（计算机应用技术专业论文）overlay多播协议及应用系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着计算机网络技术的迅猛发展，互联网( i n t e m e t ) 已经成为人类社会重要的信息基 础设施。传统网络服务如今越来越难以满足人们对信息业务的需求，以视频点播、远程教育、 多方在线游戏等为代表的多播应_ l j 正在人f j 的日常生产和生活中扮演着日益重要的角色。1 p 多播由于技术和经济两方面的原因，很难在互联网上实现广泛部署。于是，研究人员提出了 o v e r l a y 多播技术作为i p 多播的替代方案。 在o v e r l a y 多播的体系结构下，网络层仍采用i p 单搔的方式进行数据传输，多播的相 关功能模块( 包括组管理、成员管理、报文复制、数据转发等) 均由终端主机完成，即将多 播功能从路由器迁移到端系统来实现。其最大的优势在于无需改变下层网络基础设施，易于 部署，这也止体现了新型网络服务的研究重点从网络层向虑用层跃迁的趋势。 本论文以实时流媒体多播应朋为背景，重点研究满足应用q o s 需求的高效的o v e r l a y 多播协议和算法，最计并实现具有较好可扩展性和动态适应性的o v e r l a y 多播原型系统。具 体研究和实现丁作如下： 1 ) 对当前比较典魁的o v e r l a y 多播协议和算法展开研究，全面分析和比较了各种方案 的技术特点，进而为论文的研究提供权威性和方向性的指导。 2 1 对有度利延时约束的o v e r l a y 多播路由问题展开研究，提山了一种新的分布式多播 路由算法分布式白适应树算法( d a t a ) 。节点通过运行该算法，能够在局部 延时最小策略和局部资源耗费最小策略之间进行折衷，并根据不同的网络状况自适 应地采取相应对策构造满足应用q o s 需求的多播路由。仿真实验结果表明，无论是 在较小规模还是在较火规模节点数的情况下，通过选择适当的启发冈子，算法均可 获得较高的数据传输性能和较低的：仃点拒绝率。 3 ) 对有度和延时约束的o v e r l a y 多播网络拓扑维护问题展开研究，提出了一种新的主 动式多播树重构算法局部拓扑维护算法( l o t a ) 。不同于在被动式重构策略 中，节点只有在检测到父节点退出后才开始寻找新的加入位置，该算法周期性地触 发树上：诤点计算自身的备用父节点，当非根、非叶节点退出时，其儿子节点能够立 即与各自的备_ h j 父节点交互并完成多播树的重构。仿真实验结果表明，无论是在中 等规模还是在较大规模：停点数的情况下，算法对于多播树重构的效率都明显高丁- 被 动式策略。 4 ) 研究并实现了一个新的基于特定逻辑结构和分布式协议机制的o v e r l a y 多播原型系 统基r 主机的o v e r l a y 多播系统( h o m s ) 。系统中不仅实现了路由算法d a t a 和拓扑维护算法l o t a ，还实现了用于完成多播组管理、节点加入、肖点退出、拓 扑修复等控制功能的核心协议。为保证系统的可扩展性，支持数据颦较大的流媒体 多播府川，系统采川控制信令和媒体数据二者信道相分离的原则传输报文，实现了 系统结构的优化，提高了传输效率。 5 )在开放式全球网络试验平台p l a n e t l a b 上对h o m s 进行了测试。结果显示，系统各个 东南人学硕士学位论文 模块均工作1 e 常，并且能够适应不同覆盖范嗣、不同纽规模条件下的实时音频多播 应用：同时，多播会话延时、网络传输代价以及协议控制开销等指标均表现出良好 水平，表明系统能够支持较大规模的多播应_ i j ，可以实现为川户提供可扩展、高效 率和高可靠的多橘服务的目标。 关键词：o v e r l a y 多播，路由算法，拓扑维护算法，p l a n e t l a b n a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , i n t e m e th a sb e c o m eas i g n i f i c a n t i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r ei nt h es o c i e t y t r a d i t i o n a ln e t w o r ks e r v i c e sa r en o wg e f l i n gd i f f i c u l tt o m e e tp e o p l e sr e q u i r e m e n t s a n dt h em u l t i c a s ta p p l i c a t i o n ss u c h 笛v i d e o 。