（计算机应用技术专业论文）基于主动网络的流媒体可靠组播算法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 i p 组播技术的出现和广泛使用满足了大规模的多点传递应用需求，但同时也 带来了许多问题，尤其是i p 组播在固有的“尽力而为”的传递方式下无法保证数据 传输的可靠性。可靠组播技术就是要解决组播传输中的可靠性问题。流媒体被认 为是未来网络的主流应用之一，虽然流媒体应用对分组丢失有一定的承受能力， 但过多的丢失无疑会严重影响流媒体回放的感观质量。因此，有必要对流媒体的 可靠组播传输技术进行研究。现有的可靠组播研究表明，网络中间结点的适当参 与有利于可靠组播协议性能的进一步提高，主动网络在解决组播的可靠性方面具 有独特的优势。 本文首先讨论了可靠组播中差错恢复和拥塞控制设计面临的挑战，分析了可 靠组播技术的现状及相关工作。本文的核心是针对流媒体传输，提出了两个基于 主动网络的可靠组播算法：差错恢复算法a r m e r 和拥塞控制算法a r m c c 。 ( 1 ) a r m e r 是一种答复者辅助主动路出器进行差错恢复的可靠组播算 法。该算法包括下列五个机制：丢失检测、答复者选择、n a c k 处理、本地恢复 和局部重传、缓存管理与周期a c k 反馈。a r m e r 充分利用主动路由器的主动服 务，同时与主动路由器连接的答复者辅助重传，缓解了主动路由器的压力。算法 解决了反馈风暴和重传滋扰问题，能进行快速而有效的差错恢复，具有很好的可 扩展性，适合大规模的流媒体可靠组播应用。 ( 2 ) a r m c c 是一种路由器辅助的基于速率的可靠组播拥塞控错l 算法。该 算法包括下列四个机制：分层r t t 测量、拥塞检测、速率调整、拥塞平滑缓冲区 管理。a r m c c 灵活利用主动路由器的资源，不仅能使组播流和t c p 流共享瓶颈 链路带宽，达到协议间的公平性：还能将拥塞影响限制在局部子树范围内，达到 协议内的公平性。a r m e r 解决了d r o p t o z e r o 问题，具有良好的可扩展性，另 外算法采用t c p 流量模型公式，能产生平滑的传输速率，并要求传输速率不会低 于最小速率阈值，保证了流媒体业务的可用性。 本文最后部分利用n s 网络模拟器对a r m e r 和a r m c c 算法进行了模拟，并 依据实验结果对其性能进行了深入分析。我们将算法分别与经典可靠组播协议 a r m 、a e r 及组播拥塞控制协议t f m c c 比较，证明了只需要少量主动路由器支 持，就可使算法取褥非常好的性能。本文的工作也进一步证明了对于某些应用， 主动网络具有独特的优势，将成为非常有潜力的下一代网络处理平台。 关键词：可靠组播：流媒体；主动网络：差错恢复；拥塞控制 基于主动网络的流媒体可靠组播算法研究 a b s t r a c t t h ew i d e l y a p p l i e d i pm u l t i c a s tt e c h n i q u ec a t e r st od e m a n d sf o r m u l t i c a s t i n gi nl a r g es c a l e s a sw e l la sb r i n g sa b o u tn e wp r o b l e m s ；e s p e c i a l l y t h a ti td o e sn o te n s u r er e l i a b i l i t yd u et oi t s “b e s t e f f o r t ”n a t u r e r e l i a b l e m u l t i e a s tt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e dt os o l v et h ep r o b l e m so fr e l i a b i l i t y s t r e a m i n gm e d i aw i l lb et h em a i na p p l i c a t i o ni n t h ef u t u r e ，t h es t r e a m i n g a p p l i c a t i o n sa r em o r ef l e x i b l et on e t w o r kl o s st h a nc l a s s i c a ld a t aa p p l i c a t i o n ， b u th e a v yp a c k e tl o s s e sw i l ll o w e rt h em e d i ap l a y b a c kq u a l i t y ，m u l t i c a s t r e l i a b l et r a n s m i s s i o ni sa l s ov e r yn e c e s s a r yf o rn e t w o r k e ds t r e a m i n