基于H.323的多点视频会议系统的研究与实现

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3.0 李琳琳 2024-10-14 136 4 1.79MB 62 页 15积分

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摘要

随着Internet和计算机技术的飞速发展，Internet中的用户和应用表现出了新的特点：

端用户的计算能力不断增强与之相对应的应用需求也发生了变化，其中最显著的是多媒体业

务如流媒体，视频会议和视频点播等应用日益广泛。这类应用通常具有一对多，多对多的通

信特点，同时要求网络提供服务质量的保证。目前IP组播的服务模型和协议存在着一些不足

使得它至今没能在Internet上得到广泛的部署。在IP组播无法满足应用需求的情况下，人们

开始把目光转向充分利用Internet端用户的计算资源，在应用层上实现组播服务。

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，

如组播树的构建，数据包的复制与分发等。从而摆脱了传统的IP组播对路由器的依赖，充分

发掘端用户的计算资源，并且可以灵活的添加各种功能。

本论文主要研究了面向单源流媒体非交互式应用的应用层组播系统。首先在充分分析已

经提出的各种应用层组播协议的基础上，依据本论文所研究的应用背景对已经提出的协议作

出了相应的改进使其满足本应用的需求，并对其进行了仿真分析。其次，设计并实现了基于

这个协议的原型系统，该系统实现了组播组的创建，组播组的加入和退出以及节点失效的处

理，同时对其性能在局域网中进行了测试。本论文的主要工作有：

(1) 阅读了大量国内外与应用层组播相关的文献资料，分析它与IP组播相比具有的优势，

对现有的应用层组播系统进行研究分析，归纳并总结了他们各自的特点及存在的问题。

(2) 在分析现有应用层组播协议的基础上，提出了一个针对非交互式流媒体应用的改进型

应用层组播协议－SSALMP，该协议主要解决了在带宽异构的情况下待加入节点如何

选择合适的父节点的问题。

(3) 对于提出的改进型协议进行了仿真分析，并与其他已经提出的协议进行了比较，说明

了它的优点。

(4) 实现了基于改进型协议的应用层组播原型系统，其中提出了消息优先级的方法大大提

高了系统的响应速度。

(5) 对原型系统在局域网中进行了测试，主要测试内容包括组播组的创建，组播组的加入

和退出以及节点失效的处理，测试结果表明原型系统基本达到了设计要求。

关键字

应用层组播组播树动态哈希路由 Freepastry JMF

摘要

Abstract

With the high speed development of Internet technology and computing

technology, applications and users in the Internet appear new characters, end-system

u s e r ’s c o m p u t i n g a b i l i t y i n a c c o r d i n g w i t h t h e n e e d o f a p p l i c a t i o n h a v e c h a n g e d ,

especially the service of multimedia, for example streaming media, video conference,

and vod are becoming more and more widely used. This type of application have

some common communicate characters of one to one or more to more, at the same

time, network is asked for to provide QOS restrictions. At present, the service model

o f I P m u l t i c a s t a n d p r o t o c o l h a v e s o m e d e f i c i e n c y w h i c h m a k e i t n o t b e w i d e l y

applied in the Internet. Under this condition, people change their research work to how

to as far as use the computing resource of end-user’s system in the Internet, and try to

realize application layer multicast.

Application layer multicast changes multicast function from routers to end-systems.

End-system is to be used to realize all communicate functions of multicast group, for

example, the construction of multicast tree, copy and distribute of data packet

a n d s o o n. I n t h i s w a y , i t d i s p o s e s t h e b u n d l e o f d e p e n d i n g o n r o u t e r s w h i c h

traditional IP multicast must be need, computing resource are fully excavated and all

kinds of functions can be added flexibly.

T h i s p a p e r m a i n ly s t u d i e s i r r e c i p ro c a l a p p l i c a ti o n l a y e r m u l t i c a st s y s t e m f a c i n g

single source streaming media. Firstly, on the analyze of all kinds of application layer

multicast protocols which have been proposed , a mended protocol is to bring forward

,also we analyze it by simulation. Secondly, archetypal system are designed based on

this new protocol. In this system, we realize the construction of multicast group, join

a n d l e a v e m u l t i c a s t g r o u p a n d t h e d i s p o s e o f n o d e f a i l u r e . A t l a s t , w e t e s t t h e

performance of this system in LAN.

