（计算机应用技术专业论文）基于peertopeer网络的应用层多播研究及其原型系统的实现.pdf

东南大学硕士学位毕业论文基于p e e r t o - p e e r 网络的应用层多播研究及其原型系统的实现 v6 4 4 6 7 3 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权说明 一、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谢意。 关于学位论文使用授权说明 签名：4 垦丛日期! 呈竺生：i ：兰i 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。 至璺塑主兰些望些鱼兰 苎量! ! ! 竺! ：! ! ! ! 璺垒塑壁旦星垒塑塑窒墨苎星型墨堑塑壅墨 摘要 随着i n t e r n e t 和计算机技术的发展，i n t e r n e t 中用户和应用表现出了新的特点：端用户 个人计算机能力的不断增强和与之对应的应用需求变化。新出现的一类应用需求包括在 i n t e r n e t 上进行实时音视频交流，音视频点播网络直播，用户之间的文件共享，虚拟社区。 网络游戏等。这类应用通常具有一对多，多对多的通信特点，同时要求网络提供服务质量保证。 传统的i p 多播方案是为一对多，多对多的通信模型而设计的。然而由于i p 多播方案的技 术性问题和i p 多播方案所带来的市场问题使得i p 多播方案在提出1 0 年以后仍然没有在 i n t e r n e t 上成功的部署起来。在i p 多播无法满足新出现应用的需求情况下，研究者开始考虑 利用i n t e r n e t 边缘用户的资源，在应用层实现多播服务。 应用层多播服务的基本思想是：在不改变网络基础设施，不依赖网络层提供多播服务的情 况下，在应用层实现多播服务功能，供用户使用。 本论文主耍研究了基于p e e r t o p e e r 覆盖网络的应用层多播，提出了在p e e r t o p e e r 网 络上的应用层多播三层体系结构的多播服务模型，设计并实现了相应的原型系统。本论文的研 究主要包括以下几个方面： 深入分析了当前的应用层多播方案，对应用层多播问题进行了抽象描述，提取其中的关键 元素，在抽象层次上对应用层多播路由问题进行了分类，在此基础上对应用层多播的多播 路由问题进行了分析讨论。 分析了目前在p e e r t o p e e r 网络上的应用层多播方案，包括c a nm u l t i c a s t 、b a y e u x 、 s c r i b e 等，它们的共同特点是利用了p e e r t o p e e r 覆盖网络及其动态哈希路由机制，因 此保持了p e e r t o p e e r 网络支持大规模、支持成员动态变化的优点。但目前对基于 p e e r t o p e e r 网络的应用层多播的研究还处于探索阶段对于应用层多播的模型、性能分 析、性能优化的研究都没有展开。 设计了基于p e e r t o p e e r 网络的应用层多播的三层体系结构，并描述了各组成部分的功 能。将应用层多播自下而上分为三层：p e e r t o p e e r 网络抽象层多播服务层和多播应用 层。p e e r t o p e e r 网络抽象层提供动态啥希路由支持：多播服务层运行多播路由协议，计 算多播转发路径，向多播应用层提供多播调用接口：多播应用层可支持多种不同的多播应 用。 究”。 本论文研究内容来源予国家自然科学基金项目“。卜一代网络服务体系结构和关键技术的研 关键词；应用层多播p e e r t o p e e r 网络覆盖网络动态哈希路由多播树p a s t r y 分类号：t p 3 9 3 查堕查堂堡主堂垡璺些文基于p e e r - t o p e e r 网络的应用层多播研究及其原型系统的实现 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dc o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yt h ec u s t o m e r s a n dt h e i ra p p l i c a t i o nc h a n g e sa c c o r d i n g l y t h ec u s t o m e r sd o n ts a t i s f ye m a i la n dw e b e x p l o r i n go n l y n e wa p p l i c a t i o n s s u c ha sm u l t i m e d i ac o n f e r e n c e s ，l a r g e - s c a l e g r o u p c o m m u n i c a t i o n ，c o n t e n td i s t r i b u t i o ng r o w sf a s t e ra n df a s t e r t h e s ea p p l i c a