（计算机应用技术专业论文）可靠组播协议及其缓存管理研究.pdf

r e s e a r c ho nr e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o la n di t sb u f f e r m a n a g e m e n t b y w um i n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rj i a n gl a l i n m a r c h ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名：景致 日期：加f 1 年r 月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密冈。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：聂窃灵 日期：歹。1 1 年r 月) 夕日 翩虢肼伙川佃c ， b 期：如q 年s 具) 知 摘要 随着多媒体会议、远程教学、分布式交互仿真等i n t e r n e t 应用的广泛使用， 大规模可靠组播协议的研究成为了学术界的热点问题之一。组播与传统的单播、 广播相比更适合一对多以及多对多的数据传输。传统的i p 组播虽然降低了网络带 宽需求，克服了集中式服务器因组成员数目增加而使得其负载加重的问题，但并 不能保证组成员都能可靠有序地接收组播会话中传输的数据包。因此，对可靠组 播的研究就变得尤为重要。目前，制约组播协议进一步完善和规范化的关键问题 之一是组播的缓存管理。如果没有较好的缓存管理机制，将可能降低组播的效率。 本文首先介绍了组播相关的基本概念、可靠组播的体系结构以及可靠组播的 相关技术。然后，详细介绍了具有较好可扩展性的缓存管理算法的随机可靠组播 协议( r r m p ) ，r r m p 将差错恢复的负载随机分配给组中成员，从而避免了使 用指定修复服务器负载过重或者是意外故障造成丢包而使数据包无法修复等问 题；通过两阶段缓存管理算法来优化缓存管理，明显解决了组播分组中的交付延 迟问题；利用随机差错恢复达到高鲁棒性。由于r r m p 利用单播发送重传请求 以及长期缓存节点选择的随机性，使得随着组成员的增加导致修复时延增加。针 对r r m p 中存在的问题，本文在r r m p 协议的基础上提出了改进的可靠组播协 议i r m p 。i r m p 将组成员划分到不同的区域，各区域之间构成层次结构，使用 两阶段缓存管理算法，即用于满足本地恢复需要的短期缓存和用于满足远程恢复 需要的长期缓存。在本地恢复中，利用组播发送重传请求，利用随机后退算法减 少重复报文。在远程恢复中，使用指定修复节点完成远程恢复和数据的长期缓存。 在n s 2 平台上对i r m p 进行仿真的结果表明，i r m p 不仅有效地降低了缓存需求， 减少了修复时延，而且提高了可扩展性。最后，将i r m p 应用于多源可靠组播。 为了适应多源可靠组播环境，本文提出了多源可靠组播环境下的报文标识方法和 组成员结构模型，通过n s 2 平台仿真实验，证明了方案的可行性。 关键词：组播；可靠组播协议；缓存管理；差错控制；n s 仿真 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e s p r e a du s eo fm u l t i m e d i ac o n f e r e n c e ，r e m o t et e a c h i n g ，d i s t r i b u t e d i n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ，e t c ，i ni n t e r n e t ，t h er e s e a r c ho nl a r g e s c a l er e l i a b l em u l t i c a s t p r o t o c o l sh a sb e c o m eo n eo ft h eh o tt o p i c si na c a d e m i a m u l t i c a s ti sb e t t e rs u i t e df o r o n e t o m a n ya n dm a n y t o m a n yd a t at r a n s m i s s i o nt h a nt h et r a d i t i o n a l u n i c a s ta n d b r o a d c a s t a l t h o u