gm e d i a i t i sm o r ea n dm o r ec l e a rt h a ta s s i s t a n c ef r o mr o u t e r sw o u l di m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fr e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o l s ，a n da c t i v e n e t w o r kt e c h n i q u ei s o fa d v a n t a g et or e l i a b l em u l t i c a s t i nt h i s t h e s i s ，w ef i r s t l y d i s c u s st h e c h a l l e n g e s o fp r o v i d i n ge r r o r r e c o v e r ya n dc o n g e s t i o nc o n t r o lf o rr e l i a b l em u l t i c a s t a tt h es a m et i m e ，s o m e r e l a t e dw o r ki ss t a t e d t h e nt h e s i sp r o p o s e st w or e l i a b l em u l t i c a s ta l g o r i t h m s b a s e do na c t i v en e t w o r k ：a r m e rf o re r r o r r e c o v e r y a n da r m c cf o r c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ( 1 ) a r m e ri sar e l i a b l em u l t i c a s ta l g o r i t h mt h a ta c t i v er o u t e rc a r r yo u t e r r o rr e c o v e r yw i t hr e p l i e ra s s i s t e d o u ra l g o r i t h mi n c l u d e sf i v em e c h a n i s m s ： l o s sd e t e c t i o n ，r e p l i e rs e l e c t i o n ，n a c kh a n d l i n g ，l o c a lr e c o v e r ya n ds c o p e d r e t r a n s m i s s i o n ，b u f f c rm a n a g e m e n ta n dp e r i o d i c a la c kf e e d b a c k a r m e r m a k e st h eb e s to fa c t i v es e r v i c ei na c t i v er o u t e r ；i na d d i t i o n ，r e p l i e rc o n n e c t e d w i t ha c t i v er o u t e ra s s i s t sr e t r a n s m i s s i o n ，a n dr e l i e v e ss o m ep r e s s u r eo fa c t i v e r o u t e r o u r a l g o r i t h m s o l v e st h e p r o b l e m o ff e e d b a c k i m p l o s i o n a n d r e t r a n s m i s s i o nn u i s a n c e ，f a c i l i t a t e sf a s ta n de f f i c i e n te r r o rr e c o v e r y ，h a sg o o d s c a l a b i l i t y ，a n di ss u i t a b l ef o rl a r g e s c a l em u t t i c a s ta p p l i c a t i o n s ( 2 ) a r m c ci sar o u t e r a s s i s t e dr a t e b a s e dr e l i a b l em u l t i c a s tc o n g e s t i o n c o n t r o la l g o r i t h m o u ra l g o r i t h mi n c l u d e sf i v em e c h a n i s m s ：h i e r a r c h i c a lr t t m e a s u r e m