t i o n sh a v et h e c o m m u n i c a t i o nm o d e lo f o n e - t o - m a n y o rm a n y t o - m a n y t h et r a d i t i o n a li pm u l t i c a s ta r c h i t e c t u r ew a sp r o p o s e df o rt h e s ec o m m u n i c a t i o nm o d e l s h o w e v e r , m o r et h a nad e c a d ea f t e ri t s i n i t i a lp r o p o s a l d e p l o y m e n to fi pm u l t i c a s th a s b e e nl i m i t e dd u et oav a r i e t yo ft e c h n i c a la n dm a r k e tr e a s o n s u n d e rt h i sc o n d i t i o n i p m u l t i c a s ta r c h i t e c t u r ec a n ts a t i s f yc u s t o m e r sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n r e s e a r c h e r si nt h e r e c e n tp a s th a v ep r o p o s e da p p l i c a t i o n l a y e rm u l t i c a s ta s a na l t e r n a t et e c h n i q u ef o r p r o v i d em u l t i c a s t s e r v i c e s t h eb a s i ci d e ao f a p p l i c a t i o nl a y e r m u l t i c a s ti st o i m p l e m e n t t h e m u l t i c a s t i n g f u n c t i o n a l i t y a tt h e a p p l i c a t i o nl a y e ri n d e p e n d e n t o ft h e s u p p o r t o f m u l t i c a s t i n g f u n c t i o n a l i t yi nn e t w o r kl a y e r t h a tm e a n s ，a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tt a k e sa d v a n t a g e s o f n e t w o r kr e s o u r c e sa v a i l a b l ea t t h ee d g e o f i n t e r n e t i n s t e a do f t h ec o r eo f i n t e r n e t t h i s p a l ：i e re m p h a s i z e s o nt h er e s e a r c ho f a p p l i c a t i o nl a y e r m u l t i c a s tb a s e do n p e e r - t o p e e rn e t w o r k b a s e do np e e r - t o p e e rn e t w o r k t h ea u t h o rp r o p o s e sat h r e e - t i e r e d a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s ta r c h i t e c t u r et h ea u t h o r a l s oi m p l e m e n t st h er e l a t e dp r o t o t y p e t h em a i nc o n t e n t so fw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： f i r s t l y , w ea n a l y z e dt h ec u r r e n td e v e l o p m e n t o f a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ；p r o p o s e d t h ea b s t r a c t i o nm o d e lo f a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s ta n di t sr e l a t e dr o u t i n