g ht h et r a d i t i o n a li pm u l t i c a s tt e c h n o l o g yh a sr e d u c e dt h ed e m a n d o fn e t w o r kb a n d w i d t h ，s o l v e dt h ep r o b l e mt h a tt h es e r v e rl o a da g g r a v a t es h a r p l y a l o n gw i t ht h en u m b e r i n c r e a s ei nc e n t r a l i z e dc o n v e r s a t i o n ，b u ti td o e sn o tg u a r a n t e e t h a te v e r ym e m b e rc a nr e c e i v et h ep a c k e t sr e l i a b l ya n do r d e r l yi nam u l t i c a s ts e s s i o n t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nr e l i a b l em u l t i c a s tb e c o m e sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t a tp r e s e n t ， b u f f e rm a n a g e m e n ti nm u l t i c a s ti so n eo ft h ek e yp r o b l e m s t h a tr e s t r i c t st h e m u l t i c a s tp r o t o c o l sf u r t h e rp e r f e c ta n ds t a n d a r d i z e d ab a db u f f e rm a n a g e m e n t m e c h a n i s mm a yr e d u c em u l t i c a s te f f i c i e n c y t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p t so fm u l t i c a s t ，r e l i a b l em u l t i c a s t a r c h i t e c t u r ea n dt h er e l a t e dt e c h n i q u e so fr e l i a b l em u l t i c a s t t h e n ，i td i s c u s s e dt h e r a n d o m i z e de r r o rr e c o v e r ya l g o r i t h mi nr a n d o m i z e dr e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o l ( r r m p ) i nd e t a i l r r m p d i s t r i b u t e dt h ee r r o rr e p a i rl o a d st o g r o u pm e m b e r s ， t h e r e f o r ea v o i d e do v e r l o a do ft h er e p a i rs e r v e ra n dt h ep a c k e tl o s sd u et ot h ef a u l to f r e p a i rs e r v e r r r m pu s e da ni n n o v a t i v et w o - p h a s eb u f f e rm a n a g e m e n ta l g o r i t h mt o o p t i m i z eb u f f e rm a n a g e m e n tt h a to b v i o u s l ys o l v e dt h ep r o b l e mo fm u l t i c a s tp a c k e t d e l i v e r yd e l a y ，a n du s e dr a n d o m i z e de r r o rr e c o v e r y t oa c h i e v eh i g hr o b u s t n e s s b e