（教育技術學專業(yè)論文）基于二次擇優(yōu)技術的應用層組播優(yōu)化研究.pdf

q + 南京郵電大學 碩士學位論文摘要 學科、專業(yè)：教育學教育技術學 研究方向：網絡教育技術及知識工程 作者：周筠 指導教師：張宗橙教授 題目：基于二次擇優(yōu)技術的應用層組播優(yōu)化研究 英文題e l ：s t u d yo ft h eq u a d r a t i co p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yb a s e d a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t 主題詞：應用層組播，二次擇優(yōu)，節(jié)點浮動算法，最短路徑優(yōu)先 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 ，q u a d r a t i co p t i m i z a t i o n ，d y n a m i c a l f l o a t i n ga l g o r i t h m ，s h o r t e s tp a t hf i r s t 南京郵電k 學碩士研究生學位論文摘要 摘要 利用現(xiàn)有網絡帶寬，以最小的網絡資源開銷為前提，達到最好的應用效果，是 現(xiàn)階段組播研究的重要方向之一。i p 組播技術致力于多媒體數(shù)據(jù)在有限的網絡帶寬 條件下獲得較高效率的數(shù)據(jù)傳輸，在一定范圍內得到了實際應用，但由于受到某些 因素制約，i p 組播在i n t e r n e t 中并沒有得到充分應用。 應用層組播( 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 ) 技術，針對i p 組播進行改進，逐 漸成為i n t e m e t 服務中針對組播的主要方案。應用層組播通過單播連接方式構成一個 邏輯上的覆蓋網絡，并轉發(fā)數(shù)據(jù)給其他端系統(tǒng)。目前，應用層組播在多媒體文件分 發(fā)、視頻會議、視頻點播等方面，得到了廣泛應用，并由于a l m 不受網絡架構限制、 資源豐富等優(yōu)勢，受到了越來越多用戶的喜愛。但同時，由于大量的組播應用充斥 i n t e r n e t ，該應用對網絡傳輸也帶來了巨大壓力。 本文提出一種基于二次擇優(yōu)技術的覆蓋網模型，能夠滿足用戶數(shù)據(jù)得到高效有 序的傳輸，保證在不增加節(jié)點運算額外開銷的情況下，減輕鏈路傳輸時延及控制開 銷。文章通過對應用層組播模型及相關組播技術研究，取得以下成果： 1 引入一種動態(tài)節(jié)點浮動算法。該算法通過計算每個節(jié)點的性能參數(shù)，如資源 量、傳輸速率、生命周期等因素，調整節(jié)點在邏輯拓撲上的相應位置。將性能較好 的節(jié)點優(yōu)選出來，放在較為重要的傳輸位置上。實驗表明，經過優(yōu)化的應用組播系 統(tǒng)，具有控制開銷小、數(shù)據(jù)傳輸效率高、擴展性能好、結構相對穩(wěn)定、且不需要底 層拓撲信息等優(yōu)點。 2 引入一種基于最短路徑優(yōu)先的生成樹算法。對每個區(qū)域內節(jié)點采用基于s p f 的算法進行傳輸路徑的再次優(yōu)化，兩次擇優(yōu)后，最終達到a l m 拓撲結構的整體優(yōu)化 的目的。系統(tǒng)可以對自身模型參數(shù)進行調整，滿足模型針對不同類型網絡業(yè)務均能 有效地緩解擁塞，較好地保證端到端數(shù)據(jù)傳輸。 文章通過仿真測試了模型性能，證明了相關結論，仿真結果表明：該模型在減 輕系統(tǒng)數(shù)據(jù)包丟失率、路徑平均時延、控制開銷，以及提高帶平均數(shù)據(jù)傳輸率等方 面均存在一定的優(yōu)勢，對目前管理混亂、任意搶占網絡資源的組播技術有了一定的 改進，具備較好的理論研究與實際應用價值。 關鍵詞：應用層組播，二次擇優(yōu)，節(jié)點浮動算法，最短路徑優(yōu)先 l _ ， 南京郵電大學碩士研究生學位論文abs昀ct a b s t r a c t i ti sq u i t ev i t a lt ot r a n s m i td a t ae f f e c t i v e l ya n d r a p i d l yi nt h ei n t e r n e tf o r t h e r e a l t i m em u l t i m e d i aa n dn o n - r e a l t i m ef i l e d o w n l o a d i n gs e r v i c e s a c h i e v i n gt h eb e s t r e s u l tw i t hm i n i m u mr e s o u r c eo v e r h e a da n de x i s t i n gn e t w o r kb a n d w i d t h ，i so n eo ft h e h i n g er e s e a r c ha r e a st o d a y i pm u l t i c a s tp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yt ot r a n s m i tm u l t i m e d i a i nal i m i t e