（计算机应用技术专业论文）基于overlay网络的应用层组播系统的研究与实现.pdf

东南大学学位论文 独创性声明及使用授权说明 一、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。 二、关于学位论文使用授权说明 陟础坫4 ，；国 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。 签名：蕉蕉錾 导师 基于o v e r l a y 网络的应用居组括系统的研究与实现 东南大学硕士毕业比文 摘要 i n t e r n e t 上流媒体，视频会议和视频点播等多媒体业务的应用日益广泛。点对点传输的 单播方式已经不再能适应这一类业务的传输特性。于是组播技术成为研究的热点，它的出现 解决了网络数据冗余的问题，尤其对于音频和视频数据，可以节省大量网络资源。目前i p 组撞的服务模型年协议存在着一些不足，使得它至今没有能在l w , e m e t 上得到广泛部署，人 们于是开始把目光转向其它l p 组播的替代方案，应用层组播就是其中重要的一种。 应用层组播将组播功能从路由器转移到端系统，由端系统完成所有组播组通讯的功能， 如成员管理、数据包复制和分发。组成员之间建立一个叠加在l p 网络之上的、实现组播业 务的功能性网络，在这个网络中构建o v e r l a y 组播树。 本沦文主要研究基于o v e r l a y 网络的应用层组播系统，提出了一个新的应用层组播协议， 对它进行仿真和分析，设计并实现了基于这个协议的原型系统，论文的具体研究和实现工作 包括以下几方荷； 对现有的应用层组播系统进行研究，分析他们各自的特点、优势与存在的问题，找出自 己研究的切入点。 审 应用层组播系统结构的研究。阐述了客户端一代理服务器两层结构的优势：它能够更好 的应用于现有的i m e i n e t 环境中，提高系统的可扩展性；针对实时应用的特点，只让转 发能力较强、稳定性较高的服务器节点参与组播树的构建，避免性能瓶颈。 提出了一个新的应用层组播协议a l m p 。它主要面向实时应用，利用根节点维护整个 组插树的结构，节点可以高效的加入和离开组插树。a l m p 主要面向实时应用，这类应 用对q o s ，即延时和带宽要求较高，不同于大多数现有系统认为每个节点的需求带宽相 同，a l m p 可以针对异构端系统对延时和带宽的不同需求和不同服务能力提供可定制的 服务。另一方面，a l i v i ：p 提出了可能父母节点的优先级计算方法，对可能父母集合的大 小进行限制，新成员只需要得到一定数目的可能父母的信息就可以找到较合适的父节点 加入组播树，减少了加入代价。 审 对a l m p 进行仿真。以树相对延时代价和加入代债作为测度，证明a l m p 的有效性。 实现应用层组播原型系统- a l m s 。a l m s 采用p e e r - t o p e e r 结构与客户端一代理服务器 混合的体系结构，运行a l m p ，用x m l 技术耐用户的不同需求进行描述，并用j m f 技术实现了视频文件的传输。 对原型系统进行测试。测试结果表明a l m s 的各个模块正常工作，组播树上的接收者 可以根据自己的要求接收到较为流畅的视频文件，达到了最初的设计目标。 奉论文研究内容来源于国家自然科学基金项哥“下一代网络服务体系结构和关键技术的 研究”。 关键字：应用层组播覆盖网p e e r - t o - p e e r 网络 分类号：t p 3 9 3 基于o v e r l a y 网络的应用层组播系统的研究与实现 东南大学硕士毕业论文 a b s t r a c t n o w a d a y sm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，s u c ha sm e d i af l o w s ，v i d e oc o n f e r e n c ea n dv i d e oo nd e m a n d a r eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y t r a d i t i o n a lu n i c a s tt e c h n o l o g yc a nh a r d l ym e e tt h i sk i n do f a p p l i c a t i o n sw e l l ，s op e o p l eb e g i nr e s e a r c ho nm u l t i c a s tt e c h n o l o g yt o s o l v et h ep r o b l e mo f t r a n s m i t t i n gr e d u n d a n td a t a e s p e c i a l l yf o rt h ea u d i oa n dv i d e oa p p l i c a t i o n s ，i te s a - is a v eal a r g e n u m b e ro fn e t w o r kr e s o u r c e s u pt on