摘 要：組播是網(wǎng)絡(luò)中單個發(fā)送者對應(yīng)多個接收者的一種網(wǎng)絡(luò)通信?？煽拷M播是探究一種組播數(shù)據(jù)傳輸可靠性保證的機制，差錯恢復(fù)機制是可靠組播協(xié)議最基本的部分。主動網(wǎng)絡(luò)是一種允許用戶對網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點進行編程的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在主動網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有計算能力，許多傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的難題在主動網(wǎng)絡(luò)中可以有較好的解決方案。

關(guān)鍵詞：組播；可靠性；主動網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP393

1 組播是網(wǎng)絡(luò)中多用戶之間進行數(shù)據(jù)通信所采用的通信方式，單個發(fā)送者對應(yīng)多個接收者的一種網(wǎng)絡(luò)通信方式

IP通信有三種方式：一種是單播，即把數(shù)據(jù)從單個的源端發(fā)送到單個的目的端，是一對一的。如果要發(fā)送數(shù)據(jù)到多個目的端，會產(chǎn)生大量重復(fù)的數(shù)據(jù)包。一種是把數(shù)據(jù)從源端發(fā)送到同一網(wǎng)段中的所有主機，一點對所有點，即廣播。采用廣播方式不能實現(xiàn)跨網(wǎng)段發(fā)送。單播和廣播通信方式都不能有效解決單點發(fā)送、多點接收的問題。

組播是從單個的源端把數(shù)據(jù)發(fā)送到一組目的端，是一對多的。其基本原理是：組播源僅發(fā)送一次信息，組播路由協(xié)議為組播數(shù)據(jù)包建立樹型路由，被傳遞的信息在盡可能遠的分叉路口才開始復(fù)制和分發(fā)，最后到達組內(nèi)的各個目的主機，信息能夠被準(zhǔn)確高效地傳送到組內(nèi)的所有用戶主機。

組播通信中的關(guān)鍵技術(shù)如下：組播源向一組確定的接收者發(fā)送信息，用組播地址機制來標(biāo)識這組確定的接收者；接收者通過加入組播組來實現(xiàn)對組播信息的接收，而接收者可以通過組成員關(guān)系管理來動態(tài)地加入或離開組播組；組播報文在網(wǎng)絡(luò)中是如何被轉(zhuǎn)發(fā)并最終到達接收者的，組播報文在網(wǎng)絡(luò)中沿著樹型轉(zhuǎn)發(fā)路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)，該路徑稱為組播轉(zhuǎn)發(fā)樹；組播報文的組播轉(zhuǎn)發(fā)樹是如何由各組播路由協(xié)議來完成構(gòu)建的。組播可以在網(wǎng)絡(luò)的各個層次上實現(xiàn)：物理層（如衛(wèi)星、以太網(wǎng)），網(wǎng)絡(luò)層（IP組播）和應(yīng)用層（覆蓋組播/應(yīng)用層組播）。

在一個網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)IP組播數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，必須在各個互連設(shè)備上運行可互操作的組播路由協(xié)議。組播協(xié)議可分為主機與路由器之間的組管理協(xié)議和路由器與路由器之間的組播路由協(xié)議。組管理協(xié)議包括IGMP，即Internet組管理協(xié)議。組播路由協(xié)議分為域內(nèi)組播路由協(xié)議（PIM-DM，PIM-SM，DVMRP，MOSPF，CBT等協(xié)議）及域間組播路由協(xié)議（MBGP等等）。域內(nèi)的組播路由協(xié)議又分為密集模式與稀疏模式。為了有效地抑制組播數(shù)據(jù)在鏈路層的擴散，還有IGMP Snooping、HGMP等二層組播協(xié)議。組播管理協(xié)議IGMP運行在主機和路由器之間，作用是使路由器了解網(wǎng)段上有沒有組播組成員。組播路由協(xié)議運行在組播路由器之間，作用是建立和維護組播路由，完成正確高效地轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳播路徑可以用一棵樹來描述—組播分布樹。

組播分布樹有兩種形式：有源樹和共享樹。有源樹的樹根是組播信息流的來源，是以組播源為根構(gòu)造的從根到所有目的端路徑都最短的分布樹，也稱最短路徑樹。與有源樹以信息源作根不同，共享樹使用網(wǎng)絡(luò)的某些點（路由器）作公用樹根。這個根常被稱作匯合點RP。網(wǎng)絡(luò)中的所有組播接收者都以RP為樹根，接收各自的組播數(shù)據(jù)，形成一棵共享樹，即組播源把信息發(fā)送到匯合點再進行組播。

