基于Overlay网络的应用层组播系统的研究与实现

摘要

Internet上流媒体，视频会议和视频点播等多媒体业务的应用日益广泛。点对点传输的单播方式已经不再能适应这一类业务的传输特性，于是组播技术成为研究的热点，它的出现解决了网络数据冗余的问题，尤其对于音频和视频数据，可以节省大量网络资源。目前IP组播的服务模型和协议存在着一些不足，使得它至今没有能在Internet上得到广泛部署，人们于是开始把目光转向其它IP组播的替代方案，应用层组播就是其中重要的一种。 应用层组播将组播功能从路由器转移到端系统，由端系统完成所有组播组通讯的功能，如成员管理、数据包复制和分发。组成员之间建立一个叠加在IP网络之上的、实现组播业务的功能性网络，在这个网络中构建Overlay组播树。 本论文主要研究基于Overlay网络的应用层组播系统，提出了一个新的应用层组播协议，对它进行仿真和分析，设计并实现了基于这个协议的原型系统，论文的具体研究和实现工作包括以下几方面： ◇对现有的应用层组播系统进行研究，分析他们各自的特点、优势与存在的问题，找出自己研究的切入点。 ◇应用层组播系统结构的研究。阐述了客户端一代理服务器两层结构的优势：它能够更好的应用于现有的Internet环境中，提高系统的可扩展性；针对实时应用的特点，只让转发能力较强、稳定性较高的服务器节点参与组播树的构建，避免性能瓶颈。 ◇提出了一个新的应用层组播协议-ALMP。它主要面向实时应用，利用根节点维护整个组播树的结构，节点可以高效的加入和离开组播树。ALMP主要面向实时应用，这类应用对QoS，即延时和带宽要求较高，不同于大多数现有系统认为每个节点的需求带宽相同，ALMP可以针对异构端系统对延时和带宽的不同需求和不同服务能力提供可定制的服务。另一方面，ALMP提出了可能父母节点的优先级计算方法，对可能父母集合的大小进行限制，新成员只需要得到一定数目的可能父母的信息就可以找到较合适的父节点加入组播树，减少了加入代价。 ◇对ALMP进行仿真。以树相对延时代价和加入代价作为测度，证明ALMP的有效性。 ◇实现应用层组播原型系统-ALMS。ALMS采用Peer-to-Peer结构与客户端—代理服务器混合的体系结构，运行ALMP，用XML技术对用户的不同需求进行描述，并用JMF技术实现了视频文件的传输。 ◇对原型系统进行测试。测试结果表明ALMS的各个模块正常工作，组播树上的接收者可以根据自己的要求接收到较为流畅的视频文件，达到了最初的设计目标。 本论文研究内容来源于国家自然科学基金项目“下一代网络服务体系结构和关键技术的研究”。

目录

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摘要

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1 IP组播

1.1.2 IP组播存在的问题

1.1.3应用层组播

1.2研究现状

1.3论文内容和相关工作

1.4论文的创新工作

1.5论文结构

第二章基于Overlay网络的应用层组播路由协议的研究

2.1 Overlay网络概述

2.1.1 Overlay网络的定义

2.1.2 Overlay网络的技术优势

2.2 Overlay组播系统分类

2.3现有的典型Overlay组播系统

2.3.1 ALMI(Applicationlevel multicast infrastructure)[13]

2.3.2 HMTP(Host Multicast Tree Protocol)[35]

2.3.3 Scribe[9]

2.4应用层组播性能的评价标准

2.5对现有应用层组播方案的分析

第三章Overlay组播体系结构的研究

3.2应用层组播体系结构(ALMSA)

3.3 ALMSA的优势

3.4INSA参考模型与应用层组播系统的协议栈模型

3.4.1 INSA参考模型[45]

3.4.2应用层组播系统的协议栈模型

第四章应用层组播协议ALMP

4.1问题的形式化描述

4.2算法复杂性分析

4.3覆盖网络层-PASTRY[22]

4.3.1 Pastry节点的状态信息

4.3.2 Pastry的路由机制

4.3.3 Pastry节点的加入和失效处理机制

4.4应用层组播协议ALMP

4.4.1 ALMP的概述

4.4.2创建组播组

4.4.3加入组播组

4.4.4离开组播组

4.4.5节点失效的处理

4.4.6树结构的优化

4.5运行ALMP的开销

4.5.1 ALMP的空间复杂性分析

4.5.2 ALMP的时间复杂性分析

4.6ALMP应用举例

4.7ALMP仿真

4.7.1仿真环境

4.7.2仿真内容

4.8ALMP的性能分析

4.8.1加入效率

4.8.2组播树性能

4.8.3可扩展性分析

4.8.4 ALMP适用的应用

第五章基于Overlay网络的应用层组播原型系统的实现

5.1原型系统概述

5.2原型系统的结构

5.3原型系统的功能模块框架

5.5 ALMP模块实现

5.5.1组播树结构的定义

5.5.2组播组管理

5.5.3覆盖网络节点之间的消息格式

5.5.4组成员管理

5.5.5 ALMP中节点的状态

5.5.6 ALMP模块向上层提供的主要API

5.6服务定制模块实现

5.7多媒体传输模块实现

5.7.1 JMF工具

5.7.2 RTP/RTCP协议

5.7.3媒体流发送和接收过程

第六章原型系统的测试

6.1测试目标

6.2测试环境

6.3测试流程

6.4测试结果

6.5测试结果分析

第七章结束语

7.1论文总结

7.2应用层组播未来的发展方向

7.3未来的工作

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目及作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文