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針對網(wǎng)絡(luò )應用層實(shí)現多播的探析
論文關(guān)鍵詞：應用層組播；網(wǎng)絡(luò )層組播；控制拓撲論文摘要：傳統的多播(Multicasting)服務(wù)被實(shí)現在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)現需要擴展網(wǎng)絡(luò )層的路由與數據包收發(fā)協(xié)議，這在大多數的實(shí)際網(wǎng)絡(luò )環(huán)境里并不是一件容易的事情．為了加速組播的應用，解決現有組播存在的問(wèn)題，近年來(lái)提出了應用層組播．將組播的功能從路由器轉移到終端，不需要路由器維護組播組的路由表，且不用改變現有網(wǎng)絡(luò )設施，方便實(shí)現組播功能．本文介紹了應用層多播的定義和方法，及現階段國內外已提出的應用層多播協(xié)議，并簡(jiǎn)單地討論了應用層多播協(xié)議的性能評價(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組播用于一對多、多對多、多對一的組通信.它是一種有效的數據傳輸應用，發(fā)送的同一數據在物理鏈路中只傳輸一次，減少了數據包在網(wǎng)絡(luò )傳輸中的冗余，節約了帶寬，提高了傳輸效率.然而，十多年過(guò)去了，雖然對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發(fā)表將需要對每一個(gè)不同的組播地址保留一個(gè)相應的路由表項，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開(kāi)銷(xiāo)和復雜性.
IP組播是一種盡力而為(best effort)的服務(wù).當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)出現了針對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，需要在大范圍應用前進(jìn)行更好的研究.
IP組播需要對現有網(wǎng)絡(luò )做底層的改變.同時(shí)由于在收費機制方面的技術(shù)無(wú)法突破，使得目前只有少數的因特網(wǎng)服務(wù)供應商支持IP組播.
出于以上的考慮，近年來(lái)國外一些研究者開(kāi)始研究新的組播架構，試圖繞開(kāi)IP組播的種種難題，因此提出了基于應用層的組播協(xié)議.即在應用層實(shí)現組播的功能，而不是再依靠網(wǎng)絡(luò )層路由器來(lái)實(shí)現.這種組播方法不需要任何網(wǎng)絡(luò )底層架構的改變來(lái)實(shí)現組播，從而為組播的大范圍開(kāi)展與應用提出了一種新的途徑.應用層組播將對組播功能的支持從路由器轉移到終端系統，在終端之間運用原來(lái)的單播方式進(jìn)行傳輸，這樣不必改變原有網(wǎng)絡(luò )中基礎設施，也不需要路由器維護組播組的路由表，可以比較容易地實(shí)現組播，加速了應用.
1應用層組播介紹
應用層組播的基本模型圖如圖1所示.圖la為IP組播數據傳輸的方式，數據在網(wǎng)絡(luò )內部的路由器上進(jìn)行復制;圖1b為應用層組播的數據包在網(wǎng)絡(luò )的終端系統進(jìn)行復制.
由于應用層多播不像網(wǎng)絡(luò )層多播實(shí)現數據包的復制在網(wǎng)絡(luò )層路由器，而是在應用層上.因此，應用層的多播協(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撲結構的構建應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，地理位置相近的成員應能先自組織成一個(gè)邏輯子拓撲結構來(lái)聯(lián)人整個(gè)多播拓撲中.
(2)自適應性.多播基于的數據邏輯拓撲在構建后要能自適應地根據網(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，多播構建的數據傳輸邏輯拓撲結構必須盡量使得在同一條邏輯傳輸路徑上的冗余數據傳輸最低.但針對不同的應用要求，多播的高效性也具有不同的側重含義.如對于視頻會(huì )議的應用，多播的有效性是指傳輸的實(shí)時(shí)性，而對于白板之類(lèi)的應用即要求實(shí)時(shí)性也要求傳輸的可靠性.
1.1應用層組播的優(yōu)點(diǎn)
(1)應用層組播能夠很快就進(jìn)人應用，不需要改變現有網(wǎng)絡(luò )路由器.
(2)接人控制更容易實(shí)現.由于單播技術(shù)在這方面比較成熟，而應用層組播是通過(guò)終端系統之間單播來(lái)實(shí)現的，所以差錯控制、流控制、擁塞控制容易實(shí)現.
(3)地址分配問(wèn)題也就可以有相應的解決方案.
1.2應用層組播的缺點(diǎn)
(1)可靠性:終端系統的可靠性比路由差.
(2)可擴展性:底層的路由信息對應用層組播來(lái)說(shuō)是隱藏其來(lái)的，可擴展性不好.
(3)延遲比較大:IP組播主要是在鏈路上的延遲，而在應用層組播中，數據還要經(jīng)過(guò)終端系統，因而延遲相對要大一些.
(4)數據傳輸效率不如IP組播:應用層組播在數據傳輸過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生數據冗余，因此它們比IP組播的效率差.