組播把一個數(shù)據(jù)包從一個源端發(fā)出到一組目的端，在一個路由器上，一個數(shù)據(jù)包的備份可能從多個端口發(fā)出。如果存在環(huán)路，就可能有數(shù)據(jù)包回到輸入的端口，這個數(shù)據(jù)包又復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)到其他端口上，這會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包不斷在路由器、交換機復(fù)制，產(chǎn)生多播風(fēng)暴。所以組播路由器必須知道多播包的源，分辨數(shù)據(jù)包的流向，上游接口和下游接口，通過一定的策略形成組播樹。

2 支持IP組播的標(biāo)準(zhǔn)傳輸層協(xié)議為UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議），因而組播數(shù)據(jù)包的傳輸是不可靠的

IP層的組播通信只提供盡力型服務(wù)，因此數(shù)據(jù)包丟失和數(shù)據(jù)包亂序是可靠組播面臨的問題?？煽拷M播是指發(fā)送者所發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包正確地到達所有組播組成員。

按照組播應(yīng)用對延遲的要求，可分為實時、延遲敏感、延遲不敏感三類應(yīng)用。實時組播應(yīng)用，在數(shù)據(jù)包不能在規(guī)定的延遲時間內(nèi)到達目的端時，會丟棄數(shù)據(jù)包，因為延遲太久的數(shù)據(jù)對于應(yīng)用是無用的。這類應(yīng)用如視頻會議等。對于延遲敏感組播應(yīng)用，傳輸?shù)牡脱舆t會帶來更好地用戶體驗。如在線聊天、交互式游戲等。這類可靠組播協(xié)議主要是在有效使用網(wǎng)絡(luò)帶寬的基礎(chǔ)上提供低延遲的可靠傳輸。對于延遲不敏感的組播應(yīng)用，對延遲沒有較高要求，主要是對數(shù)據(jù)包的正確和完整有嚴格要求。這類組播協(xié)議主要進行數(shù)據(jù)重傳和丟失數(shù)據(jù)包的恢復(fù)。可靠組播的機制主要包括差錯控制機制和擁塞控制策略。

可靠組播可以表達為：可靠組播=IP組播+差錯控制+擁塞控制。差錯控制機制主要包括差錯檢測、差錯報告和差錯恢復(fù)?？煽拷M播的關(guān)鍵問題是如何根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)包丟失情況來迅速高效的恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包。

3 主動網(wǎng)絡(luò)是一種新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，通過對網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)上傳輸包的控制，提供動態(tài)處理和可編程能力來提高網(wǎng)絡(luò)的智能性

在主動網(wǎng)絡(luò)中，路由器具有計算能力，因此許多傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的難題在主動網(wǎng)絡(luò)中可以有較好的解決方法。主動網(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分為兩大類，即網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點主要是指路由器，網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點指用戶主機。在主動網(wǎng)絡(luò)中，不僅邊緣節(jié)點具有運算能力，而且內(nèi)部節(jié)點也具有運算能力。用戶可以根據(jù)自身需要在主動網(wǎng)絡(luò)上加載各種代碼，改變網(wǎng)絡(luò)的功能和行為，使網(wǎng)絡(luò)更靈活，功能更強大。

主動網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)有三類：（1）主動包把可執(zhí)行代碼加載到主動節(jié)點并執(zhí)行；（2）可執(zhí)行代碼駐留在主動節(jié)點上，主動包通過攜帶的標(biāo)識調(diào)用代碼；（3）上面兩種結(jié)合的方法。

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，為了提高傳輸效率，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不參與可靠性工作。主動網(wǎng)絡(luò)中主動節(jié)點不僅參與可靠性工作，并且可以通過定制節(jié)點的功能，有效地提高傳輸效率。主動網(wǎng)絡(luò)中組播通信協(xié)議的分層模型如下圖所示。

圖1 主動網(wǎng)絡(luò)中組播通信的協(xié)議分層模型

其中IP層，不保證數(shù)據(jù)的可靠性，主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。組播通信層為應(yīng)用層提供面向連接的可靠數(shù)據(jù)流服務(wù)，分為管理子層和可靠性子層。管理子層實現(xiàn)會話連接的建立與釋放等功能，可靠性子層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。組播通信層使用主動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在封裝體中包含處理可靠性的程序，發(fā)送者、接收者和可靠主動節(jié)點通過執(zhí)行程序，完成可靠性處理工作。應(yīng)用層通過選擇可靠主動節(jié)點實現(xiàn)對組播通信層服務(wù)的動態(tài)定制。

根據(jù)分層模型的功能，主動節(jié)點分為可靠主動節(jié)點和前傳主動節(jié)點。前傳主動節(jié)點與傳統(tǒng)節(jié)點功能相似，但采用主動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)其功能?？煽恐鲃庸?jié)點實現(xiàn)組播通信層的可靠性子層，不進行連接管理工作。

