針對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)多播的探析

　　論文關(guān)鍵詞：應(yīng)用層組播；網(wǎng)絡(luò)層組播；控制拓?fù)?br />　　論文摘要：傳統(tǒng)的多播(Multicasting)服務(wù)被實(shí)現(xiàn)在TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層，但由于網(wǎng)絡(luò)層的多播服務(wù)實(shí)現(xiàn)需要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)層的路由與數(shù)據(jù)包收發(fā)協(xié)議，這在大多數(shù)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里并不是一件容易的事情．為了加速組播的應(yīng)用，解決現(xiàn)有組播存在的問(wèn)題，近年來(lái)提出了應(yīng)用層組播．將組播的功能從路由器轉(zhuǎn)移到終端，不需要路由器維護(hù)組播組的路由表，且不用改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，方便實(shí)現(xiàn)組播功能．本文介紹了應(yīng)用層多播的定義和方法，及現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外已提出的應(yīng)用層多播協(xié)議，并簡(jiǎn)單地討論了應(yīng)用層多播協(xié)議的性能評(píng)價(jià)問(wèn)題．


　　0引言
    1988年SteveDeering首先在他的博士論文中提出IP組播.IP組播用于一對(duì)多、多對(duì)多、多對(duì)一的組通信.它是一種有效的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，發(fā)送的同一數(shù)據(jù)在物理鏈路中只傳輸一次，減少了數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的冗余，節(jié)約了帶寬，提高了傳輸效率.然而，十多年過(guò)去了，雖然對(duì)IP組播的研究一直都在進(jìn)行，但是由于IP組播本身所帶來(lái)的缺點(diǎn)，使得IP組播至今并沒(méi)有能夠得到廣泛的應(yīng)用.
    IP組播要求路由器為每一個(gè)組播組保留狀態(tài)信息.這樣路由器的路由和轉(zhuǎn)發(fā)表將需要對(duì)每一個(gè)不同的組播地址保留一個(gè)相應(yīng)的路由表項(xiàng)，但是組播地址并不像單播地址一樣容易集成，因此增加了路由器的系統(tǒng)開(kāi)銷和復(fù)雜性.
    IP組播是一種盡力而為(best effort)的服務(wù).當(dāng)要提供高層的特性時(shí)，例如:可靠傳輸、擁塞控制、流量控制以及安全管理等，就會(huì)比簡(jiǎn)單的單播要更困難，以至于因特網(wǎng)服務(wù)提供商(ISPs)不愿意提供IP Multicast的支持.雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)了針對(duì)上面這些特性的研究，但是這些解決方案目前在Internet上的影響并不明確，需要在大范圍應(yīng)用前進(jìn)行更好的研究.
    IP組播需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)做底層的改變.同時(shí)由于在收費(fèi)機(jī)制方面的技術(shù)無(wú)法突破，使得目前只有少數(shù)的因特網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商支持IP組播.
    出于以上的考慮，近年來(lái)國(guó)外一些研究者開(kāi)始研究新的組播架構(gòu)，試圖繞開(kāi)IP組播的種種難題，因此提出了基于應(yīng)用層的組播協(xié)議.即在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)組播的功能，而不是再依靠網(wǎng)絡(luò)層路由器來(lái)實(shí)現(xiàn).這種組播方法不需要任何網(wǎng)絡(luò)底層架構(gòu)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)組播，從而為組播的大范圍開(kāi)展與應(yīng)用提出了一種新的途徑.應(yīng)用層組播將對(duì)組播功能的支持從路由器轉(zhuǎn)移到終端系統(tǒng)，在終端之間運(yùn)用原來(lái)的單播方式進(jìn)行傳輸，這樣不必改變?cè)�有網(wǎng)絡(luò)中基礎(chǔ)設(shè)施，也不需要路由器維護(hù)組播組的路由表，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)組播，加速了應(yīng)用.
　　1應(yīng)用層組播介紹
    應(yīng)用層組播的基本模型圖如圖1所示.圖la為IP組播數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞�，�?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的路由器上進(jìn)行復(fù)制;圖1b為應(yīng)用層組播的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)的終端系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)制.
    由于應(yīng)用層多播不像網(wǎng)絡(luò)層多播實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的復(fù)制在網(wǎng)絡(luò)層路由器，而是在應(yīng)用層上.因此，應(yīng)用層的多播協(xié)議要求具有以下特點(diǎn):
    (1)自組織性.多播所基于的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建應(yīng)該是分布式的自組織方式.參與多播的成員可能分布在極廣的地理位置范圍內(nèi)，地理位置相近的成員應(yīng)能先自組織成一個(gè)邏輯子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)聯(lián)人整個(gè)多播拓?fù)渲?
    (2)自適應(yīng)性.多播基于的數(shù)據(jù)邏輯拓?fù)湓跇?gòu)建后要能自適應(yīng)地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)和多播組成員變化做出改變和優(yōu)化，以便可選擇更佳的多播傳輸路徑.
    (3)高效性一般地，多播構(gòu)建的數(shù)據(jù)傳輸邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須盡量使得在同一條邏輯傳輸路徑上的冗余數(shù)據(jù)傳輸最低.但針對(duì)不同的應(yīng)用要求，多播的高效性也具有不同的側(cè)重含義.如對(duì)于視頻會(huì)議的應(yīng)用，多播的有效性是指?jìng)鬏數(shù)膶?shí)時(shí)性，而對(duì)于白板之類的應(yīng)用即要求實(shí)時(shí)性也要求傳輸?shù)目煽啃?

