（计算机软件与理论专业论文）基于主干网信息、可扩展的混合组播协议的研究.pdf

皋于主干嗍信息、可扩展的混合组播协议的研究 摘要 随着i n t e r n e t 的飞速发展，如何简便、高效地实现一到多的组通信服务成 为研究热点。i p 组播虽然是组通信中最有效的实现机制，但由于其自身缺陷与 网络支持等问题，目前仍不能在广域网中得到有效的大规模部署。作为i p 组播 的替代方案，基于重叠网的应用层组播解决了此类难题。然而，大多数应用层 组播中重叠网都是在成员主机间的测量( 如带宽、延迟等) 及其计算的基础上 来构建，而没有充分利用底层物理网络中的已有拓扑结构。这种大量的探测和 计算必然会降低其协议的效率，影响其扩展性。 在以上研究的基础上，本文利用主干网的拓扑结构信息，结合应用层组播 和i p 组播在端系统上提出了一种具有层次结构的可扩展的混合组播方法一 s h m 。重点研究了s h m 的拓扑管理与维护，提出了s h m 协议框架，包括组的 创建，域内、域间成员的加入与离开算法，域间拓扑优化算法c d a f ，数据传 输模式及其拓扑维护。为了评估s h m 协议的性能与效率，本文采用o p n e t 仿 真软件，按照其仿真流程分别从网络模型、节点模型和进程模型对s h m 进行 了建模，并参照c e r n e t 主干网拓扑进行了仿真模拟实验。实验结果表明， c d a f 算法能够减少域间链路中包的重复转发次数，降低主干链路上的丌销； 通过与e s m 的实验结果比较，s h m 降低了成员的加入延迟与控制开销、能够 提供具有更低强度和伸展度的数据转发路径。 本文提出的s h m 协议框架虽然目前基于特定的主干网拓扑，但为实现大 规模、实时的组通信服务提供了一种新的解决方案，促进了组通信机制的研究 与发展。 关键词：主干网拓扑；重叠网；层次结构：l p 组播：应用层组播；混合组播 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e g r e a td e v e l o p m e n t o f i n t e r n e t ，t h e d e m a n do f r e a l i z i n gg r o u p c o m m u n i c a t i o ns e r v i c ec o n v e n i e n t l ya n de f f i c i e n t l yi si n c r e a s i n g i pm u l t i c a s ti st h e b e s te f f i c i e n tm e c h a n i s mt oi m p l e m e n tg r o u pc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ，b u ti ts t i l lc a nn o t b ed e p l o y e di na no p e r a t i o n a ln e t w o r ka tt h ei n t e m e tb e c a u s eo fi t sd e f i c i e n c ya n dt h e l i m i tn e t w o r ks u p p o r t a sap r o m i s i n ga l t e m a t i v et ot h ei pm u l t i c a s 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 no v e r l a yn e t w o r k ss o l v e dt h ep r o b l e m h o w e v e r , m o s to fe x i s t i n g a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tp r o t o c o l s c o n s t r u c tt h e i r o v e r l a y n e t w o r k sb a s e do n m e a s u r e m e n tw i t ht h ee n d - - t o - e n dd e l a y , a n dc o n s i d e r i n gn e i t h e rt h ep h y s i c a ln e t w o r k t o p o l o g yn o ri pm u l t i c a s te f f i c i e n c yi nl o c a l i t yn e t w o r k t h u s ，t h eh u g ep r o b e m e a s u r e m e n ta n dc o m p u t i n gm i g h td e c r e a s et h ep r o t o c o l se f f i c i e n c ya n da f f e c ti t s s c a l a b i