針對網(wǎng)絡應用層實現(xiàn)多播的探析
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徐志英1由 分享
論文關鍵詞：應用層組播；網(wǎng)絡層組播；控制拓撲
論文摘要：傳統(tǒng)的多播(Multicasting)服務被實現(xiàn)在TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡層，但由于網(wǎng)絡層的多播服務實現(xiàn)需要擴展網(wǎng)絡層的路由與數(shù)據(jù)包收發(fā)協(xié)議，這在大多數(shù)的實際網(wǎng)絡環(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(xiàn)有組播存在的問題，近年來提出了應用層組播．將組播的功能從路由器轉(zhuǎn)移到終端，不需要路由器維護組播組的路由表，且不用改變現(xiàn)有網(wǎng)絡設施，方便實現(xiàn)組播功能．本文介紹了應用層多播的定義和方法，及現(xiàn)階段國內(nèi)外已提出的應用層多播協(xié)議，并簡單地討論了應用層多播協(xié)議的性能評價問題．
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(shù)據(jù)傳輸應用，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，十多年過去了，雖然對IP組播的研究一直都在進行，但是由于IP組播本身所帶來的缺點，使得IP組播至今并沒有能夠得到廣泛的應用.
IP組播要求路由器為每一個組播組保留狀態(tài)信息.這樣路由器的路由和轉(zhuǎn)發(fā)表將需要對每一個不同的組播地址保留一個相應的路由表項，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(tǒng)開銷和復雜性.
IP組播是一種盡力而為(best effort)的服務.當要提供高層的特性時，例如:可靠傳輸、擁塞控制、流量控制以及安全管理等，就會比簡單的單播要更困難，以至于因特網(wǎng)服務提供商(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行更好的研究.
IP組播需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡做底層的改變.同時由于在收費機制方面的技術無法突破，使得目前只有少數(shù)的因特網(wǎng)服務供應商支持IP組播.
出于以上的考慮，近年來國外一些研究者開始研究新的組播架構(gòu)，試圖繞開IP組播的種種難題，因此提出了基于應用層的組播協(xié)議.即在應用層實現(xiàn)組播的功能，而不是再依靠網(wǎng)絡層路由器來實現(xiàn).這種組播方法不需要任何網(wǎng)絡底層架構(gòu)的改變來實現(xiàn)組播，從而為組播的大范圍開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(zhuǎn)移到終端系統(tǒng)，在終端之間運用原來的單播方式進行傳輸，這樣不必改變原有網(wǎng)絡中基礎設施，也不需要路由器維護組播組的路由表，可以比較容易地實現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑瑪?shù)據(jù)在網(wǎng)絡內(nèi)部的路由器上進行復制;圖1b為應用層組播的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡的終端系統(tǒng)進行復制.
由于應用層多播不像網(wǎng)絡層多播實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的復制在網(wǎng)絡層路由器，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:
(1)自組織性.多播所基于的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(nèi)，地理位置相近的成員應能先自組織成一個邏輯子拓撲結(jié)構(gòu)來聯(lián)人整個多播拓撲中.
(2)自適應性.多播基于的數(shù)據(jù)邏輯拓撲在構(gòu)建后要能自適應地根據(jù)網(wǎng)絡服務狀態(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)傳輸邏輯拓撲結(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.但針對不同的應用要求，多播的高效性也具有不同的側(cè)重含義.如對于視頻會議的應用，多播的有效性是指傳輸?shù)膶崟r性，而對于白板之類的應用即要求實時性也要求傳輸?shù)目煽啃?
1.1應用層組播的優(yōu)點
(1)應用層組播能夠很快就進人應用，不需要改變現(xiàn)有網(wǎng)絡路由器.
(2)接人控制更容易實現(xiàn).由于單播技術在這方面比較成熟，而應用層組播是通過終端系統(tǒng)之間單播來實現(xiàn)的，所以差錯控制、流控制、擁塞控制容易實現(xiàn).
(3)地址分配問題也就可以有相應的解決方案.