gp r o b l e m s a n ds u m m a r i z e dt h ec u r r e n tr o u t i n ga l g o r i t h m s s e c o n d l y w e r e s e a r c h e dt h ec u r r e n t a p p l i c a t i o nl a y e r m u l t i c a s tb a s e do n p e e r - t o p e e rn e t w o r k ，i n c l u d i n gc a nm u l t i c a s t ，b a y e u x ，s c r i b ee t c w ea n a l y z e d t h e i ra d v a n t a g e sa n ds h o r t a g e t h e n w ep r o p o s e do u ra p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s ta r c h i t e c t u r e i tc o n s i s t so ft h r e e l a y e r s ：p e e r - t o p e e r n e t w o r ka b s t r a c t i o n l a y e r , m u l t i c a s t i n g s e r v i c e l a y e r a n d m u l t i c a s t i n ga p p l i c a t i o nl a y e r t h ep e e r - t o p e e rn e t w o r k a b s t r a c t i o nl a y e rp r o v i d e sa g e n e r i ci n t e r f a c eo f p e e r - t o - p e e rl o o k u ps e r v i c e t h em u l t i c a s t i n gs e r v i c ep r o v i d e s m u l t i c a s t i n gf u n c t i o n a l i t y t h em u l t i c a s t i n ga p p l i c a t i o nl a y e rr e p r e s e n t st h e u s e r s a p p l i c a t i o n t h er e s e a r c hw o r ki nm yp a p e ri sa f f i l i a t e dw i t ht h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t “r e s e a r c ho nt h e n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r ks e r v i c ea r c h i t e c t u r e a n di t s k e y t e c h n o l o g y ” k e y w o r d s ：a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ；o v e r l a yn e t w o r k ；p e e r - t o p e e rn e t w o r k ； d y n a m i c h a s ht a b l er o u t i n g ；m u l t i c a s tt r e e ；p a s t r y ! 型型塑型兰些兰兰竺笙塞 墨三! ! ! 三竺：! ! ! 堕垒塑壅旦星童! 墅墨壅垦苎堕型墨竺塑查垫 第一章研究背景 随着【n t e m e t 和计算机技术的发展，i n t e r a c t 中用户和应用表现出了新的特点：端用户个人 计算机能力的不断增强和与之对应的应用需求变化。如今个人计算机的计算能力、存储能力、 接入带宽都有了飞速的提高。举例来说，如今个人计算机的计算能力已超过当年美国登月飞船 上所有计算机计算能力的总和。而全球个人计算机的数量也在飞速的增长。截至2 0 0 3 年底，全 球互联网用户的数量已达到7 亿。随着计算机能力的不断增强，用户已经不再满足于仅仅在 i l t e m e t 上浏览网页，收发邮件等基本的功能。新出现的一类应用需求包括在i n t e m e t 上进行实 时音视频交流，音视频点播，网络直播，用户之问的文件共享，虚拟社区，网络游戏等。这类 应用都具有一对多，多对多的通信特点同时要求网络提供服务质量保证。 传统的i p 多播方案是为一对多，多对多的通信模型而设计的。然而由于i p 多播方案的技 术性问题【1 】( 包括组管理，组地址分配，服务质量等问题) 和l p 多播方案所带来的市场问题f 1 ( 包括路由器换代的成本。