互聯網組播綜述

摘要:本文主要就互聯網組播的分類與發展進行綜述。

關鍵詞:互聯網IP組播應用層組播

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)03(a)-0015-02

誠如著名的計算機科學家Andrew S. Tanenbaum教授所言:“過去的300年中，每個世紀都有一種主流技術”[1]，18世紀是機械時代，19世紀是蒸汽機時代，20世紀則是信息時代。以計算機理論和技術為核心的信息科學的迅猛發展和廣泛應用，正在對人類社會以及人們的工作方式、生活方式和思維方式產生深遠的影響。而作為計算機技術與通信技術緊密結合、優勢互補的創新成果，計算機網絡的出現和快速發展無疑是二十世紀最具代表性的科學與技術奇跡之一。互聯網便是計算機網絡最成功的范例。自1969年美國的ARPA和英國的NPL首次建成分組交換計算機網絡以來，互聯網走過了40多年的建設和發展歷程，其性質已經從最初的覆蓋范圍有限、功能相對單一的小規模試驗網絡，發展成為今天這樣一個由多種計算機網絡組成的、提供多元化服務的全球性巨型信息網絡。

隨著互聯網技術的不斷發展，新型應用的大量涌現以及互聯網商業化趨勢的出現，人們對其應用和服務提出了更多更高的需求，主要包括服務質量保證、網絡安全保障、移動性支持、組播支持、高效資源控制、大規模擴展能力、電信級計費等需求。與此同時，互聯網的商業化又進一步導致其社會化。今天的互聯網已經成為人類信息社會主流的一個重要組成部分。與人類的經濟活動、文化活動、政治活動等類似，社會各個組織、集團或群體除了共同參與互聯網的建設外，往往還因各自不同的甚至相互對立的利益而發生爭斗，從而產生了D. Clark所說的“扭斗”(Tussle)[2]現象。除此之外，現代計算機網絡還面臨著服務定制、資源控制和用戶管理三大難題。研究表明，以上問題都與傳統互聯網體系結構過于簡單有著密切關系。

目前，互聯網的服務提供方式正在從核心路由器(網絡層)向端系統(應用層)遷移。在這種趨勢下，基于應用層技術的應用層網絡(亦稱覆蓋網絡)技術正在迅速興起。該技術的主要思想是由位于核心網絡之上且分布于網絡邊緣的端系統來構建虛擬網絡并提供特定服務，其最大的優勢在于無需改變底層網絡通信基礎設施，部署靈活方便，投入產出比高。目前已經提出了一系列應用層網絡服務的解決方案[3][4]，其中，組播服務作為一個關鍵的研究領域受到了廣泛關注與討論。

1 組播

在計算機網絡技術不斷發展的過程中，FTP、HTTP、SMTP等傳統網絡服務已經越來越難以滿足人們對信息業務的需求，以視頻點播、遠程教育、網絡多媒體新聞、多方在線游戲等為代表的新型網絡應用正在人們的日常生產和生活中扮演著日益重要的角色。這類應用的一個共同特點是:數據報文在一個組內以一對多或者多對多的形式進行傳輸。如果采用傳統的點對點單播(Unicast)方式，數據發送者就必須維護每個接收者的信息，向它們單獨發送數據報文。當接收者數目很多時，發送者必須要有很高的數據傳輸速率。另外，相同的數據報文可能在同一個鏈路上重復傳輸，消耗了大量的網絡帶寬。因此需要一種專門的組傳輸機制處理此類問題，這就是組播(Multicast)。與單播不同的是，組播中數據報文的拷貝由具有組播功能的中間系統來完成，因此節省了大量的網絡通信資源，提高了通信效率。

早在1988年，S. Deering博士就提出了IP組播機制。這是最早、最有效的組播傳輸機制。在IP組播中，每組會話都通過一個組播地址([IPv4]: 224.0.0.0～239.255.255.255; [IPv6]: FF::)標識，即每個組播組對應一個組播地址。于是發送方只需要向相應的組播地址傳輸一次報文，就可以保證所有的組成員都收到這個報文。這種方式避免了在鏈路上傳輸重復報文，從而節省了網絡帶寬，可實現高效的組播通信。IP組播包括兩類基本協議:組管理協議和組播路由協議。一種流行的IP組播體系結構一般是基于IGMPv3、DVMRP、MOSPF、PIM-SM和MBGP這些協議構建的。

盡管人們在IP組播的研究方面傾注了大量時間和精力，但是從目前互聯網中的應用情況來看，IP組播并沒有獲得預期的成功。較為典型的應用基本上都屬于試驗性質的局部范圍的部署，全互聯網范圍內的部署尚未實現[5]。

IP組播難以在互聯網上有效部署的困境引發了人們對“網絡層是否是部署組播功能的最佳層次”這一問題的反思，而近幾年來興起的應用層網絡技術則為該問題的解決提供了新的思路。研究人員開始嘗試借鑒IP組播的基本設計思想，在應用層建立組播機制作為替代，進而提出了應用層組播的概念。在應用層組播體系結構下，網絡層仍采用IP單播進行數據傳輸，組播的相關功能模塊(包括組管理、成員管理、報文復制、數據轉發等)均在終端主機上實現。端系統節點之間通過一定的應用層組播協議和算法構成一棵應用層組播樹，數據源點沿著該組播樹向數據接收節點發送數據，每個非葉子接收者在接收數據的同時還要向其兒子節點繼續轉發。

應用層組播保持了互聯網原有的簡單、不可靠、單播的轉發模型，相對于IP組播來說，其優勢主要體現在易于部署、擴展性好、靈活性高等方面。然而，要使其最終成為替代IP組播的切實可行的方案，還必須解決好傳輸高效性、組播可靠性、控制開銷等方面的問題。

2 結語

上世紀90年代以來，互聯網逐漸從一個規模較小、功能單一的科研試驗網絡發展成為一個提供多元化服務的商業網絡。如今隨著技術的快速發展和商業化進程的不斷演進，全球網絡用戶數已經達到空前規模，互聯網成為人類信息社會主流的一個重要組成部分。為滿足人們日益增長的生產、生活需要，大量的新型網絡應用應運而生，其中，以視頻點播、視頻會議、遠程教育、網絡電視和在線多方游戲等為代表的流媒體組播應用成為廣受用戶歡迎的業務之一。IP組播由于多方面的原因，很難在互聯網上部署成功，而應用層組播無需改變下層網絡基礎設施，易于實現、部署靈活，因而成為近年來網絡組播領域研究的熱點。

參考文獻

[1]Tanenbaum A S.計算機網絡[M].第4版.潘愛民譯.北京:清華大學出版社，2004.1-2.

[2]Clark D D，Wroslawski J，Sollins K R，et al.Tussle in Cyberspace:Defining Tomorrow’s互聯網[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.