dn e t w o r kb a n d w i d t he n v i r o n m e n t ，a n dh a v ef o u n di t sa p p l i c a t i o n si nc e r t a i n f i e l d s ，b u td u et od i v e r s i f i e dl i m i t a t i o n s ，i pm u l t i c a s ti sn o tu s e dw i d e l yi nt h ei n t e r n e t a so n eo ft h eb e s ti m p r o v e dt e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o n l a y e rm u l t i c a s t ( a l m ) b e c o m e st h em a i ns c e n a r i ot op r o v i d em u l t i c a s ts e r v i c e si nt h ei n t e r n e t h e r e ，a l m t e r m i n a ln o d et r a n s m i t sd a t at oo t h e rn o d e s ，b ym e a n so fa l o g i c a lo v e r l a yn e t w o r kw h i c h i sc o n s i s t e do fu n i c a s t a l mo b t a i n s g r e a ta p p l i c a t i o n s i nt h ef i l e d i s t r i b u t i o n ， v i d e o o n - d e m a n d ，v i d e oc o n f e r e n c e r i c hi nn e t w o r kr e s o u r c e ，f r e eo fn e t w o r k a r c h i t e c t u r er e s t r i c t i o n ，a n dt o g e t h e rw i t hf a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d ，a l mi sw e l c o m e db y m o r ea n dm o r eu s e r s h o w e v e r , a tt h es a m et i m e ，p l e n t yo fa l m a p p l i c a t i o n sa r e f l o o d i n ga n db r i n g i n gh e a v ys t r e s st ot h en e t w o r k t oi m p r o v ei t se f f i c i e n c ya n dr e d u c e t h en e t w o r kp r e s s u r e ，i so n eo ft h ek e yr e s e a r c hf i e l d a i m sa td i f f e r e n tt y p eo fa p p l i c a t i o n s ，t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sa ne f f i c i e n ta l m m o d e lb a s e do nq u a d r a t i co p t i m i z a t i o n ，b yr e d u c i n gd a t at r a n s m i s s i o nd e l a ya n dc o n t r o l o v e r h e a dw i t h o u ti n c r e a s i n gc a l c u l a t i n go v e r h e a d ，t h i sm o d e lm e e t st h en e e do fv a r i o u s t y p e so fs y s t e m t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h i sm o d e l ，r e s u l t sw eh a v eg o ta sf o l l o w s ： 1 o n ed y n a m i cf l o a t i n ga l g o r i t h mi sg i v e no u t h e r e d u r i n gs o m ep e r i o do fat i m e ， w ec a l c u l a t ee a c hn o d e sp e r f o r m a n c e ，l i k et h er e s o u r c ec a p a c i t y t r a n s m i t t i n gs p e e d ，l i f e c y c l ea n do t h e rf a c t o r s ，w es e l e c tt h en o d e sw h i c hp o s s e s sr i c h r e s o u r c e ，s t a b l es t a t ea n d f a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d u n d e rt h e o p t i m i z a t i o n ，t h es y s t e mp r o c e s st h ea d v a n t a g eo fl o w o v e r h e a d ，h i g ht r a n s m i t t i n gs p e e d ，s t a b l e ，f l e x i b i l i t y , a n dn e e dn ot o p o l o g yi n f o r m a t i o n o fl o w e rl a y e r s 2 as h o r t e s t 。