c a u s er r m ps e n tr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t sb yu n i c a s ta n dt h er a n d o m i z e ds e l e c t i o n o fl o n g t e r mb u f f e rn o d e s ，i tm a d et h er e c o v e r yd e l a yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f t h eg r o u pm e m b e r s a i m i n ga tt h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h er r m p ，t h i st h e s i sp u t f o r w a r da ni m p r o v e dr e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o l ( i r m p ) b a s e do nr r m p i r m p d i v i d e d g r o u p m e m b e r si n t od i f f e r e n td o m a i n s a l ld o m a i n sc o n s t i t u t e da h i e r a r c h i c a lr e l a t i o n s h i p i r m pu s e dt h et w o p h a s eb u f f e rm a n a g e m e n ta l g o r i t h m i i t h a ti s ，as h o r t b u f f e rt om e e tt h el o c a lr e c o v e r yr e q u i r e m e n ta n dal o n g - b u f f e rt o m e e tr e m o t e r e c o v e r yr e q u i r e m e n t l o c a lr e c o v e r yu s e dm u l t i c a s tt os e n d r e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ，a n du s e dt h er a n d o m i z e db a c k o f fa l g o r i t h mt or e d u c er e p e a t m e s s a g e s i nr e m o t er e c o v e r y ，ad e s i g n a t e dr e p a i rn o d ew a sr e s p o n s i b l ef o rr e m o t e r e c o v e r ya n dl o n gd a t ab u f f e r s i m u l a t i o nr e s u l t si nn s 2s h o w e dt h a ti r m ph a da n e f f e c t i v e l ya b i l i t yt or e d u c et h eb u f f e rr e q u i r e m e n t sa n dr e c o v e r yl a t e n c y ，a n da l s o i m p r o v e di t ss c a l a b i l i t y f i n a l l y ，t h ei r m pw a sa p p l i e di nm a n y - t o m a n yr e l i a b l e m u l t i c a s t i no r d e rt oa d a p tt ot h em u l t i s o u r c er e l i a b l em u l t i c a s te n v i r o n m e n t ，t h i s p a p e rp u tf o r w a r dm e s s a g ei d e n t i f i c a t i o na n das t r u c t u r em o d e lo fg r o u pm e m b e r s t h a tw e r es u i t a b l ef o rm u l t i - s o u r c er