1.2應用層組播的缺點
(1)可靠性:終端系統(tǒng)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說是隱藏其來的，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(shù)據(jù)還要經(jīng)過終端系統(tǒng)，因而延遲相對要大一些.
(4)數(shù)據(jù)傳輸效率不如IP組播:應用層組播在數(shù)據(jù)傳輸過程中會產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余，因此它們比IP組播的效率差.
2應用層組播協(xié)議的實現(xiàn)
應用層組播協(xié)議通常把組成員組織成兩個邏輯拓撲:控制拓撲和數(shù)據(jù)傳輸拓撲.拓撲上的每條邊相當于一條單播連線.控制拓撲主要用來在端系統(tǒng)間周期性的交換控制信息來發(fā)現(xiàn)和恢復由于一些成員的非法離開造成的拓撲破壞.數(shù)據(jù)拓撲通常是控制拓撲的一個子集，主要用來表明數(shù)據(jù)包的傳輸路徑。實際上，數(shù)據(jù)拓撲一般是一個網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu).因此，根據(jù)構(gòu)建控制拓撲和數(shù)據(jù)拓撲的順序，可以將目前網(wǎng)絡層組播協(xié)議的實現(xiàn)方法分為:網(wǎng)優(yōu)先(Mesh-first)多播、樹優(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.基于這個網(wǎng)型的拓撲，每一個多播組成員根據(jù)某種路由協(xié)議分布式地計算出自己到每一個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根的樹型多播傳輸拓撲.Narada就是屬于這類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
相反地在樹優(yōu)先多播協(xié)議中，首先構(gòu)建的是一個所有多播組成員共享的樹型多播數(shù)據(jù)傳輸拓撲，接著，每個多播組成員發(fā)現(xiàn)那些樹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，這樣在樹型拓撲基礎上再加入這些新添的連接路徑構(gòu)成網(wǎng)型的控制拓撲.目前的Yoid和HMTP都是屬于這類的應用層的多播協(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(jié)構(gòu).基于這個邏輯結(jié)構(gòu)，分別按照某種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)算法來定義形成協(xié)議的控制拓撲與數(shù)據(jù)傳輸拓撲.這樣控制拓撲和數(shù)據(jù)傳輸拓撲都是在協(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)議一樣來基于其中之一構(gòu)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(jié)構(gòu)，不需要去直接維護協(xié)議的控制拓撲與數(shù)據(jù)傳輸拓撲.這類應用層多播協(xié)議由于不需要在多播組成員之間進行頻繁的狀態(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)信息通信的傳輸負載，因此特別適合于大規(guī)模的多播通信.目前這類應用層多播協(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(shù)
評價應用層組播協(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
主要有下面三個指標:
(1)強度(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組播進行轉(zhuǎn)發(fā)反而時候并進行多于的復制，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?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，他們的延遲和強度的乘積的總和.這個指標用于評定傳輸過程中網(wǎng)絡資源的利用情況，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:單個節(jié)點突然失效后，平均的丟包數(shù)量.強調(diào)突發(fā)事件發(fā)生的魯棒性.
(2)收到第一個包的時間:當成員加人到組中，收到第一個包的時間.
3.3控制負荷(Control Head)
為了有效地利用網(wǎng)絡資源，對每個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(jié)束語
應用層的多播研究目標是構(gòu)建高效的應用層的數(shù)據(jù)傳輸拓撲和用來維護這種拓撲的控制拓撲以解決多播組的動態(tài)變化，目前的應用層多播研究也主要是研究構(gòu)建這兩種拓撲的算法和基于它們的數(shù)據(jù)傳輸與組管理機制.應用層多播作為一種在應用層實現(xiàn)數(shù)據(jù)多播服務的傳輸方式，相對于網(wǎng)絡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)絡層的多播，但由于其不需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡層協(xié)議的單播數(shù)據(jù)傳輸服務進行擴展，而只需憑借現(xiàn)有的網(wǎng)絡提供的單播服務在應用層實現(xiàn)多播功能，因此應用層的多播在應用實現(xiàn)中具有更強的現(xiàn)實意義.