e n t ，c o n g e s t i o nd e t e c t i o n ，r a t ea a j u s t i n g ，a n dc o n g e s t i o ns m o o t h i n g b u f f e rm a n a g e m e n t w i t hf l e x i b l eu s eo ft h er e s o u r c e si na c t i v e r o u t e r ， a r m c cc a nn o t o n l yl e tm u l t i c a s tf l o w sh a v ea na d j u s t a b l es h a r eo f b a n d w i d t ho fb o t t l e n e c kl i n k sw i t ht c pf l o w s ，a c h i e v ei n t e r p r o t o c o lf a i r n e s s ， b u ta l s ol i m i tt h ee f f e c to fc o n g e s t i o no nas p e c i f i cl i n kt oas m a l lr e g i o n 硕士学位论文 a c h i e v ei n t r a p r o t o c o lf a i r n e s s i ts o l v e st h ed r o p t o z e r op r o b l e , r n ，a n dh a s g o o ds c a l a b i l i t y i na d d i t i o n ，a r m c ca d o p t s t c pt h r o u g h p u tf o r m u l at o p r o v i d es m o o t ht r a n s m i tr a t e ，a n d m a k et h er a t ei nn e t w o r kn e v e ru n d e r m i n i m u mr a t e ，w h i c hg u a r a n t e e st h ee f f i c i e n c yo fs t r e a m i n gm e d i a i nt h el a s ts e c t i o n ，w ei m p l e m e n ta n de v a l u a t eo u ra l g o r i t h ma r m e ra n d a r m c ci nn s ，a n da l s oc o m p a r ep e r f o r m a n c ew i t ha r m ，a e ra n dt f m c c ， a l lo fw h i c ha r er e p r e s e n t a t i v ea c t i v er e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o l so rm u l t i c a s t c o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n i n d i c a t e st h a to u r a l g o r i t h mc a na c h i e v ec o n s i d e r a b l ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tw i t h l i m i t e d s u p p o r tf r o mr o u t e r s o u rw o r kf u r t h e rc o n f i r m st h a ta c t i v en e t w o r k sc a n b e n e f i ts o m ea p p l i c a t i o n sa n db e c o m eap r o m i s i n gn e t w o r kc o m p u t i n g p l a t f o r mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：r e l i a b l em u l t i c a s t ；s t r e a m i n gm e d i a ；a c t i v en e t w o r k ； e r r o rr e c o v e r y ；c o n g e s t i o nc o n t r o l l j 插图索引 1 1 单播和组播的数据传输图2 2 1l m s 中答复链路的选择1 0 2 2e n h a n c e dl m s 的差错恢复i l 2 3a r m 差错恢复示例1 2 2 - 4 独立拥塞和共享拥塞15 2 5r l c 中的同步点19 3 - 1a r m e r 拓扑模型2 