p a t h f i r s ta l g o r i t h mi sp r o p o s e dh e r et ob u i l das p a n n i n gt r e ew i t h i n e a c hr e g i o n a f t e rt h eq u a d r a t i co p t i m i z a t i o n ，t h es y s t e ma c h i e v e sa ni d e a ls t a t e s i n c e t 南京郵電大學碩士研究生學位論文abstract w ef o c u so nn o d e sp e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n ，w ec o u l dm o d i f yt h ep a r a m e t e r st om e e tt h e n e e d so fv a r i o u st y p e so fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n f i n a l l y , s i m u l a t i o ni sd o n et op r o v et h er e l a t i o n a lc o n c l u s i o n s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s r e v e a lt h a t ，t h e s et e c h n o l o g i e sc o u l dr e d u c ed a t ap a c k e t sl o s s ，a v e r a g ep a t hd e l a y , c o n t r o l o v e r h e a d ，a n di m p r o v et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , i tt u r n st h es y s t e mm u c hb e t t e ri nt h i s d i s o r d e r e da l ms i t u a t i o n sa n dp r o v i d e sh i g ht h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lc o s t k e y w o r d s ：a l m ，q u a d r a t i co p t i m i z a t i o n , d y n a m i c a lf l o a t i n ga l g o r i t h m ，s h o r t e s tp a t hf i r s t i i i 南京咖；f 1 1 大學碩士研究生學位論文目錄 目錄 摘 要i a b s t r a c t i i 目錄1 1 0 r 第一章緒論1 1 1 研究背景與意義1 1 2 主要研究工作2 1 3 論文的創(chuàng)新性3 1 4 論文結構安排3 第二章組播技術現(xiàn)狀分析5 2 1 數(shù)據(jù)群組通信5 2 1 1 單播5 2 1 2 廣播6 2 1 3 組播6 2 2i p 組播技術7 2 2 1 i p 組播技術綜述7 2 2 2i p 組播常用協(xié)議7 2 2 3 實現(xiàn)p 組播的條件8 2 2 4i p 組播發(fā)展制約因素9 2 3 應用層組播技術10 2 3 1 應用層組播技術綜述1 0 2 3 2 應用層組播相關概念10 2 3 3 應用層組播研究現(xiàn)狀1 4 2 3 4 應用層組播優(yōu)缺陷分析1 9 2 3 5 應用層組播性能評價標準21 第三章基于二次擇優(yōu)技術的應用層組播模型2 3 3 1 控制拓撲構建2 3 3 1 1 節(jié)點浮動算法2 3 3 1 2 拓撲結構維護。2 7 3 2 傳輸拓撲構建31 3 2 1a l m 網絡路徑參數(shù)3 1 3 2 2 基于最短路徑優(yōu)先的路徑優(yōu)化方法3 5 第四章模型性能分析3 7 4 1 模型性能參數(shù)介紹：3 7 4 2 仿真場景設置3 9 4 3 仿真結果分析一4 0 第五章總結與展望。4 4 i v 南京郵電大學碩：卜研究生學位論文 目錄 。-。目_-。_。-_-_-_-_-_-_-_-_-_。-_i-_-_。-_-_l_-_-_-_一 5 1 論文總結一4 4 5 2 未來展望4 4 5 2 1 基于a l m 的視頻點播4 5 5 2 2 安全問題4 5 5 2 3 跨層的應用層組播4 6 5 2 4 無線組播。4 7 致謝。