i s p 对i p 多播管理的成本，i s p 间多播管理的成本) ，使得i p 多播 方案在提出1 0 年以后仍然没有在i n t e m e t 上成功的部署起来。因此在i p 多播难以部署，无法满 足新出现的应用的需求情况下需要寻求新的方案和技术，来满足应用的需求。 1 1l p 多播技术简介 在i p 网络上，主机的通信可采用三种模型：单播、广播和多播。在多播方式中，不论组成 员数量的多少，数据源只发送一次数据包，并且多播只向那些需要数据包的主机和网络发送包 f 以多播地址寻址) ，在共享的链路上，相同的信息只需要一个多播流，从而能够很好地控制流 量，减少了主机和网络的负担，提高了网络应用服务的效率和能力。 1 1 1i p 多播的服务模型 i p 多播是一种开放的服务模型，模型中具有发送者和接收者两个概念。主机通过i g m p 2 1 报文与本地路由器交互，成为接收者。发送者只需将报文的目的地址指定为多播组地址就可实 现发送。i p 多播使用d 类i p 地址作为多搔组地址。 i p 多播没有提供技术用来限制用户创建一个多播组，接收多播组的数据，和向多播组发送 数据。组成员身份只是实现了接收者可以收到数据，不提供任何访问控制的功能。为了收到 个多播组的数据，用户只需用i g m p 协议与本地路由器联系。当一个主机变成多播组的接收者 之后，它可以收到多播组的所有数据报文而不管数据报文的发送者是谁，是否是恶意的发送 者。发送者不需要成为组的接收者，只需将报文的目的地址指定成多播组地址，就可以实现向 多播组发送报文。发送者不能对自己使用的组地址进行保留限制别的用户使用与自己相同的 组地址。 总之，i p 多播的服务模型没有提供组的管理。i p 多播数据报文与所有的i p 数据报一样， 提供尽力而为服务，没有可靠性保证。【p 多播传送功能是通过在i p 网络设备上运行相应的多 播路由协议来实现的。 1 1 2 i p 多播的体系结构 图l 一1 右侧部分给出了当前i p 多播的体系结构【1 】。体系结构自下而上分为四个层次，最 底层为域间路由层，实现跨域的多播路由，采用的协议育m s d p 3 和b g m p 4 。上一层为域内 路由层，实现域内的多播路由，即我们通常说的多橘路由协议，目前多播路由协议主要有 d v m r p 【5 l ( 距离向量多播路由协议) 、m o s p f 6 ( 开放式多播最短路径优先协议) 、c b t 7 ( 有 核树) 、p i m d m 【8 】( 协议独立多捕一密集模式) 、p i m s m 【9 】( 1 办议独立多播一稀疏模式) 等， 苎旦茎堂塑：! ! ! 垒望些堡兰 苎王! ! ! ! ：塑：堡竺塑堑塑壅旦星麦塑塑塞墨基堕型墨笙塑塞壅 图1 - 1 i p 多播的体系结构 第三层是主机一路由器之间西议i g m p 。最上层足主机服务层，包括了多播地址分配机制 多播会话目录协议，实时传输协议，可靠多搔等。 1 1 3i p 多播路由协议分类 i p 多播路由协议通常指域内多播路由协议，这些协议可以分为两类：一类足用于稠密模式 的多播路由协议，另一类是用于稀疏模式的多播路由协议。 稠密模式假定多播组成员密集的分布在网络中，几乎所有的子网都有组成员。稀疏模式假 定多播组成员稀疏的分布在网络中。由于稠密模式假定几乎所有的子网都有组成员，因此通常 允许协议消耗较多的带宽和控制开销，包括路由器状态开销和处理器开销，通常采用广播技术 将多播数据推向网络中所有路由器。稀疏模式则考虑尽可能减小不必要的带宽消耗和其它的控 制开销，通常依赖于某种路由选择技术来建立维护多播树，而不是使用广播技术。 稠密模式的i p 多播协议通常构造基于源的多播树，稀疏模式的i p 多播通常构造共享多播 树。基于源的多播树对于多播组中的每个源，都要构造一棵多播树；共享多播树是整个多播组 共享一棵树，组内所有的源都使用这棵树。 采用构造基于源的多播树的i p 多播路由协议有d v m r p ，m o s p f ，p i m - - d m ：采用构造 共享多播树的i p 多播路由协议有c b t ，p i m s m 。 d v m r p 协议使用“反向路径广播”( r e v e r s ep a t hb r o a d c a s t i n 曲 5 】机制，结合泛洪与裁剪 技术来构建多播树，反向路径广播保证构造的多播树中不会出现环，并且源到每个接收者都是 最短路径。 c b t 协议只构建一+ 个树给组中所有成员共享，这个树也就被称为共享树。整个多播组的多 播通信量都在这个茈享树上进行，而不论发送源有多少或者在什么位置。表1 1 给出了两类路 由协议的多播树算法比较。 - 6 - 东南大学硕士学位毕业论文基于p e e r - t o p e e r 网络的应用层多播研究及其原型系统的实现 表1 - 1 基于源的多播树算法和基于共享树的多播树算法比较 基于源的多播树算法基于兆享树的多播树算法 适用稠密模式稀疏模式 驱动模式数据驱动加入请求驱动 路由器保留的多播组状态多，为每个多播组保留一个状态 资源开销路由器处理器开销大路由器处理器开销较小 网络资源消耗多网络资源消耗较小 扩展性扩展性差 扩展性好 算法优化源的最短路径树 无优化 1 1 4i p 多播的小结 i p 多播路由怫议的多播树算法更侧重于控制开销，斟为i p 多播的状态维护全由路由器完成。 