4 3 2a r m e r 差错恢复示例2 6 3 3 分层r t t 测量示图3 0 3 4a r m c c 拥塞控制示例3l 4 1n s 的部分类图3 5 4 - 2a r m e r 平均恢复延时3 8 4 3a r m e r 重传滋扰3 8 4 - 4a r m e r 与a r m 、a e r 平均恢复延时比较3 9 4 5a r m e r 与a r m 、a e r 重传滋扰比较3 9 4 - 6a r m c c 模拟实验拓扑图一4 l 4 7a r m c c 与t f m c c 的吞吐量比较4 2 4 8a r m c c 模拟实验拓扑图一4 2 4 9a r m c c 的协议内公平性4 3 4 1 0 主动路由器b u f f e r 的开销4 3 v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图圈 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：1 湃 日期：沙6 年年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：砂“年 日期丑一簿 年月j 日 乒肜日 硕士学位论文 第l 章绪论 i n t e r n e t 的迅猛发展和普及为流媒体业务发展提供了强大的市场动力，流媒 体业务正日益流行。为解决流媒体通信的服务质量，组播成为流媒体通信中最常 用的传输方式。然而组播通信只能提供尽力而为、无连接的服务。不能保证数据 的可靠传输。可靠组播( r e l i a b l em u l t i c a s t ，r m ) 提供可靠的组播服务。本文针 对流媒体传输，以主动网络为平台，对可靠组播进行了研究。本章主要介绍了组 播、主动网络的基本概念以及流媒体传输的主要特点。 1 1 组播 随着i n t e r n e t 的迅速普及和爆炸性发展，在i n t e r n e t 上产生了许多新的应 用，其中不少是高带宽的多媒体应用，譬如网络视频会议、网络音频视频广 播、a o d v o d 、股市行情发布、多媒体远程教育、c s c w 协同计算、远程会 诊。这就带来了带宽的急剧消耗和网络拥挤问题。为了缓解网络瓶颈，人们提出 各种方案，归纳起来，主要包括以下四种： 增加互连带宽； 服务器的分散与集群，以改变网络流量结构，减轻主干网的瓶颈： 应用q o s 机制，把带宽分配给一部分应用； 采用i pm u l t i c a s t 技术。 比较而言，l p 组播技术有其独特的优越性一一在组播网络中，即使用户数 量成倍增长，主干带宽不需要随之增加。这个优点使它成为当前网络技术中的研 究热点之一。 1 1 1i p 组播 组播( m u l t i e a s t ) 是一种允许将单一的数据包从一个或多个发送者( 组播源) 发 出，然后传输给多个接收者( 一次的，同时的) 的网络技术。组播源把数据包发送 到特定的组播组( m u l t i e a s tg r o u p ) ，只有属于该组播组的地址才能接收到数据 包。组播利用在数据传递树的分叉处进行数据包复制来克服网络的冗余使用，这 样可以大大的节省网络带宽，因为无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一 条链路上只传送单一的数据包。图1 1 为有组播和没有组播的情况下的传输图， 很明显，组播大大改善了单播形式下所造成的大量网络资源浪费的问题。 基于主动网络的流媒体可靠组播算法研究 图1 - 1 单播和组播的数据传输图 i p 组播具有以下特点： 1 1i p 组播是基于u d p 传输的，提供“尽力而为”的服务，不保证数据传输的可 靠性； 2 ) 组播组成员的加入和离开，是动态的，是通过运行在i p 站点和它所在的子网 组播路由器之间的i g m p 协议【2 1 实现的； 3 ) 组播数据的分发范围的控制是通过t t l ( t i m e t o l i v e ，生存期值) 控制的， 每通过一个组播路由器，t t l 都要减少一个特定的常量，当t t l = 0 时，路 由器将i p 数据报扔掉。i p 组播数据的发送者可以指定t t l 的初始值，以控 制数据的发送范围；而网络管理员可以通过对组播路由器的配置，将t t l 的 值减少为0 ，从而将所有的组播数据只在子网内部进行发送。 1 1 2 可靠组播 上文介绍i p 组播是基于u d p 服务模型，只能提供“尽力而为”、无连接的传 递服务，不能保证数据均可靠的传送给每个组成员，这种服务无法满足实际应用 中对组播传输的各种质量要求。由于不同组播应用对可靠性的要求各不相同，因 此很难找到一种可靠组播协议能满足所有可靠性需求口】，在过去十年中针对不同 的应用提出了许多可靠组播传输方案【4j 。 通常意义上的可靠性是指所有组播数据最终都正确传送给每个接收者。