应用层组播概述及其研究发展

应用层组播概述及其研究发展

IP组播用于一对多、多对多、多对一的组通信。它是一种有效的数据传输应用，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中的冗余，节约了带宽，提高了传输效率。

应用层组播对组播功能的支持从路由器转移到终端系统，在终端之间运用原来的单播方式进行传输，这样不必改变原有网络中基础设施，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如图1所示。图1(a)为IP组播数据传输的方式，数据在网络内部的路由器上进行复制；图1(b)为应用层组播的数据包在网络的终端系统进行复制。

图1 应用层组播的模型

1.1 应用层组播的优点

(1)应用层组播能够很快就进入应用，不需要改变现有网络路由器。

(2)接入控制更容易实现。由于单播技术在这方面比较成熟，而应用层组播是通过终端系统之间单播来实现的，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)可靠性：终端系统的可靠性比路由器差。

(2)可扩展性：底层的路由信息对应用层组播来说是隐藏起来的，可扩展性不好。

(3)延迟比较大：IP组播主要是链路上的延迟，而在应用层组播中，数据还要经过终端系统，因而延迟相对要大一点。

(4)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，因此它们比IP组播的效率差。

1.3 应用层组播的性能参数

评价应用层组播协议一般用以下几种方式：

(1)数据分发路径的质量

主要有下面三个指标：

强度(Stress)：在一条物理链路中发送相同数据包的数量，显然IP组播进行转发的时候并进行多余的复制，所以是最优值1，如图1(b)中1～4的强度为2。

②伸展度(Stretch)：就是在覆盖网分发拓扑中从源到成员的延迟与利用单播直接传输的延迟的比例。

③资源利用率(Usage)：所有参加到数据传输中的成员，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中网络资源的利用情况，假定链路的延迟越高，花费越大。

(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鲁棒性。

②收到第一个包的时间：当成员加入到组中，收到第一个包的时间。

(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，这是能否很好扩展重要的指标。

2 最近应用层组播的研究发展

2.1 利他驱动的应用层组播ADALM机制

目前大多数应用层组播协议在设计时都假定节点是合作的，因此致力于研究组播结构的优化问题。但是，应用层组播的一个重要特点在于其数据分发节点是具有独立利益和策略的主机，主机会本能地想尽可能多地从系统获利，而尽量少地贡献自己的资源。应用层组播节点可能有意（为了减少数据转发负担）或者无意（因为节点处理能力或者带宽限制）地停止转发某些数据段，我们称之为节点的自私行为，这种行为会降低组播会话的总体性能。

为了解决节点的自私行为，提出了一种利他驱动的应用层组播ADALM机制。ADALM监测节点行为、依据节点对系统的转发贡献计算出节点利他值，然后根据节点

利他值进行组播树的构造，使得利他值越高的节点离数据源（RP，也称根节点）越近。在ADALM中，所有的节点相互协作来计算利他值，构造组播树。

2.2 多源交互式应用层组播路由协议

目前大多数应用层组播的研究集中在文件共享、多媒体数据流分发等领域，着重提高整个系统的吞吐量，对实时性较强的多源交互式应用则未予考虑。与路由器相比，处于应用层的终端节点其可靠性和网络延迟性能都比较差，而多源交互式应用对延迟、可交互性及可扩展都有非常高的要求，因此，采用应用层组播实现多源交互式应用则需要考虑应用的独特需求。

Thunder协议通过两层组播网络来支持大规模交互式应用，将多源交互式组播组分为核心网和外围树两个部分。核心网以交互过程流畅进行为目标通过Mesh-tree的结构来简化建立组播树的过程，为每个成员建立一棵组播源树，以求快速转发数据到所有交互成员；外围树允许更多的成员接收组播数据，却不会影响交互过程，提高协议的扩展性．但不同成员生成的交互式组播操作之间有着很强的关联性。