o w , u n s o l v e di 5 s u e si ni pm u l t i c a s ts e r v i c em o d e la n d p r o t o c o lp r e v e n ti t f r o mw i d e l yd e p l o y m e n ta ti n t e m e t t h e np e o p l et u r nt oo t h e ra l t e r n a t i v e t e c h n o l o g i e s ，a m o n gw h i c hi sa p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i c q t i na p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i c a s l ，m u l t i e a s tf u n c t i o n sa r em o v e df r o mr o o t e r st oe n ds y s t e m s i ti se n d s y s t e m s d u t yt of u l f i l lg r o u pa n dm e m b e r s h i pm a n a g e m e n t d u p l i c a t i n ga n dd i s t r i b u t i n gd a t a p a c k e t s a l lg r o u pm e m b e r ss c tu pa no v e r l a yn e t w o r ko nt o po fi pn e t w o r ka n dc o n s t r u c t m u l t i e a s tt r e ei ni t t h er e s e a r c ho ft h et h e s i sf o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i e a s ts y s t e m i nt h et h e s i s ，an e w m u l t i e a s tp r o t o c o li sp r o p o s e d 。s i m u l a t e da n dap r o t o t y p ei sd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h ef o l l o w i n g a r et h ed e t a i l e dc o n t e n t ： 争s t u d yo i lt h ee x i s t i n ga p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i c a s ts y s t e m s ，a n a l y z et h e i rc h a r a c t e r i s t i c s ， v a n t a g ea n dp m b l e r n sa n dt h e nf i xo nt h et o p i ca n dr e s e a r c hc o n t e n to f t h et h e s i s 夺 r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i c a s ta r c h i t e c t u r e d i s c u s st h ea d v a n t a g eo ft h e c l i e m - m u l t i c a s ts e r v e rs t m c r l r e ：f o re x a m p l e ，j tc a nb em o r ee a s i l yd e p l o y e da ti n t e r a c t ；i t i m p r o v e st h es c a l a b f l i t yo ft h es y s t e m ；a l l o w i n go n l yn o d e sw h i c ha r em o r es t a b i l i t ya n d h a v em o r et r a n s m i tb a n d w i d t ht o j o i nt h em u l t i c a s tt r e e c a na v o i dt h ep e r f o r m a n c e b o t t l e n e c k 夺an e wa p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i e a s tp r o t o c o l - - a l m pi sp r o p o s e d ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt o r e a l - t i m ea p p l i c