互联网组播综述

互联网组播综述

摘要:本文主要就互联网组播的分类与发展进行综述。

关键词:互联网IP组播应用层组播

诚如著名的计算机科学家Andrew S. Tanenbaum教授所言:“过去的300年中,每个世纪都有一种主流技术”[1],18世纪是机械时代,19世纪是蒸汽机时代,20世纪则是信息时代。以计算机理论和技术为核心的信息科学的迅猛发展和广泛应用,正在对人类社会以及人们的工作方式、生活方式和思维方式产生深远的影响。而作为计算机技术与通信技术紧密结合、优势互补的创新成果,计算机网络的出现和快速发展无疑是二十世纪最具代表性的科学与技术奇迹之一。互联网便是计算机网络最成功的范例。自1969年美国的ARPA和英国的NPL首次建成分组交换计算机网络以来,互联网走过了40多年的建设和发展历程,其性质已经从最初的覆盖范围有限、功能相对单一的小规模试验网络,发展成为今天这样一个由多种计算机网络组成的、提供多元化服务的全球性巨型信息网络。

随着互联网技术的不断发展,新型应用的大量涌现以及互联网商业化趋势的出现,人们对其应用和服务提出了更多更高的需求,主要包括服务质量保证、网络安全保障、移动性支持、组播支持、高效资源控制、大规模扩展能力、电信级计费等需求。与此同时,互联网的商业化又进一步导致其社会化。今天的互联网已经成为人类信息社会主

流的一个重要组成部分。与人类的经济活动、文化活动、政治活动等类似,社会各个组织、集团或群体除了共同参与互联网的建设外,往往还因各自不同的甚至相互对立的利益而发生争斗,从而产生了 D. Clark所说的“扭斗”(Tussle)[2]现象。除此之外,现代计算机网络还面临着服务定制、资源控制和用户管理三大难题。研究表明,以上问题都与传统互联网体系结构过于简单有着密切关系。

目前,互联网的服务提供方式正在从核心路由器(网络层)向端系统(应用层)迁移。在这种趋势下,基于应用层技术的应用层网络(亦称覆盖网络)技术正在迅速兴起。该技术的主要思想是由位于核心网络之上且分布于网络边缘的端系统来构建虚拟网络并提供特定服务,其最大的优势在于无需改变底层网络通信基础设施,部署灵活方便,投入产出比高。目前已经提出了一系列应用层网络服务的解决方案[3][4],其中,组播服务作为一个关键的研究领域受到了广泛关注与讨论。

1 组播

在计算机网络技术不断发展的过程中,FTP、HTTP、SMTP等传统网络服务已经越来越难以满足人们对信息业务的需求,以视频点播、远程教育、网络多媒体新闻、多方在线游戏等为代表的新型网络应用正在人们的日常生产和生活中扮演着日益重要的角色。这类应用的一个共同特点是:数据报文在一个组内以一对多或者多对多的形式

进行传输。如果采用传统的点对点单播(Unicast)方式,数据发送者就必须维护每个接收者的信息,向它们单独发送数据报文。当接收者数目很多时,发送者必须要有很高的数据传输速率。另外,相同的数据报文可能在同一个链路上重复传输,消耗了大量的网络带宽。因此需要一种专门的组传输机制处理此类问题,这就是组播(Multicast)。与单播不同的是,组播中数据报文的拷贝由具有组播功能的中间系统来完成,因此节省了大量的网络通信资源,提高了通信效率。

早在1988年,S. Deering博士就提出了IP组播机制。这是最早、最有效的组播传输机制。在IP组播中,每组会话都通过一个组播地址([IPv4]: 224.0.0.0～239.255.255.255; [IPv6]: FF::)标识,即每个组播组对应一个组播地址。于是发送方只需要向相应的组播地址传输一次报文,就可以保证所有的组成员都收到这个报文。这种方式避免了在链路上传输重复报文,从而节省了网络带宽,可实现高效的组播通信。IP 组播包括两类基本协议:组管理协议和组播路由协议。一种流行的IP 组播体系结构一般是基于IGMPv3、DVMRP、MOSPF、PIM-SM和MBGP这些协议构建的。

尽管人们在IP组播的研究方面倾注了大量时间和精力,但是从目前互联网中的应用情况来看,IP组播并没有获得预期的成功。较为典型的应用基本上都属于试验性质的局部范围的部署,全互联网范围内的部署尚未实现[5]。

IP组播难以在互联网上有效部署的困境引发了人们对“网络层是

否是部署组播功能的最佳层次”这一问题的反思,而近几年来兴起的应用层网络技术则为该问题的解决提供了新的思路。研究人员开始尝试借鉴IP组播的基本设计思想,在应用层建立组播机制作为替代,进而提出了应用层组播的概念。在应用层组播体系结构下,网络层仍采用IP单播进行数据传输,组播的相关功能模块(包括组管理、成员管理、报文复制、数据转发等)均在终端主机上实现。端系统节点之间通过一定的应用层组播协议和算法构成一棵应用层组播树,数据源点沿着该组播树向数据接收节点发送数据,每个非叶子接收者在接收数据的同时还要向其儿子节点继续转发。

应用层组播保持了互联网原有的简单、不可靠、单播的转发模型,相对于IP组播来说,其优势主要体现在易于部署、扩展性好、灵活性高等方面。然而,要使其最终成为替代IP组播的切实可行的方案,还必须解决好传输高效性、组播可靠性、控制开销等方面的问题。

2 结语

上世纪90年代以来,互联网逐渐从一个规模较小、功能单一的科研试验网络发展成为一个提供多元化服务的商业网络。如今随着技术的快速发展和商业化进程的不断演进,全球网络用户数已经达到空前规模,互联网成为人类信息社会主流的一个重要组成部分。为满足人们日益增长的生产、生活需要,大量的新型网络应用应运而生,其中,以

视频点播、视频会议、远程教育、网络电视和在线多方游戏等为代表的流媒体组播应用成为广受用户欢迎的业务之一。IP组播由于多方面的原因,很难在互联网上部署成功,而应用层组播无需改变下层网络基础设施,易于实现、部署灵活,因而成为近年来网络组播领域研究的热点。

参考文献

[1] Tanenbaum A S.计算机网络[M].第4版.潘爱民译.北京:清华大学出版社,2004.1-2.

[2] Clark D D,Wroslawski J,Sollins K R,et al.Tussle in Cyberspace:Defining Tomorrow’s互联网[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2005, 13(3):462-475.

[3] Chu Y H,Rao S G,Zhang H.A Case for End System Multicast[C].In Proceedings of ACM SIGMETRIC,2000, 28(1):1-12.

[4] Wang L,Pai V,Peterson L.The Effectiveness of Request Redirection on CDN Robustness[C].In Proceedings of the 5th Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI).Boston, Massachusetts,USA, 2002.345-360.

[5] Diot C,Levine BN,Lyles B,et al. Deployment Issues for the IP Multicast Service and Architecture[J]. IEEE Network,2000,14(1):78-88.