为了保证核心路由器的高效应尽可能减少路由器状态数目和处理器开销。此外，i p 多播路由 协议算法不考虑服务质量。i p 多播是一一种尽力而为服务。 1 2 应用层多播【1 0 】问题的提出 各种新兴的具有一对多、多对多通信特点的应用出现，而i p 多播没有实现广泛的部署，不 能满足鹿用需求：同时i n t e m e t 的边缘用户( 端用户) 的计算机能力不断增强，而端用户的计算 资源常常处于闲置状态。研究者开始考虑利用i n t e m e t 边缘用户的资源，在应用层实现多播服务。 应用层多播服务的基本思想是：在不改变网络基础设施，不依赖网络层提供多播服务的情况f ， 在应用层实现多播服务功能，供用户使用。 在i p 多播方案中，多播服务功能实现部署在网络的中心一核心路由器上；在应用层多播方 案中，多播服务功能实现从核心路由器上迁移到网络的边缘一主机上。应用层多播方案利用了 网络的边缘一端用户的处理资源和网络资源来实现多播服务功能。为了实现多播服务，需要在 主机上部署组管理，组成员管理，应用层多橘路由协议等功能模块。图l 一2 给出了府用层多播 的示意图。 至复查堂型主兰垡! 坐l 兰三! ! ! 竺! ：些! ! 旦竺塑窒旦星墨塑墅塑墨茎堕型墨篁塑壅墨 由计算 图1 - 2 应用层多播示意图 图1 2 中，每个主机上都部署了多播组管理、多播组成员管理、多播路由阱议等功能模块， 实现主机的多播路由和多播管理功能。图中的主机构成一个多播组。主机a 通过多播路由计算， 将自己的数据报文单播到主机b 和主机c 。主机c 再通过多播路由计算将自己收到的源为a 的数 据报文单播到主机d 。主机d 通过多播路由计算将自己收到的c 发来的源为a 的数据报文单播到 主机e 。通过这一过程，罐个成员都收到了源为a 的多插数据报文。 目前应用层多播实现的主要技术是将端用户自组织成一个逻辑的覆盖网络 1 0 】，在覆盖网 络上实现多播组管理、多播管理、虑用层多播路由协议等功能。 1 2 1 应用层多播路由协议 应用层多播路由协议与l p 多播路由协议的功能类似，用来计算多播分发树。应用层多播路 由算法利用端用户之间的i p 单播路径，因此可以实现多播路径质量控制，并且可以根据不同的 应用需求设计其有不同特性的多播路由算法，而无须f 层路由器支持，非常灵活。应用层多播 路由协议大致可以分为崩个部分： 1 搜集覆盖网络的状态信息，覆盖网络的节点之间相互交换控制信息，使每个节点都得知覆 箍网络的部分拓扑和全部拓扑信息。 2 利用步骤i 中搜集到的覆盖网络的拓扑信息，使用自身设计的多播树算法，计算满足应用 o o s 要求的多播树。 目前的应用层多播路由协议中计算多播分发树主雾分为集中式和分布式两大类。集中式算 法中所有节点将自身得知的覆盖网络拓扑信息集中送往某个节点，或是某个专门的控制点，由 那个节点或控制点进行多播树计算冉将计算结果返同到每个节点；分布式算法中每个节点根 据自身掌握的覆盖网络拓扑信息，独立进行计算，所有节点的计算结果汇总构成一棵多播树。 在应用层多播中，有类足基于p e e r - t o p e e r 覆盖网络的应用层多捕方案。这类方案利用了 p e e r - t o p e e r 覆盖网络的动态哈希路由机制来实现应用层多播功能。这类多播方案继承了 p e e r t o p e e r 网络支持大规模性、支持用户动态加入的特性。 蔓壹查兰堡主堂垡聋业论文基于p e e r - t o p e e r 网络的应用层多播研究及其原型系统的实现 1 3 应用层多播的研究现状 应用层多播韵研究，作为覆盖网络研究的一个方向，是国际上刚刚兴起的研究热点。很多 大学和研究院都在进行这方面的研究。从2 0 0 0 年6 月，卡耐基梅隆大学的y hc h u 在a c m s i g m e t r i c s 上发表了一篇端系统多播的论文开始，标志着应用层多播开始进入了热点研究。 2 0 0 1 年，y h c h u 又在a c ms i g c o m m 上发表了在i n t e m e t 上实现应用层多播的论文。同年， r a m a s a m y 在a c ms i g c o m m 上发表了基于p e e r - t o p e e r 网络的应用层多播论文c a n m u l t i c a s t 【1 1 】。s q z h a n g 也在n o s s d a v 上发表了基于p e e r - t o - p e e r 网络的应用层多播的论文 b a y e u x 1 2 。 2 0 0 2 年，应用层多播的研究进入了更辉煌的一年。s u m a nb a n e r j e e 在a c ms i g c o m m 上发 表了基于n i c e 应用层多播【1 3 j 鲍论文。b z h a n g 在i e e ei n f o c o r n 上发表了h o s tm u l t i c a s t 1 4 的论 文，m c a s t r o 在j s a c 上发表了s c r i b e 1 5 1 ，j l i e b e h e r r 在j s a c 上发表了论文，s ，y s h i 也在i n f o c o m 上发表了论文。 