論文摘要：傳統(tǒng)的多播(Multicasting)服務被實現(xiàn)在TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡層，但由于網(wǎng)絡層的多播服務實現(xiàn)需要擴展網(wǎng)絡層的路由與數(shù)據(jù)包收發(fā)協(xié)議，這在大多數(shù)的實際網(wǎng)絡環(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(xiàn)有組播存在的問題，近年來提出了應用層組播．將組播的功能從路由器轉(zhuǎn)移到終端，不需要路由器維護組播組的路由表，且不用改變現(xiàn)有網(wǎng)絡設施，方便實現(xiàn)組播功能．本文介紹了應用層多播的定義和方法，及現(xiàn)階段國內(nèi)外已提出的應用層多播協(xié)議，并簡單地討論了應用層多播協(xié)議的性能評價問題．
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(shù)據(jù)傳輸應用，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，十多年過去了，雖然對IP組播的研究一直都在進行，但是由于IP組播本身所帶來的缺點，使得IP組播至今并沒有能夠得到廣泛的應用.
IP組播要求路由器為每一個組播組保留狀態(tài)信息.這樣路由器的路由和轉(zhuǎn)發(fā)表將需要對每一個不同的組播地址保留一個相應的路由表項，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(tǒng)開銷和復雜性.
IP組播是一種盡力而為(best effort)的服務.當要提供高層的特性時，例如:可靠傳輸、擁塞控制、流量控制以及安全管理等，就會比簡單的單播要更困難，以至于因特網(wǎng)服務提供商(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行更好的研究.
IP組播需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡做底層的改變.同時由于在收費機制方面的技術無法突破，使得目前只有少數(shù)的因特網(wǎng)服務供應商支持IP組播.
出于以上的考慮，近年來國外一些研究者開始研究新的組播架構(gòu)，試圖繞開IP組播的種種難題，因此提出了基于應用層的組播協(xié)議.即在應用層實現(xiàn)組播的功能，而不是再依靠網(wǎng)絡層路由器來實現(xiàn).這種組播方法不需要任何網(wǎng)絡底層架構(gòu)的改變來實現(xiàn)組播，從而為組播的大范圍開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(zhuǎn)移到終端系統(tǒng)，在終端之間運用原來的單播方式進行傳輸，這樣不必改變原有網(wǎng)絡中基礎設施，也不需要路由器維護組播組的路由表，可以比較容易地實現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑瑪?shù)據(jù)在網(wǎng)絡內(nèi)部的路由器上進行復制;圖1b為應用層組播的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡的終端系統(tǒng)進行復制.
由于應用層多播不像網(wǎng)絡層多播實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的復制在網(wǎng)絡層路由器，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:
(1)自組織性.多播所基于的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(nèi)，地理位置相近的成員應能先自組織成一個邏輯子拓撲結(jié)構(gòu)來聯(lián)人整個多播拓撲中.
(2)自適應性.多播基于的數(shù)據(jù)邏輯拓撲在構(gòu)建后要能自適應地根據(jù)網(wǎng)絡服務狀態(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)傳輸邏輯拓撲結(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.但針對不同的應用要求，多播的高效性也具有不同的側(cè)重含義.如對于視頻會議的應用，多播的有效性是指傳輸?shù)膶崟r性，而對于白板之類的應用即要求實時性也要求傳輸?shù)目煽啃?
1.1應用層組播的優(yōu)點
(1)應用層組播能夠很快就進人應用，不需要改變現(xiàn)有網(wǎng)絡路由器.
(2)接人控制更容易實現(xiàn).由于單播技術在這方面比較成熟，而應用層組播是通過終端系統(tǒng)之間單播來實現(xiàn)的，所以差錯控制、流控制、擁塞控制容易實現(xiàn).
(3)地址分配問題也就可以有相應的解決方案.