e l i a b l em u l t i c a s t t h r o u g ht h en s 2s i m u l a t i o n p l a t f o r m ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m e k e yw o r d s ：m u l t i c a s t ；r e l i a b l em u l t i e a s tp r o t o c o l s ；b u f f e rm a n a g e m e n t ；e r r o r c o n t r o l ；n ss i m u l a t i o n i l l 目录 摘善嬖i a b s t r a c t i i 第一章引言 1 1 项目研究背景一1 1 2 国内外研究现状1 1 3 本文所做的工作。3 1 4 论文结构安排3 第二章可靠组播技术的研究 2 1p 组播5 2 2 可靠组播体系结构6 2 3 可靠组播中的关键技术8 2 3 1 组成员控制结构8 2 3 2 状态控制与重传机制8 2 3 3 差错恢复。9 2 3 4 拥塞控制1 0 2 4 典型的可靠组播协议缓存管理研究l l 2 4 1r m p 协议1 1 2 4 2s r m 仂、议ll 2 4 3r m t p 仂、议1 2 2 4 4r r m p 协议12 2 4 5 一种基于树的缓冲管理模型1 3 2 5r r m p 的差错恢复和缓存管理机制研究1 3 2 5 1r r m p 差错恢复机制1 4 2 5 2 缓存管理的优化。16 2 5 3 性能分析17 2 6 本章小结1 8 第三章改进的可靠组播协议i r m p 3 1r r m p 存在的问题1 9 3 2i r m p 组成员结构1 9 3 3i r m p 基本思想2 1 3 4 关键技术2 1 3 4 1 报文修复2 l 3 4 2 缓存管理。2 2 3 4 3 指定修复节点转移2 3 3 5i r m p 性能分析2 3 3 5 1 时延分析2 3 3 5 2 重复报文分析。2 4 3 5 3 缓存需求分析2 4 3 5 4 可靠性分析2 4 3 6n s 2 仿真与结果分析2 5 3 6 1n s 2 简介2 5 3 6 2 仿真与结果分析。2 6 3 7 本章小结2 9 第四章i r m p 用于多源可靠组播研究 4 1 多源可靠组播的基本思想3 0 4 2 关键技术31 4 2 1i r m p m 组成员结构3l 4 2 2i r m p m 中的报文标识3 2 4 3 仿真实验3 2 4 3 1 参数设置3 2 4 3 2 仿真结果分析3 3 4 4 本章小结。3 4 第五章总结与展望 5 1 总结3 5 5 2 未来研究的展望3 5 参考文献3 7 致谢4 1 附录( 攻读硕士学位期间发表录用论文) 4 2 1 1 项目研究背景 第一章引言 随着i n t e r n e t 迅速普及和飞速发展，产生了许多新的应用，如视频点播、远 程会议、大容量数据的快速传递、分布式交互模拟、股票交易等。传统的广播数 据传输和单播数据传输模式在当前的i n t e r n e t 条件下均已无法满足这些新应用的 需求，因为单播占用了较高的网络带宽并且需消耗大量的网络流量，同时对用户 数量也有一定的限制，导致单播数据传输模式的可扩展性不是很好。如果采用广 播数据传输模式则会使大量主机接收到不需要的数据报文，从而浪费了网络资源 和主机资源。1 9 8 8 年，d e e r i n g 在文献 1 】中提出的i p 组播( m u l t i c a s t ) 模型有效 地降低了服务器的负载和网络带宽的需求，故该模型得到了广泛应用。但是，i p 组播提供的是“尽力而为 的服务，为了满足组播应用中可靠性的要求，且能保 证组播数据可靠传输，于是提出了一系列在i p 组播上运行的可靠组播传输协议。 可靠组播传输协议不仅具有实现基本组播的功能，还要考虑到几个方面因素 的影响，即流量控制、端到端的延迟、拥塞控制以及差错控制等。但比起研究 t c p 协议，研究可靠组播传输协议更加复杂。迄今为止，即使人们已经提出了 大量的协议与模型，但是可靠组播的技术标准并没有固定下来，任何一种协议都 不符合条件。这是因为在某种程度上，同时解决流量控制、差错控制和拥塞控制 等问题是不可能的，很难有效地将它们统一到一个共同的框架中来【3 1 。但是现今 绝大多数的协议与模型的实现都只针对其中几个方面，因此，深入研究新的组播 协议、完善已经提出的组播协议具有十分重要的意义。 基于上述可靠组播协议的现状，本文提出了这个课题。该课题的研究，对促 进可靠组播协议的发展是很有意义的。