4 8 參考文獻4 9 碩士期間發(fā)表及錄用論文5 2 v 南京郵電大學碩：上研究生學位論文第一章緒論 1 1 研究背景與意義 第一章緒論 伴隨i n t e r n e t 的飛速發(fā)展和寬帶城域網的興起，語音、數(shù)據(jù)、視頻等多種業(yè)務傳 送需求高速增長，用戶對于從網絡下載資源的需求不斷增大，通信業(yè)務傳輸環(huán)境也 發(fā)生了巨大變化。 在傳統(tǒng)的客戶機服務器( c l i e n t s e r v e r ) 模式下，所有用戶都必須連接服務器，從 服務器處獲取資源。對服務器來說，越多機器的連接數(shù)目導致其負載越重；對客戶 機來說，它們的下載速度基本依賴于網絡帶寬和地理位置，此外對網絡狀態(tài)的要求 也很高，如果在服務器到客戶機之間的網絡處于繁忙狀態(tài)，則會嚴重影響客戶機的 下載速度。 互聯(lián)網中的多媒體應用逐漸增多，較為普及的多媒體應用，如網絡直播( l i v e s t r e a m i n g ) 、視頻點播( v i d e oo nd e m a n d ) 、媒體文件分發(fā)( m e d i af i l ed i s t r i b u t i o n ) 、視 頻會議( v i d e oc o n f e r e n c e ) ，為用戶帶來豐富的視聽體驗，這些多媒體數(shù)據(jù)流量在目 前互聯(lián)網承載的全部數(shù)據(jù)流中占了相當大的比重【1 1 。這些多媒體應用的共同特點是 數(shù)據(jù)業(yè)務量大、接收者眾多、對服務質量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 要求嚴格。若每 個終端用戶同時發(fā)起至這些多媒體應用的獨立單播連接，將會消耗大量網絡帶寬， 導致服務器性能下降。 為了解決上述困境，在互聯(lián)網中需要使用可擴展的數(shù)據(jù)傳輸技術。組播 ( m u l t i c a s t ) ，是指在發(fā)送者和任一接收者間實現(xiàn)點對多點的網絡連接。當一臺發(fā)送者 給多個接收者發(fā)送相同數(shù)據(jù)，只需將數(shù)據(jù)包復制一份。組播提高了網絡數(shù)據(jù)傳送效 率，降低了骨干網絡出現(xiàn)擁塞的可能性。 d e e r i n g 在1 9 8 8 年提出在i p 層實現(xiàn)組播功能的框架【2 1 。在該框架中，由支持組 播功能的路由器建立一個組播轉發(fā)樹，組播源只需發(fā)送一份數(shù)據(jù)拷貝，由組播路由 器負責對數(shù)據(jù)包進行復制和轉發(fā)，最終到達每個接收終端。d e e r i n g 將數(shù)據(jù)報文的復 制轉發(fā)交給路由器來處理，并不需要源節(jié)點一次復制多個同樣的數(shù)據(jù)報文發(fā)送，同 一數(shù)據(jù)在物理鏈路中只要傳輸一次，從而減少了數(shù)據(jù)包在鏈路中的冗余傳送，提高 了傳輸效率。 l 南京郵電大學碩士研究生學位論文第一章緒論 _ _ 。- 。- _ “。- _ - _ _ _ 。_ _ - 。_ _ _ 。_ _ _ - _ _ _ _ _ _ 。- 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ - _ 一 i p 組播一直都被認為是能夠有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)群發(fā)的技術，因為它能夠將數(shù)據(jù)包的 復制減少到最小，但由于i p 組播本身所帶來的各種難點和缺點【3 1 ，i p 組播技術雖 然經過十多年的研究和發(fā)展，仍然無法得到廣泛部署和應用。 應用層組播( 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 ) 技術近年來獲得業(yè)內廣泛關注 【4 】【5 】【6 】【7 1 。與i p 組播相較而言，a l m 是在端系統(tǒng)實現(xiàn)組播轉發(fā)，端系統(tǒng)間通過單播 連接，在應用層建立一個虛擬的覆蓋網( o v e r l a yn e t w o r k ) ，部分接收者獲取數(shù)據(jù)后， 再通過單播連接轉給其它接收者。a l m 與i p 組播的根本區(qū)別在于，a l m 不需要路 由器提供i p 層組播功能，在端系統(tǒng)實現(xiàn)組播數(shù)據(jù)的復制轉發(fā)，而i p 組播必須在路 由器上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的復制轉發(fā)。 應用層組播有很多優(yōu)點。首先，a l m 無需修改現(xiàn)有的i n t e r n e t 底層，只需通過 端系統(tǒng)之問的協(xié)作，在應用層就可以實現(xiàn)組播。再者，現(xiàn)有單播技術中成熟的擁塞 控制、可靠性等特征完全可以移植到a l m 中。此外，因為端系統(tǒng)具有比路由器更多 的資源，如c p u 處理能力、存儲容量等，a l m 可以利用這些資源對時延、吞吐率 等性能進行優(yōu)化。 近年來應用層組播有了很大發(fā)展，但其作為一門新興的技術仍不可避免地存在 很多缺陷，如組織混亂、帶寬利用率低等，所以a l m 需要廣大研究者繼續(xù)對其進行 深入探索及改進。 