1.2應用層組播的缺點
(1)可靠性:終端系統(tǒng)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說是隱藏其來的，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(shù)據(jù)還要經(jīng)過終端系統(tǒng)，因而延遲相對要大一些.
(4)數(shù)據(jù)傳輸效率不如IP組播:應用層組播在數(shù)據(jù)傳輸過程中會產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余，因此它們比IP組播的效率差.
2應用層組播協(xié)議的實現(xiàn)
應用層組播協(xié)議通常把組成員組織成兩個邏輯拓撲:控制拓撲和數(shù)據(jù)傳輸拓撲.拓撲上的每條邊相當于一條單播連線.控制拓撲主要用來在端系統(tǒng)間周期性的交換控制信息來發(fā)現(xiàn)和恢復由于一些成員的非法離開造成的拓撲破壞.數(shù)據(jù)拓撲通常是控制拓撲的一個子集，主要用來表明數(shù)據(jù)包的傳輸路徑。實際上，數(shù)據(jù)拓撲一般是一個網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu).因此，根據(jù)構(gòu)建控制拓撲和數(shù)據(jù)拓撲的順序，可以將目前網(wǎng)絡層組播協(xié)議的實現(xiàn)方法分為:網(wǎng)優(yōu)先(Mesh-first)多播、樹優(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.基于這個網(wǎng)型的拓撲，每一個多播組成員根據(jù)某種路由協(xié)議分布式地計算出自己到每一個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根的樹型多播傳輸拓撲.Narada就是屬于這類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
相反地在樹優(yōu)先多播協(xié)議中，首先構(gòu)建的是一個所有多播組成員共享的樹型多播數(shù)據(jù)傳輸拓撲，接著，每個多播組成員發(fā)現(xiàn)那些樹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，這樣在樹型拓撲基礎上再加入這些新添的連接路徑構(gòu)成網(wǎng)型的控制拓撲.目前的Yoid和HMTP都是屬于這類的應用層的多播協(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(jié)構(gòu).基于這個邏輯結(jié)構(gòu)，分別按照某種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)算法來定義形成協(xié)議的控制拓撲與數(shù)據(jù)傳輸拓撲.這樣控制拓撲和數(shù)據(jù)傳輸拓撲都是在協(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)議一樣來基于其中之一構(gòu)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(jié)構(gòu)，不需要去直接維護協(xié)議的控制拓撲與數(shù)據(jù)傳輸拓撲.這類應用層多播協(xié)議由于不需要在多播組成員之間進行頻繁的狀態(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)信息通信的傳輸負載，因此特別適合于大規(guī)模的多播通信.目前這類應用層多播協(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(shù)
評價應用層組播協(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
主要有下面三個指標:
(1)強度(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組播進行轉(zhuǎn)發(fā)反而時候并進行多于的復制，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?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，他們的延遲和強度的乘積的總和.這個指標用于評定傳輸過程中網(wǎng)絡資源的利用情況，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:單個節(jié)點突然失效后，平均的丟包數(shù)量.強調(diào)突發(fā)事件發(fā)生的魯棒性.
(2)收到第一個包的時間:當成員加人到組中，收到第一個包的時間.
3.3控制負荷(Control Head)
為了有效地利用網(wǎng)絡資源，對每個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(jié)束語
應用層的多播研究目標是構(gòu)建高效的應用層的數(shù)據(jù)傳輸拓撲和用來維護這種拓撲的控制拓撲以解決多播組的動態(tài)變化，目前的應用層多播研究也主要是研究構(gòu)建這兩種拓撲的算法和基于它們的數(shù)據(jù)傳輸與組管理機制.應用層多播作為一種在應用層實現(xiàn)數(shù)據(jù)多播服務的傳輸方式，相對于網(wǎng)絡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)絡層的多播，但由于其不需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡層協(xié)議的單播數(shù)據(jù)傳輸服務進行擴展，而只需憑借現(xiàn)有的網(wǎng)絡提供的單播服務在應用層實現(xiàn)多播功能，因此應用層的多播在應用實現(xiàn)中具有更強的現(xiàn)實意義.