a t i o n s r o o to f t h em u l t i c a s tt r e ek e e pr e c o r do f t h ew h o l et r e e ，w h i c hh e l p s n o d e s j o i n a n d l e a v ee f f e c t i v e l y d i f f e r e n t f r o m m o s t o f e x i s t i n gs y s t e m s ，n o d e s i n a l m pc a n h a v ed i f i e r e n tr e q u i r e m e n tb a n d w i d t h a l m pt r i e st om i n i m i z et h ed e l a yf r o mr o o tt o r e c e i v e r s w h i l es a t i s f y i n gt h eb a n d w i d t hc o n s t r a i n t a n da l m pi m p l e m e n t saf o r m u l at o c o m p u t et h ep r i o r i t yo ft h ep o t e n t i a lp a r e n t t h r o u 曲c o n t r o l l i n gt h es i z eo fs e to fp o t e n t i a l p a r e n t sa c c o r d i n gt ot h ep r i o r i 吼a l m pc mr e d u c et h ej o i nc o s t 夺s i m u l a t i o no na l m p u s i n gr e l a t i v ed e l a yp e n a l t ya n dj o i nc o s to ft h em u l t i c a s tt r e ea st i l e m e t r i c s i m u l a t i o np r o v e st h ec o s e c 协e s so f a l m p 审r e a l i z a t i o no fa i i a p p l i c a t i o nl e v e l m u l t i c a s tp r o t o t y p e a l m s ，a l m sa d o p t st h e c l i e n t - m u l t i c a s ts e l - c e rs t r u c t u r e 。i m p l e m e n t sa l m pa si t sn m l t i c a s tp r o t o c o l ，d e n o t e su s e r s d i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n tu s i n gx m lt e c h n o l o g ya n dt r a n s m i t sv i d e of i l e su s i n gj m ft o o l s u i t e 夺t e s ta b o u ta l m s t h et e s tr e s n l to fe v e r ym e d n l eo f a l m ss h o w st h a ti tc a r lw o r kw e l la n d p r o v i d e sc u s t o m i z a b l es e r v i c ea c c o r d i n gt ou s e r s o w i ir e q u i r e m e n t t h er e s e a r c hw o r ki nt h et h e s i si sa f f i l i a t e dw i t ht h en a f i o n ms c i e n c ef m m d a t i o np r o j e e t “r e s e a r c h o nt h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r ks e r v i c ea r c h i t e c t u r ea n di t sk e yt e c h n o l o g y ”， k e yw o r d s ：a p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i c a s t ，o v e r l a yn e t w o r k ，p e e r - t o - p e e rn e t w o r k 2 基于o v e r l a y 网络的应用层组播系统的研究与实现东南大学硕士毕业沧文 第一章绪论 本章首先舟绍了与传统i p 组播相比，应用层组播所具有的优势和存在的问题；然后介 绍应用层组播技术的研究现状，列举现有的国内外应用层组播系统，简要分析它们各自的特 点；接着阐述本文要研究和解决的问题，论文的创新工作；并且在本章最后明确了本文的组 织结构。 