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基于不定叉树的应用层组播协议(1)

2015-03-30 01:01 摘 要 本文提出了一个适合小规模、低时延，基于不定叉树的应用层组播协议，重点讲述了协议的设计思想、节点故障修补算法和性能优化方法。协议已被成功应用到一个视频会议系统中，结果表明，这样的一个协议能很好的适应目前Internet上小规模多媒体应用层组播系统。 关键词 应用层组播；不定叉树；源指定树；路由树调整1 概述 自应用层组播的概念提出以来，已有很多各具特点的解决方案被提出。各个不同的应用层组播系统具有不同的设计目标及系统结构。如，ESM(End-System Multicast)[1]和ALMI[2]适合时延要求不高的小规模多对多通信，而Scattercast[3]和Overcasts[4]则支持大规模的数据递送系统。在系统结构方面，根据建立应用层组播拓扑结构时采用的方案，将这些系统分为两种：网优先(Mesh First)和树优先(Tree First)，网优先的系统会首先为覆盖节点建立一个网状的拓扑结构，然后按照某种路由协议来生成数据路由树，如ESM的Narada协议，会先构建一个网，然后通过修改后的DVMRP协议完成路由树的生成；而树优先的系统则是直接建立数据路由树，ALMI、 Overcast、 Host Multicastis[5]均属于这种系统。一般来说，网优先的系统稳定性更好，不会形成回路，树优先的系统则在效率上占优势。 在多源的应用层组播方案中，根据数据路由树的使用和维持，可以分为Shared Tree和Source-specific Tree两种。Shared Tree，就是所有的源使用同一棵树；Source-specific Tree，就是每个源维持一棵树，前者不能保证每个源都能获得较好的传输延迟。 本协议根据视频会议系统的应用特点，采用效率较高的树优先的拓扑结构，使用Source-specific Tree数据路由树策略。树的生成、维持由根(源)负责，集中点(RP)不参与，这点类似Host Multicast的做法，Host Multicast是分布的方式，每个组的数据路由树都有一个根节点，每个新的组成员加入时，都要从该根节点开始依次协商，直到找到一个距离最近的节点为止。2 基于不定叉树的应用层组播协议2.1 协议设计思想 我们的思路是，建立一个全分布的，支持多组、多源，低时延的，基于不定叉源指定树(Source-specific Tree)的Tree-First应用层组播协议平台。 由于目前Internet终端多数是以xDSL方式接入的，考虑到这些终端具有的极限带宽是上传512kbps(部分是1Mbps)，下载5Mbps(其余接入方式的终端一般具有更高的带宽)，假定每个源每秒产生的实时数据流量为150kbps(如视频会议)，按照90%极限上传带宽的可利用率，一个节点可以为3个节点实现分发任务；再假定组的规模控制在100个节点内，如果按照三叉树的组织结构，这样的树将不超过4层，经过4个节点的转发，其时延基本可以控制在5秒内。 基于以上的假设，我们将在组应用开始前建立n棵Source-specific Tree，n等于组的节点数，每个节点负责生成一棵以它为根的满三叉树。我们又知道，有的节点的上传能力可能不到3个，有的节点则可能超过3个，而且这种能力可能是变动的。由此，这些树必须根据网络的实际状态进行调整，节点的分发孩子个数视其能力变动而定，分发能力的判断，则通过孩子节点反馈RTCP信息包来计算丢包率。也就是说，满三叉树在应用预运行或运行后成为动态调整的不定叉树。2.2 节点加入 节点必须清楚自己属于哪个组，然后加入到合适的组中。 RP(集中点)为节点提供加入服务。任一个节点加入时，必须向RP报到，RP将新节点加入到组的节点列表中，然后将已加入的节点列表发给新节点，同时，向所有节点通告单个节点加入消息。2.3 满三叉树的生成2.3.1 “距离”与“距离”计算 节点一旦成功加入，马上与列表中的同组节点通信，估算节点之间的“距离”。所谓的“距离”，指的是节点间的传输延迟和带宽加权后的值，我们采取简单做法，就是测试1K UDP包来回所需的时间。我们采取如下算法计算NodeA和NodeB节点间的“距离”：TimeAS= Current Time of NodeANodeA Send 1K bytes to NodeB by UDP with TimeASNodeB Recvive packet from NodeA TimeBR= Time when NodeB Recvives the packetTimeBS= Current Time of NodeBNodeB Send 1K bytes to A by UDP with TimeAS, TimeBR and TimeBS Node A Recvive packet from NodeBTimeAR= Time when NodeA Recvives the packetDistanceAB=TimeAR- TimeAS- (TimeBS -TimeBR)2.3.2 树生成 开始时，每个源生成一棵不超过4层(源，即根，为0层)的满三叉数据路由树，树的生成依据这样的原则，在树中，离源较近的节点与源有更近的“距离”，而第2层的节点即与其第1层的父亲节点有更近的“距离” ，依此类推。 首先，根选择3个最合适的节点作为它的第一层子节点，然后，根分别通知这3个子节点，去寻找它们合适的孩子节点，过程不断重复，直到所有的节点都加入到树中。树的生成是由覆盖网中的所有节点协同完成的，因此其生成算法是分布的，算法如下：OnReceiveCreateTree (void *packet){ //根收到建树命令,每个节点都需要生成一棵以其为根的树 按”距离”大小选择3个孩子节点; 向选择好的节点发送邀请其成为我的孩子节点的请求包(以’我’为根的树);}OnReceiveInviteTobeChildReq(void * packet){//收到i邀请为其孩子的请求(j为根的树) if(我还没加入到以j为根的树)发送接受邀请的回应包; else发送拒绝邀请的回应包;}OnReceiveToBeChildReply(void * packet){//收到节点i对我邀请的回应(j为根的树)if(i接受我的邀请){ 将i置为 以j为根的树中的’我’的孩子; 将i加入到本地以j为根的树已入树节点列表; if(我是j)修改树结构;//根维持整棵树的结构描述,树生成后,分发给所有孩子}else { 将i加入到本地在建以j为根的树中拒绝我的节点列表; if(重新选择一个节点成功) 向被选择的节点发送邀请其成为我的孩子节点的请求包(以j为根的树);}if( (孩子数==3 ) || (已入树节点数 拒绝我的节点数==组节点数)){// 以j为根的树 if((我是j){ 将孩子节点列表打包; 向被选中的孩子节点发送选择孩子的命令; }else将孩子节点列表打包,发送给根; } }OnReceiveSelectChildrenOrder(void * packet){//收到根的选择孩子节点的命令 将包中已入树的节点列表复制到本地; for(int i=0; i