差错控制是可靠组播中最基本的技术，差 错控制技术的前提是传输数据的缓存，合理的缓存管理机制可以提高差错控制的 效率，减少端到端延迟。因此可靠组播中的缓存管理研究意义凸显重要。 1 2 国内外研究现状 可靠组播( r e l i a b l em u l t i c a s t ，r m ) 【3 】是为了保证所有组播数据报文都能正 确地被会话组中的接收者所接收。为了使组播具有较高的可靠性，必须要有较好 的差错控制机制和缓存管理机制来快速有效地对丢包进行检测和恢复，从而使其 具有较高的可扩展性。 在可靠组播传输协议中，根据是由发送者还是接收者检测丢失报文可分为肯 定应答( a c k n o w l e d g e m e n t ，a c k ) 和否定应答( n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e n t ， n a c k ) 两种。在组播网络中节点较多、规模很大的情况下，如何设计一种较好 的缓存管理机制来保证组播的可靠性是非常困难的问题。很多学者针对不同的性 能需求提出了不同的解决方法，如文献【4 5 】中使用专用修复服务器来缓存数据， 利用a c k 来保证组播的可靠性，但会造成专用修复服务器的a c k 风暴和网络 拥塞等问题。文献 6 】中考虑到连续丢失报文较多的情况，发送者不是对一个数 据段进行确认，而是在收到多个数据段后才发送a c k 反馈，这就降低了产生a c k 风暴的机率。但并不能保证每个数据报文都能够正确地被接收到。文献【7 8 】使用 的是基于n a k 的缓存管理机制来解决发送者“信息风暴”的问题，但仍不能提供 有效的机制来解决何时将报文从缓存空间中丢弃的问题。文献 9 提出了一种使 用n a k 和少量a c k 的缓存管理机制，接收者向d r ( d e s i g n a t e dr e c e i v e r ) 发送 n a k 请求重传数据，各接收节点随机发送少量的a c k 指示d r 丢弃不再需要的 报文，这就解决了何时将报文从缓存空间丢弃的问题。但所有的修复工作都由 d r 完成，增加了d r 的负载，容易产生瓶颈。考虑到d r 负载过重的问题，z h e n x i a o 等提出的随机可靠组播协议【1 0 l ( r a n d o m i z e dr e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o l ， r r m p ) 将差错修复的负载随机地分配到组成员，从而避免了使用指定修复服务 器负载过重及意外故障而造成丢包无法恢复的问题。r r m p 利用单播发送重传请 求以及长期缓存节点的随机性，使得随着组成员增加将导致修复时延增加，降低 了协议的可扩展性。 随着计算机应用技术的发展，单源可靠组播已经无法完全适应新应用的需 求，很多学者开始对多源可靠组播进行研究。文献【l l 】中b h r m e r 采用多对多 与多对一相结合的层次结构，利用单点备份的方法进行错误恢复。该方法引入专 门的可靠服务节点负责报文的备份和丢失恢复。文献 1 2 】中t m r c c 是一种基于 树形结构的多源可靠组播协议，该算法利用额外的控制器进行拥塞控制，并使用 a c k 和n a c k 定时器动态地反映网络环境的变化。t m r c c 能够使组播会话组 2 中的节点公平的共享带宽，有较好的t c p 友好性和可扩展性。文献 13 】中c c l t 通过分析丢包的历史信息和缓存变化来预测哪些接收节点可能会发生丢包，然后 提前调整发送率，以防出现网络拥塞。c c l t 与b h r m e r 一样也设置了可靠服 务器，利用可靠服务器对组播组中的发送者设置初始速率，动态获取所有组播节 点的拥塞情况。该算法有效地避免了反馈爆炸，提高了多源可靠组播的吞吐量， 能满足分布式仿真中实时数据包传递的要求。 1 3 本文所做的工作 本文对典型的可靠组播协议及其缓存管理机制进行了分析研究，指出了可靠 组播协议需要解决的关键问题是组成员控制结构、差错恢复、拥塞控制、状态控 制和重传机制。 本文对随机可靠组播协议缓存管理机制进行了详细的讨论，针对r r m p 中 存在的不足，本文提出了一种改进的可靠组播协议( i m p r o v e d r e l i a b l em u l t i c a s t p r o t o c o l ，i r m p ) 。i r m p 使用短期缓存满足本地恢复需要，使用长期缓存满足远 程恢复需要。在本地恢复时，利用组播发送重传请求，利用随机后退算法减少重 复报文。