　　1.1應(yīng)用層組播的優(yōu)點(diǎn)
    (1)應(yīng)用層組播能夠很快就進(jìn)人應(yīng)用，不需要改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)路由器.
    (2)接人控制更容易實(shí)現(xiàn).由于單播技術(shù)在這方面比較成熟，而應(yīng)用層組播是通過(guò)終端系統(tǒng)之間單播來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以差錯(cuò)控制、流控制、擁塞控制容易實(shí)現(xiàn).

    (3)地址分配問(wèn)題也就可以有相應(yīng)的解決方案.
　　1.2應(yīng)用層組播的缺點(diǎn)
    (1)可靠性:終端系統(tǒng)的可靠性比路由差.
    (2)可擴(kuò)展性:底層的路由信息對(duì)應(yīng)用層組播來(lái)說(shuō)是隱藏其來(lái)的，可擴(kuò)展性不好.
    (3)延遲比較大:IP組播主要是在鏈路上的延遲，而在應(yīng)用層組播中，數(shù)據(jù)還要經(jīng)過(guò)終端系統(tǒng)，因而延遲相對(duì)要大一些.
    (4)數(shù)據(jù)傳輸效率不如IP組播:應(yīng)用層組播在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余，因此它們比IP組播的效率差.
　　2應(yīng)用層組播協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
    應(yīng)用層組播協(xié)議通常把組成員組織成兩個(gè)邏輯拓?fù)?控制拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)傳輸拓?fù)?拓?fù)渖系拿織l邊相當(dāng)于一條單播連線.控制拓?fù)渲饕�用�?lái)在端系統(tǒng)間周期性的交換控制信息來(lái)發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)由于一些成員的非法離開(kāi)造成的拓?fù)淦茐?數(shù)據(jù)拓?fù)渫ǔＪ强刂仆負(fù)涞囊粋�(gè)子集，主要用來(lái)表明數(shù)據(jù)包的傳輸路徑。實(shí)際上，數(shù)據(jù)拓?fù)湟话闶且粋�(gè)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).因此，根據(jù)構(gòu)建控制拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)拓?fù)涞捻樞�，可以將目前網(wǎng)絡(luò)層組播協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法分為:網(wǎng)優(yōu)先(Mesh-first)多播、樹(shù)優(yōu)先(Tree-first) 多播和隱含多播三類 
    網(wǎng)優(yōu)先多播協(xié)議中，多播成員首先分布式地組織形成一個(gè)網(wǎng)型的控制拓?fù)�，在某一�?duì)多播組成員之間可能存在多條的連接路徑.基于這個(gè)網(wǎng)型的拓?fù)洌�每一個(gè)多播組成員根據(jù)某種路由協(xié)議分布式地計(jì)算出自己到每一個(gè)其它多播組成員的數(shù)據(jù)傳輸路徑.然后可借助許多網(wǎng)絡(luò)層多播協(xié)議如DVMRP使用的轉(zhuǎn)發(fā)逆向路徑(Reverse Path Forwarding)算法可構(gòu)造出基于任一多播組成員為樹(shù)根的樹(shù)型多播傳輸拓?fù)?Narada就是屬于這類的一種應(yīng)用層多播協(xié)議，也是最早提出的應(yīng)用層多播協(xié)議之一
    相反地在樹(shù)優(yōu)先多播協(xié)議中，首先構(gòu)建的是一個(gè)所有多播組成員共享的樹(shù)型多播數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)�，接著，每個(gè)多播組成員發(fā)現(xiàn)那些樹(shù)型中與其不相鄰的多播組成員，并分別建立連接路徑到這些成員，這樣在樹(shù)型拓?fù)浠�礎(chǔ)上再加入這些新添的連接路徑構(gòu)成網(wǎng)型的控制拓?fù)?目前的Yoid和HMTP都是屬于這類的應(yīng)用層的多播協(xié)議.
