介绍了节点操作系统以及比较了传 统网络和主动网络的不同点。 第四章可靠组播算法设计。已有的可靠组播协议分析，提出主动差错检测和 恢复协议r m e r ，介绍组播搁塞的几个特点，特别是t c p 友好性，提出了主动组 播拥塞控制协议a m c c 。 第五章仿真和结果分析。介绍了当前使用较多的网络仿真模拟工具n s ，在 n s 上面模拟仿真了主动网络下的组播的差错检测和恢复协议，对结果简单的分 析了一下，而后模拟仿真了主动网络的组播拥塞控制协议a m c c ，同时也分析了 模拟的结果。 第六章总结。总结了本文的主要工作，然后又指出了文章需要做的进一步的 工作。 第二章组播技术 第二章组播技术 i p 组播技术实现了i p 网络中点到多点的高效数据传送。因为组播能够有效 地节约网络带宽和降低网络负载，所以在实时数据传送、多媒体会议、数据拷贝、 游戏和仿真等诸多方面都有广泛的应用。 组播树是由组播路由协议创建的，它为发送者将组播数据分发到各组成员提 供了路由。但是i p 组播只提供“尽力而为”的通信服务，发送者不知道组成员的组 成信息，也不知道它们是否发送成功收到组播数据报文。显然，这种通信方式不 能适应如软件分发、交互式仿真等组播应用的要求。因此，设计基于i p 组播的可 靠组播传输协议已成为研究的热点。 本章内容将阐述组播的基本工作原理、i p 组播编址、i p 组管理协议、i p 组播 路由协议及可靠组播传输协议相关内容。 2 1 组播的发展历史 在i n t 锄e t 发展之初，普遍采用的数据传输方式有单播( u 1 1 i c a s t ) 和广播 ( b m a d c a s t ) 两种。随着网络带宽资源的丰富，使得流媒体网络应用成为可能，例如 视频点播系统、远程教学系统等。这类应用通常要求把信息从一个源点发送到多 个目的地，数据量较大，如果采用传统的单播方式，信息源需要与每一个用户建 立一条单独的连接，并为其发送一份数据拷贝，不但浪费带宽，而且可能使信息 源所在的网络不堪重负；而使用广播方式容易造成信息的泛滥，甚至网络崩溃。 组播( m u l t i c 船t 1 就是顺应这种网络应用的需要而产生的。 1 9 8 8 年d e e 血i g 提出了将组播的功能机制增加到数据网i p 层的组播实现体系结 构，这种体系结构成为i p 组播( i pm u l t i c 嬲t ) 。i e t fr f c l l l 2 对i p 组播的业务提供的 方式和形式进行了描述和定义，被看成是组播的标准业务模型的定义。 标准i p 组播业务模型定义了主机和路由器i p 层应有的功能机制和上层所看到 的组播业务的形式。主机组( h o s t 觚u p ) 是i p 组播概念的核心，多个主机组成主机 组，用一个i p 组播地址标识，以组地址为目的地址的组播数据以i p 数据报尽力而为 r b e s t e f f b r t ) 的方式转发到主机组中的各个主机。组播路由协议首先形成分发树( 组 播路由器承担组播数据的寻路和转发控制功能，这些路由器及链路在网络中形成 了一个控制组播数据传送的逻辑结构，成为组播转发结构，这种结构一般是树形 的结构，称为分发树) ，通过在分发树的每一个分支上传送一个数据流，在树的分 基于主动网络环境下组播技术研究 叉处进行复制的过程，数据流从服务器最终传送到所有接收者，组播技术支持多 点通信，具有良好的扩展性。无论接收者数量如何增加，对于一个业务来说，服 务器只需要发送一个数据流，沿途网络设备中也只需传播一个数据流，最大限度 地降低了服务器和网络负载，节省了成本。 1 9 9 2 年，i p 组播主干网( m u l t i c 硒tb o n em b o n e ) 建立。m b o n e 是一个相互连接的 子网和路由器的集合，这些子网和路由器支持i p 组播业务流的传送。作为i n t e m e t 上的虚拟网络，m b o n e 通过隧道技术来旁路互联网上无组播能力的路由器。从 1 9 9 2 1 9 9 7 年，i p 组播的协议标准和部署方法在m b o n e 中进行了研究和实验。历经 2 0 多年的研究和发展，i p 组播己经形成了较为完整的通信模型【l ”。 2 2 组播编址 2 2 1 组播i p 地址 i p 组播地址用于标识一个i p 组播组。i a n a 把d 类地址空间分配给组播使用， 范围从2 2 4 0 0 o 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。如下图所示( 二进制表示) ，i p 组播地址前四 位均为“1 11 0 ”。 卜- 牛i 7 0 一卜一与二1 t 1 一卜_ ：t ：淝一卜- 字1 ，3 2r 2 2 组播地址划分 图2 1 i p 组播地址格式 整个i p 组播地址的空间划分如图2 2 所示： 其中2 2 4 o o o 到2 2 4 o o 2 5 5 地址范围被i a n a 预留，地址2 2 4 o 0 o 保留不做 分配，其它地址供路由协议及拓扑查找和维护协议使用。该范围内的地址属于局部 范畴，不论生存时间字段t t l 值是多少，都不会被路由器转发：2 2 4 o 1 o 到 2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5 地址范围作为用户组播地址，在全网范围内有效。其中2 3 3 8 为 g l o p 地址。