o n d e m a n d ，e l e a r n i n g a n dm u l t i - o n l i n eg a m ea r ep l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nh u m a n sd a i l yl i f e h o w e v e r , d u et ob o t ht e c h n i c a la n de c o n o m i cr e a s o n s ，i pm u l t i c a s tc a nn o tb ew i d e l yd e p l o y e di nt h e i n t e r n e t ；t h e r e f o r e ，o v e r l a ym u l t i c a s ti sp r o p o s e da sa na l t e r n a t i v et oi pm u l t i c a s t u n d e rt h eo v e r l a ym u l t i c a s ta r c h i t e c t u r e ，t h ew a yo fd a t at r a n s m i s s i o ns t i l lu s e si pu n i e a s to n t h en e t w o r kl a y e r , a n dt h em u l t i c a s t f u n c t i o n si n c l u d i n gg r o u pm a n a g e m e n t ，m e m b e rm a n a g e m e n t , m e s s a g er e p l i c a t i o n ，d a t af o r w a r d i n ga n ds oo na r ei m p l e m e n t e db ye n dh o s t t h a t i st os a y , o v e r l a ym u l t i c a s td e p l o y sm u l t i c a s ts e r v i c e so nh o s t s i n s t e a do fc o r er o u t e r s t h eg r e a t e s t a d v a n t a g eo fd o i n gs oi st h a tt h em u l t i c a s ts e r v i c e sa r ee a s i e rt od e p l o y , s i n c et h e r ei sn on e e dt o c h a n g et h ee x i s t i n gi pn e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e o v e r l a ym u l t i c a s ta l s oi n c a r n a t e st h et r e n dt h a tt h e e m p h a s i so fn e t w o r ks e r v i c er e s e a r c hi ss h i f t i n gf r o mn e t w o r kt oa p p l i c a t i o nl a y e ri n t h en e x t g e n e r a t i o ni n t e r n e t i nt h i st h e s i s ，e f f i c i e n to v e r l a ym u l t i c a s tp r o t o c o l sa n da l g o r i t h m sw h i c hc a nm e e tt h eq o s r e q u i r e m e n t so fr e a l t i m em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa r es t u d i e d ，a n da no v e r l a ym u l t i c a s tp r o t o t y p e w i t hh i g hs c a l a b i l i t ya n dd y n a m i ca d a p t a b i l i t yi si m p l e m e n t e d t h ef o l l o w i n ga r e t h es p e c i f i c r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o nc o n t e n t s ： 1 ) t h ec u r r e n tt y p i c a lo v e r l a ym u l t i c a s tp r o t o c o l sa n da l g o r i t h m sa r es t u d i e da n da c o m p r e h e n s i v ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so nt e c h n i c a lf e a t u r e so f d i f f e r e n ts c e n a r i o si sm a d e a l lt h e s ew o r kp r o v i d ea na u t h o r i t a t i v ea n dd i r e c t i v eg u i d a n c et ot h ef u t u r er e s e a r c h 2 ) t h ed e g r e ea n dd e l a yc o n s t r a i n e dr o u t i n gp r o b l e mi no v e r l a ym u l t i c a s ti ss t u d i e d ，a n da n o v e ld i s t r i b u t e dm u l t i c a s tr o u t i n ga l g o r i t