在远程恢复时，使用指定修复节点( d e s i g n a t e dr e p a i rn o d e ，d r n ) 修 复丢失报文和数据长期缓存。对如何保证指定修复节点的健壮性提出了解决方 案。为了使d r n 能及时释放缓存空间，下级区域d r n 定期向上级d r n 发送 a c k ，指示其丢弃已可靠收到了的报文。在n s 2 平台上对i r m p 进行仿真的结 果表明，i r m p 不仅有效地降低了缓存需求，减少了修复时延，而且提高了可扩 展性。 然后，本文将i r m p 应用于多源可靠组播中，为了适应多源可靠组播环境， 提出了多源可靠组播环境下的组标识方法和组成员结构模型，并通过n s 2 平台 进行了仿真实验，证明了方案的可行性。 1 4 论文结构安排 本文结构安排如下： 第一章主要介绍了本课题研究的背景、相关研究现状和本文所要研究的主要 内容。 3 第二章主要讨论i p 组播和可靠组播，对可靠组播体系结构、可靠组播中的 关键问题进行了讨论，详细介绍了典型可靠组播协议中的随机可靠组播协议，并 对其性能进行了分析。 第三章针对r r m p 中存在的不足提出了改进的可靠组播协议i r m p 。对i r m p 组成员结构、差错恢复、缓存管理等关键技术进行了详细讨论。给出了n s 2 平 台上对i r m p 进行仿真的结果，并对结果进行分析。 第四章将i r m p 应用于多源可靠组播中，详细讨论了适用于多源可靠组播环 境的报文标识和组成员结构模型，通过n s 2 平台验证了其可行性。 第五章对全文进行了总结并客观评价了本文所做的工作，对需要深入研究的 问题作了进一步的展望。 4 第二章可靠组播技术的研究 随着网络上一对多和多对多应用的日益增长，传统的单播数据传输和广播数 据传输技术的局限性表现得越来越明显。为了优化网络资源的使用，产生了组播 技术。组播克服了网络的冗余使用，大大提高了网络带宽的利用率，被广泛应用 于一对多和多对多的应用中。 本章首先介绍了i p 组播中的基本概念，然后阐述了可靠组播体系结构和可 靠组播中的关键问题。最后，介绍了随机可靠组播协议( r r m p ) ，并详细地分 析了其性能。 2 1i p 组播 组播可以在两个层次上实现，一种是i p 组播在网络层实现，另一种是应用 层组播( a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ，a l m ) 【1 4 】在应用层实现。i p 组播是对i p 协议“单播、尽力发送”模型的重要扩充，利用路由器来实现组播的主要功能，通 过将重复传输信息的合并来降低服务器的负载和减少带宽浪费。为了实现组播功 能，a l m 主要是通过端系统来实现的，同时也继承了i n t e r n e t 上的“单播、尽 力发送 模型。本文主要讨论i p 组播及依托在i p 组播上的可靠组播。 i p 组播是对硬件组播的抽象，是对标准i p 网络协议的扩展。在i p 组播中， 网络中的数据报文以“尽力传送的形式向所有接收者的某个确定子集发送，这 个确定的子集就被称为组播组。每个组播组通过一个组播地址( i p v 4 为2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ；i p v 6 为f f ：) 标识。i p 组播基本思想为：源主机在传输的过 程中每个数据报文都只发送一份，路由器主要负责路由、拷贝以及转发组播报文 给每个接收者，并保证每个链路不会出现重复的组播报文。图2 1 给出了使用不 同的传输方式( 单播、广播和组播) 时数据流传输的示意图。i p 组播不仅避免 了链路上重复报文的传输，达到了节省网络带宽的目的，还实现了组播通信的高 效性。 i p 组播提供了有效的组管理协议和组播路由协议，解决组播成员如何加入 以及将组播信息如何路由到每个接收节点的问题。组管理协议【1 5 1 ( i n t e r n e tg r o u p m a n a g e m e n tp r o t o c o l ，i g m p ) 用于主机与边缘组播路由器之间，允许主机通过 本地的边缘组播路由器加入和退出相应的组播组。i p 组播属于开放性的服务模 型，不限制用户建立和加入组播组。 ab c ( a ) 单播传输示意图 ab c ( b ) 广播传输示意图 ab c ( c ) 组播传输示意图 图2 1 数据流传输示意图 组播路由协议的主要任务是在组播过程中构造转发树以及路由组播包，其作 用区域位于组播路由器之间。组播路由协议根据其使用范围分为两种，一种是域 间组播路由协议，另一种是域内组播路由协议。