l i t y i nt h i sp a p e la c c o r d i n gt h ei n f o r m a t i o no fb a c k b o n e ，w ep r e s e n tan e ws c a l a b l e a n db a c k b o n et o p o l o g y a w a r eh y b r i dm u l t i c a s t s h m ，w h i c hc o m b i n i n ga p p l i c a t i o n l a y e rm u l t i c a s ta n di pm u l t i c a s t w es t u d i e ds h me s p e c i a l l yo nh o wt om a n a g e m e n t a n dm a i n t e n a n c eo v e r l a yn e t w o r k st o p o l o g y , a n dp u tf o r w a r dt h ep r o t o c o la r c h i t e c t u r e o f s h m ，i n c l u d i n gn e wg r o u pc r e a t i o n ，i n t e r - d o m a i na n di n t r a - d o m a i nm e m b e r j o i na n d l e a v ea l g o r i t h m ，i n t r a - d o m a i nt o p o l o g yo p t i m i z ea l g o r i t h mc d a f , d a t at r a n s f e rm o d e l a n dt h em a i n t e n a n c eo fa l lt o p o l o g y t h e n ，w eh a v ed o n es o m es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t t oi l l u s t r a t et h ee f f i c a c ya n dp e r f o r m a n c eo fs h mw i t ho p n e tm o d e l e rr e f e r r i n gt o c e r n e tb a c k b o n e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc d a fa l g o r i t h mc a nd e c r e a s et h e p a c k e t s r e t r a n s m i s s i o nt i m e so ni n t r a - d o m a i nl i n k s ，a n dt h eo v e r h e a do nb a c k b o n e l i n k s ，m o r e o v e r , c o m p a r e dw i t he s m ，s h mi sa b l et op r o v i d em o r ee f f i c i e n tm u l t i c a s t w i t hl e s sm a i n t e n a n c eo v e r h e a d ，h i g h e rf l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , l o w e rs t r e s sa n d s t r e t c hd a t ap a t h s h mp r o t o c o li nt h i sp a p e rn o wo n l yb a s e do nc e r t a i nb a c k b o n et o p o l o g y , b u ti t g i v e san e wr e s o l u t i o nf o rr e a l i z i n gt h el a r g ea n dr e a l t i m eg r o u pc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e ，i m p r o v e st h ed e v e l o p m e n to f g r o u pc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mr e s e a r c h k e yw o r d s ：b a c k b o n en e t w o r k ；o v e r l a yn e t w o r k s ；h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ；i p m u l t i c a s t ；a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ；h y b r i dm u l t i c a s t i i 皋于主干网信息、可扩展的混合组播协泌的研究 插图索引 图2 1 单播、组播示意图7 图2 2 应用层组播示意图9 图2 _ 3 重叠网拓扑实例图1 0 图2 4 树优先方法中的拓扑构建1 2 图2 5 网格优先方法中拓扑变化图1 3 图2 6 层次结构示意图1 4 图2 7 层次结构方法中的数据转发1 4 图3 1c e r n e t 主干网络拓扑图1 7 图3 2s h m 层次结构示意图1 9 图3 3 节点域内新成员加入过程2 2 图3 4c d a f 中的五种类型链接及其优化处理2 5 图3 5s h m 软件架构2 6 图3 , 6s h m 包头格式2 7 图4 1o p n e t 仿真流程图3 2 图4 2s h m 基于c e r n e t 主干网络模型3 3 图4 3s h m 节点模型3 4 图4 ，4r p 节点中s l i m 模块的进程状态图3 5 图4 5 成员节点中s h m 模块的进程状态图3 6 图4 6 数据传输的最大延迟3 8 图4 7 数据传输的平均延迟3 8 图4 8 最大链路强度( l i n ks t r e s s ) 3 9 图4 9 平均伸展度( a v e r a g es t r e t c h ) 4 0 图4 1 0 控制丌销4 l 图5 1h i p m 结构示意图4 4 图5 2a s r m 结构示意图4 6 图5 3y o i d 内容协议栈4 7 图5 4s t a a l m 层次体系4 8 图5 5s t a a l m 网络示意图4 8 图5 6n i c e 体系结构4 9 i 硕士学位论文 附表索引 表3 1 域信息表( d i l ) 结构2 0 表3 2 域代理信息表( d a i l ) 结构2 0 表4 1o p n e t 各层模型功能3 0 表4 2c e r n e t 主干节点位置3 4 i v 湖南大学 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 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本文不包含任何其他个， 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：。踢争易伊 日期：扣争年，2 月2 ，目 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t 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j 借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据月 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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：彩争易侈 刷醛辄彬料 日期：) 卯印年2 月日 日期：2 中年月2 m 顾十学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 随着i n t e m e t 的飞速发展，各种基于其上的应用也相继出现，组通信1 2 】 更是以其独有的一点到多点进行数据传输的特点及其广泛的应用，如：远程教 育，远程医疗，分布式仿真，网络游戏，视频点播，多媒体会议等等，成为国 内外的研究热点。 然而，在计算机网络中，传统的点到点的单播通信( u n i c a s t ) 和广播通信 f b r o a d c a s t ) 是两种主要的通信方式。点到点通信允许单个网络节点向同一网络 上的另一节点发送报文；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。直接用单播通信方式来实现组通信的效率非常低：第一，浪 费主机和网络资源，如果有n 个接收端，则源端需要将同一数据包重复发送n 次，发送端的物理链路同样也需要重复传送n 次相同的数据包；第二，增加发 送延迟，不适合为实时或者交互类应用提供多方通信。第三，也是最重要的原 因，这种模式对网络资源的需求是随着用户数量的增加而成线性增长。随着 i n t e r n e t 的f 益普及，网络规模的不断扩大及网络信息资源的迅速增加，网络传 输负担将逐渐加重，尤其是现在比较流行的视频会议和多媒体数据传输问题， 它们都要求将网络资源传送给网络中所有对此信息感兴趣的主机。采用传统的 单播技术已无法解决此类传输问题，若采用广播技术又会造成巨大的网络报文， 增加网络的传输负担，严重地影响网络的效率。组播( m u l t i c a s t l 【lj 正是针对此类 问题提出的一种新的、高效的网络传输方案，它是面向“组”的介于单播和广 播通信之间的一种数据传送方式。