网格优先集中式应用层多播及其Java实现

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1、吉林大学计算机科学与技术学院网格优先集中式应用层多播及其 J a v a 实现提要I n t e r n e t 己经成为现代社会中信息交换的重要工具， 各种基于I n t e r n e t 的应用程序不断涌现。 现在的 I n t e r n e t 技术对点到点的单播( U n i c a s t ) 的支持已 经非常成熟， 但是对于多点之间的通讯却没有很好的解决方案，导致组通讯应用发展受到限制。传统的的I P 多播( I P M u l t i c a s t ) 方式被提出以 解决对组通讯的需求， 但是十几年来， 虽然投入了 大量的 研究， 但是因为其自 身的问 题，I P 多播一直

2、没有得到大范围的应用。最近，一种新的概念被提出一一应用层多播( A p p l i c a t i o n L e v e lM u l t i c a s t ， 简称A L M ) ， 改 变了I P 多 播在网 络层实 现多 播功能的想法， 转而在应用层实现多播服务。 应用层多播能够克服I F , 多 播的许多缺点， 有望能够在一定程度上代替I P 多播。这篇论文分析了当前几种应用层多播体系，通过分类比较他们各自的优点和缺点，得出设计应用层多播体系的较为优越的方式。同时，设计了一种新的应用层多播体系， 吸收了几种应用层多播体系的 优点， 进行了 理论分析核实验验证，能够较好的支持组通讯应

3、用的要求。卜5 2 场o原 创 性 声 明本人声明:所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的 指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己 经注明引 用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学 位 论 文 储 签 名 : 私t日期 : 年S月 t 6 日关于论文使用授权说明本人同意学校有权保留并向国家有关部门送交学位论文 的 复印 件， 允 许 论 文 被查阅 和 借阅。c不同 意 及国家有关机构有权公布论文的全部或部分内容 印、缩印或其他复制

4、手段保存论文。)学校 并采用影论文作者签名价 7 “f指导教师签名日期:R I- 03 十 ” 月 “ “日 期 ;- 2,3 . t , r 6吉林大学计算机科学与技术学院网格优先集中式应用层多播及其J a v a 实现第一章 引言1 . 1 问题的提出随着 I n t e r n e t 的迅猛发展， 网络用户人数正以几何级数快速增长， 以I n t e r n e t技术为主导的数据通信在通信业务总量中的比 例迅速上升， I n t e r n e t 业务已 成为多媒体通信业中发展最为迅速、 竞争最为激烈的领域。I n t e r n e t 网 络传输和处理能力的大幅提高， 使得网

5、上应用业务越来越多。工 n t e r n e t 已 经成为当 今世界必不可少的信息交流渠道，I n t e r n e t 作为一种信息传播手段革命性的改变了人们的生活。人们在使用I n t e r n e t 提供的服务获得便利的同时， 也不断提出新的需求， 新的需求刺激了 新的网络技术的发展， 使得I n t e r n e t 技术不断向前发展。 随着I n t e r n e t的发展，出 现了 视频会议、多人游戏、计算机协同工作等新的业务， 这些业务实现的多个网络节点之间的组通讯。 然而，目 前I n t e r n e t 上的 通讯主要限于两个主机之间的，或者说点到点的通讯，

6、组通讯并没有得到网络底层很好底支持。因此， 这些应用业务的发展， 由 于没有良 好的I n t e r n e t 网 络提供的服务， 受到很大程度的 制约。当前在 I n t e r n e t中实现组通讯的方式，一般采用两种方方法，一种是使用I n t e r n e t 的I P 多播( I P M u l t i c a s t ) 服务， 这种服务由T C P / I P 协议的I P 层实现，然而， 经过多年的努力， 因为其本身存在着很多的问 题 ( 详见1 . 2 ) ， 工 P 多播仍然没有获得广泛的应用。 另外一种方法。 就是不使用I P 多播服务， 通过使用所有组成员之间的

7、单播( U n i c a s t ) 通讯来实现数据的组通讯。我们称之为 “ 简单单播 ( N a i v eU n i c a s t )实现多播方式” 。使用简单单播实现多播的方式，由于实现简单， 一定程度得到使用，但是由 于其浪费带宽，效率低下，无法支持较大规模的多播。 这两种方式有各自 的优点，又都存在着明显的缺陷。 要使使用组通讯的网络应用得到充分发展，需要实现更优的网络多播服务。最近， 研究人员 提出新的多播解决方案应用层多 播。应用层多播是上述两种组通讯方式的折衷方案， 通过在应用层建立成员节点之间的虚拟网络，不依赖于I P多播模型支持，同时提供比 现存的全连通的 “ 简单单播

8、 ( N a i v e U n i c a s t ) 实现多播方式” 更加高效的多播方式。到目 前，出现了多种应用层多播的体系，这篇论文设计的工作的目 的是对现有应用层多播方式分类，分析各种应用层多播的优劣，吉林大学计算机科学与技术学院网格优先集中式应用层多播及其J a v a 实现设计一种新的高效应用层多播方式。1 . 2传晓的I P多播的简介1 9 8 9 年， S . D e e r i n g 在R F C 0 9 6 6 ( 1 中和R F C 0 9 8 8 2 ) 中 提出， 现有I n t e r n e t的I P 网络体系结构可以 用来支持I P 多播( I P M u

9、 l t i c a s t ) ， 他总结出: “ O S P F 的链路状态机制完全能被扩展用来支持组播， R I P的基本机制能被用来作为一种新的距离向量的组播路由协议的基础。 ” 这些论断提出了I P 组播的可能性。 在【 1 中，他给I P 多播的定义是:I P 多播是一个I P 报文到一个 “ 主机群”的传输， “ 主机群”是若干个由 单个I P 地址确定的主机。 随后， 一系列的R F C 文档逐渐确立了一组协议，用于在现有 I n t e r n e t 上实现 I P 多播的功能。在多播被提出之初，就确立在网络层 ( I P层) 实现多播功能的方式， 称为 I P多播，需要路