域内组播路由协议包括 d v m r pe 1 6 、m o s p f t m 、p i m d m t l , j 、p i m s m i l 9 和c b t l ：o 等；m b g p t 2 j 等是属于 域间组播路由协议的。 为了使组中每一个成员都能接收到组播数据，必须在组播路由器之间构造与 维护组播转发树。由于建立转发树的方式不同，可以分为两种，即共享树协议与 有源树协议。在共享树协议中，为了构造一棵转发树，公共的根节点是从网络之 中任意地选择某个节点，再在根节点上建立一颗转发树，沿着该转发树各会话组 的组播报文就发送出去了；而有源树协议与共享树不同，假如一个组播会话中有 n 个组源，那么它必须建立n 棵最短路径组播生成树。由此可见，不管是构造还 6 是维护方面，有源树协议都要比共享树协议付出的代价大，但每个组源在传输的 过程中能够根据自己的需要找到一条最好的传输路径。 2 2 可靠组播体系结构 i p 组播能够有效地利用链路带宽以及内容可复制等优点，一直以来都被认 为是实现数据群分发中最佳的方法。但i p 组播提供的是一种“尽力而为”的分组 传输服务，并不能保证传输过程中报文的可靠性。目前，许多组播应用对可靠性 的要求越来越高，因此，在网络中提供可靠组播服务势在必行。 所谓可靠组播就是组播在通信的过程中，根据检测到的报文丢失情况，对丢 失报文进行迅速、高效地恢复，使报文能够正确、有序地被接收者收到。图2 2 给出了可靠组播体系结构。i p 组播提供组播数据报的路由转发服务，但由于i p 组播提供的是尽力而为的转发服务，因此，需要在传输层来实现组播的可靠性。 虽然t c p 是一种可靠的传输协议，但它只是一种单播传输协议，因此可靠组播 协议或在u d p 上运行，或直接利用原始i p 套接字接口来实现，从而提高其自身 所需传输层的可靠性。 组播应用程序 可靠组播传输协议 t c pu d p i p ( 支持i p 组播) 数据链路层 物理层 图2 2 可靠组播体系结构 u d p 只提供很少的传输层服务，例如，差错检测，端口复用等。由于网络 拥塞等原因造成的错误或数据报文丢失都是不可恢复的，因此，必须向组播应用 提供一种能够解决上述差错问题的特殊传输层服务。如果这种传输层服务运行在 u d p 之上，则与应用程序一同运行在应用层；如果这种传输层服务直接利用原 始i p 套接字接口实现，则运行在传输层向指定的应用程序提供可靠的数据传输 服务。 7 2 3 可靠组播中的关键技术 在可靠组播传输中，要求组中所有成员都能正确、有序地收到组播数据。这 要求可靠组播协议除了能够完成组播的基本功能外，还必须针对端到端的延迟、 差错控制、拥塞控制和流量控制等问题提出一些解决的方法。 2 3 1 组成员控制结构 为了保证可靠性，发送方需知道组成员是否正确收到数据报文，并及时对其 进行差错修复。因此，组成员之间需要交换一些相关的控制信息。为了使可靠组 播协议具有较好的可扩展性，可以将组成员根据某种逻辑拓扑结构而组织在一 起。目前，主要有三种结构，分别是环状【：l 、树状【2 3 2 4 】和云状结构。不同组成员 结构导致了可靠组播协议在差错控制和拥塞控制中所采用的策略不同，因而具有 不同特点，适合不同组播的应用需求。 云状可靠组播协议中的组成员不存在某种方式进行组织，而是通过组播分发 树直接对数据进行发送和接收，如可扩展可靠组播【：s 】( s c a l a b l er e l i a b l e m u l t i c a s t ，s r m ) 。这种协议的特点是十分简单，可扩展性较好，但由于管理方 式无序，使得差错控制的有效性较低，传输效率不高。 在环状结构中，组成员被组织成一个逻辑环，如可靠组播协议( r e l i a b l e m u l t i c a s tp r o t o c o l ，r m p ) 【2 6 】。其特点是在传输过程中的效率和可靠性都很高， 但管理比较复杂，可扩展性不太好，很难在大规模组播中得到较好的应用。 树状结构将组成员组织成一种树型的层次结构，这种结构通常结合反馈汇聚 机制，控制信息经过上层指定节点逐层汇聚后送达发送节点。这类协议可扩展性 较好，但会因为需要管理接收节点所反馈的确认消息而造成额外的开销。 2 3 2 状态控制与重传机制 为了保证数据传输的可靠性，必须对接收者没有成功接收到的数据报文进行 重传。按照进行控制数据的重传和传输状态跟踪的不同，一般将其分为：基于接 收者的可靠传输【2 7 】以及基于发送者的可靠传输。 由发送方来负责监控错误出现的是基于发送者的重传机制，如x t p t 2 * j ( x p r e s st r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 协议。