1 2 主要研究工作 本文在對現(xiàn)有a l m 模型進行深入研究的基礎上，提出新的應用層組播協(xié)議。該 協(xié)議具有較高的傳輸效率及良好的擴展性，主要面向實時應用，可根據(jù)系統(tǒng)內節(jié)點 進行數(shù)據(jù)傳送時不同的q o s 需求，提供可靠的組播服務。論文的具體研究工作包括 以下方面： 1 閱讀了大量的國內外a l m 相關文獻，研究、分析，總結并歸納了現(xiàn)有的a l m 模型特征、優(yōu)點及存在的問題，找出論文突破點。 2 針對現(xiàn)有a l m 模型的優(yōu)缺點，設計了新的組播協(xié)議。考慮到實時應用對傳 輸時延和帶寬的要求較高，該協(xié)議可針對用戶對時延、帶寬等不同應用需求進行參 數(shù)修改提供區(qū)分服務，此外，該協(xié)議同時具備高效的處理節(jié)點加入、離開的機制， 具有良好的擴展性。 2 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第一章緒論 3 對本文設計的協(xié)議進行仿真，驗證其性能。 4 總結新模型的優(yōu)缺陷，思考進一步的研究方向。 1 3 論文的創(chuàng)新性 本文的創(chuàng)新之處在于： 1 提出了基于二次擇優(yōu)技術的應用層組播模型q o b ( q u a d r a t i co p t i m i z a t i o n b a s e d ) ，將屬于同一個物理平面上的終端節(jié)點映射為網絡二維邏輯結構，建立和維 護網絡的邏輯層和域內樹型拓撲結構。 2 采用一種節(jié)點浮動算法對系統(tǒng)拓撲中各域中心節(jié)點所在的邏輯層次進行調 整，以此達到a l m 拓撲網絡傳輸性能的初步優(yōu)化。 3 設計了一種基于最短路徑優(yōu)先的生成樹算法，對區(qū)域內節(jié)點進行傳輸選路， 從而實現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的優(yōu)化。 1 4 論文結構安排 論文共分五章，每章的內容承上啟下、相互銜接。文章首先闡述了應用層組播 產生的背景和現(xiàn)狀，然后介紹目前主流模型存在的問題，在分析問題的同時提出解 決方案，最后對提出的方案加以論證。具體的內容安排如下： 第一章為緒論，回顧了組播技術在網絡上的應用背景以及應用層組播與i p 組播 對比的優(yōu)勢和不足，分析了研究現(xiàn)狀，接著闡述了本文所要研究和解決的問題以及 論文的組織和成果。 第二章介紹了組播的解決方案。組播最初建立在i p 層上，需要特定的設備支持， 由于i p 組播對網絡的要求較高所以難以部署，引出了應用層的組播技術。本章將概 括性地對群組通信、i p 組播的原理進行描述，由此引出應用層組播技術。此外，本 章對應用層組播系統(tǒng)的體系結構進行研究，分析了應用層組播的結構特點，主要算 法，及主要性能評價標準。 第三章提出了一種二次擇優(yōu)技術的應用層組播模型。該模型在系統(tǒng)建立初始化 階段，首先使用節(jié)點浮動算法對所有組員進行初次擇優(yōu)，將綜合性能較優(yōu)的節(jié)點放 到系統(tǒng)關鍵位置；之后，通過最短路徑算法對傳輸路徑進行二次調整，兩次調整后， 3 南京郵電大學碩十研究生學位論文第一章緒論 達到a l m 拓撲結構整體優(yōu)化的目的。 第四章對第三章提出的模型進行仿真實驗，首先介紹模型參數(shù)意義，接著詳細 描述通過仿真平臺建立的模型過程，最后分析結果，驗證模型性能。 第五章為本文總結及展望，先總結新模型的觀點，然后提出還有待深入研究的 問題。 4 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章組播技術現(xiàn)狀分析 2 1 數(shù)據(jù)群組通信 第二章組播技術現(xiàn)狀分析 數(shù)據(jù)群組通信在八十年代的并行計算機系統(tǒng)及分布式系統(tǒng)中有較為廣泛的應 用。群組的概念是動態(tài)的，可以創(chuàng)建新的組，也可以注銷舊的組，與此同時，參與 者可以動態(tài)地加入或退出一個組，也可同時成為多個組的成員，所以，需要一種約 束機制來對組成員進行管理。目前的數(shù)據(jù)群組通信方式主要有以下三種： 2 1 1 單播 單播是指主機間一對一的通訊。如1 0 0 0 個客戶機需要相同的數(shù)據(jù)，則服務器需 要逐一重復10 0 0 次相同的傳輸工作，服務器流量= 客戶機數(shù)量x 客戶機流量，在客 戶數(shù)量大、客戶機流量大的流媒體應用中服務器不堪重負。但由于服務器針對每個 客戶不通的請求可以發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，容易實現(xiàn)個性化服務。 - 時p a c k e t sf o rr e c e i v e ra 一一p a c k e t s f o rr e c e i v e rc 圖2 1 單播方式實現(xiàn)群發(fā) 如圖2 - 1 所示，源主機向每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，在消耗巨大的服務器資源同時，客 戶端卻依然難以獲得令人滿意的服務質量。當一臺服務器只需給少量接收者提供服 務時，客戶端的服務質量能得到有效保證。