根据 应用的不同，可靠性还可进一步分为半可靠性( q u a s i r e l i a b i l i t y ) 、延时限定的可 靠性( b o u n d e d l a t e n c y r e l i a b i l i t y ) 和完全可靠性( a b s o l u t e r e l i a b i l i t y ) 三种类 硕士学位论文 型。使用半可靠性时，传输层可能重传一个丢失的包或使用错误校正码来提供一 个应用可接收的丢失率，但不保证所有数据都能无错误的传递给所有接收者，半 可靠性通常用于可容忍一定丢失率的实时组播应用。延时限定的可靠性适用于对 实时性要求很高的组播应用，如果数据在规定时间内没有收到，那么就认为其丢 失且不再重复传送。延时限定的可靠性常常意味着时一种半可靠性，但反之不成 立【。而完全可靠性则指丢失率为零，通常应用于对正确性要求很高但对实时性 要求不高的情况。 可靠组播研究内容主要是探究一种组播数据传输可靠性保证的机制，为此必 须要进行差错恢复；在保证可靠性的同时又要兼顾传输的效率和卿何合理利用网 络资源，为此必须提供机制来避免网络拥塞。所以可靠组播的涵义可以形式的表 现如下： 可靠组播= i p 组播+ 差错恢复+ 拥塞控制 差错恢复机制是可靠组播协议最基本的部分，它的功能是重传丢失的数据 包，以保证数据包可靠的投递到所有接收者。实现简单快速高效可扩展的差错恢 复机制，主要面临以下两个难题：( a ) 当组播规模变大时，怎样防止a c k 或n a k 引起的“反馈风暴”；( b ) 怎样限制修复包的重传范围。 拥塞控制机制是大规模组播应用不可缺少的部分。组播技术有效的缓解了网 络拥塞情况，可是随着组播应用的发展，其本身的拥塞控制问题越来越明显，己 经成为组播发展的瓶颈之一。实现公平、有效和可扩展的拥塞控制机制，主要面 临以下两个难题：( a ) 怎样让组播流与t c p 流公平共享网络资源，保证可靠组播 拥塞控制算法是t c p 友好的( t c p f r i e n d l y ) t 6 1 ；( b ) 怎样保证一个拥塞的接收者 不影响其他接收者的接收速率，即满足组播的异构性需要。利用纯粹的端到端的 方法，是很难解决以上组播通信问题的。 1 2 主动网络 1 2 1 主动网络概述 基于t c p i p 协议的i n t e r n e t 遵循端到端的原则【7 1 ，也就是说，i n t e r n e t 的网 络层只提供不可靠的传输服务，而应用要求的可靠性和安全性等由端系统自己来 实现。这样大大简化了i n t e r n e t 本身的复杂度。2 0 多年的实践证明这种结构是非 常成功的，但随着网络规模的日益扩大，一些局限性也开始显现出来。如新的网 络应用层出不穷，它们需要新的协议和服务的支持，而网络中的传输节点( 包括 路由器和交换机等设备) 功能相对固定，导致协议和服务的推出始终无法跟上应 用需求的步伐。这种背景下，人们认为需要在传统i n t e r n e t 体系结构的基础上， 研究新的网络体系结构。 基- 主动网络的流媒体可靠组播算法研究 主动网络( a c t i v en e t w o r k ) 最早的思想是1 9 9 4 9 5 年在d a r p a ( 美国国防部) 讨论未来网络系统发展方向时，在它的一份提案中提出的。1 9 9 6 年，m i t 的 d a v i dl t e n n e n h o u s e 博士在文章中提出主动网络的设想【8 ，9 】，引起了学术界和 工业界的极大兴趣。在d a r p a 的资助下，美国的麻省理工学院、宾夕法尼亚大 学等高校以及b e l l e o r e 和g t e 等著名的电信公司已经开展了对主动网络的研究。 d a r p a 根据m b o n e ( m u l t i c a s tb o n e ) 的成功经验，现在已经建立了 a b o n e ( a c t i v en e t w o r kb a c k b o n e ) 0 1 实验网，用于运行和检测主动网络阶段 性的研究成果。 主动网络是一种允许用户对网络中间节点( 路由器、交换机等) 进行编程的新 型网络结构。具有智能的主动网络节点对应用敏感，可为不同的应用提供不同的 服务。主动网络有强大的生命力，能自我复制，自我再生，自我发展，自我保 护。可以说主动网络是一种有可能发展为未来网络处理平台的网络体系结构。 1 2 2 主动网络与端到端原则 经典的端到端原则简单来说就是：网络最终实现什么功能由用户自己来决 定，试图通过网络内在智能性来增强网络功能的做法是多余的。主动网络的设计 思想看起来与这一原则是相矛盾的。 文献【1 1 】认为，端到端原则和主动网络的设计思想并不矛盾。实际上，端到 端原则并非要求所有的应用功能都必须在端节点实现；同样主动网络的设计思想 并非式要将所有的应用功能放在网络中实现。合理的使用端到端原则必须考虑到 实现应用功能所在的位置与其所能获取这性能之间折衷关系。对于某些用户应用 来说，在网络中实现它的某些功能可以获得更好的性能。例如对于可靠组播来 说，主动网络的应用不仅可以改善差错恢复的“反馈风暴”问题，限制修复包的重 传范围，而且可以更好的实现拥塞控制的公平性和可扩展性。 