h mc a l l e dd i s t r i b u t e da d a p t i v et r e ea l g o r i t h m ( d a t a ) i sp r o p o s e d w i t hd a t a ，n o d e sc a nm a k et r a d e o f fb e t w e e nm i n i m i z i n g e n d t o - e n dd e l a ya n dr e d u c i n gl o c a lr e s o u r c ec o n s u m p t i o n ，a n df u r t h e rm o r e ，t h e yc a n a d o p ta p p r o p r i a t es t r a t e g i e sa d a p t i v e l ya c c o r d i n gt od i f f e r e n tn e t w o r ks t a t u si no r d e rt o c o n s t r u c tam u l t i c a s tr o u t i n gw h i c hc a nm e e tt h eq o sr e q u i r e m e n t s ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t ，w h e t h e ri ns m a l l s c a l eo rl a r g es c a l eg r o u p ，d a t aa l w a y sh a sah i g h d a t at r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea n dal o wn o d er e j e c t i o nr a t eb yc h o o s i n ga p p r o p r i a t e v a l u e so f t h eh e u r i s t i cp a r a m e t e r s 3 ) t h ed e g r e ea n dd e l a yc o n s t r a i n e dt o p o l o g ym a i n t e n a n c ep r o b l e mi no v e r l a ym u l t i c a s ti s s t u d i e d ，a n df ln o v e lp r o a c t i v em u l t i c a s tt r e er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mc a l l e dl o c a l t o p o l o g ym a i n t e n a n c ea l g o r i t h m ( l o t a ) i sp r o p o s e d r a t h e rt h a nl e t t i n gd o w n s t r e a m n o d e sb e g i nt of i n dan e wp a r e n ta f t e ran o d ed e p a r t u r e ，l o t at r i g g e r sn o d e si nt h et r e e i l l 东南人学硕：l 学位论文 p r e - c a l e u l a t eap a r e n t - t o b ep e r i o d i c a l l y w h e nan o n - r o o ta n dn o n - l e a fn o d ei sg o n e a l l i t sc h i l d r e nc a ni n t e r a c tw i t ht h e i rr e s p e c t i v ep a r e n t s - t o - b ei m m e d i a t e l yi no r d e rt o r e c o n s t r u c tt h eo v e r l a ym u l t i c a s tt r e e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，w h e t h e ri ns m a l l s c a l eo rl a r g es c a l eg r o u p ，l o t a se f f i c i e n c yo ft r e er e c o n s t r u c t i o ni sa l w a y sm u c h h i g h e rt h a nr e a c t i v es t r a t e g i e s 4 ) a no v e r l a ym u l t i c a s tp r o t o t y p ec a l l e dh o s t - b a s e do v e r l a ym u l t i c a s ts y s t e m ( h o m s ) w h i c hi sb a s e do ns p e c i a l l o g i c a ls t r u c t u r ea n dd i s t r i b u t e dp r o t o c o l si ss t u d i e da n d i m