但當有大量客戶端主機向服務器提出需 5 南京帥乜人學碩士研究生學位論文第二章組播技術現(xiàn)狀分析 求時，服務器主機網絡負載愈發(fā)沉重，將導致出口堵塞的情況出現(xiàn)。與此同時，服 務器和客戶端之間的網絡鏈路易引發(fā)網絡延遲增大、擁塞等問題。 2 1 2 廣播 如圖2 2 所示，在廣播通信中，源主機只需發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，而一個子網中的所 有主機都將接收地址為本子網廣播地址的數(shù)據(jù)包。這種通過發(fā)送廣播實現(xiàn)多點傳送 的辦法雖然最簡單，但將強制子網內所有主機接收該廣播。采用廣播通信方式傳送 數(shù)據(jù)包造成了局域網帶寬的巨大浪費，極易造成路由環(huán)路，從而引起廣播風暴。 2 1 3 組播 圖2 - 2 廣播方式實現(xiàn)群發(fā) 如圖2 3 所示，組播是介于單播和廣播間的一種數(shù)據(jù)傳輸方式，在發(fā)送者和任一 接收者間實現(xiàn)點對多點的網絡連接。當一臺服務器需要同時給多個終端發(fā)送相同數(shù) 據(jù)，只需復制一次數(shù)據(jù)包。它提高了數(shù)據(jù)傳送效率，減少了骨干網絡出現(xiàn)擁塞的可 能性。相較于前兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，組播可以更高效地利用網絡帶寬、降低網絡流 量、提高數(shù)據(jù)傳輸效率。目前主流組播技術分為兩種：種是在網絡層實現(xiàn)的傳統(tǒng) i p 組播；另一種是在應用層實現(xiàn)的應用層組播。 6 南京郵電火學碩十研究生學位論文第二章組播技術現(xiàn)狀分析 2 2i p 組播技術 2 2 1i p 組播技術綜述 圖2 3 組播方式實現(xiàn)群發(fā) d e e r i n g 于1 9 8 8 年提出了將組播的功能機制添加到i p 層的組播結構，這種體系 結構稱為i p 組播( i pm u l t i c a s t ) 。i e t fr f c l l l 2 對i p 組播業(yè)務的提供方式及形式進 行了描述定義，被認為是i p 組播的標準業(yè)務模型定義。 標準i p 組播模型定義了主機和i p 層應有的功能及上層所看到的業(yè)務形式。主 機組( h o s tg r o u p ) 是i p 組播概念的核心，是指多臺主機所組成的主機組，用i p 組播 地址標識，組播數(shù)據(jù)以組地址為目標地址，采用i p 數(shù)據(jù)報的盡力發(fā)送( b e s te f f o r t ) 方 式轉發(fā)至主機組包含的各臺主機。組播路由器承擔數(shù)據(jù)的所有尋址及轉發(fā)控制功能， 所有的路由器及其鏈路在網絡中形成控制組播數(shù)據(jù)傳送的邏輯結構，稱為組播轉發(fā) 結構( d e l i v e r ys t r u c t u r e ) ，此結構一般是樹形拓撲，稱為轉發(fā)樹，轉發(fā)樹上的組播路 由器負責接收、復制、轉發(fā)數(shù)據(jù)。 2 2 2i p 組播常用協(xié)議 i p 組播常用三種協(xié)議：i g m p ( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) i n t e r n e t 群組 管理協(xié)議，p i m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t ) 獨立組播協(xié)議，d v m r p ( d i s t a n c e 7 南柬郵 l 尺學碩士研究生學位論文第二章組播技術現(xiàn)狀分析 v e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 距離矢量組播路由協(xié)議。 i g m p 協(xié)議主要運用于主機及與主機直連的組播路由器間，是i p 主機用來通知 多址廣播組成員身份的協(xié)議。該協(xié)議一方面可以通過主機通知本地路由器希望加入 并接收某個特定組播組的信息；另一方面，路由器通過i g m p 協(xié)議可周期性檢查局 域網內某個已知組的成員是否處于活動狀態(tài)。i g m p 協(xié)議主要用途是用于解決網絡上 廣播時占用帶寬的問題。 p i m 協(xié)議不依賴于某一特定的單播路由協(xié)議，它可利用各種單播路由協(xié)議建立 的單播路由表完成r p f ( r e v e r s e - p a t hf o r w a r d i n g ) 反向路徑轉發(fā)檢查功能。由于該協(xié) 議無需收發(fā)組播路由更新，所以相較于其它組播協(xié)議，p i m 開銷降低了很多。p i m 定義了密集模式( d e n s e - m o d e ) 和稀疏模式( s p a r s e m o d e ) 兩種模式。p i m d m 采用了 “擴散剪枝”機制，同時假定了帶寬不受限制，每個路由器都想接收組播數(shù)據(jù)包。該 模式適合于以下幾種情況：組播源和接收者位置接近；發(fā)送者少，接收者多；高速 網絡；組播數(shù)據(jù)流比較大且比較穩(wěn)定。p i m s m 采用共享樹進行組播數(shù)據(jù)包轉發(fā)。 