具有度约束特性的应用层组播系统的设计与实现

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1、硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1．1研究背景和意义随着Intemet的不断发展，网络用户的大量增加，各种多媒体业务的大量应用以及越来越多的新兴业务的涌现，例如视频点播、电视电话会议、远程教学等，导致传统的点到点的单播通信方式由于其严重的带宽浪费和效率低已经不能适应这些要求了。于是人们提出了组播的概念，组播是一种通过单一的发送操作将数据报从一点传送到多点的通信方式。上世纪90年代初Deering在他的一篇论文【lJ中提出了利用网络层实现组播的架构。在这个架构中路由器分布式的定义了一个组播树，当数据包从树的根

2、节点即数据源发出后，数据包在不同的树结点路由器上进行复制，最后到达每个接收终端。由于能有效地减少数据包的复制到最小的限度，IP组播一直以来被认为是最有效的一种用来实现数据的群分发的方法，这也正是当初Deering提出IP组播的原因。然而，十多年过去了，虽然对IP组播的研究一直都在进行，但IP组播至今并没有能够得到广泛的应用，原因在于IP组播本身所存在的缺点，如：IP组播要求路由器保存每个组的状态，这样带来了巨大的复杂性，同时也限制了系统的可扩展性；IP组播服务模型没有完善的组播组管理机制，如缺乏组创建的管理

3、，没有对接收者和数据发送者的权限认证机制，发送者可以随意的发送数据而不需要任何的身份验证和注册工作，主机可以随意的加入和离开组播组，发送者也不能阻止其他发送者使用相同的组播地址，从而无法避免组地址的冲突和恶意的攻击；组播服务质量问题。IP组播基于UDP协议，只是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，例如拥塞控制和流控制等这些功能，比在IP单播上实现要困难的多；可扩展性差。IP组播要求路由器保存每个组播组的状态信息，而这些D类地址不能很好的聚合，组播组的数量一旦增加，必然增加路由器的存储和处

4、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，而是随机选取一个来使用，这样随着组数目的增加，组播地址冲突的可能性也随之增大。使用D类地址作为组播地址，面临着地址空间耗尽的问题；域间组播路由协议对组播技术大规模实施具有重要的作用，它使ISP可以将他们的网络互连，同时隐藏各自的网络拓扑结构。但是，IP组播还没有成熟有效的域间组播路由协议等等。因此，近年来一些研究者重新考虑在网络层实现组播服务是否是最为合适的选择，并且提出了应用层组播(ApplicationLayerMulti

5、cast)方案作为组播服务的一个可选方案。应用层组播基于“端到端思想(EndtoEndArgument)"【2】’即在分布式系统的设计中，应尽可能的把复杂的功能放在网络的边缘，这也是基于分组交换的计算硕十学位论文第一章绪论机网络成功的关键原则。在应用层提供组播方案中，组播服务在终端主机实现而不是在网络路由器中，把网络“智能’’完全放在网络的边界，让网络核心部分只做最通用的数据传输而不实现特殊应用。这样可以有效地降低核心网络的复杂性，便于升级维护，同时提高网络通用性和灵活性，在增加新应用时不必改变核心网络。但

6、是，要设计出高效的应用层组播系统也面临新的挑战，研究人员需要考虑许多不同网络层的因素。例如，怎样使由端系统连接而成的组播覆盖网尽可能地接近网络层的实际传输结构，怎样降低主机频繁加入或退出对组播稳定性的冲击等，此外，应用层组播仍然要解决可扩展、可管理等问题。这些在以往的研究中都得到了重视【3】【4】【51。然而，一个被忽视但同样重要的因素是主机的容量限制，以往的研究基本没有考虑主机容量的有限性【6】f7】，认为主机具有足够的容量(即能与任意多的主机进行连接)。但事实并非如此，主机能直接连接的邻居数目总是有限的

7、。如果不考虑主机的容量限制，就有可能使某个节点连接过多的邻居，从而在该主机处产生瓶颈，导致整个组播系统性能的急剧下降。为此，本文提出了一个具有度约束特性的应用层组播树构造算法，它采用节点的可用网络带宽、CPU占用率、可用存储空间、当前进程数等参数描述节点容量(度数)，通过在源根组播树算法中引入节点的度约束功能，试图消除节点连接过多邻居的倾向，生成负载更均衡、整体性能更优的组播覆盖网。本文还使用Java语言，在Eclipse3．3+JDK6．0平台上，实现了一个基于该算法的群组通信系统原型。实验表明，与无主机

8、度约束的同类组播算法比较，本系统能有效降低成员节点计算能力波动对整个组播系统的冲击，减少平均延时，提高传输吞吐量。1．2应用层组播研究现状应用层组播研究旨在直接在组成员之间建立数据传递树，将组播相关功能(包括组成员管理、报文复制、数据分发等)实现于终端主机，在网络层仍采用IP单播实现传输，从而取消对网络基础设施的依赖。当前应用层组播主要的研究项目如下：1．ESMNarada是ESMt即的组网协议，Naradal9