应用层组播协议框架研究

SHM:基于主干网信息、可扩展的混合组播,陆绍飞2007-12-12,内容,1、组通信机制的背景与发展2、应用层组播（ALM）3、可扩展的混合组播SHM,背景,组通信一点到多点的数据传输模式应用场景非常广泛，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。组通信解决方案 单播IP组播应用层组播混合组播,组通信单播,组通信单播,直接用单播通信方式来实现组通信的效率非常低：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；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。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。,组通信IP Multicast,CMU,Berkeley,MIT,UCSD,routersend systemsmulticast flow,组通信IP Multicast,Highly efficientGood delay,组播现状,因特网中的网络极少开放IP组播业务，至今还没有全Internet范围内的组播业务。基于IP组播的上层应用也屈指可数，相对于WWW等新的体系结构，IP组播的发展非常缓慢。,IP组播制约因素,扩展性差 路由器维护每个活动组的状态认证难 用户可随意加入和离开管理难 缺乏管理手段控制传播方向与范围计费难 ISP不愿意开放组播业务地址问题 IPv4的组播地址是D类地址，地址空间小，属于稀有资源。 (224. 0. 0. 0 239. 255. 255. 255 ，其中 224.0.0. 255保留， 表示子网中所有的组播组， 表示子网中的所有网关。 ),应用层组播（Application Layer Multicast）,将复杂的组播功能放在应用层实现的研究即应用层组播（Application Level Multicast，ALM） 基本思想是将组播数据包的复制和转发在端系统上实现，通过路由器支持的单播服务来实现组播数据发送。,示例,应用层组播(1),应用层组播(2),重叠网（Overlay Networks）,建立在一个或者多个已存在的网络之上的独立的虚拟网络 。,重叠网拓扑实例,应用层组播分类,TreeFirst维护开销小, 扩展性好可靠性差Mesh First可靠性好扩展性差hierarchical structure,TreeFirst,RP节点 最大节点连接度（degree bound）集中式、分布式控制,HM :Beichuan Zhang, Sugih Jamin, Lixia Zhang. Host Multicast A Framework for Delivering Multicast To End Users. Twenty First Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies,2001,TreeFirst: HM,RP,MeshFirst：ESM（Narada）,Y.H.Chu, S.Grao, and H.Zhang, A Case for End System Multicast. Proc of ACM SIGMETRICS, 2000,Hierarchical Structure,NICE: Suman Banerjee, Bobby Bhattacharjee, Christopher Kommareddy. Scalable Application Layer Multicast.Proceedings of ACM Sigcomm 2002,2002 HTG: RenJie Pi, JunDe Song, Li Jiong Hong. Application level multicast in hierarchical topology. Electrical and Computer Engineering,2003,基本思想,域和代理,应用层组播优点,可以充分利用下层标准协议而不需要对下层网络进行任何的修改。不需要专门的组播路由器支持。可以方便、灵活地部署。由于数据是通过单播传输的，所以可以通过单播的流控制、拥塞控制、可靠传输服务来实现应用层组播的流控制、拥塞控制、和可靠传输。,评价指标,节点连接度 （Degree Bound）强度（Link Stress）每条链路或者每个节点（路由器，主机）在传输组播分组时发送相同分组的次数。 平均伸展度 （Average Stretch）在重叠网中从源点到目的节点的距离与对应的直接单播的距离的比值。 控制开销（Control Overhead ）,主机,路由器,物理链路,数据流,Max Stress3Avg Stretch1,Max Stress1Avg Stretch1,Max Stress1Avg Stretch1.83,Max Stress2Avg Stretch1.167,应用层组播和IP组播结合的方案,思路在局部、小规模、并且支持IP组播的网络中使用IP组播 在IP组播构成的“小岛”（island）或者没有IP组播支持的主机之间使用ALM的方式 可以充分利用IP组播的优点,混合组播（Hybrid Multicast）,同时结合应用层组播和IP组播,IP组播优先（HIPM 、ASRM 、UM）应用层组播优先YOID、STA-ALM、NICE、HM,分类（研究侧重点）：,混合组播IP组播优先,HIPM:刘晓建，钟海荣，叶超群，金士尧. 基于混合式IP组播的大范围分布式仿真数据传输分配策略. 电子学报， 2003, 31(11),混合组播IP组播优先,ASRM:谭焜，史元春，廖春元，徐光祐. 应用层语义可靠的自适应多播. 软件学报. 2002, 13(1),混合组播应用层组播优先,1.tree-first 集中式：ALMI 分散式：YOID (ACIRI)、TAG2.mesh-first ： Narada (CMU)，Scattercast (Berkeley)， Overcast (CISCO)3.hierarchical structure ： STAALM 、NICE,CERNET主干拓扑,CERNET地址分配,region=WH 202.114/16, 202.196/15, 210.42/15, 211.69/16, 211.67/16, 211.84/15, 218.196/14,region=XA 202.117/16, 202.200/15, 210.26/15, 218.195/16, 219.244/14,基于主干网信息的混合组播,SHM: Scalable and Backbone Topology-Aware Hybrid Multicast. Proceedings of 16th International Conference on Computer Communications and Networks, 699-703,13-16 Aug.2007.,SHM 目标,利用主干网的拓扑结构与其IP地址分配信息，在终端主机上提出一种结合IP组播和应用层组播的混合组播方法可扩展的混合组播（SHM）。,SHM 假设条件,骨干网比较固定； 网络中IP地址的分配与骨干网结构有关； 地址分配的规律性； IP地址分配信息能够获取；,SHM层次结构图,DIL,DAIL,SHM主干信息,域信息表（DIL）结构,域代理信息表（DAIL）结构,SHM拓扑管理协议,新组创建 新成员加入 成员离开 数据传输 拓扑维护,SHM新组创建,向RP请求RP生成唯一的组标识号：GID创建一份DAIL该节点成为此组中的第一个域代理,SHM成员加入代理,RP,B,C,D,A,成员主机,中央控制点,域代理,DAIL,DIL,B,C,D,A,1,2,3,SHM成员加入域内,Domain A,N,1,2,Leader A,3,n3,n2,n1,n4,4,5,6,N,Leader A,n3,n2,n4,n1,(a) 域内新成员的加入过程,(b) 加入成功后域内拓扑,Domain A,7、,DAIL,RP,域间连接,域间连接,degree bound=3,DIL,SHM成员离开,域代理（备份代理）节点域内 只需向邻接点发送leave()消息，并等待一段时间得到回应后直接离开，子节点收到leave消息带着子树重新加入。（父子动作）IP组播岛内 只需向组播岛的域代理节点发送“请求离开”消息使之更新岛内成员管理表，再以IP组播方式直接离开。,SHM数据传输,路由器,域代理,成员主机,应用层组播中，父子节点间定期探测的方法维护拓扑结构,在IP组播岛中，由域代理根据岛内成员管理表维护岛内的所有节点。,SHM拓扑维护,使主干网拓扑中尽可能邻近的两个网络域之间建立域间拓扑连接 ，降低主干开销避免数据转发共享树发生分割或出现回路,SHM域间拓扑优化,SHM CDAF,（A，B）为父节点A指向子节点B的待优化域间连接 N为新加入到组中的域代理,可优化条件：,算法：,CDAF,SHM CDAF（续）,如果N的祖先（从N到根节点所经过的所有节点列表）中包含A，则N断开与其父节点的连接加入到A， B断开与A的连接而加到N