可靠主動節(jié)點應(yīng)具有如下基本功能：（1）檢測錯誤及處理NACK。能檢測數(shù)據(jù)封裝體是否出錯，并能處理下級節(jié)點的NACK；（2）數(shù)據(jù)緩存。每個可靠主動節(jié)點都能緩存數(shù)據(jù)，用于子節(jié)點丟失數(shù)據(jù)的局部恢復(fù)；（3）局部組播。使用局部組播的方式響應(yīng)子節(jié)點的NACK。

當(dāng)封裝體到達可靠主動節(jié)點后，會檢查封裝體是否完整和是否丟失封裝體，如果封裝體丟失或封裝體不完整，則請求重傳，直到接收到正確封裝體，才會傳送到下一節(jié)點。而前傳主動節(jié)點的處理方式不同，不會進行檢測，直接傳送到下一節(jié)點。應(yīng)用層可以對組播服務(wù)進行定制。

在發(fā)送數(shù)據(jù)前，根據(jù)應(yīng)用程序的要求和網(wǎng)絡(luò)的可靠性，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)中達到性能要求的主動節(jié)點聲明自己是可靠主動節(jié)點，應(yīng)用層來動態(tài)定制可靠主動節(jié)點，選擇確定網(wǎng)絡(luò)中可靠主動節(jié)點的數(shù)量和位置。可靠主動節(jié)點主要負責(zé)向上級可靠主動節(jié)點反饋NACK和處理下級可靠節(jié)點的重傳請求。在高可靠性網(wǎng)絡(luò)中，封裝體出錯的幾率較小，可以規(guī)定高性能的參數(shù)，定制較少的可靠性節(jié)點，提高傳輸效率。在低可靠性網(wǎng)絡(luò)中，正好相反，封裝體出錯幾率較大，設(shè)置低性能參數(shù)，定制較多的可靠性節(jié)點，使NACK反饋和重傳數(shù)據(jù)包的壓力分散，可以避免NACK爆炸，有利于局部數(shù)據(jù)的恢復(fù)。

可靠組播應(yīng)用的差錯控制主要有兩個方面：差錯檢測與差錯恢復(fù)。差錯檢測是發(fā)現(xiàn)丟棄的數(shù)據(jù)包。差錯恢復(fù)是重傳丟棄的數(shù)據(jù)包。對于差錯檢測，主要問題是如何檢測到差錯和誰來檢測差錯。差錯的檢測方法有基于間隔的模式和基于定時器的模式。基于間隔的模式是當(dāng)接收者連續(xù)收到的數(shù)據(jù)包序號不連續(xù)時，則檢測到丟包?；诙〞r器的模式是設(shè)置一個定時器，當(dāng)出現(xiàn)超時，還沒有收到數(shù)據(jù)包時，則檢測到丟包。有基于接收者和基于發(fā)送者兩種檢測模式?；诮邮照叩臋z測模式可以采用上面兩種策略。基于發(fā)送者的檢測模式只能應(yīng)用基于定時器的策略。差錯恢復(fù)是可靠組播協(xié)議最基本的功能，它主要是重傳丟失的數(shù)據(jù)包，使數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確完整地到達所有的組成員。關(guān)鍵問題在于如何恢復(fù)差錯和由誰負責(zé)恢復(fù)差錯。出現(xiàn)差錯重傳數(shù)據(jù)包的方式有兩種：單播和組播。單播是一對一的重傳數(shù)據(jù)包，適合小規(guī)模的差錯恢復(fù)。組播適合較大規(guī)模的差錯恢復(fù)，對一組接收者進行數(shù)據(jù)包重傳。根據(jù)重傳者是誰，可分為：集中的差錯恢復(fù)和分布的差錯恢復(fù)。由發(fā)送者進行的重傳是集中的差錯恢復(fù)。由其他任何節(jié)點進行的差錯恢復(fù)是分布的差錯恢復(fù)。由差錯檢測模式的不同和差錯恢復(fù)模式的不同，組合成了不同的可靠組播協(xié)議。

在主動網(wǎng)絡(luò)中，路由器直接參與可靠組播協(xié)議，使用組播路由樹而無需另外構(gòu)造邏輯樹?；谥鲃泳W(wǎng)絡(luò)的思想，陸續(xù)出現(xiàn)了多個基于主動網(wǎng)絡(luò)的可靠組播傳輸協(xié)議，如ARM等。主動可靠組播協(xié)議的可靠性策略大都基于主動節(jié)點來實現(xiàn)的。在ARM中，并不要求所有的路由器都是主動節(jié)點，也不要求所有主動節(jié)點支持各種機制，協(xié)議的性能隨著主動節(jié)點的數(shù)目和功能的增強而降級。