传统的端到端的应用将网络看作使一个为所有用户提供单一类型、相同质量 服务的透明的实体。目前和未来的i n t e r n e t 趋向于为不同类型的数据流提供不同 质量的服务。主动网络能够在网络中提供用户级的特定服务，这在本质上根本不 同于在网络中向所有用户提供高层的通用服务的概念。通过提供具备丰富功能， 灵活的网络应用编程接口，主动式网络能够为终端应用提供更有效的网络服务， 因此，主动网络的设计思想和端到端原则是没有抵触的。不过，在利用主动网络 提供服务支持时也必须考虑由此而付出的代价，只有那些真正需要网络服务支持 的应用功能才应被放入到网络中执行。 1 2 3 主动网络与可靠组播 主动网络打破了网络中经典的“存储一转发”范型，主动网络中的路由器被注 入了特定的功能，这种新型路由器称为主动路由器( a c t i v er o u t e r ) 它最大的特 点就是提供软状态缓存( s o f t s t a t ec a c h e ) 。主动路由器可以执行与应用有关 的计算，并且可以动态的部署协议；主动网络为用户定制化网络功能提供了一种 统一和灵活的框架，可以有效发解决网络异构性和动态性的问题，并且能够进一 步提高服务性能。基于主动网络技术的可靠组播方案的研究具有以下意义： 首先，基于主动网络的可靠组播可以较为从容的面对日益多样化的组播应用 需求。应用对组播通信质量的多样化需求同样导致了对组播可靠性的不同要求， 这使得我们无法设计一种象t c p 那样通用的可靠传输协议，取而代之的是针对不 同的需求设计不同的可靠组播协议；这种多样性一方面导致在路由器中常驻某一 种可靠组播协议的要求是不尽合理的，另一方面也造成各种协议本身标准化的进 程无法与应用需求变化的保持同步；而主动网络可以方便的实现协议的“即插即 用”，协议可以在需要时动态的部署，这正满足了可靠组播应用的多样性发展需 求。 其次，现有关于可靠组播的研究都表明网络结点的参与可以有效的提高组播 中差错恢复和拥塞控制的效率；而且主动网络技术为协议利用网络结点的处理和 存储资源提供了必要的手段，从而有可能进一步改善可靠组播的性能。 1 3 流媒体传输 从端到端传输延迟和可靠性方面考虑，可靠组播应用可大致分为三类：1 ) 实 时交互应用，如视频会议系统，这类应用对可靠性要求相对较低，但对实时性要 求很高。2 ) 实时非交互型应用，如数据广播，这类应用实时性要求相对前一类应 用较低，但在一定延时范围内，却对可靠性提出更高的要求。3 ) 非实时应用，如 软件分发，这类应用中，可靠性是最基本的要求，在满足可靠性要求的前提下， 必须保证传输延迟在可接受的范围之内。本文讨论第一种类型的组播应用，实时 交互应用( 实时流媒体应用) ，它要求满足实时性要求的同时，必须考虑数据传输 的可靠性，即满足延时限定的可靠性。 实时流媒体传输具有以下特点： 1 ) 速率限制：流媒体数据在传输过程中根据不同的应用有一个相应的速率传输 范围，要满足用户的需要，其传输速率必须介于胄。，。和r 一之间。传输速率 如果低于r 。这是流媒体所不能容忍韵。 2 ) 延时：与普通的数据传输不同，实时流媒体对传输的。延时要求高，如视频应 用中，如果在视频传输的过程中，有的数据的延时太大的话，将可能造成图 像不同步，从视觉上看物体是变形的。 3 ) 丢包率：流媒体应用对分组丢失有一定的承受能力，但过多的丢失无疑会严 重影响流媒体回放的感观质量。因此实时的流媒体数据的可靠传输也非常重 要。 基于主动网络的流媒体可靠组播算法研究 4 1 抖动：实时的流媒体数据传送一般对传输的质量有比较高的要求，它要求瞬 时的抖动比较小。 对于以上流媒体数据传输时的特点，如果采用t c p 协议的话，可以满足其丢 包率的要求，但是在延时和抖动方面却不能满足要求。所以单纯的t c p 传送是不 能满足流媒体数据传输的需要。网络流媒体采用u d p 传输服务式非常适合的， 但应该根据不同需要增强对传输可靠性的支持。 1 4 论文主要工作 由于应用的广泛和需求的多样化，我们不可能设计出一种可靠组播协议满足 所有要求，必须针对不同的要求设计不同的协议。本文主要针对流媒体传输业 务，重点研究基于主动网络的可靠组播技术，主要工作归结如下： ( 1 ) 介绍了主动网络及流媒体传输，对目前存在的可靠组播协议进行深入 研究与分析。 ( 2 ) 提出了差错恢复算法a r m e r 。a r m e r 是一种主动路由器和答复者 联合进行差错恢复的可靠组播算法，该算法充分利用了主动路由器的主动服务， 能尽早检测到包丢失，对n a c k 进行有效的抑制、聚合和转发管理，快速进行 本地恢复和局部重传，但同时又并非完全依赖主动路由器，与主动路由器连接的 答复者分担一部分差错恢复任务，缓解了主动路由器的资源紧张和重传压力。 ( 3 ) 提出了拥塞控制算法a r m c c 。a r m c c 是一种路由器辅助的基于速 率的组播拥塞控制算法，该算法以主动网络为平台，充分利用了主动路由器的数 据缓存功能，让其进行转发速率调整，尽量处理小型或中型的拥塞。