1 1 研究背景 在i n t e m e t 上，多媒体业务如流媒体、视频会议和视频点播等应用日益广泛。点对点传 输的单播方式已经不再能适应运一类业务传输特性一“单点发送、多点接收”，因为服务器 必须为每一个接收者提供一份相同内容的i p 报文拷贝，使得网络上重复传输大量相同内容 的报文，占用了大量资源。在这种情况下组播( m u l t i c a s t ) 应运而生，它的出现解决了网络数 据冗余的问题尤其对于音频、视频数据，可以节省大量网络资源，解决一个主机向多个接 收者发送数据的问题1 1 l ，图显示了在单播与组播两种通信模式下，对于“一点发送、多 点接收”应用的实现方式。 国 发送者 1 1 1 i p 组播 ( a ) 单播 接收者 国一 发送者 图1 1 单播与组播 q ( b ) 组播 接收者 i p 组播将一个i p 报文向一个“组播组”传送，组播组可以包含零个或多个主机由一个 单独的i p 地址( d 类地址) 标识。除了目的地址部分，组播报文与普通i p 报文没有区别。t p 组播提供不可靠的、尽力而为( b e s t e f f o r t ) 的服务。 传统的i p 组播基于开放的服务模型，对主机和用户创建组播组、发送、接收组播数据 没有限制不提供任何接入控制。组播组的成员可以动态变化，主机有权选释加入或者退出 某个组播组。主机可以加入多个组播组，也可以向自己没有加入的组发送数据。希望接收到 组播数据的主机通过与运行i g m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 协议的路由器交互加 入组播组，加入之后就能接收到组播源点发送的数据。 组播数据沿一个连接所有组播组成员的树型结构发送，这个树型结构称为组播树。组成 员可以动态的加入和退出。组播树也必须同时动态更新。 根据构造方法的不同，组播树可以分为源点树( s o u r c e b a s e dt r e e ) 和共享树( s h a r e d t r e e ) 。源点树咀组播源点为根构造到所有组播组成员的生成树，通常也称为最短路径树( s p t , s h o r t e s tp a t ht r e e ) 。共享树也称为r p ( 汇聚点) 树或基于核心的树( c b t , c o r e b a s e dt r e e ) ，它 的构造方法是以网络中的某一个指定的路由器为根节点，该路由器称为r p ，由此节点生成 包含所有组成员的树。使用共享树时，组播源需要首先把组播数据发送到r p 路由器，再 | 毋遏 j|、一螽e 基于o v e d a y 网络的应用层组播系统的研究与实现 东南大学硕士毕业论文 r p 转发给其他的组成员。 组播路由协议的任务就是构造组播树，根据对网络中的组播成员的分布和使用的不同， 组播路由协议分为两类：密集模式( d m ，d e n s em o d e l ) 路由协议和稀疏模式( s m ，s p a r s e m o d e l ) 路由协议。 夺d m 路由协议通常用于组播成员较为集中，数量较多，网络中有少数发送者和大量的接 收者，并且有足够带宽的链路环境，比如公司或园区的局域网。d m 路由协议有：距离 向量组播路由协议( d v m r p ) 、组播o s p f 协议( m o s p f ) 和协议无关组播协议密集模 式( p i m d m ) 等。这些协议构造从发送者到接收者的最短路径。 奇 s m 路由协议适用于组成员稀疏分布，接收者比较少，发送者接收者位于分散地域， 大型异构的互联网络环境。s m 路由协议有：基于中心的分布树协议( c b t ) 和协议无关 组播协议一稀疏模式( p i m s m ) 等。这类协议构造从r p 或c o r e 到接收者的最短路径。 1 p 组播的体系结构如图1 2 所示。图中左边是单播协议，右边是组播协议。组播协议从 下而上，最底层是域间和域内的组播路由，它们之上是主机一路由器接口1 g m p ，撮上层是 如i h p ，r t c p 等的一些主机服务。 u n i c a s tm u l t i c a s t id h c p r e l i a br e m a d c a w a a p m a s c 器i l i a n a d n s 器 n l u c a o t g l o p s d p _ l t c pu d p i i i i c m p 瓣 i g m p i 0 s p f r i p p i m - s m , p i m - d m lm 。5 p f d v m r p e i g r p e t c 辩r l p e l g r po s p f m s d p b g m p b g p 枣 m 1 3 g p ( b g p 4 + ) 1 1 2i p 组播存在的问题 图1 2i p 组播的体系结构圈 目前i p 组播的服务模型和协议存在着一些问题，使得i p 组播至今没有能在i n t e m e l 上 得到广泛部署口j 。