2應用層組播協(xié)議的實(shí)現
應用層組播協(xié)議通常把組成員組織成兩個(gè)邏輯拓撲:控制拓撲和數據傳輸拓撲.拓撲上的每條邊相當于一條單播連線(xiàn).控制拓撲主要用來(lái)在端系統間周期性的交換控制信息來(lái)發(fā)現和恢復由于一些成員的非法離開(kāi)造成的拓撲破壞.數據拓撲通常是控制拓撲的一個(gè)子集，主要用來(lái)表明數據包的傳輸路徑。實(shí)際上，數據拓撲一般是一個(gè)網(wǎng)狀拓撲結構.因此，根據構建控制拓撲和數據拓撲的順序，可以將目前網(wǎng)絡(luò )層組播協(xié)議的實(shí)現方法分為: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(lèi)
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)型的控制拓撲，在某一對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)型的拓撲，每一個(gè)多播組成員根據某種路由協(xié)議分布式地計算出自己到每一個(gè)其它多播組成員的數據傳輸路徑.然后可借助許多網(wǎng)絡(luò )層多播協(xié)議如DVMRP使用的轉發(fā)逆向路徑(Reverse Path Forwarding)算法可構造出基于任一多播組成員為樹(shù)根的樹(shù)型多播傳輸拓撲.Narada就是屬于這類(lèi)的一種應用層多播協(xié)議，也是最早提出的應用層多播協(xié)議之一
相反地在樹(shù)優(yōu)先多播協(xié)議中，首先構建的是一個(gè)所有多播組成員共享的樹(shù)型多播數據傳輸拓撲，接著(zhù)，每個(gè)多播組成員發(fā)現那些樹(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)型拓撲基礎上再加入這些新添的連接路徑構成網(wǎng)型的控制拓撲.目前的Yoid和HMTP都是屬于這類(lèi)的應用層的多播協(xié)議.
隱含多播協(xié)議里，控制拓撲是有協(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構.基于這個(gè)邏輯結構，分別按照某種數據的轉發(fā)算法來(lái)定義形成協(xié)議的控制拓撲與數據傳輸拓撲.這樣控制拓撲和數據傳輸拓撲都是在協(xié)議事先基于的邏輯結構中被定義，而不需要像前面提到的兩類(lèi)多播協(xié)議一樣來(lái)基于其中之一構建形成另一者.并且協(xié)議只需維護多播組成員事先組織成的邏輯結構，不需要去直接維護協(xié)議的控制拓撲與數據傳輸拓撲.這類(lèi)應用層多播協(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，從而避免了除數據傳輸之外的成員狀態(tài)信息通信的傳輸負載，因此特別適合于大規模的多播通信.目前這類(lèi)應用層多播協(xié)議很多，如NICE .CAN-Multicast、Scribe和Bayeux協(xié)議等.
3應用組播的性能參數
評價(jià)應用層組播協(xié)議一般用以下幾種方式:
3.1數據分發(fā)路徑的質(zhì)量
主要有下面三個(gè)指標:
(1)強度(Stress).在一條物理鏈路中發(fā)送相同數據包的數量.顯然IP組播進(jìn)行轉發(fā)反而時(shí)候并進(jìn)行多于的復制，所以是最優(yōu)值1.如圖1b中1一4的強度為2.
(2)伸展度(Stretch).就是在覆蓋網(wǎng)分發(fā)拓撲中從源到成員的延遲與利用單播直接傳輸的延遲比例.
(3)資源利用率(Usage).所有參加到數據傳輸的成員，他們的延遲和強度的乘積的總和.這個(gè)指標用于評定傳輸過(guò)程中網(wǎng)絡(luò )資源的利用情況，假定鏈路的延遲越高，花費越大.
3.2終端的性能
(1)失效后包丟失:單個(gè)節點(diǎn)突然失效后，平均的丟包數量.強調突發(fā)事件發(fā)生的魯棒性.
(2)收到第一個(gè)包的時(shí)間:當成員加人到組中，收到第一個(gè)包的時(shí)間.
3.3控制負荷(Control Head)
為了有效地利用網(wǎng)絡(luò )資源，對每個(gè)成員的控制負荷必須盡量的小，這是能否很好擴展的重要指標.
4結束語(yǔ)
應用層的多播研究目標是構建高效的應用層的數據傳輸拓撲和用來(lái)維護這種拓撲的控制拓撲以解決多播組的動(dòng)態(tài)變化，目前的應用層多播研究也主要是研究構建這兩種拓撲的算法和基于它們的數據傳輸與組管理機制.應用層多播作為一種在應用層實(shí)現數據多播服務(wù)的傳輸方式，相對于網(wǎng)絡(luò )層多播具有更好的應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，但由于其不需要對現有網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議的單播數據傳輸服務(wù)進(jìn)行擴展，而只需憑借現有的網(wǎng)絡(luò )提供的單播服務(wù)在應用層實(shí)現多播功能，因此應用層的多播在應用實(shí)現中具有更強的現實(shí)意義.
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