a r m c c 算 法能产生非常平滑的速率，并要求传输速率不低于最低速率阈值，保证了流媒体 业务的可用性。 ( 4 ) 利用网络模拟器n s - 2 进行仿真模拟，并评估实验结果。 1 5 论文组织结构 本文共分5 部分，结构如下：第1 章“绪论”，介绍了当前可靠组播、主动 网络及流媒体传输的相关技术，以及本文所做的主要工作；第2 章c t 相关工 作”，概述了当前可靠组播在差错恢复和翔塞控制方面的相关工作：第3 章“算 法设计”，详细叙述了差错恢复算法a r m e r 和拥塞控制算法a r m c c 的具体设 计；第4 章“模拟实验”，包括对a r m e r 和a r m c c 的模拟实验及模拟结果分 析；最后为结论，总结全文的工作，并对未来工作提出设想。因为可靠组播协议 可分为两大部分：差错恢复和拥塞控制，故论文以下章节都将按这两部分来进 行。 6 第2 章相关工作 一个实用的可靠组播协议必须包含两个机制：差错恢复和拥塞控制。本章节 讨论了可靠组播差错恢复和拥塞控制机制设计的主要挑战，介绍了一些相关的工 作。本章节也分两部分来组织内容：差错恢复和拥塞控制。 2 1 差错恢复 2 1 1 主要挑战 差错恢复是可靠组播最基本的部分，它的功能是确保数据包可靠的投递到每 个接收者。一般来说，发送者给每个接收者发送一个数据包，如果数据包发生丢 失，则必须重传此数据包给没有收到的接收者，我们称重传的数据包为修复包e 差错的检测由反馈信息完成，反馈包有肯定确认( a c k ) 和否定确认( n a k ) 两种。 可靠组播的差错恢复算法设计主要面临着以下几个方面的挑战”： a c k 风暴( a c ki m p l o s i o n ) ：当数据包成功投递，接收者笈送a c k 包作为 肯定确认反馈给发送者。如果发送者没有收到接收者的a c k 包，便认为数据 包丢失，重传此包给接收者。在这种发送者发起的差错恢复方案中，每个接 收者对每个收到的包部返回a c k 。而只要有一个接收者没有接收到某个数据 包，发送者就会重新组播该数据包直到所有接收者都返回了a c k ，当接收者 数量较多时，会有大量的a c k 包反馈给发送者，可能导致严重的网络拥塞， 并“淹没”发送者。 n a c k 风暴( n a c ki m p l o s i o n ) ：当检测到数据包的丢失，接收者发送n a k 包作为否定确认反馈给发送者。在这种接收者发起的差错恢复方案中，接收 者只需在包丢失时才发送n a k ，因此减轻了反馈风暴的问题，但当网络传输 质量不佳以及接收者数量较多时，可能会出现大量的n a k ，也会带来与发送 者发起的方案同样的风暴问题。 重传滋扰( n u i s a n c e ) ：当某些接收者经历包丢失时，如果发送者重传修复包 给整个组播组，那么没有发生丢失的接收者就会收到重复的数据包。这种重 复的修复包将耗用大量网络资源。所以需要有一个重传策略来限制这些重传 修复包的滋扰。 修复包的滋扰。 基丁：主动网络的流媒体可靠组播算法研究 2 1 2 相关研究 到目前为止已提出了许多可靠组播协议，根据在差错恢复时，是否需要路由 器支持，可大致分为三类i ”】：第一类是无需路由器支持的协议：第二类是路由 器一般支持的协议；第三类是主动路由器支持的协议。第一类协议有s r m 、 l b r m i ”】、r m t p t l 6 】等，第二类协议需要路由器一般支持，仅将重传请求发给 适当的对象来减少反馈风暴的简单支持，代表性的协议有l m s ”1 和r m c m 埔1 等；第三类使用主动路由器进行反馈聚合、抑制和本地恢复的协议，主要有 a r m 1 9 、a e r 2 0 1 、p g m 2 1 】和r m a n p t 2 2 】等。这些协议在差错恢复方面都具有 各自的特点和一些未能完全解决的问题。 2 1 2 1 无需路由器支持的协议 ( 1 ) s r m ( s c a l a b l e r e l i a b l e m u l t i c a s t ) ：是l a w r e n c eb e r k e l e y l a b o r a t o r y 提出的可靠组播协议，在白板应用w b 及其改进版本m e d i a b o a r d 中实 现。s r m 在设计之初是为了满足可靠组播定义的最小集，所以s r m 只是保证所 有的数据都到达组每个组成员，并不保证数据的接收顺序是同发送顺序一致。 s r m 基于a l f 【23 j 的思想，即满足应用需求最好的方式是把尽可能多的功能和灵 活性交给应用，把应用程序的语义明确的包含在协议的设计中。在s r m 中，传 输层和应用层没有明显的界限，二者使用同一个数据结构，传输层直接使用应用 层的命名模型进行数据传输和差错恢复。这样做的好处是传输协议是根据应用的 要求定制的，提高了效率，缺点是协议过于依赖应用层的语义，缺乏通用性。 s r m 是典型的接收方主动的协议，完全由接收者保证数据接收的可靠性。 检测到数据丢失的接收者a 启动一个定时器，等待一段随机长的时间，定时器超 时后用组播发出重传请求( r e p a i rr e q u e s t ) 以抑制其它接收者相同的请求。