这种机制要求接收者只负责接收数据报文并按照 之前已经定义好的步骤向发送者发送a c k ，告知发送者自己当前的接收状态。 8 而发送者则需要记录并及时地更新每个接收者的接收状态，同时确定哪些数据块 是需要重传的。这种发送方集中控制的方式具有传输控制简单以及高可靠性的优 点，但随着组规模的扩大，如果每个接收方均向发送方发送其接收状态的详细信 息，就会浪费大量的网络资源。当接收节点的数量不断增加时，其发送的反馈信 息量有可能超过发送者发送的数据报文信息量，这将导致反馈信息爆炸的出现。 在基于接收方的重传机制中，接收者通过发送n a c k 告知发送方自己有未 成功收到的报文并要求其进行重传，这一重传过程完全由接收者进行驱动，如 s r m 协议。在这种机制中，对数据进行重传时，其中大部分的任务都是由组中 的所有接收者来承担的，且接收者的任何状态都不需要发送方来记录，从而大大 降低了发送方负担，降低了在发送方产生瓶颈的机率。但由于数据传输双方均未 有对方数据发送或接收的状态信息，如果n a c k 丢失可能会导致数据传输的不 完整。因此，这种协议必须附加某种会话管理机制来测试数据的接收状态，如接 收者之间定期交换接收数据的历史消息、发送者定期发送数据的状态消息等。 重传机制包括由谁负责重传、什么时候进行重传以及重传的方式。通常重传 是由路由器、发送源或从接收节点选出代表来负责的1 2 9 1 。通常情况下，若可靠 组播协议的通信规模较大，则采用后一种方式进行重传。在时间上，在收到重传 请求后大部分协议就立刻发送修复报文或随机等待段时间后才发送重传报文； 但组播文件传输协议却不一样，它通常是在文件传输完成之后再对出错数据包o o l 进行重传。重传方式根据传输方式的不同可分为三种方式：单播、局部组播和全 局组播。一般如果通信规模较小就使用单播方式；若通信规模较大，则使用组播 方式。局部组播方式性能较高，能在一定范围内对出错数据包进行组播，但该方 式的实现过程十分繁琐，不仅需要进行区域的动态划分，而且必须在每个区域中 选取一个代表进行报文的重传。全局组播方式与单播、局部组播方式相比具有高 效性，但是不管接收方是否已经成功接收报文，都将再次收到重传的报文，极大 的浪费了网络资源。 2 3 3 差错恢复 可靠组播协议主要是处理数据包丢失以及在传输过程中数据报文乱序的问 题，其差错恢复方法主要有自动重发请求( a r q ) 和前向纠错( f e c ) 1 3 1 - ，：j 。a r q 利用应答、超时和重传来完成差错控制。f e c 通过传输一定的冗余分组，使得 9 接收方能够通过冗余分组来恢复被损坏的分组，以此提高传输的可靠性。在f e c 传输过程中，冗余信息消耗了大量的网络带宽，而且对报文进行编码和解码也会 使终端处理时间增加，此外f e c 并不能完全保证传输的可靠性。所以f e c 主要 用于延迟敏感型应用，如多媒体数据分发。 2 3 4 拥塞控制 由于可靠组播传输的参与者较多，发送者与接收者之间通常需要交换大量的 控制信息，故很容易引起网络的拥塞，因此拥塞控制【3 3 3 5 1 对可靠组播协议来说就 变得尤其的重要。 组播拥塞控制的主要方法可以分为基于窗口、基于速率、基于层以及基于局 部恢复的拥塞控制方法【3 6 1 。拥塞控制主要解决异构性、公平性1 3 7 1 以及可扩展性三 类基本问题。 异构性主要是指i n t e r n e t 中组播用户带宽的多样性。为了让不同的用户得到 与它接收能力相匹配的组播数据速率是系统的一个期望目标，这也能最大化地实 现用户满意度和用户间的公平性。基于层的拥塞控制方法【3 s 1 是将多媒体信号编码 为一个基本层与多个增强层。基本层包含了用于解码信号的基本信息，可独立解 码，而高层提供了更精确的信息，它只有和所有低层信息一起才能解码。因此， 基于层的拥塞控制方法能较好地解决网络异构以及用户问公平性的问题。 公平性主要包含组播会话间的公平性以及组播会话与单播会话( 主要是t c p 业务流) 之间的公平性。用基于速率的拥塞控制方法来保证发送方发送的瞬时速 率或接收方接收的瞬时速率不超过一个给定的速率。基于速率的拥塞控制可以通 过使用强制瞬时速率与t c p 流匹配来达到t c p 友好性 3 9 j 以及会话间的公平性。 可扩展性问题主要是如何减少各种管理控制信息，即解决反馈爆炸问题。解 决反馈爆炸的办法主要有四个：使用n a c k 的方式和各种n a c k 抑制机制来 实现，如s r m ；采用a c k 聚集的方式，如r m t p ；减少发送a c k 频率， 但这种方式对于实现协议中的拥塞控制来说是很不利的；采用前向纠错( f e c ) 的“开环”方法，为了完成检错和纠错工作，接收者根据所接收的报文自动进行， 由于反馈机制被取消了，该