1 9 8 8 年d e e r i n g 提出了在网络层实现，由路 由器提供组播通信服务的i p 组播( i p m u l i t i c a s t ) 1 2 j 。i p 组播是一种非常有效的组 通信方式，同一份数据源端只需发送一次，网络中物理链路也只需传送一次， 并且随着客户数量的增加也不会引起网络流量的递增。 i p 组播技术是i n t e m e t 的一个重要发展方向，它在错误控制、路由、流量 控制、可靠传输和c s c w 应用通信服务等方面都具有其独有的特点，而且能够 极大地减轻网络负载，高效地利用网络带宽，有力地支持资源发现、多媒体会 议、实时信息广播、c s c w 等复杂应用。经过将近二十年的研究与发展，i p 组 播取得了巨大的成就：形成了一套较为完整的组播协议体系；开发了大量的组 播路由协议【2 7 34 1 、可靠组播协议【3 5 】、组播地址管理协议等；成立了一个全球 基于主干嘲信息、可扩展的混台组播协议的研究 性的实验网络m b o n e u 。 尽管i p 组播是一种解决组通信业务需求的最有效的机制，但是从，。域网的 应用现状来看，i p 组播并没有取得预期的成功。一方面，广域网中的网络极少 开放i p 组播业务，至今还没有开放整个i n t e r n e t 范围内的组播业务；另一方面， 基于i p 组播的上层应用也屈指可数，相对于w w w 等新的体系结构，i p 组播 的发展非常缓慢。制约i p 组播发展的主要因素有可扩展性差，难于管理，认证 与计费困难等自身方面的缺陷与不足【2 厶”】，这也致使到目前乃至较长的一段时 间内，i p 组播都可能无法在i n t e r n e t 上得到全局性的支持。 为了解决组通信业务在i n t e r n e t 中所面临的困境，一些研究者开始反思i p 组播体系结构本身的问题，从而引发了将复杂的组播功能放在应用层实现的研 究即应用层组播( a p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i c a s t ，a l m ) 3 - 5 。应用层组播是一种 由网络中的主机实现的组通信服务，从网络的层次模型看，应用层组播就是在 成员主机之间建立一个功能性的虚拟网络一一重叠网( o v e r l a yn e t w o r k s ) 【5 】 3 8 】 39 1 ，在重叠网上实现组播业务的网络服务。应用层组播中的所有节点都是 参与组播的各个终端主机，而组播数据的路由、复制、转发及其管理等都是在 终端主机上完成，成员之问通过单播( 如t c p ，u d p ) 通信，从而使应用层组 播能够灵活配置，且不依赖于网络路由器的支持。 由于i n t e m e t 上对组通信的迫切需求，在应用层组播思想提出后的几年时间里， 国内外开展了众多的研究，并提出多种面向不同应用的应用层组播方案：( 1 ) e s m t 4 1 是卡耐基- 梅隆大学开展的一个端系统组播研究项目。e s m 的研究证明了在 端系统上实现组通信机制的想法是可行的，它可以支持分布稀疏的、较小规模的 组通信业务；( 2 ) a l m i 3 4 2 1 是美国华盛顿大学s t l o u i s 分校计算机系的研究项目， 它在操作系统的套接字( s o c k e t ) 之上，以中间件( m i d d l e w a r e ) 的形式向上层应用系统 提供组通信服务，中间件实现自组织网、组播数据的复制和转发功能，在组成员 节点之间组成一个应用层组播重叠网，并在组成员节点之间建立和维护一棵共享 的最小代价生成树( m i n i m u ms p a n n i n gt r e e ) ，适合于支持组规模较小的组通信业务。 ( 3 ) h y p e r c a s t 4 3 1 是美国弗吉尼亚大学计算机科学系在美国国家科学基金( n a t i o n a l s c i e n c ef o u n d a t i o n ) 资助下于2 0 0 1 年开始的研究项目。h y p e r c a s t 提出了超立方体 ( h y p e r c u b e ) 和d e l a u n a y 三角形( d e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n ) 两种组网协议。( 4 ) y o i d 2 l j 是a c i r i ( a t & tc e n t e rf o ri n t e r n e tr e s e a r c ha ti c s i ) 研究中心在2 0 0 0 年提 出的，基于应用层组播的一整套内容分发的解决方案，包括了应用层组播之上的 可靠、安全、拥塞控制等机制。y m t p ( y o i dm u l t i c a s tt r e ep r o t o c 0 1 ) 是y o i d 体系 的核心，是一种自组的拓扑管理协议，将主机组织成网和共享的组播转发树。 硕上学位沦文 还有一些研究项目如：f 4 0 4 1 4 4 4 5 4 6 等也从不同的出发点和角度对应用 层组播进行了研究。