定时器 闯隔是区间 c l 靠犯。+ c 2 ) 靠，。】上的平均分布的随机变量，d 。是到数据源的 单程传播延迟，c 和c ：是常数。定时器超时后把超时间隔加倍，继续等待修复 ( r e p a i r ) 至0 来。如果一个接收者在等待修复时收到相同的请求，同样以指数形式 增加超时间隔。当一个成员b 收到一个请求并且可以回应，就启动一个定时器， 超时间隔是区间 d 1 以( d l + d 2 ) d 邶】上的平均分布的随机变量，丸。是b 到a 的单程传播延迟，d 1 和d ，是常数。如果b 在超时前收到修复就取消定时器，否 则超时后组播发出修复。b 可能收到多个重复的请求，为了避免重复发出修复， 它忽略时间3d 。内相同的请求。 s r m 最大的问题在于可伸缩性。其差错恢复算法要求测量到每个成员的距 离，而会话消息( s e s s i o nm e s s a g e ) 包含测量所需的每个成员的时间戳，其大小和 成员数量成正比。为了减少带宽占用就必须降低会话消息的发送频率，由于r t t 总是不断变化的。过低的测量频率使测量失去意义【2 4 1 。 硕士学位论文 f 2 1r m t p ( r e l i a b l em u l t i e a s tt r a n s p r o tp r o t o c 0 1 ) ：r m t p 协议最早在 文献【2 5 】中提出，s p a u l 等人又对其进行了改进【2 6 】。r m t p 协议基于恢复树进 行重传，这个恢复树就是基于组播路由建立的组播路由树，它以发送主机为根， 以接收主机为叶子，修复服务器( r e p a i rs e r v e r ，简称r s ) 位于树的中间层次。r s 可以与路由器进行功能集成( c o l o c a t e dw i t hr o u t e r s ) ，改进的r m t p 协议进行以 下工作： 1 ) 发送主机采用组播将一个数据包发送到一个组播组。 2 ) 当组播组内的一个接收主机探测到数据包丢失时，它将等待一个随机时 长，然后采用组播发送一个n a k ( 文献 2 5 1 中采用a c k ，使用n a k 可以减少发送 数据包的数量，避免a c k 汇聚的现象) 给本她的r s 和接收主机( 发送n a k 给本地 接收主机的目的是为了抑制多个丢包的接收主机都发送相同的n a k ，避免n a k 集中) ，然后启动一个n a k 重传时钟。如果接收主机收到一个来自于本地的其他 接收主机的n a k ，它将不发送n a k ，而是直接启动n a k 重传定时器，就好像它 已经发送了一个n a k 。 3 ) 当一个r s 探测到丢失后，它将等待一个随机时间，然后采用组播发送一 个n a k 给发送主机( 或者位于其上游的r s ) ，与它处于同层的r s 将不再发送 n a k ，而是直接启动一个n a k 重传定时器，就好像它已经发送过n a k 。 4 ) 当r s 收到来自它所负责的接收主机的n a k 时，如果它有n a k 对应序列号 的数据包，它将采用组播向位于其层次之下的接收主机重传该数据包如果r s 没 有n a k 对应序列号的数据包，则它将向发送主机( 或位于其上流的r s ) 请求重 传。 5 ) 发送主机在收到来自r s 的n a k 后，发送主机将采用组播方式重传该数据 包给所有组成员( 包括接收主机和r s ) 。 6 ) 如果在r s ( 或者接收主机) 处的n a k 重传定时器超时，r s ( 或者接收主机1 将重新发送一个n a k 。 r m t p 具有较好的可扩展性，但是播树的动态区域划分以及r s 动态选择比 较困难，r m t p 选择静态方法形成逻辑树，但这种静态方法并不能适应组播组成 员和网络拓扑的动态变化。 ( 3 ) l b r m ( l o g - b a s e dr e l i a b l em u l t i c a s t ) ：与r m t p 一样也采用静态层次 结构，其目标是为分布式交互仿真应用提供环境支持。l b r m 使用一个主记录服 务器( p l s ，p r i m a r yl o g g i n gs e r v e r ) 和多个按静态层次组织的从记录服务器 ( s l s ，s e c o n d a r yl o g g i n gs e r v e r ) 来记录所有传输的数据报文。源节点向所有 的记录服务器和接收者组播数据报文，但只有主记录服务器向源节点返回确认信 息。接收者向从记录服务器请求丢失的报文。而从记录服务器向主服务器请求恢 复丢失的数据。l b r m 中的重传数据报文可以是单播或者组播，这取决于请求的 9 基于主动网络的流媒体可靠组播算法研究 多少。l b r m 基于静态分层方法，在一个新的区域被增加到组播组之前，必须为 该区域建立相应的记录服务器。 2 1 2 2 路由器一般支持的协议 ( 1 ) l m s ( l i g h t w e i g h tm u l t i c a