p l e m e n t e d n o to n l yd a t a a n dl o t aa r eb o t hi n t e g r a t e di nh o m s ，b u ta l s om a n y c o r ep r o t o c o l sw i t ht h ef u n c t i o n so fg r o u pm a n a g e m e n t , m e m b e rj o i n i n g ，m e m b e r l e a v i n g , t o p o l o g ym a i n t e n a n c e a n ds oo na r e i m p l e m e n t e d i n o r d e rt o i m p r o v e t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，t h ec o n t r o l m e s s a g ea n d d a t ap a c k a g ei nt h es y s t e ma r e t r a n s m i t t e di nt w od i f f e r e n tc 1 ) a n n e l sr e s p e c t i v e l y ，w h i c hl e a d st oa no p t i m u ms t r u c t u r e a n dh i g hs c a l a b i l i t y 5 ) h o m si se x p e r i m e n t e do nt h eo p e ng l o b a ln e t w o r kt e s t b e dn a m e dp l a n e t l a b t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，n o to n l ye v e r ym o d u l ew o r k sw e l l ，b u tt h ew h o l es y s t e ma l s of i t sf o r t h er e a l - t i m ea u d i om u l t i c a s ta p p l i c a t i o n sw h e t h e rs p a n n i n gd i f f e r e n tr e g i o n so ri n d i f f e r e n tg r o u ps c a l e s f u r t h e rm o r e ，a l lp e r f o r m a n c ei s s u e si n c l u d i n gs e s s i o nd e l a y , n e t w o r kc o s ta n dc o n t r o lo v e r h e a da r eq u i t eg o o d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ep r o t o t y p ec a n p r o v i d eas e a l a b l e e f f i c i e n ta n dr e l i a b l em u l t i c a s ts e r v i c ef o rc u s t o m e r s k e y w o r d s ：o v e r l a ym u l t i c a s t ，m u t i n ga l g o r i t h m ，t o p o l o g ym a i n t e n a n c ea l g o r i t h m ，p l a n e t l a b i v 目录及索弓 论文插图索引 单播、i p 多播和o v e r l a y 多播比较示意图2 o v e r l a y 网络协议位于1 p l p 协议栈中的位置7 o v e r l a y 网络拓扑示意图7 i p 多播与o v e r l a y 多播数据传输路径比较示意图8 o v e r l a y 多播协议分类l o 局部最优父节点选择函数示意图2 l 局部最优祖父节点选择函数示意图2 2 节点加入算法伪代码2 3 p l a n e t s i m 体系结构图2 5 p l a n e t s i m 接口描述图2 6 ：仃点拒绝率v s 会话延时上限( 多播组规模为5 0 个节点) 2 7 ：竹点拒绝率v s 会话延时上限( 多播组规模为2 0 0 个节点) 2 7 。讧点拒绝率v s 。多播组规模2 8 累计节点数比例v s 根延时惩罚2 9 9 0 的根延时惩罚v s 多播组规模2 9 节点退出示例3 0 l o t a 模艰描述示意图3 2 备用父节点选择算法伪代码3 5 备川父节点选择算法示意图3 5 平均恢复时间”退山节点比例3 8 平均交互节点数v s 退出节点比例3 9 p r o x y b a s e d 系统结构示意幽4 l h o s t - b a s e d 系统结构示意图4 2 h o m s 系统结构示意图一4 3 h o m s 协议消息头格式4 4 h o m s 组管理协议伪代码4 5 h o m s 节点加入协议伪代码4 6 h o m s 1 y 点离开协议伪代码4 8 h o m s 拓扑维护协议1 伪代码4 8 h o m s 拓扑维护协议2 伪代码4 9 h o m s 系统功能模块示意图5 0 p a s t r y 1 7 点数据结构示意图5 3 控制信令及媒体数据发送流程5 4 j m f 体系架构图5 4 勉粥“抛粥”粥”洲睨描。