在剐过去的2 0 0 3 年，a e l - s a y e d 在i e e e n e t w o r k 上发表了一篇关于目前应用层多播方案的 综述文章。s u m a nb a n e r j e e 也在i n f o c o m 上发表了新的论文。 在这些论文中，研究学者都提出了自己的应用层多播实现思路，对应用层多播路由协泌中 多捕树计算算法进行了研究。这些应用层多播方案具有不同的特点，适用的范围也不相同。其 中对于p e e r - t o p e e r 覆盖网络上的应用层多播研究还处于探索阶段，目前的p e e r - t o p e e r 覆盖网络 上的麻用层多播方案只是利用了p e e r - t o - p e e r 网络的动态啥希路由实现了多播转发路径。对于应 用层多播的模型、性能分析、性能优化都没有进行研究。而p e e r - t o - p e e r 网络及应用也是近一两 年里的研究热点，具有支持大规模，支持成员动态变化的特点，目前已经有很多成功的应用， 如内容兆享的n a p s t e r 1 6 】，搜索引擎g n u t e l l a 1 7 】等等。参照这些应用，应用层多播未来是否也 将p e e r - t o p e e r 网络上成功，将是应用层多播研究s 1 p e e r - t o p e e r 网络研究的交点。 本文将研究重点放在基于p e e r - t o p e e r 覆盖网络的应用层多播方案上，如何在p e e r - t o p e e r 网 络实现应用层多播并进行多播树的控制和优化。 1 4 论文内容和相关工作 结合国家自然科学基金“下一代网络服务体系结构和关键技术的研究”，在认真了解当前的 发展现状和发展趋势的基础上。通过此论文，将对p e e r - t o - p e e r 覆盖网络上的应用层多播进行深 入研究，特别针对应用层多播路由协议中多播树的算法，面向应用设计一个基于p e e r - t o - p e e r 网 络的应用层多播原型系统。 根据论文研究目标的要求，作者在以下几个方面作具体的研究： 深入分析应用层多播方案及其路由协议算法 仔细分析基于p e e r - t o p e e r 网络的应用层多橘，研究其特点及不足，在此基础上，提出 p e e p t o p e e r 网络上的应用层多播方案的体系结构 实现基于p e e r - t o p e e r 网络的应用层多捋体系结构 分析目前应用层路由协议中多播树计算的算法，结合p e e r - t o - p e e r n 络的动态路由机制t 实现p e e r - t o p e e r 网络上的多播树计算算法 建立p e e r - t 0 p e e r 网络模型，对目前应用层多播中计算多播树的策略进行仿真t 分析在 p e e r - t o p e e r 网络路由机制上多种算法的性能 实现基 ：p e e r - t o p e e r 网络的应用层多播体系结构上的音视频应用 1 5 本论文的创新工作 本文在讨论并总结了目前的应用层多播方案之后，对基于p e e r - t o p e e r 网络上的应用层多挢 日 东南犬学硕士学位毕业论文 基于p e e r - t o p e e r 网络的应用层多播研究及其原型系统的实现 方案进行了深入研究，并在f 面几个方面进行了。些创新工作： 1 提出了个p e e r - t o - p e e r 覆盖网络上的应用层多播的三层体系结构模型，并在一定的程 度上实现了该模型的原型系统。 2 在该体系结构上，对目前应用层多播方案中多播树计算策略进行了仿真，分析其在 p e e r - t o - p e e r 网络路由机制上的性能 3 在该体系结构上，实现了具有r t p r t c p 实时传输特性的音频应用 1 0 苎墼兰堡圭兰堡兰、业堕兰 苎三! ! ! ! ! ! ：! ! ! ! 璺塾塑窒旦星童塑堡塞墨苎星型墨望鲤窒堡 第二章应甩层多播路由问题 随着h 3 t c f n e t 的发展，出现了很多新的应用需求，这些应用都具有一对多，多对多的通信特 点。目前这类应用可分为五类： 视频分发，如网络直播。由一个源通过| n t e r n c t 向多个接收者同时传送音频或视频流，目前 很多网站都提供该服务。 数据推送服务，如浏览器提供的频道功能。用户在大量的内容中预定自己感兴趣的内容， 称作频道。之后，这些内容可以在固定的时间段自动的推送到用户端。 音视频会议及组通信应用，这些应用建立在网络直播的基础之上，但允许用户之间进行交 互。考虑到实际应用的需求，音视频会议一般是小规模的多对多的通信模型。 文件传送应用，同时将一批文件数据传送到多个目的地，如果使用简单的单点投递，会使 用大量的网络带宽，耗费较多时间，使用多插进行传送可节省带宽，提高效率。这类应用 如w e b c a c h e 技术。 户 最近出现的大规模的组通信应用中包含更多的用户，用户之间都需要进行交互。