ARM主要包括主動緩存支持的本地恢復(fù)，NACK在主動節(jié)點上匯聚及主動節(jié)點支持的重傳范圍精確限定。

（1）緩存機制，實現(xiàn)本地恢復(fù)策略。在ARM協(xié)議中，主動節(jié)點都維護著一個軟狀態(tài)的緩存區(qū)，用于緩存所接收到的組播數(shù)據(jù)包。ARM并不要求每個主動節(jié)點緩存所有的數(shù)據(jù)包，不同的主動節(jié)點遵循盡力而為原則來緩存數(shù)據(jù)包。當(dāng)接收者產(chǎn)生的NACK消息向上游傳送時，處于其路徑上的主動節(jié)點會搜索自己是否有緩存數(shù)據(jù)包，如果有，則進行重傳，僅當(dāng)其緩沖區(qū)沒有該數(shù)據(jù)包時，才向其他主動節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該NACK消息。ARM采用主動節(jié)點緩存策略可以減少恢復(fù)的延遲和將發(fā)送者的差錯恢復(fù)壓力分散到不同的主動節(jié)點。ARM 協(xié)議數(shù)據(jù)包的頭部有一個TTL域，用來標(biāo)識數(shù)據(jù)包在主動節(jié)點緩沖區(qū)保留的時間。當(dāng)緩存時間超過TTL時，會自動將數(shù)據(jù)包清除。當(dāng)緩沖區(qū)已滿，有數(shù)據(jù)報要進入緩沖區(qū)時，會有先進先出和丟棄尾部數(shù)據(jù)包的管理策略。

（2）NACK匯聚。在傳統(tǒng)的IP組播網(wǎng)絡(luò)中，路由器維護著組播組、發(fā)送者地址和所有它繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)的接收者（或路由器）的地址。在ARM中，主動節(jié)點（路由器）也會短時間保存一些關(guān)于它將處理的差錯信息：一個NACK記錄、一個REPAIR記錄，也包括此差錯相應(yīng)的組播數(shù)據(jù)包。NACK記錄包含最高的NACK計數(shù)（發(fā)送次數(shù)）和一個訂閱位圖用于記錄發(fā)來NACK消息的鏈路。主動節(jié)點依據(jù)NACK記錄來決定如何處理收到的NACK消息。如果一個NACK消息報告的差錯已經(jīng)被報告過，則此NACK消息被直接丟棄；否則需進行進一步處理。當(dāng)進行數(shù)據(jù)包重傳時，訂閱位圖可指導(dǎo)在哪些鏈路上進行轉(zhuǎn)發(fā)。針對組播數(shù)據(jù)包p，在REPAIR記錄構(gòu)建后包含了已經(jīng)進行了數(shù)據(jù)包p轉(zhuǎn)發(fā)的鏈路集合。如果主動節(jié)點收到了一個針對數(shù)據(jù)包p的NACK消息，而該接收者位于REPAIR記錄中，則說明此數(shù)據(jù)包正在傳送過程中，因而主動節(jié)點丟棄該NACK消息。ARM協(xié)議的NACK數(shù)據(jù)包的包頭包含下列域：產(chǎn)生NACK消息的節(jié)點地址、丟失數(shù)據(jù)包的源發(fā)送者地址、組播地址、丟失數(shù)據(jù)包的序號（SN）NACK計數(shù)，以及建議的該數(shù)據(jù)包和NACK消息的緩存TTL。

（3）重傳范圍的限定。ARM的重傳數(shù)據(jù)包與組播數(shù)據(jù)包擁有一樣的頭部，處理方式也基本一樣。不同的是，主動節(jié)點（路由器）依據(jù)訂閱位圖將重傳數(shù)據(jù)包給僅僅傳送那些曾經(jīng)發(fā)送過NACK消息（發(fā)生差錯）的接收者。如果主動節(jié)點中沒有訂閱位圖（可能是已經(jīng)從緩存區(qū)中清除，或主動節(jié)點改變了），則主動節(jié)點僅僅緩存當(dāng)前的重傳數(shù)據(jù)包。如果緩存區(qū)已經(jīng)滿了，則將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到所有下游鏈路。

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的使用中，網(wǎng)絡(luò)扮演中間通道的角色。主動網(wǎng)絡(luò)使得網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可編程，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有計算能力，極大地改善了網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)的能力。主動網(wǎng)絡(luò)的可靠組播技術(shù)可以面對日益多樣化的組播應(yīng)用需求。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的參與有效提高了組播的質(zhì)量和效率，進一步提高可靠組播的性能。

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作者簡介：李詠琪（1975-），女，湖北武漢人，碩士，講師，研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)。

作者單位：湖北廣播電視大學(xué)，武漢 430073