    隱含多播協(xié)議里，控制拓?fù)涫怯袇f(xié)議使用的一定的算法將多播組成員事先組織成某種邏輯結(jié)構(gòu).基于這個(gè)邏輯結(jié)構(gòu)，分別按照某種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)算法來(lái)定義形成協(xié)議的控制拓?fù)渑c數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)?這樣控制拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)傳輸拓?fù)涠际窃趨f(xié)議事先基于的邏輯結(jié)構(gòu)中被定義，而不需要像前面提到的兩類多播協(xié)議一樣來(lái)基于其中之一構(gòu)建形成另一者.并且協(xié)議只需維護(hù)多播組成員事先組織成的邏輯結(jié)構(gòu)，不需要去直接維護(hù)協(xié)議的控制拓?fù)渑c數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)?這類應(yīng)用層多播協(xié)議由于不需要在多播組成員之間進(jìn)行頻繁的狀態(tài)信息的通信交互，從而避免了除數(shù)據(jù)傳輸之外的成員狀態(tài)信息通信的傳輸負(fù)載，因此特別適合于大規(guī)模的多播通信.目前這類應(yīng)用層多播協(xié)議很多，如NICE .CAN-Multicast、Scribe和Bayeux協(xié)議等.
　　3應(yīng)用組播的性能參數(shù)
    評(píng)價(jià)應(yīng)用層組播協(xié)議一般用以下幾種方式:
　　3.1數(shù)據(jù)分發(fā)路徑的質(zhì)量
    主要有下面三個(gè)指標(biāo):
    (1)強(qiáng)度(Stress).在一條物理鏈路中發(fā)送相同數(shù)據(jù)包的數(shù)量.顯然IP組播進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)反而時(shí)候并進(jìn)行多于的復(fù)制，所以是最優(yōu)值1.如圖1b中1一4的強(qiáng)度為2.
    (2)伸展度(Stretch).就是在覆蓋網(wǎng)分發(fā)拓?fù)渲袕脑吹匠蓡T的延遲與利用單播直接傳輸?shù)难舆t比例.
    (3)資源利用率(Usage).所有參加到數(shù)據(jù)傳輸?shù)某蓡T，他們的延遲和強(qiáng)度的乘積的總和.這個(gè)指標(biāo)用于評(píng)定傳輸過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)資源的利用情況，假定鏈路的延遲越高，花費(fèi)越大.
　　3.2終端的性能
    (1)失效后包丟失:單個(gè)節(jié)點(diǎn)突然失效后，平均的丟包數(shù)量.強(qiáng)調(diào)突發(fā)事件發(fā)生的魯棒性.
    (2)收到第一個(gè)包的時(shí)間:當(dāng)成員加人到組中，收到第一個(gè)包的時(shí)間.
　　3.3控制負(fù)荷(Control Head)
    為了有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)每個(gè)成員的控制負(fù)荷必須盡量的小，這是能否很好擴(kuò)展的重要指標(biāo).
    4結(jié)束語(yǔ)
    應(yīng)用層的多播研究目標(biāo)是構(gòu)建高效的應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)浜陀脕?lái)維護(hù)這種拓?fù)涞目刂仆負(fù)湟越鉀Q多播組的動(dòng)態(tài)變化，目前的應(yīng)用層多播研究也主要是研究構(gòu)建這兩種拓?fù)涞乃惴ê突�于它們的�?shù)據(jù)傳輸與組管理機(jī)制.應(yīng)用層多播作為一種在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多播服務(wù)的傳輸方式，相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層多播具有更好的應(yīng)用靈活性和可伸縮性.雖然在傳輸性能上要低于網(wǎng)絡(luò)層的多播，但由于其不需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的單播數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展，而只需憑借現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)提供的單播服務(wù)在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)多播功能，因此應(yīng)用層的多播在應(yīng)用實(shí)現(xiàn)中具有更強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義.

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