g l o p 是一种自治系统之间的组播地址分配机制，将a s 号直接填入组 播地址的中间两个字节中，每个自治系统都可以得到2 5 5 个组播地址；2 3 9 0 o o 到 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 地址范围为本地管理组播地址( a d m i n i s t m t i v e l ys c o p e da d d r e s s e s ) ， 第二章组播技术 仅在特定的本地范围内有效。当i p 层收到组播数据报文时，根据组播目的地址查找 组播转发表，对报文进行转发。 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 s 2 3 9 0 o o 2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 s 5 2 2 4 o 1 0 2 2 4 0 o 2 5 s 2 2 4 o o 。q 图2 2 组播地址划分 2 2 3i p 组播地址到m a c 地址的映射 n n a 将m a c 地址范围0 1 ：0 0 ：5 e ：o o ：0 0 ：o o 0 1 ：o o ：5 e ：7 f ：f f ：f f 分配给组播使 用，这就要求将2 8 位的i p 组播地址空间映射到2 3 位的m a c 地址空间中，具体的映 射方法是将组播地址中的低2 3 位放入m a c 地址的低2 3 位，如下图所示： 。z 址匝面匾重睡重蔺 。p 眦址掣卜于 4 8 j j 眦地址 一l 1 竺! ! ! ! ! ! h ! ! 竺! 竺u ! ! ! ! ! ! ! ! l ! ! ! ! ! ：登目! ! ! ：! ：坚u ! ! 竺：兰谚 图2 3 组播地址到m a c 地址的映射 由于i p 组播地址的后2 8 位中只有2 3 位被映射到m a c 地址，这样会有3 2 个 i p 组播地址映射到同一m a c 地址上。 基于主动网络环境下组播技术研究 2 3 组播路由 i p 组播路由的目标就是：给定任意一个i p 组播组，为其找到一棵组播树，这棵 树的所有叶子节点为加入该i p 组播组的主机，中间节点为i p 组播路由器。一个理想 的高效的组播路由算法需具备以下特点： ( 1 ) 适应组成员的动态加入或退出 ( 2 ) 保存在组播树节点中的状态信息最少 ( 3 ) 组播树中各链路费用之和最小 ( 4 ) 避免流量集中在一部分链路和节点上 2 3 1 组播路由算法 1 洪泛法( f l o o d i n g ) 就是当某个结点收到一个不是发给它的分组时【l “，就向所有与此结点相连的 链路转发出去。为了防止分组来回不停地在各条链路上“振荡”，不能再把这个分组 发回到它刚刚离开的那个结点。当网络的通信量很小时，洪泛法可使分组的时延 为最小。在实际运行的网络中很少采用洪泛法，因为洪泛法会使网络中的分组数 目迅速增长，导致网络出现拥塞现象。洪泛法在军用网中很有用，因为它有很好 的健壮性【1 “。 洪泛法实现的关键技术是“首次接收”检测 1 “，这需要维护一个最近通过的 数据报列表，但无需构造路由表。它没有考虑链路状况，会产生大量的重复数据 报，因此不适合于广域网的组播传输。而且，对高速网络而言，“首次接收”列表将 会很长，占用大量的存储空间。尽管它可以实现相同的数据报不会二次转发，却 不能保证对相同数据报只接收次。因此洪泛法是一种效率很低的算法【l6 】。 2 生成树 比洪泛法【6 】更有效的一种算法是生成树技术。此算法首先选取网络链路的一 个子集，构造一棵树，此树覆盖网络中的所有节点。路由器沿此树转发组播数据 报。由于此树是一种无环结构，因此不会出现重复报文，并确保报文能到达所有 的组成员。每个路由器只要保存有关该树的状态信息，因此不需要很大的存储空 间。但是该算法具有两个主要的缺点：它将所有数据流集中到了网络的一部分链 路；不加选择地将数据报发送给网络中的所有节点，而不是限制在加入组播组的 节点，浪费了网络资源i i “。 3 反向路径转发 第二章组播技术 砌f ( r e v e r s ep a i l lf o n v a r d i n g ) 是目前m b o n e 所使用的组播算法1 1 6 1 ，它对生成树 算法进行了改进。建立r p f 树的目的是提供到达所有组成员的最短路径。当路由器 从接口i 收到由发送者s 传来的数据报时，检查i 是否为该路由器到s 的最短路径上的 发送接口，若是则将数据报从除i 之外的所有接口发送出去，否则丢弃报文。该算 法有效且容易实现，与生成树算法不同的是它不需要事先建立一个包含网络中所 有节点的树，数据报可以沿着不同的树转发，因此有利于数据流的分散。而且由 于数据报经过的路径是源节点和目的节点之间的最短路径，因此传输速度较快。 但是它的一个主要缺点是没有考虑组成员的构成，而向所有节点扩散数据【l 6 】。 4 剪枝反向路径转发( n 冲f ) 1 r i 冲f ( t m l l c a t e dr p f ) 综合i 冲f 和剪枝技术【j 6 l ，克服了i 冲f 算法的不足。第一个 数据报文从发送者s 按照r p f 扩散到所有节点；当叶节点收到此报文时，如果它本 身不是组g 的成员，就向转发报文的同一子网中的路由器发送剪枝消息；当路由器 检测到没有必要再接收针对( s ，g ) 的组播报文时，就沿着i 冲f 树向上发送剪枝消息。 上游路由器需要记录剪枝信息，如果在上游路由器的子网内没有针对( s ，g ) 的组成 员，并且其下游路由器都向它发送了剪枝信息，那么它继续上传剪枝信息。通过 这样一层层的剪枝，