针对网络应用层实现多播的探析

1、关键词：应用层组播；网络层组播；控制拓扑摘要：传统的多播(multicasting)服务被实现在tcp /ip协议的网络层，但由于网络层的多播 服务实现需要扩展网络层的路山与数据包收发协议，这在大多数的实际网络环境里并不是一 件容易的事情.为了加速组播的应用，解决现有组播存在的问题，近年来提出了应用层组 播.将组播的功能从路由器转移到终端，不需要路由器维护组播组的路由表，且不用改变现 有网络设施，方便实现组播功能.本文介绍了应用层多播的定义和方法，及现阶段国内外己 提出的应用层多播协议，并简单地讨论了应用层多播协议的性能评价问题.引言1988年stevedeering首先在他的博士论文屮提出i

2、p组播.ip组播用于一对多、多对多、 多对一的组通信.它是一种冇效的数据传输应用，发送的同一数据在物理链路中只传输一次, 减少了数据包在网络传输屮的冗余，节约了带宽，提高了传输效率.然而，十多年过去了， 虽然对ip组播的研究一直都在进行，但是由于ip组播本身所带來的缺点，使得ip组播至 今并没有能够得到广泛的应用.ip组播要求路山器为每一个组播组保留状态信息.这样路山器的路山和转发表将需要对 每一个不同的组播地址保留一个相应的路由表项，但是组播地址并不像单播地址一样容易集 成，因此增加了路由器的系统开销和复杂性.1p组播是一利尽力而为(best effort)的服务.当要提供高层的特性时，例如

3、:可靠传输、拥 塞控制、流量控制以及安全管理等，就会比简单的单播耍更困难，以至于因特网服务提供商 (isps)不愿意提供ip multicast的支持虽然目前已经出现了针对上rfrf这些特性的研究，但是 这些解决方案冃前在internet ±的影响并不明确，盂要在人范围应用前进行更好的研究.ip组播需耍対现有网络做底层的改变同吋由丁在收费机制方面的技术无法突破，便得 目前只有少数的因特网服务供应商支持ip组播.出于以上的考虑，近年来国外一些研究者开始研究新的组播架构，试图绕开ip组播的 种种难题，因此提岀了基于应用层的组播协议即在m用层实现组播的功能，而不是再依靠 网络层路由器來实现

4、.这种组播方法不需要任何网络底层架构的改变來实现组播，从而为组 播的大范围开展与应用提出了一种新的途径.应用层组播将对组播功能的支持从路由器转移 到终端系统,在终端z间运川原來的单播方式进行传输，这样不必改变原冇网络中基础设施, 也不需要路由器维护组播组的路由表，可以比较容易地实现组播，加速了应用.1应用层组播介绍应用层组播的基本模型图如图1所示.图la为ip组播数据传输的方式，数据在网络内部 的路山器上进行复制;图lb为应用层组播的数据包在网络的终端系统进行复制.由于应川层多播不像网络层多播实现数据包的复制在网络层路由器，而是在应用层上. 因此，应用层的多播协议要求具有以下特点：(1) 自组

5、织性.多播所基于的逻辑拓扑结构的构建应该是分布式的自组织方式参与多播 的成员可能分布在极广的地理位置范围内，地理位置相近的成员应能先白组织成一个逻辑子 拓扑结构來联人整个多播拓扑中.(2) 口适应性.多播基于的数据逻辑拓扑在构建后要能口适应地根据网络服务状态和多播 组成员变化做出改变和优化，以便可选择更佳的多播传输路径.(3) 高效性一般地，多播构建的数据传输逻辑拓扑结构必须尽量使得在同一条逻辑传输 路径上的冗余数据传输最低.但针对不同的应用要求，多播的高效性也具有不同的侧重含义. 如对于视频会议的应用，多播的有效性是指传输的实时性，而対于白板之类的应用即要求实 时性也要求传输的可靠性.1应用