通过对以上这些有代表性的研究项目的分析，可以看出针对 一定范围的应用，将组播通信提升到应用层来实现是可行的，应用层组播作为一 种因特网中实现组通信的方案，已经得到普遍认同。 现有应用层组播协议的实现方法大多都是在成员主机之间信息探测( 如延迟、 带宽) 的基础上构建出重叠网，以单播方式在重叠网上实现组播业务。如：y o i d 【2 l 】 采用树优先的方法为每个组创建相互独立的共享树和网格拓扑。共享树用来实现 数据的转发，而m e s h 则用来广播各种控制信息以实现异常处理和错误恢复。y o i d 的新成员加入比较复杂，且环路检测开销大。a l m i 3 1 采用基于树的完全集中控制 方式，中央控制点r p ( r e n d e z v o u s p o i n t ) 不仅要维护组中所有成员的信息，还要 定期探测每个节点，以构造、计算、维护整个拓扑树，这就要求r p 必须具备非常 高的性能，加上所有节点都要将反馈信息发送给r p ，极易造成反馈风暴，这就决 定了它所支持的组规模不能太大。e s m 4 q b 的每个节点都保留有其它所有节点的信 息，并定期更新。成员的加入与离开要通知组中所有节点，导致其扩展性差，复 杂度为o ( n 2 ) ( n 为组的大小) 。t a g 【5 j 也是通过利用底层网络的拓扑信息为应用 层组播构建出有效的重叠网，但t a g 是通过路由探测方法获取所有节点到根节点 的路由信息，其探测开销大且路由探测难以实现。 这些研究项目采用大量的端系统之间的延迟探测，以构建最大程度接近于底 层物理网络结构的重叠网，从而提高应用层组播的组通信效率。而在现实网络中， 底层物理网络都具有一定的拓扑结构，并且主干网结构都比较稳定。如果不经过 成员主机之间的探测，而直接利用这些物理网络的拓扑信息就一定能以更快的速 度构建出更有效的重叠网拓扑。 应用层组播虽然能很方便的在i n t e m e t 上得到非常灵活的部署，但由于是端系 统参与包的路由，故效率明显要低于i p 组播；i p 组播作为最有效的组通信的实现 机制，虽然目前还不能够在i n t e m e t 上实现大范围地部署，但在局域网层次的网络 范围中，还是完全可以发挥i p 组播的高效性、健壮性等绝对优势。故此，能结合 应用层组播实现i n t e m e t 中的大范围部署，又能充分发挥i p 组播的高效率优势的 混合组播就一定能更好的满足组通信服务的特点与要求。 我们的研究项目，基于主干网信息，可扩展的混合组播s ，就是针对 以上这些项目的研究与分析的基础上提出的。鉴于i n t e m e t 中组通信业务的迫切需 求，基于主干网的拓扑信息，构建尽可能有效的应用层组播，并结合局部网络范 围中的i p 组播实现可扩展的混合组播的研究将会有着较大的理论与实际意义。 早于主干网信息、可扩展的混合组播协议的研究 1 2 本文主要工作 本文针对组通信业务的需求，结合i p 组播和应用层组播，提出了一种利用 主干网信息、应用层组播优先的混合组播协议s h m 。主要工作归纳如下： 1 、对组通信机制的研究与发展进行了概述，分别探讨了三种组通信机制的 优点和不足，重点分析了应用层组播中重叠网的拓扑构建与维护方法及相关工 作。 2 、针对现有应用层组播协议中的成员加入复杂、维护与控制开销大、延迟 时间长等缺点，本文充分利用主干网信息，结合局域网层次的i p 组播，提出了 一种新的可扩展的混合组播方法一s h m ，探讨了其与底层网络紧密相关的层次 结构，并重点研究了s h m 对主干网信息的处理和拓扑管理维护协议，主要包 括基于主干网拓扑结构的域内、域间成员加入算法及域间拓扑优化算法一一 c d a f 。 3 、介绍了o p n e t 仿真平台，并按照o p n e t 的仿真流程分别从网络模型、 节点模型和进程模型对s h m 进行建模与仿真。为了评估s h m 协议的性能与效 率，参照中国教育与科研网( c e r n e t ) 的主干网拓扑进行了仿真实验，并与 最早研究应用层组播的e s m 项目的n a r a d a 协议进行了相关参数比较。 4 、在分析了混合组播的研究现状与特点后，本文依据不同研究的侧重点 和目的，对混合组播的研究工作进行了归类，将混合组播分成i p 组播优先与应 用层组播优先两大类，并分别介绍了两类混合组播中具有代表性的几个现有研 究项目。 1 3 论文结构 全文主要包含以下五大章节： 第一章绪论简要介绍了组通信的业务需求及其主要实现机制一i p 组 播和应用层组播的研究现状，最后总结了本文所做的主要工作以及 论文的组织结构。 第二章组通信介绍了组通信机制的概念，分别探讨了i p 组播、应用层组 播、混合组播等组播机制的发展，并重点分析了树优先、网格优先 和层次结构三种不同类型的应用层组播在重叠网中的拓扑构建方法 及其各自的优缺点。 第三章可扩展的混合组播针对应用层组播和i p 组播两种不同组通信的 倾十学位论文 实现机制各自的优势与不足，提出一种高效的可扩展混合组播s h m ， 详细阐述了s h m 的协议体系、拓扑管理与维护协议、域问域内成员 的加入算法以及域间拓扑的优化。 