：”铺粥川川图图图图图图图图图图图图幽图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 东南人学硕士学位论文 图5 1 4 图6 1 图6 - 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 - 6 图6 7 图6 8 图6 - 9 图6 一1 0 图6 _ l l 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 圈6 1 5 图6 1 6 图6 1 7 图6 1 8 图6 1 9 图6 2 0 图6 2 1 j m f 流媒体数据传输过程5 5 p l a n e t l a b1 i 点全球分布情况5 7 p l a n e t l a b ：岿点与s l i c e 的关系5 8 账号注册成功界面5 9 成功登录伯克利的p l a n e t l a b 苗点5 9 将本地文件远程传送至p l a n e t l a b ：仃点5 9 p 2 p 引导+ f 1 5 点启动6 l p 2 p 非引导节点启动6 1 源停点创建多播组一6 2 汇聚节点返同创建成功戍答消息6 2 ：侮点加入多播组6 2 域内小规模节点多橘树结构6 3 源1 r 点发送音频数据6 3 中间住点转发音频数据6 3 非叶1 ，点退出多播组一6 4 退出节点的儿子节点对退出操作的处理6 4 退山仃点的父1 y 点对退出操作的处理6 4 域内中小规模节点多播树结构6 5 域间中小规模节点多播树结构6 6 根延时惩罚v s 多橘纽规模6 8 资源耗费压力v s 多播纽规模6 8 控制开销的比例v s 时间6 9 x 目录及索弓 论文表格索引 表2 1 o v e r l a y 多j | 协议比较1 5 表3 1d a t a 算法的消息定义及功能说明1 9 表4 1l o t a 算法的消息定义及功能说明3 4 表6 1p l a n e t l a b 节点最低配置：6 0 表6 2 域内小规模节点属性6 l 表6 3 域内中小规模1 ，点属性6 5 表6 4 域间中小规模节点属性。6 6 东南大学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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：金妈日期：坐2 i 东南大学学位论文使用授权声明 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 论文的复印件和电子文档，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。 研究生签名：金够导师签名：期：堡翌i ! 兰： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 诚如著名的计算机科学家a n d r e ws t a n e n b a u m 教授所言：“过去的3 0 0 年中，每个世 纪都有一种主流技术”1 1 1 ，1 8 世纪是机械时代，1 9 世纪是蒸汽机时代，2 0 世纪则是信息时 代。以计算机理论和技术为核心的信息科学的迅猛发展和广泛应用，止在对人类社会以及人 们的二亡作方式、生活方式和思维方式产生深远的影响。而作为计算机技术与通信技术紧密结 合、优势互补的创新成果，计算机网络的出现和快速发展无疑是二十世纪最具代表性的科学 与技术奇迹之一。互联网( i n t e m e t ) 便是计算机网络最成功的范例。自1 9 6 9 年美国的a r p a 和英国的n p l 首次建成分组交换计算机网络以来，且联网走过了近4 0 年的建设和发展历程， 其性质已经从最初的覆盖范同有限、功能相对单一的小规模试验网络，发展成为今天这样一 个由多种计算机网络组成的，提供多元化服务的全球性巨型信息网络。据研究和咨询公司 e t f o r e c a s t s 统计，截至2 0 0 5 年年底，全球互联网_ j 户数已超过1 0 亿在主要发达国家， 互联网的背及率已经达到6 5 。7 5 ，预计到2 0 1 0 年，全球互联网用户数将再增长1 倍， 从而达到2 0 亿。 随着互联网技术的不断发展，新型应川的人量涌现以及互联网商业化趋势的山现人们 对互联网及其戍用和服务提出了更多更高的需求，主要包括服务质量保证、网络安全保障、 移动性支持、多播支持、高效资源控制、大规模扩展能力，电信级计费等需求。与此同时， 互联网的商业化义进一步导致了互联网的社会化。今天的互联网已经成为人类信息社会主流 的一个重要组成部分。与人类的经济活动、文化活动、政治活动等类似，社会各个组织、集 团或群体除了共同参与互联网的建设外，往往还冈各自不同的甚至相互对立的利益而发生争 斗，从而产生了d c l a r k 所说的“扭斗”( t u s s l e ) t 2 1 现象。除此之外，现代计算机网络还面 临着服务定制、资源控制和埘户管理三人难题p j 。研究表明，以上问题都与传统互联网体系 结构过于简单有着密切关系。于是，研究人员止努力通过符种手段弥补传统互联网体系结构 的缺陷和不足，与此同时也在积极探索和研究米米的新型网络体系结构。目前，国内外关于 新一代网络研究和建设的思路主要有增强网络通信功能和丰富网络应_ l l j 服务两种1 4 j 。