6、层组播的优点(1) 应用层组播能够很快就进人应用，不需要改变现有网络路由器.(2) 接人控制更容易实现.山于单播技术在这方血比较成熟，而应用层组播是通过终端系 统z间单播来实现的，所以差错控制、流控制、拥塞控制容易实现.(3) 地址分配问题也就可以有相应的解决方案.1.2应用层组播的缺点(1河靠性:终端系统的可靠性比路由差.(2) 可扩展性:底层的路山信息对应用层组播來说是隐藏其來的，可扩展性不好.(3) 延迟比较人:ip纽播主要是在链路上的延迟，而在应用层组播屮，数据还要经过终端 系统，因而延迟相对要人一些.(4) 数据传输效率不如ip组播:应用层组播在数据传输过程中会产生数据冗余，因此它们

7、 比ip组播的效率差.2应用层组播协议的实现应用层组播协议通常把组成员组织成两个逻辑拓扑:控制拓扑和数据传输拓扑.拓扑上的 每条边相当于一条单播连线.控制拓扑主要用来在端系统间周期性的交换控制信息来发现和 恢复由于一些成员的非法离开造成的拓扑破坏.数据拓扑通常是控制拓扑的一个子集，主要 用來表明数据包的传输路径。实际上，数据拓扑一般是一个网状拓扑结构.因此，根据构建 控制拓扑和数据拓扑的顺序，对以将h前网络层组播协议的实现方法分为:网优先(mesh-first) 多播、树优(tree-first)多播和隐含多播三类网优先多播协议中，多播成员首先分布式地组织形成一个网型的控制拓扑，在某一对 多播

8、组成员z间可能存在多条的连接路径.基于这个网型的拓扑，每一个多播组成员根据某 种路山协议分布式地计算出自己到每一个其它多播组成员的数据传输路径.然后可借助许多 网络层多播协议如dvmrp使用的转发逆向路径(reverse path forwarding)法可构造出基 于任一多播纽成员为树根的树型多播传输拓扑.narada就是属于这类的一种应用层多播协 议，也是最早提出的应用层多播协议之一相反地在树优先多播协议中，首先构建的是一个所有多播组成员共享的树型多播数据传 输拓扑，接着，每个多播组成员发现那些树型中与其不相邻的多播组成员，并分别建立连接 路径到这些成员，这样在树型拓扑基础上再加入这些新添

9、的连接路径构成网型的控制拓扑. 目前的yoid和hmtp都是属于这类的应用层的多播协议.隐含多播协议里,控制拓扑是冇协议使用的一定的算法将多播组成员事先组织成某种逻 辑结构基于这个逻辑结构，分別按照某种数据的转发算法来定义形成协议的控制拓扑巧数 据传输拓扑这样控制拓扑和数据传输拓扑都是在协议事先基于的逻辑结构中被定义，而不 需要像前面提到的两类多播协议一样来基于其屮之一构建形成另一者.并且协议只需维护多 播组成员事先组织成的逻辑结构，不需要去直接维护协议的控制拓扑与数据传输拓扑.这类 应用层多播协议由于不需要在多播组成员之间进行频繁的状态信息的通信交互，从而避免了 除数据传输之外的成员状态信息

10、通信的传输负载，因此特别适合于大规模的多播通信目前 这类应用层多播协议很多，如nice .can-multicast、scribe和bayeux i办议等.3应用纟r播的性能参数评价应用层组播协议一般用以下儿种方式：3.1数据分发路径的质量主要有下面三个指标：(1) 强度(stress).在一条物理链路屮发送相同数据包的数量.显然ip组播进行转发反而时 候并进行多于的复制，所以是最优值1.如图lb中1 一4的强度为2.(2) 伸展度(stretch).就是在覆盖网分发拓扑屮从源到成员的延迟与利用单播玄接传输的 延迟比例.(3) 资源利用率(usage).所有参加到数据传输的成员，他们的延迟和强度的乘积的总和. 这个指标用于评定传输过程屮网络资源的利用情况，假定链路的延迟越高，花费越人.3.2终端的性能(1) 失效后包丢失:单个节点突然失效后，平均的丢包数量强调突发事件发生的魯棒性(2) 收到笫一个包的时间:当成员加人到组中，收到第一个包的时间.3.3 控制负荷(control head)为了有效地利用网络资源，对每个成员的控制负荷必须尽量的小，这是能否很好扩展的 重要指标.4结束语应丿ij层的多播研究目标是构建高效的应用层的数据传输拓扑和川來维护这种拓扑的控 制拓扑以解决多播组的动态变化，目而的应用层多播研究也主要是研究构建这两种拓扑的