第四章实验与分析 介绍了当前世界上最先进的网络仿真与开发平台 o p n e t 及其关键技术，并对s h m 参照c e r n e t 主干拓扑结构进行 了三层建模与仿真实验，通过仿真实验结果的分析证明了s h m 的性 能与效率。 第五章相关研究工作分析了混合组播的研究现状，提出将混合组播的研 究分成应用层组播优先和i p 组播优先两大类，并分别介绍与分析了 两类混合组播中具有代表性的几个研究项目。 最后是结束语，总结本文工作，并展望下一步工作。 基于+ 干嘲信息、可扩展的捏组摇胁议的研究 2 1 引言 第2 章组通信 i n t e r n e t 上的很多应用，如视频会议、远程教育和医疗、视频点播、分布式 仿真等等，都有一个共同的特点，就是同一份数据要发送给多个接收者，即数 据由一点到多点进行传输，我们把这种模式称为组通信。 组通信有多种层次，肌广义的角度来讲包括各种层次的通信群组内各通信 实体问的通信。如应用系统中备进程间的信息交流、操作系统层次各进程问的 协调和数据传输层次的信息传送。在应用系统和操作系统层次上讨论的进程可 能在一台机器中，也可能在不同的机器上，它们之间的组通信主要体现为系统 的控制策略。我们主要足从数据传输的角度来讨论群组成员间通信问题。这罩 对论的群组通信是指把数据分组( 称为多f 1 标分组1 传送到一个由若干台计算机 组成的集台的所有成员。组通信是对传统的计算机网络概念的发展，只有一些 新的特征：( 1 ) 点到多点通信，已有的计算机网络技术，特别是开放系统互连参 考模型l l 主要考虑的问题是点到点的通信，这是计算机网络在互连和互操作情 犹f 的主要通信模型。但在计算机协同t 作时璺协调的小仅仅是两台计算机 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，组通信不仪要协调计算机群体的行为，m 且要通 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的播放，这对网络带宽和延迟提出了更高的要求。( 3 1 复杂的用户环境和网络环境，与点到点通信柏比，群组通信面临更加复杂的用 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1 竽在巨大差异；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。这给群组通信带来很大影响，群组通信对计算机网络 提出了更高的技术要求j 。 已有的研究工作表明，现有的网络通信协议不能很好的满足组通信的全部 要求，由此引发了对组通信协议的研究。组通信的实现机制目前主要有i p 组播 和应用层组播，以及结台两者而产生的混合组播。本章以下部分将分别介绍这 几种组通信服务机制的实现方式以及它们各自的优势与不足，着重分析了树优 先、网格优先和层次结构三种不同类型的应用层组播在重叠网中的拓扑构建方 法及其各自的优缺点。 法及其各自的优缺点。 硕上学位论文 2 2 网络层组播 2 2 1 概述 i p 组播是在i n t e m e t 网上对一组i p 站点进行数据传送，这一组i p 站点是 动态形成的，每一个i p 站点都可以动态地加入或者退出这个组。当某个i p 站 点向i n t e m e t 上的多个i p 站点发送同一数据时，i p 组播可以减少不必要的重复 发送，从而有效地利用了网络的资源。尽管这会增加i p 组播相关协议的处理， 但相对于多次相同的点到点的数据传输来说，仍e t 减少了大量组播路由器和主 机对于i p 数据报的处理时间。i p 组播是一种非常有效的组通信机制，同样的 数据包，源端只需发送一次，网络中物理链路也只需传送一次。如图2 1 所示， 相对于单播机制，i p 组播中相同数据源端a 只需发送一次，与a 相连的物理 链路也只传送一次，接收方b 、c 和d 就都可以收到数据，具有占用带宽少、 延迟时间短等优异的特性。 2 2 2 组模型 a ) 单播b ) i p 组播 图2 1 单播、组播示意图 组播通信的所有接收者构成一个组播组。i p 组播模型是对端系统的规范，不 讨论怎样路由的问题，也没有指定任何提供服务质量、安全性以及分配地址的机 制。用i p 组播模型来描述有关组的一些通用性质，主要如下： 夺任何主机无需授权都可以加入到组播组中； 夺一台主机可以同属于多个不同的组； 夺主机可以随时加入和退出组播组； 夺源发送端只需知道组播地址就可以向组播组发送数据，而不需要了解组中 成员关系； 基于主干网信息、可护展的混合纰播协泌的研究 夺组成员的标识和数量对发送方和接收方来说都是未知的； 夺不论源端是否属于某一组播组，都可以向该组发送信息。 2 2 3 组的加入和退出 i p 组播和点到点传输的数据报只有一点不同，即i p 组播的目的地址是从2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 之间的d 类地址一组地址，其中2 2 4 0 0 0 到 2 2 4 0 0 2 5 5 被保留，2 2 4 0 0 1 表示子网中所有的组播组，2 2 4 0 0 2 表示子网中 的所有网关。 