Keywords

Application Layer Multicast Multicast Tree Dynamic Hash Routing

Freepastry JMF

目录
第一章  研究背景..........................................................................................................................1
1  IP组播技术简介[1]...........................................................................................................1
1.1  IP组播的服务模型...............................................................................................1
1.2  IP组播的体系结构[2]............................................................................................2
1.3  IP组播路由协议分类[3]........................................................................................2
1.4  IP组播面临的问题...............................................................................................3
2  应用层组播[4,5].................................................................................................................4
2.1  应用层组播的研究现状.......................................................................................4
3  论文内容及相关工作......................................................................................................5
4  论文结构.........................................................................................................................5
第二章  应用层组播协议分析.......................................................................................................7
1  集中式算法....................................................................................................................7
2  分布式算法....................................................................................................................8
2.1  网格优先法..........................................................................................................8
2.2  树优先算法..........................................................................................................9
2.3  隐式法..................................................................................................................9
2.4  P2P路由方式........................................................................................................9
3  典型应用层组播系统分析............................................................................................10
3.1  ALMI(Application Level Multicast Infrastructure) [6].........................................10
3.2  HMTP(Host Multicast Tree Protocol) [11].............................................................11
3.3  Scribe[14]..............................................................................................................12
3.4  i3 (Internet Indirection Infrastructure) [15]............................................................13
4  应用层组播性能的评价标准[10]....................................................................................15
5  现有应用层组播协议的综合分析................................................................................15
第三章 单源流媒体组播协议SSALMP.....................................................................................18
1  协议实现的底层支持－Pastry [16].................................................................................18
1.1  Pastry节点的状态信息.......................................................................................18
1.2  Pastry节点间的通信机制...................................................................................19
1.3  Pastry节点的加入和失效恢复机制...................................................................20
2  网络模型与协议约束条件的描述................................................................................20
2.1 覆盖网络模型......................................................................................................20
2.2 约束条件描述......................................................................................................21
3  SSALMP协议的内容....................................................................................................22
3.1 创建组播组.........................................................................................................22
3.2 加入组播组.........................................................................................................22
3.3 离开组播组.........................................................................................................24
3.4 节点失效的处理..................................................................................................24
3.5 组播树结构的优化..............................................................................................25
4  算法复杂性分析...........................................................................................................26
5  SSALMP协议的仿真研究和分析................................................................................27
5.1 仿真指标.............................................................................................................27
                                          IV

5.2 仿真内容.............................................................................................................28
5.3 关于协议中优先级的几个问题..........................................................................32
第四章 面向非交互式应用的应用层组播原型系统的实现......................................................34
1 开发工具简介................................................................................................................35
2 原形系统的体系结构.....................................................................................................35
3 Pastry中的API简介[16]...................................................................................................36
4 原型系统中各模块的实现.............................................................................................37
4.1 组播树管理模块..................................................................................................37
4.2 报文处理模块......................................................................................................38
4.3  Freepastry模块....................................................................................................41
4.4 媒体数据收发模块..............................................................................................42
4.5 媒体编码转换模块..............................................................................................47
4.6 本地转发模块......................................................................................................48
4.7 媒体数据传输与控制报文传输..........................................................................48
第五章 原型系统测试.................................................................................................................50
1 运行环境的建立............................................................................................................50
2 测试目标........................................................................................................................50
3 测试结果........................................................................................................................51
第六章 结束语.............................................................................................................................54
1  论文总结.......................................................................................................................54
2  未来的工作...................................................................................................................54
参考文献......................................................................................................................................55
致谢..............................................................................................................................................57
                                          IV