一方面，从因特网服务提供者( i s p ) 的角度看目前的i p 组播不能很好的 适应商业应用的需求： 夺组播数据包的复制和转发都由路由器来完成，这就需要路由器对组播功能的支持，如果 现有的设备不支持组播，就需要更换设备，增加了商业运营成本。 夺一些使用共享树组播路由协议，如p i m s m 和c b t 的i s p 面临跨域组播管理的问题： 如果r p 和其它组播源点不在同一个域内，难以进行流量控制和拥塞控制；i s p 对其它域 中的r p 的服务没有控制能力；当需要跨域的组播服务时，i s p 之间必须进行协调。 夺组播代价的问题，组播实施和管理比单播要复杂和困难的多，因此只有使用它节省的带 宽大大超过它的实施代价时才有商业价值。 6 基于o v e r l a y 网络的应用层组播系统的研究与实现 东南大学硕士毕业论文 夺t p 组播还没有成熟的商业计费模型。 另一方面，i p 组播服务模型本身还存在一些有待解决的技术问题： 夺要求路由器保存每个组的状态，不仅破坏了最初网络设计的“无状态”原则，也带来了 巨大的复杂性，限制了系统的可扩展性。 审i p 组播服务模型没有组播组管理机制，如缺乏组创建的管理，没有对接收者和数据传 输的授权机制，发送者可以随意传输数据而不需要进行任何身份验证和注册工作，主机 可以动态加入或离开组播组，发送者也不能阻止其它发送者也选用同样的地址。缺少访 问控制机制会带来很多问题：比如恶意的泛洪攻击，当大量无用的数据传输到组播组中 会导致拥塞和报文丢失；因为没有组创建机制，组播地址可能发生冲突。 审 组播的安全问题。由于很多防火墙不能识别i p 组播使用的d 类i p 地址，目前的解决 办法是使用隧道技术来穿越防火墙，这样在部署组播服务的同时也造成一些安全漏洞。 令 组播服务质量问题。i p 组播基于u d p 协议，遵循传统的在单播的情况下得到很好执行 的“路由与传输分离”的原则，只提供一种尽力而为的服务，要想在它之上实现更高质 量的服务，例如可靠性、拥塞控伟将口流控制等这些功能，比在j p 单播上实现要困难很 多。 夺 可扩展性差。要求路由器保持每个组播组的状态信息，而这些d 类地址不能很好的聚 台，组播组的数量一旦大量增加，必然增加路由器存储和处理开销。 缺乏灵活、可扩展的地址分配机制。节点不能有效的发现一个立即可用的组播地址，而 只是随机的选取一个来使用，这样随着组数目的增加，组播地址冲突的可能性也随之增 加。使用d 类地址作为组播地址，可能面临着地址空间用尽的问题。 审域间组播路由协议对组播技术大规模的实施有重要的作用，它使1 s p 可以将他们的网络 互连，同时隐藏各自网络的拓扑结构。但是，i p 组播还没有成熟有效的域间组播路由协 议。 夺 为了降低复杂性，人们提出了单源点组播应用，e x p r e s s 和s s m 属于这一个范畴，发送 者使用一个本地唯一组地址加上自己的i p 地址来唯一的标识一个组，它解决了组地址的 分配问题。但不是所有的应用都是单源点组播，也不能简单的将其转变成多个单源点的 应用，因此人们仍然有必要寻求更加普遍适用的解决方案。 1 1 3 应用层组播 传统的网络体系结构中区分端系统和网络两类实体及它们各自的功能。在i n t e r n e t 结构 中，网络层( i p 层) 执行最小化的功能一尽力而为的单播服务，端系统执行其它一些蘑要的功 能，如差错控制、拥塞控制和流控制。这样的设计搜i n t e m e t 从初期只是为研究目的而建的 小型网络发展成全球化的、能够满足各种异构的技术和应用的商业构架。i n t e m e t 的迅速发 展也促进了对网络功能要求更高的应用的发展。现在人们考虑的一个问题是：什么样的功能 应该被加到i p 层中，组播和q o s 是已经或正在被加入到i p 层中的两种重要元素。q o s 不 能完全由端系统来实现，但是组播完全可能在i p 层单播之上由端系统来执行。 在决定把组播功能放在r p 层或端系统执行时，我们权衡下面两个因素：第一，根据 e n d t o e n da r g u m e n t s “j ，功能尽可能被放到高层来执行：第二，除非它在底层实现时可以带 来非常高的性能，而这种性能收益足以抵消由于在高层实现它的复杂性而增加的代价。 1 9 8 9 年，d e e r i n g 在他的论文中提出，组播的功能应该放在i p 层来完成口。然而，i p 组播存在的一系列问题使它不能大规模的实施。从体系结构上来说，被加入到核心网络中的 功能都应该是一些基础的、通用的功能。但是组播的应用主要如视频会议、远程教学、分布 式存储、多方游戏及视频播放等，它们可能是多源点，也可能是单源点的：对扩展性、延时、 带宽、可靠性以及组成员动态改变的要求各不相同，很难将它们的共性抽象出来放到网络核 7 基于o v e r l a y 网络的应用层组播系统的研究与实现 东南大学硕士毕业论文 心中实现 3 4 i 。 用户对组播服务尤其是多媒体组播服务有巨大的需求，然而i p 组播又不能很好的满 足要求，人们于是开始把目光转向其它替代方案，而应用层组播就是其中重要的一种。 利用o v e r l a y 网络的技术优势，人们可以在应用层实现i p 组播的功能。