每一個組有一個r p ( r e n d e z v o u sp o i n t ) 匯聚點，組播源依照最短路徑向r p 節(jié)點發(fā) 送數(shù)據(jù)，再由r p 節(jié)點沿最短路徑將數(shù)據(jù)發(fā)送到各個終端，它適用于有多對組播數(shù)據(jù) 源和網絡組數(shù)目較少的環(huán)境。 d v m r p 是一種互聯(lián)網路由協(xié)議，為主機組提供一種面向無連接信息組播的有效 機制，它也是一個“內部網關協(xié)議”，只適合在自治系統(tǒng)內使用。 2 2 3 實現(xiàn)ip 組播的條件 實現(xiàn)i p 組播，除去組播源、接收者及兩者之間的底層網絡都需要支持組播， 即主機的t c p i p 支持i p 組播，主機的網絡接口支持組播，此外還需要滿足以下條 件： 1 具備完善的i p 地址分配策略，能夠將三層i p 組播地址映射到二層m a c 地 址： 2 具備用于加入、離開及查詢功能的組管理協(xié)議，即i g m p 協(xié)議； 3 具備支持i p 組播功能的應用軟件； 4 具備所有用于組播源和接收終端之間的路由器、h u b 、交換機、t c p i p 協(xié)議 棧、防火墻等設備。 8 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章組播技術現(xiàn)狀分析 2 2 4ip 組播發(fā)展制約因素 從i n t e r n e t 發(fā)展進程及i p 網絡的體系結構看，制約i p 組播業(yè)務發(fā)展的主要因素 包括如下： i p 組播的缺陷導致從9 0 年代初至今，i p 組播一直沒有能夠在i n t e r n e t 上得到 大規(guī)模應用。根據(jù)對i p 組播技術的分析，可以總結出i p 組播存在以下缺陷： 1 i p 組播是一種盡力而為的服務，因此當其需要面向高層提供應用時，如擁塞 避免、可靠傳輸、流量控制等，往往會比單播要難于控制。盡管目前已經出現(xiàn)了不 少針對以上性能要求的解決方案，但如果需要在大規(guī)模i p 組播中得到應用，仍需進 一步研究完善。 2 i p 組播要求路由器保留每個組播組的狀態(tài)信息，因此路由器的路由及轉發(fā)表 將需要為每個不同的組播地址保留相應表項，但由于組播地址并不像單播那樣容易 集成，為了提供組播轉發(fā)，我們需要在路由器上增加組播組管理協(xié)議，如i g m p ，來 維護組播接收終端的狀態(tài)信息，此外還需要運行組播路由協(xié)議，如d v m r p 來進行 數(shù)據(jù)轉發(fā)，路由器上的這些額外的開銷使得i p 組播的擴展性交差。 3 i n t e r n e t 缺乏對于網絡層的訪問控制，i p 組播模型中也缺少有效的管理手段， 任何匿名用戶均可加入某些特定的組會話。 4 由于存在安全隱患、運營成本過高等方面的制約，目前只有少數(shù)服務提供商 能夠提供i p 組播業(yè)務，在很大程度上減緩了i p 組播應用的進一步普及，提高普及 率，需要針對現(xiàn)有網絡進行較大規(guī)模改造。 5 i n t e r n e t 是一種異構網絡，在異構環(huán)境中，i p 組播仍然存在某些問題。如，由 于多個用戶共享同一網絡通道，i p 組播雖然在網絡傳輸效率上有較大提高，然而單 通道用戶只能接收同樣數(shù)據(jù)，不能同時滿足不同用戶的個性化需求，因此單通道組 播擴展性受到考驗。 綜上，由于i p 組播的服務模型仍存在的一些問題，使得其至今還未能在因特網 中得到廣泛部署，只有當使用i p 組播節(jié)省的帶寬大大超出它的管理開銷時，i p 組播 才真正具備商業(yè)應用價值。 9 南期l i i l u ：凈碩l 研究生學位論文第二章組播技術現(xiàn)狀分析 2 3 應用層組播技術 2 3 1 應用層組播技術綜述 a l m 是在端系統(tǒng)間實現(xiàn)組播轉發(fā)的，端系統(tǒng)通過單播建立連接，盡量不改變原 有網絡的結構，在應用層形成一個虛擬的覆蓋網。部分接收者接收到數(shù)據(jù)后，再通 過單播轉發(fā)給其它接收終端。a l m 與i p 組播的本質區(qū)別在于：a l m 在端系統(tǒng)完成 數(shù)據(jù)的復制轉發(fā)，不需要路由器提供i p 層的組播功能；而i p 組播則必須在路由器 上實現(xiàn)組播數(shù)據(jù)的復制轉發(fā)功能。由于對網絡本身的改變很少，應用層組播具有很 好的靈活性。 i p 組播與a l m 的主要區(qū)別在于： 1 報文轉發(fā)地點不同。i p 組播的報文轉發(fā)須由系統(tǒng)的核心路由器來處理，而 a l m 的數(shù)據(jù)轉發(fā)節(jié)點則是覆蓋式網中的終端主機。 2 網絡拓撲的創(chuàng)建不同。在i p 組播中，所有路由器需要預先部署，網絡拓撲 難以改變，而a l m 是由節(jié)點問直連形成的一張有向或無向的虛擬圖，完全屏蔽了底 層的物理網絡拓撲，這種覆蓋網的拓撲是完全可控的，并且易于利用一些額外的參 數(shù)對網絡拓撲進行優(yōu)化。 3 組成員關系維護方式不同。i p 組播的系統(tǒng)成員信息存儲于組擂路由器中， 而a l m 的成員關系信息由各個節(jié)點自己保存或是由系統(tǒng)中的匯聚點集中控制，便于 靈活管理。 2 3 2 應用層組播相關概念 2 3 2 1 覆蓋網絡 在互聯(lián)網層次化的結構模型中，應用層處于模型的最高層，基于傳輸層協(xié)議所 提供的服務應用層協(xié)議執(zhí)行其相應功能。