第一章研究背景

随着Internet和计算机技术的发展，Internet中的用户和应用表现出了新的特点：具体表

现在，端用户个人计算机计算能力的不断增强和与之对应的应用需求的变化。如今个人计算

机的计算能力、存储能力、接入带宽都有了飞速的提高。举例来说，如今一台个人计算机的

计算能力已超过当年美国登月飞船上所有计算机计算能力的总和。而全球个人计算机的数量

也在飞速增长。截至2004年底，全球互联网用户的数量已达到7亿。随着计算机计算能力的

不断增强，用户已经不再满足于仅仅在Internet上浏览网页，收发邮件等基本功能。新出现

的一类应用需求包括在Internet上进行实时的音视频交流，网络直播和交互式游戏等。这类

应用通常具有一对多，多对多的通信特点，同时要求网络提供服务质量保证。

传统的IP组播方案是针对一对多，多对多的通信模型而设计的。然而由于IP组播方案的

技术性问题(包括组管理，组地址分配，安全组播，QOS等问题)和IP组播所带来的市场问题

(包括路由器换代成本，ISP间组播管理的成本)，使得IP组播方案在提出10年以后仍然没有

在Internet上成功的部署起来。因此在IP组播难以部署，无法满足新出现的应用需求的情况下

需要寻求新的方案和技术，来满足应用的需求。

1.1 IP组播技术简介[1]

在IP网络上，主机之间的通信可采用三种方式：单播、广播和组播。在IP组播方式中，

不论组成员数量的多少，数据源只发送一次数据包，并且组播只向那些需要数据包的主机和

网络发送包，在共享链路上，相同的信息只需要一个组播流，从而能够很好的控制流量，减

轻主机和网络的负担，节省了宝贵的网络带宽。图1.1显示了在单播与组播两种通信模式下

对于“一点发送、多点接收”应用的实现方式。

(a) 单播 (b) 组播

图1.1 单播与组播

1.1.1 IP组播的服务模型

IP组播是一种开放的服务模型，模型中具有发送者和接收者两个概念。主机通过IGMP

报文与本地路由器交互，成为接收者。发送者只需将报文的目的地址指定为多播组地址就可

实现组播数据发送。IP组播使用D类IP地址作为组地址。

IP组播没有提供相应的技术用来限制用户创建一个组播组，接收组中的数据和向组发送

数据。它不提供任何的访问控制，为了收到一个组播组的数据，用户只需用IGMP协议与本

地路由器联系。当一个主机变成组播组的接收者之后，它可以收到组播组中的所有数据报文

而不管数据报文的发送者是谁，是否是恶意的发送者。发送者不需要成为组的接收者，只需

将报文的地址指定成组播组地址，就可以实现向组播组发送报文。发送者不能对自己使用的

组地址进行保留，也不能限制别的用户使用与自己相同的组地址发送数据。

东南大学硕士学位论文第一章研究背景

总之，IP组播服务模型没有提供完善的组管理功能。IP组播数据报文底层传输使用

UDP协议，提供尽力而为的服务，没有可靠性的保证。IP组播传送功能是通过在相应的网络

设备上运行组播路由协议实现的。

1.1.2 IP组播的体系结构[2]

图1.2右侧部分给出了当前IP组播的体系结构。体系结构自上而下分为四个层次，最低

层为域间路由层，实现跨域的组播路由，采用的协议有MSDP和BGMP。上一层为域内路由层，

实现域内的组播路由，即我们通常说得组播路由协议，目前IP组播路由协议主要有

DVMRP(距离向量组播路由协议)、MOSPF(开放式组播最短路径优先协议)、CBT(有核树)、

PIM-DM(协议独立组播-密集模式)、PIM-SM(协议独立组播-稀疏模式)等。

图1.2 组播的体系结构

第三层是主机—路由器之间的交互协议IGMP。最上层是主机服务层，包括了组播地址

分配机制，组播会话目录协议，实时传输协议等。

1.1.3 IP组播路由协议分类[3]

IP组播路由协议通常指域内组播路由协议，这些协议可以分为两类：一类是用于稠密模

式的组播路由协议，另一类是用于稀疏模式的组播路由协议。

稠密模式假定组播组成员密集的分布在网络中，几乎所有的子网都有组成员。稀疏模

式假定组播组成员稀疏的分布在网络中。由于稠密模式假定几乎所有的子网都有组成员，因

此通常允许协议消耗较多的带宽和控制开销，包括路由器状态开销和控制开销，通常采用广

播技术将组播数据推向网络中的所有路由器。稀疏模式则考虑尽可能减少不必要的带