i p 组播需要组 播路由器的支持，而应用层组播将组播功能从路由器移到端系统，由端系统完成所有组播组 通讯的功能，如成员管理、数据包复制和分发。组成员之间建立一个叠加在i p 网络之上的、 实现组播业务逻辑的功能性网络p 】。在底层网络之上构建的o v e r l a y 组播树如图1 3 所示”j 。 圈1 3 在下层网络上构建o v e r l a y 组播树的示意图 圈1 3 示出的上层的实心圆点表示o v e r l a y 节点，这些节点中有组播的发送者和接收者， 实心圆点互相连接构成了o v e r l a y 路径。下层空心的图形表示底层网络节点，圆点表示主机， 方形表示路由器。 应用层组播与i p 组播相比优势主要在于以下几点： 夺 应用层组播不需要路由器支持，也不需要改变底层网络，组播服务的部署相对容易。 夺 也不需要在路由器上维护组播组的状态，可以支持大量的组，解决i p 组播扩展性差的 问题。 夺 可以根据网络条件的变化，动态的优化组播树的结构，实现服务定制功能。 夺 还可以利用t c p 的拥塞控制机制使应用层组播具有更好的可靠性。 夺 应用层组播可以很好的解决组播组地址分配不足的问题。 将i p 组播与应用层组播的数据传输方式进行比较，如图1 4 所示。图中a ，b ，c ，d 为主机，r 1 ，r 2 为路由器，虚线和箭头代表数据包的发送方向。1 4 ( a ) 为i p 组播，a 为发 送者，数据包从a 到r 1 ，再由r 1 转发给b 和r 2 ，r 2 再将收到的报文转发给c 和d 。1 4 ( b ) 为应用层组播，a 发送两份相同的数据报分别给b 和c ，再由c 复制一份给d 。 ( ) i p 蛆播( b ) 应用屡组播 图1 4i p 组播与应用层组播比较 从图1 4 可以看出应用层组播存在一些固有的问题，比如效率。应用层组播的效率比i p 组播效率低，因为不可避免的会有o v e r l a y 组播路径重复的经过同一条底层链路，也就必然 会带来冗余流量。另外，两个端系统之间的通信，可能穿越其它端系统，也潜在的造成了两 节点通信延时的增加。 基于o v e r l a y 网络的应用层组播系统的研究与实现 东南大学硕士毕业沦文 1 2 研究现状 应用层组播系统的研究现在已经是下一代互联网研究中的热点话题之一，许多研究机构 都提出了自己的应用层组播协议。 2 0 0 0 年，vc h u 等人提出基于n a r a d a 组网协议的e s m ( e n ds y s t e mm u l t i c a s t ) e ”i 。 jj a n n o t f ie ta l 提出了o v e r c a s t f ”，它通过尽量将新加入成员放到远离根的位置上，最大化发 送者到接收者之间链路的带宽，提供了一种可靠的、可扩展的组播系统，适合于对带宽要求 较高的应用。y a t i nd i l i pc h a w a 也e 在他的博士论文中提出了s c a t t e r c a s t 2 ”系统，提出了基于 服务器客户端两层结构的组播系统。p f r a n c i s 发表了1 如i d i ”1 组播系统的相关论文。 2 0 0 1 年，由d i m i t r i o sp e n d a r a k i s 等人提出一种集中式应用层组播的构架a l m i ( a p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i e a s ti n f r a s t r u c t u r e ) ”“，它适用于较小规模( 组成员较少) 的组播组，建 立共享组播树，新成员加入只需获得部分组成员的信息。h b m 1 4 1 由v r o c a 等人于同年提出， 这也是一种集中控制的协议，但是加入者必须知道全部组成员的信息。s q z h a n g 发表基于 p e e r - t o p e e “p 2 p ) 网络的应用层组播系统b a y e u x ，它给每个p 2 p 节点分配一个唯一的节点 号，从节点号的最后一位向前，按顺序一位一位的匹配来进行报文路由。l m a t h y 提出 t b c p ”，加入者计算与每个可能父母节点之间的配置方案，取最优的方案加入，同时考虑 到尽量减少汇聚时间( c o n v e r g e n c et i m e ) 。s r a t n a s a m y 提出了基于p 2 p 的应用层组播系统 c a n 【，j 。它使用哈希函数，将组播组g 的地址映射到笛卡尔坐标空间中，使每个组播组都 对应一个小的c a n 网络，在小c a n 网络上通过泛洪实现组播转发。 2 0 0 2 年，h m t p 被提出”。s u m a n b a n e l j e e 在a c ms i g c o m m 上发表了基于n i c e 3 7 1 应用层组播的论文。m c a s t r o 在j s a c 上发表了s c r i b e ”。s c r i b e 是建立在p 2 p 网络p a s t r y 2 2 】 之上的一个应用层组播系统，它通过从第一位往后对节点号和组号按位匹配来确定组播树的 路径，具有较好的可扩展性i 另外，它借助底层p 2 p 网络p a s t r y 可以进行动态的自组织来 适应网络条件的变化。 