i n t e m e t 组管理协议i g m p 2 1 协议是实现i p 组播的基础，i g m p 运行在i p 主机 和它所在的子网组播路由器之间，用以支持主机和路由器进行组播。i g m p 被当作 i p 层的一部分，i g m p 报文通过i p 数据报进行传输。组播路由器使用i g m p 报文 来记录与该路由器相连网络中组成员的变化情况。通过使用i g m p 报文主要用来 控制组播组的管理。 1 加入组 当某台主机想加入到某个组播组时，通过发送“成员资格报告”消息通知其 所在的i p 子网的组播路由器，并等待接收来自该组播组传来的数据。如果这台主 机是它所在的i p 子网中第一台加入该组播组的主机，则本地组播路由器通过路由 信息的交换，加入到组播组分布树中。 为每一个组播组创建组播的分配树，是i p 组播解决路由的关键问题2 9 1 。当组 播的分配树建立好时，每个组播路由器只要将该组播组的数据沿着分配树进行传 播就可以了。 2 退出组 在i g m p v l 中，当主机想要离开某个组播组时，采用自行退出的方法。组播 路由器定时向i p 子网中所有组播组( 2 2 4 0 0 1 ) 查询，在确认某一组播组在i p 子 网中已经没有任何成员时，将不再向该组播组转发数据，与此同时，从组播组分 布树中删除此组播路由器，释放该组播地址。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 子网中已经没有任何成员的事件延时了一段时间，所 以在i g m p v 2 中，当每一个i p 站点离开某一个组播组时，需要通知子网组播路由 器，组播路由器立即向i p 子网中的所有组播组询问，从而减少了系统处理停止组 播的延时。 硕士学位论文 2 2 4 制约因素 尽管i p 组播是实现组通信机制的一种很好的方法，当某个i p 站点向i n t e m e t 上 的多个i p 站点发送同一数据时，i p 组播可以减少不必要的重复发送，有效地利用 网络的带宽，但是从互联网的应用现状看，i p 组播并没有取得预期的成功。制约i p 组播发展的主要因素有： 夺扩展性差路由器必须维护每一个活动组的组状态，且这些组地址不能聚 合，这大大增加了组播路由器的开销口o 】 2 6 。 夺认证难组播协议不提供用户认证功能，用户可随意地加入和离开。 夺管理难组播源缺乏有效地管理手段去控制组播信息在网上传递的范围 和方向。 夺计费难组播协议不涉及计费，加上组播源无法得知用户何时加入或离 开，也无法统计某时间段到底有无在线用户，无法准确计费，这也是i s p 不愿意开放组播业务的原因【2 ”。 夺地址问题i p v 4 的组播地址是d 类地址，地址空间小，属于稀有资源。 夺对上层功能支持的困难性在i p 组播之上实现诸如可靠性、安全性、搁 塞与流量控制、访问控制等功能较为困难俐 3 7 】。 2 3 应用层组播 2 3 1 概述 i p 组播的不足导致了另一类组通信机制一应用层组播的诞生。作为i p 组播的 替代方案，应用层组播解决了组播业务不能在广域网上大规模部署的难题。 应用层组播( 1 )应用层组播( 2 ) 图2 2 应用层组播示意图 顾名思义，应用层组播就是在t c p i p 协议栈的应用层来实现组播功能，将组 基十主干| 埘信息、可扩展的混合组播协议的研究 播数据包的复制和转发在端系统上完成，路由器通过单播机制实现组播数据发送。 如图2 2 的网络结构示意图中，方框表路由器，圆圈表主机，分别有5 台路由器和 四台主机。假定a 是源端，需要发送数据到b 、c 和d 。在应用层组播( 1 1 中，a 通过单播机制将数据发送给b ，b 接收后转发给c ，c 接收后再转发给d 。在应用 层组播( 2 ) 中，a 依次通过单播机制将数据发送给b 和d ，b 接收到数据后再将其 转发给c 。应用层组播的思想就是利用成员主机间的单播来实现组播机制，将本来 由源端负担的数据传送任务分散给其它成员承担，减轻了单个节点的负担，从而 使构建大规模的应用成为可能。由于应用层组播利用网络提供的现有服务，不需 要更改网络的基础架构，因而很容易部署，具有现实可行性。 2 3 2 重叠网( o v e r l a yn e t w o r k s ) 因为应用层组播是在一个虚拟重叠网的基础上实现组播功能的，所以应用层 组播协议首先考虑的是重叠网的构建，进而在重叠网上通过单播实现组播数据的 转发。 重叠网是位于一个或者多个已存在的网络之上的独立的虚拟网络，即在底层 物理网络的基础上通过单播机制将成员主机按一定的顺序连接起来，形成一个虚 拟的、独立的网络，就好像在原有网络上叠加了一层新的网络。通过不同终端主 机间建立的单播连接，可以形成具有不同拓扑结构的虚拟重叠网。图2 2 中两种不 同应用层组播构建的重叠网结构，提取出来如图2 3 所示：i p v 4 底层网络中的四台 终端主机节点a 、b 、c 、d ，若在a b 、b c 、c d 主机间相互建立单播连接即构成 图2 3 中的第一种应用层组播，如果通过a b 、a d 、b c 主机间建立单播连接则会 形成图2 _ 3 中的第二种应用层组播。 