10、由 器的 支持，如图1 . 1 所示。在 I P v 4多播体系中， 使用D类 I P 地址表示一组主机， 范围从 2 2 4 . 0 . 0 . 0 到2 3 9 . 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 ， 并被划分为局部链接多 播地址、 预留多播地址和管理权限多播地址三类。 使用同 一个I P 多播地址接收多播数据包的所有主机构成了一个主机组， 也称为多播组。一个多播组的 成员是随时变动的，一台主机可以随时加入或离开多播组，多播组成员的数目 和所在的 地理位置也不受限制， 一台主机也可以属于几个多播组。此外， 不属于某一个多播组的主机也可以向该多播组发送数据包。为了向所有接收主机传

11、送多播数据， 用多播树来描述I P 多播在网 络中传输的路径。常见的多播树有两个基本类型:有源树和共享树。有源树是以多播源作为有源树的根，有源树的分支形成通过网络到达接收主机的分布树， 因为有源树以 最短的路径贯穿网 络， 所以也常称为最短路径树( S h o r t e s tP a t h T r e e , S P T ) 。 共享树以多播网中某些可选择的多播路由中的一个作为共享树的公共根， 这个根被称为汇合点 ( R e n d e z v o u s P o i n t , R P ) 。 共享树又可分为单向 共享树和双向 共享树。 单向共享树指多播数据流必须经过共享树从根发送到多播

12、接收机。双向 共享树指多播数据流可以 不经过共享树。吉林大学计算机科学与技术学院网格优先集中式应用层多播及其J a v a 实现本文主要从这几个方面介绍:第一部分:引言。提出当前多播问 题的 解决的现状，当前两种解决方法，即I P多 播和简单的单播实现多播的简单介绍以 及各自 的优点和缺点，引出综合两种方法的新方法，应用层多播。第二部分: 应用层多播研究分析，介绍了当前的应用层多播研究的主要项目 ，以及应用层多播的优缺点， 对应用层多播体系进行了 分类比 较。第三部分: 介绍了实现网 格优先集中 式应用层多播( M e s h - f i r s t C e n t r i cA p p l

13、i c a t i o n L e v e l M u l t i c a s t , M C A L M ) 三个算法的具体运行方式。第四部分: 用J a v a 实现应用层多播的实验结果， 分析M C A L M适用的组通讯类型。第六部分:结束语，研究工作的结论及工作展望。吉林大学计算机科学与技术学院网格优先集中式应用层多播及其J a v a 实现第二章 应用层多播研究分析2 . 1在应用层实现多播功能的今理性如果把多播看作一种给应用层提供组通讯的网 络服务， 那么就并不是只能在I P层 ( 网络层)实现多播功能，可以在包括应用层自 身之下任何一层实现多播功能。在【 4 】中， S a l

14、t z e r , R e e d , a n d C la r k ( S R C ) 分析了 在系 统设计时逻辑功能的 位置设定问题，这一论文中解释了，理论上逻辑功能可以在最高到最低层次上任何一个层次上实现， 但是为了获得最大的效能，应该将特定的功能在恰当的层次实现。 实现功能的 层次应该尽量的高， 端到端 ( E n d - t o - e n d ) 的功能， 最好在应用层实现， 因为在低层实现会面临两个困难:1 ) 大多数情况下，低层并不知道上层的功能需 要， 导致低层提供的功能不能满足上层的需求， 这样应用层不得不重复低层的功能。2 ) 不 使 用 低 层功能的 高 层功能 ， 不

15、 得 不为了 他 们不 使 用的 功能 也 付出 代 价。因为多播只是为终端主机提供组通讯服务，是端到端的功能， 所以在应用层实现多播， 是完全合理的。 另一方面， 应用层多播可以克服I P 多播本省固有的许多困难。 应用层多播兼具I P 多播和纯单播实现多播的 特点， 具有相当多的优点， 虽然不能完全取代I P 多播，但是可以 成为I P 多播一定程度上的替代品。根据应用层多播的特点， 不难直观地看出， 应用层多播和I P 多播相比， 潜在的优势在于 【 4 1 :1 ) 应用方便， 因为应用层多播的实现在应用层， 完全软件实现， 与I P 多 播需要路由 器以 及其他低层网络设备支持相比，

16、 具有相当强的灵活性， 应用方便，也便于开发研制新的应用层多播方式;2 ) 因为多播组的状态只为成员所保存， 而不需要路由器保存组的状态， 减轻了 路由 器的负担， 尤其是对于分布广的组，不需要所有的路由器都保存多播组底状态:3 ) 简化了对高层功能的支持。由于直接使用己 经很成熟的I n t e r n e t 单播技术，可以简单的实现对高层功能的支持，例如可靠性、拥塞控制。吉林大学计算机科学与 技术学院网格优先集中式应用层多播及其J a v a 实现2 . 2 应用层多摇研究相关工作在I P 多播被提出 之初， 采用了在网络层实现网络多播功能的方式。 经过十几年对I P多播应用的研究， 研究人员普遍发现虽然 I P多播似乎能够适合应用层对多播的要求， 但是实际上由 于I P多播自 身的 缺点，始终无法大范围 使用I P多播满足组通讯应用的要求。几乎是在同一时间，许多研究人员发现在应用层实现多播功能能够克服I P多播的许多困难，并且着手进行了深入研究。 这些研究的目 的虽然各有偏重， 但是都完全摒弃了现有的I P多播服务， 采用了在应用层实现多播服务的方式。