2 0 0 3 年，m h e f e e d a 提出了p r o m i s e “，这也是在p a s t r y 网络之上构建的组播系统，它 的实现思想是：一个接收者可以从多个发送者处得到需要的数据，它不需要构建组播树；当 节点需要数据时，由底层p 2 p 系统查找到一系列满足要求的发送者，接收者再从中挑选一 些较好的发送者，他们并行的向接收者发送组播数据。d t r a n 提出了基于p 2 p 的层次型的 应用层组播系统z i g z a g ”j 。 2 0 0 4 年，a h m e ds o b e i h 提出一种基于环而非组播树的应用层组播协议v r i n g ”l ，与 n i c e 相比，它减少了环的控制代价。s h u j u w u 对组播协议的动态适应性能进行研究，在 e e e 上发表了文章”“，与h m t p 相比，它能更好地探测出节点的失效，并能更有效的进行修复 具有更好的鲁棒性。r o i em e l a m e d 也提出适用于动态环境下的组播系统a r a n e o l a ”j 。 1 3 论文内容和相关工作 论文结合国家自然科学基金“下一代网络服务体系结构和关键技术的研究”，在对现有 应用层组播系统和协议进行深入研究的基础上，提出新的应用层组播协议，并实现原型系统。 该系统具有较高的效率和较好的可扩展性，主要面向实时应用，根据节点不同的q o s 需求 和服务能力，提供可定制的组播服务。论文的具体研究和实现工作包括以下几方面： 夺 应用层组播系统结构的研究。对单纯p 2 p 组播模型和客户端一组播服务器两种结构进 行分析和比较，找出较好的解决方案。 夺 应用层组播协议的研究。仔细分析现有的应用层组播系统的优势和不足，设计新的组播 9 基于o v e r l a y 网络的应用层组播系统的研究与实现 东南大学硕士毕业论文 协议。协议考虑到实时应用对q o s ，也就是延时和带宽要求较高，可以钊对用户对延时 和带宽的不同需求提供可定制的服务。另一方面，高效地处理节点的加入和离开，同时 有一定的可扩展性。 夺 对所设计的协议进行仿真，进一步分析它的性能。 夺 实现应用层组播原型系统。系统运行新的组播协议，并实现服务定制功能和视频文件的 传输。 夺 对原型系统及它的各个功能模块进行测试 h 评价。 1 4 论文的创新工作 本文的创新工作体现在下恧几个方面： 夺 提出了一个新的应用层组播协议一a l m p ，它主要面向实时应用，利用根节点维护整个 组播树的结构，节点可以高效的加入和离开组播树。现有系统大多假设所有节点具有相 同的需求带宽，用“度”来约束一个节点最多能接收的孩子数。但在实际应用中，每个 节点对带宽的需求可能是不相同的，比如宽带用户和拨号用户对带宽的需求肯定不相 同。a l m p 在节点需求带宽异构的情况下，提出了可能父母节点的优先级计算方法，并 根据优先级对可能父母集合的大小进行限制，加入者只需要得到部分可能父母节点的信 息，就能找到合适的父母节点，加入到组播树中。a l m p 综合延时和带宽两个q o s 参 数，根据接收者的不同要求，提供可定制的、延时较小的组播服务。对a l m p 进行了 仿真和分析。 夺 基于a l m p ，实现了应用层组播的原型系统- - a l m s ，该系统实现a l m p ，可以根据节 点的不同q o s 需求，提供可定制的服务，同时实现了发送者对接收者组播视频文件。 1 5 论文结构 本文的总体结构大体分为三个部分：第一部分为理论研究，主要包括第一至第四章；第 二部分为系统实现和测试。主要为第五，六章：最后第七章总结全文。具体的内容安排如下： 第一章为概述，简单介绍了应用层组搔与i p 组播相比的优势和不足，它的研究背景和 当前的研究现状；接着阐述了本文要研究和解决的问题以及论文的创新工作。 第二章首先具体介绍了基于o v e r l a y 网络的应用层组播的概念，现有典型的组播系统， 并对它们进行分析。 第三章对应用层组播系统的体系结构进行讨论，提出一种综合了单纯p 2 p 和客户端一组 播服务器的结构，描述它的优势，并提出了应用层组播的协议栈模型。 第四章提出了一个新的组播协议一a l m p ，对该协议进行详细的说明，给出一个实例， 并对协议进行仿真和测试，分析它的性能和优势。 第五章详细介绍了应用层组播原型系统- - a l m s 的实现，在这个系统中实现了第四章所 述的组播协议，服务定制功能和视频文件的组播。详细说明原型系统的结构和各功能模块的 实现。 第六章是原型系统的测试，包括测试环境、流程和结果，最后进行分析和评价。 第七章对整篇论文进行总结，并对未来工作进行展望。 1 0 基于o v e r l a y 网络的应用层组播系统的研究与实现东南大学硕士毕业论文 第二章基于o v e r l a y 网络的应用层组播路由协议的研究 本章首先是o v e r l a y 网络的概述，包括它的定义，技术优势和有待解决的问题；接着介 绍应用层组播的概念，现有典型的系统，并对它们各自的优点和适用范围进行分析。 