东南大学硕士学位论文第一章研究背景

宽消耗和其他控制开销，通常依赖于某种路由选择技术来建立组播树，而不是使用广播技

术。

稠密模式的IP组播协议通常构造基于源的组播树，稀疏模式的IP组播通常构造共享组播

树。基于源的组播树对于组播组中的每一个源，都要构造一颗组播树；共享组播树是整个组

播组共享一颗树，组内的所有源都使用这颗树。

基于源的组播树的IP组播路由协议有DVMRP，MOSPF，PIM-DM；共享组播树的IP组

播路由协议有CBT,PIM-SM。

DVRMP协议使用“反向路径广播”(Reverse Path Broadcasting)机制，结合泛洪与裁剪

技术来构建组播树，反向路径广播保证构造的多播树中不会出现环，并且源到每个接收者都

是最短路径。

CBT协议只构建一颗树给组中所有成员共享，这颗组播树也就称之为共享树。整个组

播组的组播通信都在这个共享树上进行，而不论发送源有多少或者在什么位置。

1.1.4 IP组播面临的问题

目前IP组播的服务模型和协议存在着一些问题，使得IP组播至今没能在Internet上得到广

泛部署。一方面，从ISP的角度来看，目前IP组播不能很好的适应商业应用的需求,具体有以

下几点：

(1) 组播数据包的复制和转发都需要路由器的参与才能完成，这就需要路由器支持组播功能

如果现有的路由器不支持组播，就需要更换设备，这样就增加了商业的运营成本。

(2) 一些使用共享树的组播路由协议，如PIM-SM和CBT的ISP面临跨域组播管理的问题：

如果RP和其他组播源点不在同一个域内，难以进行流量控制和拥塞控制；ISP对其他域

中的RP没有控制能力；当要进行跨域组播服务时，ISP之间必须进行协调，因此只有当

应用组播所节省的带宽大大超过它的实施代价时才具有商业价值。

另一方面，IP组播服务模型还存在一些有待解决的技术问题：

(1) IP组播要求路由器保存每个组的状态，这样带来了巨大的复杂性，同时也限制了系统

的可扩展性。

(2) IP组播服务模型没有完善的组播组管理机制，如缺乏组创建的管理，没有对接收者和数

据发送者的权限认证机制，发送者可以随意的发送数据而不需要任何的身份验证和注册

工作，主机可以随意的加入和离开组播组，发送者也不能阻止其他发送者使用相同的组

播地址，从而无法避免组地址的冲突和恶意的攻击。

(3) 组播服务质量问题。IP组播基于UDP协议，只是提供一种尽力而为的服务，要想在它之

上实现更高质量的服务，例如拥塞控制和流控制等这些功能，比在IP单播上实现要困难

的多。

(4) 可扩展性差。IP组播要求路由器保存每个组播组的状态信息，而这些D类地址不能很好

的聚合，组播组的数量一旦增加，必然增加路由器的存储和处理开销。

(5) 缺乏灵活、可扩展的地址分配机制。节点不能有效的发现一个立即可用的组播地址，而

是随机选取一个来使用，这样随着组数目的增加，组播地址冲突的可能性也随之增大。

使用D类地址作为组播地址，面临着地址空间耗尽的问题。

(6) 域间组播路由协议对组播技术大规模实施具有重要的作用，它使ISP可以将他们的网络

互连，同时隐藏各自的网络拓扑结构。但是，IP组播还没有成熟有效的域间组播路由协

议。

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摘要：

摘要摘要随着Internet和计算机技术的飞速发展，Internet中的用户和应用表现出了新的特点：端用户的计算能力不断增强与之相对应的应用需求也发生了变化，其中最显著的是多媒体业务如流媒体，视频会议和视频点播等应用日益广泛。这类应用通常具有一对多，多对多的通信特点，同时要求网络提供服务质量的保证。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能在Internet上得到广泛的部署。在IP组播无法满足应用需求的情况下，人们开始把目光转向充分利用Internet端用户的计算资源，在应用层上实现组播服务。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，如组播树的构...

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