在網絡技術迅猛發(fā)展的今天，相對穩(wěn)定的 傳輸層所提供的服務早己不能滿足互聯(lián)網迅速膨脹的應用需求。覆蓋網絡技術的提 出為互聯(lián)網研究指明了一個方向，覆蓋網絡簡單說來就是應用層網絡，它是面向應 用層的而基本不考慮網絡底層，即物理層的問題。 l o 南京 j 1 i ；l 乜j ：。：碩 = 研究生學位論文第二章組播技術現(xiàn)狀分析 圖2 - 4 覆蓋網協(xié)議位+ f 協(xié)議棧中的位置 覆蓋網絡允許傳輸沒有i p 地址標識的終端節(jié)點的路由信息，如d h t ( d i s t r i b u t e d h a s ht a b l e ) 分布式哈希表，能夠將路由信息發(fā)送到某個存儲特定文件的結點，而事 先并不知道該結點的i p 地址，如p 2 p 就是一種覆蓋網絡。圖2 4 所示為覆蓋網協(xié)議 在t c p i p 協(xié)議棧中的所屬位置。 覆蓋網網絡中的每個節(jié)點都是基礎網絡中端系統(tǒng)的主機或服務器，端系統(tǒng)在網 絡層并沒有分組轉發(fā)功能，而是在應用層以特定方式進行分組的處理轉發(fā)。覆蓋網 絡中節(jié)點之間的連接鏈路被當作為通過底層網絡的隧道，這些邏輯鏈路也具備普通 網絡的性能指標，如時延、帶寬、誤碼率等，在相同的底層網絡上可以同時存在多 個覆蓋網絡，每一張網絡都可有其特定屬性。 但覆蓋網絡也有其不足。根據(jù)互聯(lián)網層次化的體系結構，上層協(xié)議無法獲取底 層網絡的拓撲及其性能參數(shù)，這為數(shù)據(jù)路徑傳遞帶來了相當難度，即便覆蓋網中所 有節(jié)點可以完全掌握底層網絡拓撲及鏈路性能參數(shù)，但因為端系統(tǒng)與其鄰接路由器 間的迂回轉發(fā)不可避免，使得覆蓋網絡的工作效率不及底層網絡。 南京郵電大學碩士研究生學位論文第二章組播技術現(xiàn)狀分析 圖2 - 5 位于物理網絡上的覆蓋網絡 圖2 5 為覆蓋網絡的邏輯示意圖，底層網絡中八個節(jié)點包含在兩個子集中，子 集間通過彼此的單播連接，形成了星型及環(huán)型的兩種拓撲的虛擬覆蓋網絡。 2 3 2 2 覆蓋網絡維護及優(yōu)化算法 組播系統(tǒng)初始化階段建立的覆蓋網絡結構往往不是性能最優(yōu)的，原因在于，成 員節(jié)點的動態(tài)加入、退出進程，系統(tǒng)拓撲結構和鏈路狀態(tài)的變動都將影響覆蓋網絡 的綜合性能，此外，受系統(tǒng)控制策略的限制，覆蓋網的拓撲需要實時維護，以反映 最新的網絡動態(tài)。 應用層組播系統(tǒng)中，成員節(jié)點通常通過周期性的發(fā)送保持消息( k e e p a l i v e m e s s a g e ) 向鄰居報告自身動態(tài)，或通過探針消息( p r o b e m e s s a g e ) 探測周圍節(jié)點的鏈路 狀態(tài)并對失效節(jié)點進行檢測，如果系統(tǒng)需要，則將鏈路狀態(tài)信息一并提交給相應節(jié) 點處理，在獲取全局局部鏈路信息的基礎上，系統(tǒng)節(jié)點執(zhí)行規(guī)定的拓撲優(yōu)化算法， 同時對新的鄰居節(jié)點進行搜索。 當a l m 系統(tǒng)從舊的拓撲向新的拓撲結構轉變的瞬間有可能造成覆蓋網傳輸信 息的丟失，因此，覆蓋網結構優(yōu)化需要在系統(tǒng)的穩(wěn)定性及傳輸效率之間進行平衡。 當改變拓撲帶來的收益不足以抵消改變網絡結構所花費的開銷時不應該進行拓撲的 調整。a l m 主要通過兩種方法選擇拓撲優(yōu)化的時機：一是概率控制，當成員節(jié)點發(fā) 現(xiàn)可以優(yōu)化拓撲時并不是立即更新進行網絡結構，而是以p 概率啟動觸發(fā)更新過程， p 值與拓撲優(yōu)化所得利益成j 下比，比例系數(shù)k 由實際應用對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及傳輸效 率要求進行取值，較高的k 值代表用戶對傳輸效率的關心優(yōu)先于對數(shù)據(jù)傳輸可靠性 南京郵電大學碩士研究生學位論文第二章組播技術現(xiàn)狀分析 的關心，低k 值則表示用戶更希望擁有相對穩(wěn)定的拓撲，保證數(shù)據(jù)的安全傳輸，提 高傳輸?shù)目煽啃阅埽欢穷A先設定閥值h 限制拓撲優(yōu)化過程的發(fā)生，只有當計算出 拓撲優(yōu)化后獲取的利益超過h 時才允許啟動優(yōu)化進程，h 值同樣反映了用戶需求， 如對系統(tǒng)中某一節(jié)點而言，其出度的優(yōu)化是有必要的。 當系統(tǒng)成員退出或是失效時，容易造成覆蓋網絡的割裂，甚至導致后繼節(jié)點的 數(shù)據(jù)傳送中斷，因此覆蓋網的割裂恢復機s t j ( p a r t i t i o nr e c o v e r y ) 是必須的，其關鍵在 于如何迅速發(fā)現(xiàn)失效節(jié)點并及時恢復數(shù)據(jù)傳輸服務。失效恢復需要依靠控制拓撲良 好的連通性，而連通性又與節(jié)點間狀態(tài)信息的交換頻度、強度有緊密聯(lián)系，因此這 里存在組播系統(tǒng)性能和開銷之間的折中問題【8 】。 2 3 2 3 最小生成樹( m i n i m u ms p a n n i n gt r e e ，m s t ) 組播系統(tǒng)的一項重要工作就是構建生成樹，使得組播