前者试 图仅仅通过扩展核心网络的功能、增强其复杂性来直接满足所有网络上层用户的应削需求。 但由于改造网络基础设施代价巨人，难以吸引网络服务供应商的兴趣，同时由于_ j 户需求多 种多样、千变万化，网络中不太可能存在“o n e s i z e f i t a l l ”的技术p 】，所以该思路已被实践 证明并不可行。后一种思路从端系统( 主机或服务器) 入手，致力于从应刖层的角度研究如 何为朋户提供各种各样的服务，以解决网络层未能妥善解决的问题。这种思路在保持核心网 络简单性的同时，充分利用了端系统的分布处理能力，不仅符合“端到端原则”( e n d - t o e n d a r g u m e n t ) p 1 所倡导的思想，而且更加紧密地贴近川户的应_ l i 需求，因此成为现代计算机网 络研究的热点。 从以上讨论可以看出，互联网的服务提供方式正在从核心路由器( 网络层) 向端系统( 应 l 东南大学顾士学位论文 用层) 迁移。在这种趋势下，基于应用层技术的o v c r l a v 网络( 亦称覆盖网络) 技术正在迅 速兴起。该技术的主要思想是由位于核心网络之上且分布于网络边缘的端系统米构建虚拟网 络并提供特定服务，其最大的优势在于无需改变底层网络通信基础殴施，部署灵活方便，投 入产出比高。目前已经提出了一系列o v e r l a y 网络服务的解决方案7 1 1 8 l 。“，其中，多播服务 作为一个关键的研究领域受到了广泛关注与讨论。本论文即主要针对o v e r l a y 多插相关技 术展开研究。 1 2 多播 在计算机网络技术不断发展的过程中，f t p i ”1 、h t tp 【1 3 i 、s m t p ! 4 等传统网络服务已 经越来越难以满足人们对信息业务的需求。以视频点播、远程教育、网络多媒体新闻、多方 在线游戏等为代表的新型网络应用正在人们的日常生产和生活中扮演着日箍重要的角色。这 类应川的一个共同特点是：数据报文在一个组l 4 以对多或者多对多的形式进行传输。如果 采_ i j 传统的点对点单播( u n i c a s t ) 方式，数据发送者就必须维护每个接收者的信息，向它 们单独发送数据报文，如图i 1 ( a ) 所示。当接收者数目很多时，发送者必须要有很高的数 据传输速率。另外。相同的数据报文可能在同一个链路上重复传输，消耗了大量的网络带宽。 因此需要一种专门的组传输机制处理此类问题，这就是多播( m u l t i c a s t ) 。与单播不同的是， 多播中数据报文的拷贝由具有多播功能的中间系统来完成，因此：，省了人量的网络通信资 源，提高了通信效率。 o 墙蒙兢 口糌由眷回；| t t i l l t i ( a ) 单橘( b ) f p 多播( c ) o v e r l a y 多播 图1 ，1 单橘、i p 多播和o v e r l a y 多捅比较示意图 1 2 1 i p 多播 早在1 9 8 8 年，s d e e r i n g 博士就提出了i p 多播机制【1 ”。这是最早、最有效的多播传输机 制。在i p 多播中，每组会话都通过一个多插地址( i p v 4 ：2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ；【i p v 6 ： f f ：) 标识，即每个多播组对应一个多播地址。 ：是发送方只需要向相应的多播地址传输一 次报文，就可以保证所有的组成员都收到这个报文，如图1 i ( b ) 所示。其中，多播路由器 负责路由、复制和转发多播数据报文。这种方式避免了在链路上传输重复报文，从而节省了 网络带宽，可实现高效的多播通信。 2 第一章绪论 1 2 1 1 i p 多播相芙协议 l p 多播包括两类基本协议：组管理协议和多播路由协议。 组管理协议i g m p ”崦行于主机和与主机直接相连的多播路由器之间。主机使用i g m p 消息通知多播路由器它想加入的组，即通告相应组的多播地址。多播路由器通过i g m p 协议 为每个端口维护一张多播组成员列表，并定期发送“成员询问”消息来探寻表中的各个成员 是否仍然存在。i g m p v l 定义了基本的组成员查询利报告过程，i g m p , 2 在此基础上添加了组 成员通告离开机制，i g m p v 3 增加的主要功能是成员可以指定接收或者不接收某些多播源的 报文。 一旦多播路由器知道了所在域是否存在多橘成员，就可以通过多播路由协议来决定是否 加入到相应的组中参与通信，即是否加入多播转发树。此类协议运行于多播路由器之间，负 责构建转发树和路由多播数据包。按照使h j 范围的不同，多播路由协议可以分为域内协议和 域间协议两类。 域内协议主要用于i p 网络自治域内，一般采用广播方式交互协议信令。此类协议按照构 建转发树方式的不同，义可以分为源点树协议和共享树协议两类。前者需要为同一个多播会 话中的每个源构建一个最短路径树，典型的协议有d v m r p ! “i 、m o s p f l l ”、p i m d m 1 3 1 等； 后者只需要在网络中选取某一点作为公共的根霄点，在此基础上构建一棵转发树，各组会话 的数据均沿着这棵公共的转发树发送，典g 协议有p i m s m ”埽l c b 一2 0 i 等。 d v m r p f l j r i p 防议【2 1 i 扩展而来，是第一个在m b o n e 2 2 】上得到背遍应川的多播路由协议。 与r i p 计算路由器到只的地的最佳下一跳不同的是，d v m r p 根据路由器到源方向的上一跳 信息来构建转发树。