2.3 基于虚拟P2SP( peer to server＆peer)架构的应用层混合组播模型VPHM

在三网融合的趋势下，大规模数据分发技术、组播技术和P2P技术得到了日益广泛的应用。由于应用层组播依赖于端节点，因而端节点的不稳定将导致应用层组播稳定性受到影响，端节点的失效或频繁退出组播拓扑将严重影响同路径其他节点接收组播数据的连续性和稳定性，增加了抖动，降低了组播服务质量。

为了在异质网的条件下提高组播的鲁棒性，基于非中心化的P2P技术的混合组播是不错的解决方案。然而为了减少P2P流量对骨干网带宽的消耗必须限制其范围，分层分簇的方法较好地弥补了这一不足。基于虚拟P2SP的应用层混合组播模型VPHM，在吸收了P2P技术非中心化的特点的同时又兼有传统组播的固定源节点的优势，其较好地解决了节点加入和退出的高动态性和难预测性所带来的组播拓扑维护的困难性和复杂性。2.4 支持多点交互同步的应用层组播路由算法PMR

随着传输带宽和多媒体技术的不断提高和发展，面向Internet的视频会议系统有着越来越广泛的应用前景。多点视频会议MVC在同一时间内允许存在多个交互视音频源(简称交互节点)，任意参与节点可以接收所有交互节点的视音频数据，它是一种最复杂、交互性最强的视频会议形式。

应用层组播是一种非常有效的实时数据分发方法，提高应用层组播性能的关键是数

据流在端节点之间如何选择有效的转发路径——应用层组播路由算法.组播路由算法需要满足MVC的3项应用性能要求:低延迟、低丢包率和多点交互同步。在MVC应用中，多个交互节点的视音频数据存在交互性，即指不同源的多路数据流在呈现时间上有先后顺序。如何使得节点在接收到不同源的多路数据流后，按照合理的时间顺序呈现给用户，是MVC的一项技术难题——多点交互同步问题。

在数据分发过程中如何有效地选择分发路径，以保证不同源的多路数据流到达每个节点的时间顺序与从数据源发送的时间顺序一致的方法，称为支持多点交互同步的应用层组播路由(简称同步组播路由)。同步组播路由的优点是：(1)无须在客户端使用同步控制器；(2)数据帧到达节点后可立即播放，无需大量的接收缓冲和额外的同步处理，减少数据帧的播放缓冲时间，加快交互响应过程；(3)无需节点的时钟同步操作，降低了系统复杂性。因此，与传统方法相比，同步组播路由更适合MVC应用的需求。

新算法PMR的特点是在每个交互节点与共享树中最长路径的中点之间建立一条辅

助传输链接，从而缩短交互节点到其他节点的传输距离。新算法还进行有效的数据分流，均衡网络流量负载，从而降低丢包率。

PMR在交互同步、延迟和丢包率方面具有良好的实际性能，具有综合优势。支持多点交互同步的组播路由不但能够有效地解决多源交互式数据流的同步呈现问题，而且可以减少数据帧的播放缓冲时间2秒~3秒，加快交互响应。

2.5 基于节点异构性的应用层组播算法

为降低组播树的维护开销、改善组播树的负载平衡、提高组播树的性能，给出一种基于节点异构性的应用层组播算法，与已有的应用层组播算法相比，综合考虑了节点的异构性(动态计算节点异构性，综合考虑节点的网络转发能力和计算能力来)，提出了全新的组播树构建策略并通过黄牌节点的数量来及时调整组播树。

NICE没有考虑节点能力的异构性，可能造成能力差的节点处于转发树的高层，这将成为组播转发树的性能瓶颈。于是在充分考虑节点异构性的基础上，提出了一种基于节点异构性的应用层组播算法，它采用节点的可用出度、在线时长、结合节点网络出度和节点计算能力来描述节点的服务能力，并运用优先队列的思想，快速构建组播树并根据黄牌节点数目大小适时调整优化组播树，试图降低服务延迟，生成负载更均衡、整体性能更优更稳定的应用层覆盖网络。

该算法在性能上有一定的改进，大大降低了端到端的延迟和平均链路伸展长度，提