这类应用 包含流媒体应用，虚拟社区，网络游戏。这些应用同时具有实时性和大规模性的特点。 实现这类应用最高效的方法是使用多播，目前最直接的方法就是使用i p 多插。但i p 多播 的服务模型和很多待解决的技术问题。使得i p 多播历经了十年时间仍然没有在i n t e r a c t 上成功 部署。 2 1l p 多播存在的问题 当前i p 多播没有实现在i n t e m e t 上的广泛部署，主要有两方面的原因。方面是市场的i 捌 素，微多i s p 都不愿意部署i p 多播。另一方面是【p 多播服务模型本身有很多未解决的技术问 题。 i s p 不愿意部署i p 多橘的主要原因是： 路由器换代，为了实现多播部署，i s p 需要对路由器进行换代，提早结束目前尚在使用的 路由器的t 作周期，增加了i s p 的营运成本。 跨域的多播管理，每个i s p 都对域内的多播进行独立的管理。当需要跨域的多播服务时。 i s p 之间如何进行协调策略。 域内多播的管理，i p 多播服务模型及协议实现没有提供多接管理的技术，i s p 如何对多播 进行管理 多播与单摄相比，节省带宽，降低延时，提高效率。然而部署多措的代价比单播要昂贵的 多，i s p 是否有利可图。 当前i p 多播还存在很多待解决的技术问题，这些技术问题也影响到l p 多播被广泛的应用。 i p 多播主要存在的技术问题有： - 多播组的管理问题，目前的i p 多播服务模型及协议没有提供多播组管理的技术，对组的发 送者和接收者没有进行访问控制，这将导致很多问题，如恶意发送者的泛洪攻击多播地 址冲突，未经授权的接收者和发送者。 - 多播的安全问题，i p 多播使用无连接的协议u d p 来避免响应风暴。由于u d p 是一个无 连接的协议，它不使用a c k 或n a c k 来确保可靠传送，多播也不能被防火墙检测到，因此， 最普通的防火墙类型( 戍用程序网关) 不能对多播进行安全认证。当前的i p 多播服务和体 系结构并不执行任何认证。 ， 多播服务质量问题，i p 多播是一种尽力而为的服务要想在它之上实现更高质量的服务， 例如可靠性，拥塞控制流控制等这些功能，比在i p 单播上实现要困难很多。 ， 多橘地址分配问题，i p 多播要求每个组能够动态的从组播地址空间中得到一个全局唯一的 至堕查兰堡_ 主要堡曼些篓塞一 苎三堡! ! ! ! ：堡! ! 壁垒塑生旦堡童塑旦壅墨茎星型墨篓塑塞里 组播地址a 但是在可扩展，分布式，相容的网络环境中，这点很难得到保证。 ，坚多播这些社会因素和技术上的问题使其没有成功在i n t e m e t 上部署起来，有学者甚至预 言如果i p 多播继续保持复杂性和管理的困难性，它将很难实现广域范围的部署。 在应用需要多播服务支持，而i p 多播又没有实现部署的情况下，研究者提出了“应用层多 搔”的概念。 2 2 应用层多播的概念 应用层多播的基本思想是在不改变网络设施，不依赖于网络层是否提供多播服务支持的情 况下，利用网络边缘的端用户或是专门架设的服务器处理资源和网络资源。在应用层实现多播 服务。 目前实现应用层多播的基本技术足将多播组的所有端用户组成一个应用层的逻辑的 o v e r l a yn e t w o r k ( 覆盖网络) ，利用覆盖网络实现多播组管理、多播管理、多搔数据分发等一系 列多播相关的功能。 2 2 1 覆盖网络的概念 覆盖网络是在真实的网络拓扑之上建立的逻辑网络，如图2 1 给出了一个覆盖网络的模 型。 图2 - 1 履盖网络示意图 图2 一i 中圆形为路由器，方形为端用户黑色实线表示物理链路。端用户、路由器、以及 连接它们的物理链路构成了真实的物理拓扑。端用户之间的虚线表示端用户之间建立的一条网 络连接，t c p 连接或是u d p 连接。端用户和连接他们之间的虚线构成了一个覆盖网络。 覆盖网络是一个逻辑的“网络”，它具有虚拟的拓扑，拓扑中的“节点”是端用户，“边” 是“节点”之间的连线，“边”也可以具有参数。覆盖网络中边的参数是对应真实物理拓扑中的 路径参数的代数叠加。在覆盖网络中，将建立了边关系的两个端用户互称为覆盖网络中的“邻 居”。 假定a 与b 之间的i p 单播路径是a r l r 3 一b 。可为覆盖网络中的边a b 定义代价函 数c o s t 。 c o s t ( a ，b ) = c o s t ( a ，r 1 ) + c o s t ( r l ，r 3 ) + c o s t ( r i ，b )( 2 - - 1 ) 也可为覆盖网络的边a b 定义延时函数d e l a y 。 d e l a y ( a ，b ) = d e l a y ( a r r 1 ) + d e l a y ( r 1 ，r 3 ) + d e l a y ( r i ，b ) ( 2 2 ) 同理，可为覆盖网络的每一条边定义代价和延时函数。 覆盖网络利用端用户和端用户之间建立的连接来实现多播服务，如图2 2 所示。假定a 、 b 、c 、d 构成了个麻用层多播的 l f 盖网络。a 作为发送者，b 、c 、d 作为接收者时的情况。 