图2 3 重叠网拓扑实例图 硕十学位论文 重叠网的配置和部署只需要利用i p 层的通信协议，这些协议已经很成熟并且 已经得到广泛部署，网中节点可以是路由器，也可以是终端主机。重叠网同样也 是一种网络，已有底层网络的研究项目，如：移动性、路由、服务质量、寻址、 安全、组播等，同样也能在重叠网中得到新的发展【3 8 】。 2 - 3 3 拓扑构建 所有的应用层组播协议都将组中成员组织成控制拓扑和数据拓扑两类拓扑结 构。控制拓扑中的对等成员之间定期交换更新消息以识别和恢复组中成员节点的 异常离开( 异常离开是指由于网络或主机异常等原因，使得组中成员离开组时没 有通过控制消息通知它所在控制拓扑中的对等节点) 。数据拓扑通常是控制拓扑中 的一个子集，以确定组播数据在重叠网中数据的转发路径。实际上，数据拓扑是 一棵树，而控制拓扑则在成员节点间具有更强的连通性。因此，在一些协议中， 控制拓扑被称为网格而数据拓扑则称为树。 按照不同的控制与数据拓扑构建方法，可以将应用层组播分为：树优先 ( t r e e f i r s t ) 、网格优先( m e s h f i r s t ) 和层次结构( h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ) 。基于树 优先方法的应用层组播协议中，首先直接构建一棵共享的数据传送树，随后，每 个成员与几个在这棵数据转发树中不是邻居节点的组成员建立额外的控制链接， 并且维护这些控制链接。这些增强了数据转发树连通性的额外控制连接就构成了 基于树优先的应用层组播方法中的控制拓扑，其作用主要是增加成员之间的连通 性，从而可以更快的发现因成员异常离开或者成员主机崩溃等引起树的分割问题， 并且可以加快其恢复过程。树优先方法直接控制树的构建，例如对成员出度、树 的深度以及树中邻居节点的控制。在网格优先方法的应用层组播协议中，先将组 中成员组织成一个虚拟的网拓扑，在网状控制拓扑中，一对成员之间存在多条路 径，每个成员加入到路由协议中并计算到其它所有成员节点的虚拟路径。采用已 有的一些i p 组播路由算法，如d v m r p t m 所采用的r p f ( 反向路径转发) 算法等， 通过计算得到一棵组播数据树，组播数据沿这棵组播数据树进行转发。由于网格 优先方法可以采用标准的路由算法，因此组播树的构建就大大简化了，而且还可 以同时构建多个组播树。相对树优先方法而言，网格优先方法具有更好的健壮性。 网格优先方法的不足是对组播树的构建没有直接的控制，组播树的质量完全依赖 于网格的质量。另外，网格优先方法对于成员动态加入与离开的支持也不如树优 先方法。采用层次结构的应用层组播协议相比前两种方法更为灵活、复杂，采用 类似i n t e m e t 的结构，各层之间，以及同层的各个网络域之问根据不同的应用可以 采用不同的应用层组播协议。 基于土干| 尚9 信息、可扩展的混合组播协议的研究 1 树优先方法 树优先的应用层组播方法构建出一棵共享树，每个成员负责发现共享树中与 其最合适的父节点。树中的每个成员节点都通过最大节点连接度( d e g r e eb o u n d ) 来控制它想在共享树中所支持的子成员节点数量。新节点要想加入到共享树中， 则首先访问r p 节点或树中的根节点，由r p 节点或根节点返回一部分共享树中己加 入到组中的成员节点给新节点，新节点通过不断的与这些成员节点问的探测以确 定离之最近的最佳父节点，并参照节点连接度而加入到这棵共享树中。树优先方 法中，女t j h m 【l “，其树的拓扑构建过程如图2 4 所示，我们假设共享树中节点的最 大连接度为3 ，新成员n 要想加入到共享树中，先从r p 中得知根节点a ，n 发送加入 请求消息给根节点a ，如图2 4 中a ) 所示，a 发现自己的连接度已满不能接纳n 为其 子节点则返回下一层的子节点f b ，c ，d ) 给n ，n 则通过与此三个节点的延迟探测 以确定离自己最近的成员节点d ，如图2 4 中b ) 所示，n 接着发送加入请求消息给 节点d ，节点d 发现自己的连接度未满则接受n 的请求，n 通过d 从而加入到共享树 中，加入后共享树的拓扑结构如图2 4 中c ) 所示。 钔 c ) 入请求 图2 _ 4 树优先方法中的拓扑构建 受终端系统的主机性能影, 自j ；0 r l 上共享树的脆弱性，树优先方法中的组播共享 树极易产生树的分割。为了增强协议的健壮性，有些树优先的应用层组播方法在 构建共享树后，树中每个成员从共享树中随机选择几个与自己不是邻节点的成员 节点建立额外的连接，共享树与这些额外的连接构成树优先方法中的网格结构。 按照共享树的构建方法不同，树优先的应用层组播方法可以分为两类：一种 是分布式的构建方式，另一种是集中控制式的构建方式。在分布式的构建方法中， r p 只维护共享树中的部分成员信息，每个成员从r p 中获取到部分成员信息后经 过探测由成员节点决定其最优的父节点。而集中式的构建方法中，如a l m i 【3 】，r p 节点维护共享树中所有成员的全局信息，r p 通过与所有成员节点间的交互得出成 员间的延迟开销，并通过全