2 1o v e r l a y 网络概述 2 1 1o v e r l a y 网络的定义 o v e r l a y 网络是在下层网络基础之上构建的一个虚拟网络，通常翻译为覆盖网。 2 1 2o v e r l a y 网络的技术优势 o v e d a y 网络的特点决定了它的技术优势，应用层组播基于o v e d a y 网络实现是因为以 下这些原因： 夺 覆盖网的实现无需改变原有的硬、软件，具有较好的可操作性。 审 在覆盖网络中部署新的功能，无需在每个节点上实施部署，只要在需要该功能的节点上 部署。 呤 覆盖网络上的应用无需了解下层网络的拓扑结构。 覆盖网络中的节点可以根据自己的需求选择最合适的链路，具有较好的适应性。 夺 可以在o v e d a y 节点上部署附加的控制机制，使o v e r l a y 网络具有更好的健壮性。例如 在两个o v e r l a y 节点之间完全可能存在两条互相独立的虚拟链路，如果其中之一发生错 误而失效，还可以通过备用链路继续节点之间的通信。 审 由于o v e r l a y 节点可以是完成不同任务的计算机，比较容易实现服务定制功能。 审 o v e d a y 报文可以像t c p i p 报文一样处理，而无需其它特殊的处理机制。 2 2o v e r l a y 组播系统分类 按照组播系统的管理方式可以将现有的o v e d a y 组播系统分为集中式和分布式两种。集 中式系统中通常由一个节点来集中控制和处理节点的加入、离开和失效，因此效率较高，但 同时也限制了系统的可扩展性，现有的系统有：a l m i 和h b m ；分布式系统可以接纳较多 用户具有较好的可扩展性，但是对节点的加入、离开和失效的处理效率较低。 分布式系统按组播树构建的顺序，又可以分为树优先( t r e e - f i r s t ) ，转发网优先( m e s h ，f i r s t ) 和隐式构建组播树( 1 m p l i c i t ) 三种。应用层组播协议中一般定义两种拓扑结构，控制拓扑和数 据转发拓扑。组成员通过控制拓扑传递和更新信息，互相之间辨别是否仍然“活跃”，还是 已经失效或离开，控制拓扑可能存在回路，又称为转发l 网( m e s h ) ；而数据转发拓扑通常是控 制拓扑的一个子集，组播数据沿转发拓扑传递因此它不能存在回路，也称为组播树( t r e e ) 。 树优先方式先生成组播树，再生成转发网，适合对延时敏感的应用，如实时应用，现有的系 统如y o i d 、o v e r c a s t 、t b c p 、h m t p 、n i c e 、z i g z a g 等：转发网优先方式先构造一个有 冗余链路的转发网，再使用如d v m r p 这样的路由协议在转发网的基础上构建组播树。这 种方式可以检测到组播树节点的失效和组播树的断裂，并进行高效的恢复和处理，适用于底 层网络性能不好或可靠性较差的情况。由于它的可扩展性较差，适用于规模较小的组，比较 著名的有n a r a d a 、s c a t t e r c a s t 、b a y e u x 等：隐式方式是基于某种特性隐式地构建控制拓扑， 基于o v e r l a y 网络的应用层组播系统的研究与实现 东南大学硕士毕业论文 同时构建转发网和树，两种拓扑的转化不需要额外的成员之间的交互，适合规模较大的组播 组，现有的系统如s c r i b e 、p r o m i s e 、s p r e a d l t 、s p l i t s t r e a m 等。 现有应用层组播系统及分类如图2 1 所示。 堕圈 a u 讧ih b m 分布式算法 n a r a d a s c a t t e r c a s t b a y e u x y o i do v e r c a s t t b c ph m t p n i c ez i g z a g 图2 , 1 应用屡组播系统及其分类 2 3 现有的典型o v e r l a y 组播系统 s c r i b e p r o m i s e s p r e a d l t s p l i t s t r e a m 2 3 1a l m i ( a p p i l c a t i o nl e v e lm u l t i c a s ti n f r a s t r u c t u r e ) 【1 3 l a 1 概述 a l m i 是一种采用集中式控制的组播系统，由一个中心控制点来控制节点的加入和离 开，当检测到有节点失效时。也由中心控制点来处理，具有较高的效率。它提出了集中式组 播系统的总体框架。 b ) a l m i 的体系结构 耷a l m i 的一个会话( s e s s i o n ) 包括一个会话控制者( s e s s i o nc o n t r o u e r ) 和若干个会话成员 ( s e s s i o nm e m b e r ) 。控制者处在成员都比较容易到达的地方，如会话的初始化者或1 s p 的 代理。 夺会话控制者负责成员的加入和维护组播树，具体来说有两个功能：一是在成员加入、离 开或失效时，确保组播树不断裂；二是通过周期性地计算各成员的更新信息，保证组播 树的效率。控制者只作控制之用，而不干扰数据在各成员之间的传输。 夺每个