1 2 一 壅重盔学硕士学堡望业沧文基于p e e r - t o p e e r 网络的应用层多播研究及其原型系统的实现 图2 - 2 应用层多播示意图 应用层多播利用覆盖网络中的边，即主机之间建立的邻居关系来实现应用层多播的转发路 径。a 将数据发送到b 和c ，b 将数据转发到d 。 应用层多播与l p 多播的本质区别在于： 在i p 多播中，多播数据包的复制与转发由路由器完成：在应用层多播中，数据包的复制与 转发可以由端用户，专门的服务器或是边界路由器完成。 在应用层多播中，端用户看见的是覆盖网络的拓扑，底层物理拓扑被隐藏了。 在i p 多播中，组成员关系分布在路由器上；在应用层多播中，组成员关系可以保留在r p ( 汇聚点) 上，源上，每个组成员上或者是分散在成员间。 覆盖网络的拓扑可以由应用实现完全的控制。 应用层多播的目标是建立和维护一个高敬的用于多橘数据分发的覆盖网络，在当前l p 多播 仍然没有在i n t e r n e t 上实现广泛部署的情况下，应用层多播服务可以代替i p 多播，来实现群组 通信以及其它具有一对多的通信模型的应用。 2 3 应用层多播方案的评价标准 应用层多播的评价标准主要分为两方面：覆盖网络的评价标准和端用户上得到的多捕服务 评价参数。 覆盖阿络的评价标准： s t r e s s 【1 0 】( 链路负载) 应用层多播方案是由端用户之间的单点投递路径代替网络层提供的多播路由实现的， 因此出现在链路上同一个数据包被传输多次的情况，几乎是不可避免的。 相同的数据包在一条物理链路上被重复传输的次数定义为s 眦s s 一链路的负载。s t r e s s 是为每条链路定义的性能指标。 如上图2 。l ，如a 到r l 之间的链路的s t r e s s 为2 ，b 与r 3 之间链路的s t r e s s 为2 ，其 余为1 。 s t r e t c h 1 0 1 ( 路径延长比) 在应用层多橘方案中从数据源到接收者的路径长度，与数据源到接收者单点投递的路 径长度的比值，成为路径延长比。s t r e t c h 足为每个接收者定义的性能指标。 应用层多播方案中有的组成员通过其它组成员的转发来接收到数据源的多播数据，导 致从源到这些接收者的路径长度增加。 上图2 2 中，a 到b ，a 到c 的s t r e ( c h 为l ，a 到d 的s t r e t c h 为1 5 。 控制开销 应用层多播中为了维护覆盖网络的拓扑而产生的开销。主要包括网络报文开销和每个 覆盖网络中节点的处理开销。 端用户上的多播服务评价参数： ， 网络失效下的包丢失率【1 8 查堕查兰堡主兰望生些堡塞基于p e e r - t o p e e r 网络的应用层多播研究及其原型系统的实现 由于应用层多播依靠端用户进行转发，当一个端用户网络失效或是突然离开时，可能 会导致其它的端用户出现丢失多播数据包的情况。 接收到第一个包的时间【18 】 端用户从提出加入请求到接收到第一个多播数据包的时间称为第一个包的到达时间。 这段时间可分为请求被接纳的时间，和用户被接纳在树上某个位置后，数据从源沿着树上 的路径到达该用户的时间。 ， 多播数据包的延时【l8 】 数据包从源发出的时间与到达用户时间的差值。 2 4 应用层多播的不足与优势 通过对s t r e s s 和s t r e t c h 这两个参数的分析，可以发现，不论应用层多播使用何种算法建立 起多么高效的覆盖网络，应用层多播都不可能达到i p 多播相同具有的性能。表现在两个方面： 1 应用层多播构造的叠加网络中，要想避免叠加网络中的多条“边”共用一条物理链路， 几乎是不可能的，这就会导致一个相同的数据包在同一条链路上被传输多次，印s t r e s s 大于1 ，产生冗余的网络流量。 2 应用层多播中，由于一些组成员是通过其它组成员的转发来收到多播数据，结果数据 包所经历的投递路径长度增加，即s t r e t c h 大于1 。同时，对那些担任转发节点的组成 员也需要耗用他们的带宽资源。 但是i p 多播也不是完美的，就如同我们在前面分析的，有很多重要的问题没有解决，导 致它在十年之后仍然没有在i n t e r a c t 上广泛的部署起来。应用层多播的出现，为多播服务模型提 供了一种新的思路。 应用层多播的优势主要表现在以下几个方面： 1 应用层多播不需要网络层提供多播的支持由应用层独立实现多播的功能。 2应用层多播不需要使用全局唯一的多播地址，如i p 多播地址。 3 应用层多播目前最大的优势在于在一个i p 单播的路径上提供，维护，跟踪q o s 服 务质量，要比在一棵多播树上实现q o s 容易的多。应用层多播中数据在节点之问传 输的时候，是使用i p 单播路径，因此可在路径上实现流控制拥塞控制可靠投递， 安全性等提高多播服务质量的策略。 2 5 应用层多播路由的问题描述 2 5 1覆盖网络的抽象模型 覆盖网络的抽象模型可以表示成一个简单无向连通图g = 。其中v 足结点的集合 表示端用户。e = v v 是边的集合，表示任意两个端用户之间的虚拟连接。对于v e v 和e e e 可分别定义相应的属性函数表示网络状态。 对于任意的v v ，可以定义f a n o u t