协议首先通过发送探测消息来发现邻居，然后通过路由交换来进行路由 选择和确定上f 游依赖关系。 p i m d m 使川“扩散与剪枝”机制来建立乖i 维护转发树。路由器周期性地发送h e l l o 消 息以发现相邻的p i m 路由器，并且负责在多路访问网络中选举指定路由器，然后根据单播 路由表的信息米确定上下游依赖关系。 m o s p f 是o s p f 协议口3 j 的一个扩展，它通过o s p f 路由表米获得网络拓扑。m o s p f 路由 器除了进行多播路由选择外，还要进行正常的o s p f 单播路由选择。像o s p f 一样，m o s p f 也使川层次路由，包括区内多播路由、区间多播路由、自治系统间多播路由。 p i m s m 的设计目标是有效地管理广域网。该协议不依赖于任何特定的单播路由协议， 土要铍设计h 来支持稀疏组。它使用了传统的基于接收端初始化成员关系的l p 多插模型， 支持共享和最短路径树，此外还使用了软状态机制，以适应不断变化的网络环境。 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 多播通信蹙都在这个共享树上进行收发而不论发送源有多少或者在什么位置。这种共享树的 使h j 能够极人的减少路由器中的多播状态信息。 域问协议川丁：解决人型的、分层的j p 网络自治域之间的多播路由问题，典型协议包括 m b g p l 2 4 i i i m s d p l 2 q 等。 一种流行的i p 多播体系结构一般是基于i g m p v 3 、d v m r p 、m o s p f 、p i m 。s m 平i i m b g p 3 东南人学硕士学位论文 这些协议构建的。 1 2 1 2 i p 多播部署困境 尽管人们在i p 多播的研究方面倾注了人量时间和精力，但是从目前互联网中的应用情况 来看，i p 多播并没有获得预期的成功。较为典型的应用基本上都属于试验性质的局部范用的 部署，全互联网范用内的部署尚朱实现。仔细分析其原因，可以发现i p 多播同时面临着技术 和经济的双重凼境l2 6 j ： 1 )路由器必须为每个活动的多播组保存状态，而这些多播地址不能聚合，网络中人量 的活动组将需要路由器耗费巨人的存储和处理开销，可扩展性差： 2 )多播数据的转发依赖专_ 【f j 的多播路由器，所以i p 多播技术的应j 【l j 需要改造网络基础 设施，将全网范嗣内的酱通路由器都升级为多播路由器。难以推f 。： 3 1用统一的模型来适应所有的应用，算法设计困难； 4 )多播组加入、退出和管理等操作开销较大，难以形成有效的协调和控制机制； 5 )多播地址空间太小( 针对i p v 4 ) ，缺乏灵活、可扩展的地址分配机制，一旦人规模 部署，极易产生地址冲突； 6 1打破了传统的根据进入流量计费的机制，还没有清晰的商业费川模型； 7 1在安全、拥塞控制等方面也存在问题。 1 2 2 o v e r l a y 多播 i p 多j 难以在互联网上有效部署的凼境引发了人们对“网络层是否是部署多播功能的 最佳层次”这一问题的反思，而近儿年来兴起的o v e r l a y 网络技术则为该问题的解决提供了 新的思路。研究人员开始尝试借鉴i p 多播的基本设计思想，在应用层建立多播机制作为替 代，进而提出了o v e r l a y 多士番的概念f 2 7 】。在o v e r l a y 多播体系结构f ，网络层仍采川i p 单播 进行数据传输，多播的相关功能模块( 包括缉管理、成员管理、报文复制、数据转发等) 均 在终端主机上实现。如图1 - 1 ( c ) 所示，端系统节点之间通过一定的o v e r l a y 多播协议和算 法构成一棵o v e r l a y 多播树，数据源点沿着该多播树向数据接收廿点发送数据，每个非叶子 接收者在接收数据的同时还要向其儿子节点继续转发。o v e r l a y 多播取消了对多播路由器等 网络基础设施的依赖，直接在端系统之间构建数据转发树，因此也称为应用层多播或者端系 统多播。 o v e r l a y 多橘保持了互联网原有的简单、不可靠、单播的转发模型，相对于i p 多播来说， 其优势主要体现在以f 几个方面： n易于部署：无需路由器支持，只需对端系统进行改进，保持了底层网络的简单性和 透明性，可以实现渐进性部署； 2 )扩展性好：不需要在路由器上维护多播编的状态，可以支持人量的多播组，解决了 i p 多橘扩展性差的问题，并且易丁添加新的服务； 3 )灵活性高：可以根据底层网络条什的变化，动态地优化多播树的结构，并易丁：实现 4 第一章绪论 服务定制、q o s 保障、接纳控制和计费管理等功能，便于商业化运作。 以上这些优势使得o v e r l a y 多j 番技术成为当前多播研究的热点领域。然而，要使其最终 成为替代i p 多播的切实可行的方案，还必须解决好以下几方面的问题 1 ： 1 ) 传输高效性问题：o v e r l a y 多播在数据传输时，不可避免会在底层链路上产生重复 报文分组，由此带来了冗余数据流量，故其传输效率一般 ：l i p 多橘差； 2 ) 多播可靠性问题：o v e r l a y 多播树的所有协点( 包括叶仃点和1 e 叶节点) 全部由应 用层的端系统组成，由于端系统的稳定性人人低于网络层的路由器，因此多播树更 新和重构的概率较人，另外还易出现传输延时、转发速率f 降等问题，从而使多播 的可靠性受到影响； 3 ) 控制开销问题：为了构造满足应用需求的多播路由以及维护